超聲波測距是一種典型的非接觸測量方式。超聲波在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強。且超聲波測距系統結構簡單、電路易實現、成本低、速度快，所以在工業自動控制、建筑工程測量和機器人視覺識別等領域應用非常廣泛。
超聲波測距一般采用渡越時間法。超聲波測距的實質是時間的測量，即：用超聲脈沖激勵超聲探頭向外發射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的超聲波（簡稱回波），通過精確測量從發射超聲波至接收回波所經歷的射程時間t（渡越時間），按下式計算超聲波探頭與被測物體之間的距離
S，即

其中，c 為空氣介質中聲波的傳播速度。
在常溫下，超聲波的傳播速度為340 m／ s，但其傳播速度c 易受到空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中溫度的影響最大。一般溫度每升高1 ℃ ，聲速增加約為0.6 m／ s。
本文采用DS18B20 數字溫度計來檢測現場溫度，用以實現波速的校準，因很多文獻對此都有說明，故本文不做深入介紹。

1 系統組成
超聲波測距系統由STM32 單片機、超聲波發射電路、接收電路、放大電路、比較整形電路、測溫電路等組成。系統以STM32 單片機為核心，協調各部分電路工作。STM32 單片機首先發出一系列頻率為40 kHz 的方波， 輸送給超聲波發射電路并激勵出超聲波。超聲波在空氣中傳播，遇障礙物返回，
進入超聲波接收器，然后經過濾波、放大、整形，進入單片機。系統框圖如圖1 所示。

2 硬件設計
2.1 超聲波發射電路
工作原理為： 由STM32 的高級定時器TIM1 輸出兩路40 kHz、占空比為50%的互補的PWM 信號，經過Max232 升壓產生約18 Vpp 來驅動超聲波發射器T40-16， 并激勵出超聲波，每次發射8 個周期脈沖。電路通過三極管Q1 來開、關Max232 的電源，在開始發射前，打開Max232 的電源，待電路
穩定后開始發射，并在發射結束后關斷Max232 電源，這樣設計不僅降低了發射電路對接收電路的干擾，同時也降低了功耗。發射電路如圖2 所示。

2.2 雙比較器整形電路
超聲波發射器發出的超聲束角度是0°到360°，主要集中在0°到±60°，由于安裝殼的阻擋，超聲波不能直接發射到接收器上。但是因為聲波傳輸的特性，聲波會出現未經障礙物反射就直接回到接收探頭被檢測到，造成接收器認為是實際發射收到的回波信號，導致誤報。這種現象就是聲波的衍射
現象，無法避免。衍射信號的幅值隨著超聲波發射探頭和接收探頭之間距離的增大而減小，實際設計過程中不會將測距模塊設計的太大，因此超聲波收、發探頭之間的距離也較小，但是當被測距離L 比較小時， 反射信號的幅值相對于衍射信號大的多，所以設置合適的近距離比較器閾值， 就可以完全屏蔽衍射
波，而只有反射波才能通過。本文對遠、近距離的測量采用不同閾值的比較器。近距離比較器測量2.5～50 cm 的范圍，遠距離比較器測50 cm～4 m 的范圍。回波信號由NE5532 放大， 經比較器LMV331 整形后進入單片機。回波信號經過一級放大后，一路經過近距離比較器LMV331，比較整形后進入單片機。另一路進入增益可控可調的放大電路。其中，NE5532 是一款雙運放、高性能、低噪聲的運算放大器，相比較大多數標準運放，顯示出更好的噪聲性能， 具有相當高的小信號帶寬和電源帶寬。電路如下圖3所示。

2.3 時間增益（TGC）補償電路
超聲波在空氣中傳播時，聲強隨著傳播距離的增加而減小，這就是所說的聲衰減現象，造成衰減的原因是聲束本身的擴散以及聲波的反射、散射等。由于回波信號的幅值隨著被測距離的增大而呈指數規律衰減， 遠距離目標的回波信號幅度小，為了提高測距精度，必須對衰減的回波進行增益補償［6］。
基于此，設計了時間增益補償電路。時間增益補償電路（TGC）通過電子可調電位器改變輸入電阻來實現，如圖4 所示。

其中，MAX5161 是一種具有32 級抽頭的數字電位器，端-端阻值為50 kΩ，具有3 線串行接口，實現阻值的調節。事先把通過實驗獲得的與一定距離對應的放大增益換算成數字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數固化到E2PROM中。在測量過程中，單片機通過查表方式獲得對應的增益，然后通過串行設置對應增益。利用單片機控制數字電位器，電路實現較簡單、增益控制范圍大且補償特性能根據需要進行
調整，充分利用了單片機的軟件資源。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的超声波测距系统的设计实现（基于STM32 ）-硬件部分的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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