摘 要

超声波测距作为一种非常典型的非接触测量方式，已经广泛运用在生活的方方面面。

本文提出了基于单片机STM32的高精度测距方案，首先对超声波测距的基本原理做出了很详尽的说明，找出了几种可能会对测量产生误差的原因，而且提出了几种方法来进行解决，对比之后采用往返时间检测法来设计系统。随后就系统的硬件设计，软件设计进行了讲解。其中，硬件设计方面包括超声波发射电路，滤波放大电路，温度补偿电路，时间增益补偿电路，电源稳压电路，显示模块。接着详细讲解了软件代码编写的流程，包括设计主程序，温度测量子程序，距离测量子程序，串口显示子程序。最后，在所有的设计结束以后，利用设计出的系统进行了实际的测量，并且对所测量的数据进行了分析，进而可以得出系统的稳定性和准确度，确定是否达到了我们设计的要求。

关键词：超声波测距；STM32单片机；往返时间检测法；时间增益补偿；稳定性

Abstract

Ultrasonic ranging is a very typical way of non-contact meas-urement, which has been widely used in every aspect of life.

In this paper, a high accuracy ranging based on single chip microcomputer STM32 is presented. First of all, the basic principle of ultrasonic ranging has been made a very detailed introduce.The possible cause of error that may occur is analyzed,and the corresponding solutions are proposed.Contrasting with other methods,we use the Round-trip time test to design the system.Then the system hardware and software design is introduced.Hardware design including ultrasonic transmission circuit,filter amplifier circuit,temperature compensation circuits,time gain compensation circuit,power supply voltage regulator circuit,display module and wireless communication module.Software design including the design of the system of the main program,temperature measurement subroutine,distance measurement subroutine,serial display subroutine.Finally, after all the design is finished, we use the designed system to measure the actual distance and analyse the measured data, which can help us to judge the system stability and accuracy, determining whether it has reached the requirement of our design.

Keywords:ultrasonic distance measuring; STM32 Microprocessor; round-trip time test; time gain compensation; stability

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 超声波测距的研究现状 1

第二章 超声波测距的基本原理和测量方案 3

2.1 超声波测距的基本原理 3

2.1.1 超声波简介 3

2.1.2 超声波的传播介绍 3

2.1.3 超声波传感器 4

2.1.4 超声波的测距原理 4

2.2 测量方案 5

2.2.1 系统设计原则 5

2.2.2 系统设计的总体思想 5

2.3本章小结 6

第三章 测距系统硬件设计 7

3.1 主控单片机的选择 7

3.2 超声波的发射电路 7

3.3 超声波的接收电路 8

3.3.1滤波放大电路 8

3.3.2时间增益补偿电路 9

3.3.3 双比较器整形电路 10

3.4 温度补偿电路 10

3.5 电源稳压电路 12

3.6 距离显示模块 13

3.7 本章小结 14

第四章 测距系统软件设计 15

4.1 主程序 15

4.1.1 初始化子程序 17

4.1.2 温度测量子程序 17

4.1.3 距离测量子程序 18

4.1.4 串口显示子程序 19

4.2 峰值检测 19

4.3 本章小结 19

第五章 测距系统的误差分析 20

5.1 系统性能的测量 20

5.1.1 测量目的 20

5.1.2 测量环境及方法 20

5.1.3 测量结果的分析 21

5.2 本章小结 28

第六章 结论与展望 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

在日常的生产生活中,许多情况下如水位的测量，汽车进行倒车时需要进行判断不撞上其他车辆等等这些方面，我们都需要去采用非接触的这种形式进行距离测量。超声波具有很强的指向性，而且能量的消耗是很慢的，同时因为它能够传播较远的距离，所以常常可以用来进行非接触测距。同时，由于我们所研究的主要的应用方面是去测量海冰的融化速度，如果我们采用激光测距，其折射现象较为严重，会影响测量效果，因此要采用超声波测距，可以避免这一情况，提高测量精度。综上所述，在距离测量中，采用超声波进行测量是一个较好的选择。

1.1 课题研究的目的及意义

近几十年来，随着环境污染的加剧，大气温度的升高，北极冰川正在慢慢的融化，人类所面临的挑战越来越严峻，我们迫切需要了解这一问题的严重性，并且及时采取相应的措施。因此，我们首先需要知道的就是冰川的融化速度，所以，在这种情况下，我们便提出了这一课题，进行低温环境下高精度超声波距离的测量，由于冰川的融化本身就属于一个较为缓慢的过程，我们进行测量时必须使测量精度越高越好，才可以使最后计算得到的结果更加准确，比较接近真实值。获得精度较高的距离测量值后，用它除以距离改变所需要的时间，便可以得到冰川融化的速度。采用超声波测量，主要是因为它不会受到北极磁场的影响，同时这一技术如今也在生活里的很多情况下得到运用，再加上许多人都对这一技术进行了研究，使得采用超声波进行测距已经变得非常成熟。我们只需要努力去提高测距的精度并且使其在低温环境下也可以正常使用。

1.2 超声波测距的研究现状

在国内外，人们都对超声波测距表现出了极大的兴趣，花费了许多的精力去研究这一技术。在发表的论文中，研究者对超声波的原理进行了解释，同时给出了较为详细的硬件电路图以及软件的流程图，给实际应用提供了很大的参考价值，使得在实际运用时有了大致的方向，只需要完善细节方面即可，因此这一技术在实际生活的方方面面都已经得到了应用，如液位的测量，移动机器人的精确定位和躲避障碍物等领域都采用了超声波测距这一技术。

当然，目前的研究和应用方面也还存在着许多的问题，如超声波的传播速度会随着温度的改变而改变，是一个不稳定的值，当传播的距离较远时，所接收到的回波的幅值信号会很弱，盲区的存在，混响信号的干扰等等，这些问题有一些已经得到了解决，有些问题人们正在努力地去解决。当然，随着研究的深入，这些问题一定会得到解决，超声波将会更好的应用于我们生活的每个角落。

第二章 超声波测距的基本原理和测量方案

2.1 超声波测距的基本原理

2.1.1 超声波简介

超声波属于我们熟悉的声波的一种，它是一种频率高于20000Hz的声波，同时，它自己本身也是具有能量的，当它在空气中进行传播时，其有非常好的方向性，而且它所能够传播的距离也是非常远的，同时，由于它的波长很短，所以具有很差的衍射性能。所以，对于测距而言，采用超声波来进行测量是一个很好的选择，尤其是在进行海冰融化速度的测量时，考虑到激光的折射问题，我们在此处选择超声波来作为主要的物质去进行测距，是一个非常不错的选择。虽然在日常的生活中，激光测距的精度会高于超声波测距的精度，但在对海冰的融化速度进行测量时，超声波的测距精度会更高一点。

2.1.2 超声波的传播介绍

（1）传播速度