基于STM8S103F3P6的超声波测距仪设计_interface stm8s103f3p6 with hc-sr-04

常用的非接触式测距的方法有红外线、激光、超声波等 1^ 。红外测距的优点是安全、便宜、缺点是精度不够高、且方向性差。激光测距精度虽较高，而且操作相对简单，但后期维护麻烦、并且易受环境影响 6] ；将超声波利用在测距上有许多优点。超声波指向性好，可在空气、液体或固体中传播，在介质中的传播速度比较恒定；传播时间较长，易于检测往返时间；电磁波对其影响小；对光线敏感度小，可在工作没有光线和空气混浊等恶劣环境；超声波传感器已有许多集成方案、结构简单、成本低，使用方便 [7] 。所以超声波测距得到更多人们的重视，被广泛运用于各个需要测距识别的场合，遍布各行业领域与日常生活。例如，液位测量、机器人避障、建筑测量、自动化加工装配、汽车倒车等领域 [8] 。

面对多元的市场需求以及精益求精的测量性能要求，如何打破许多实际应用的局限性和提高测距精度、减小测量盲区是当前超声波测距设备研究的重点所在。本设计MCU选用功耗低、体积小、性价比高、频率高（最高可达24MHz）的STM8系列芯片 [9] 。使用MCU内部的定时器计时，更准确的捕捉超声波传播时间，并添加温度补偿等以提高测距精度 [10] 。体积小、结果显示直观等特点更适用于各种场合。

1.2 设计的主要任务

本毕业设计的主要任务是设计一款以STM8单片机为核心的用于测量距离的超声波测距仪，测量距离在5cm到400cm、精度为1cm，测量结果可以显示在OLED屏幕上；并可以通过蜂鸣器、LED灯提示预警，此外还可以通过按键控制预设预警值；加入温度传感器测量实时温度，用软件进行温度补偿，以提高测量精度。主要完成的工作有阅读相关文献，查找一些参考资料，分析现有产品的优缺点。根据设计要实现的功能确定出大概的硬件框架，自学Altium Designer软件后绘制本设计的原理图、LAYOUT，打板焊接元件，测试硬件无误后开始编写、调试、优化程序。最后测试实物性能数据并总结分析。论文各章节安排如下：第一章绪论介绍了设计研究内容、背景及意义，介绍了设计的主要研究内容以及完成了哪些工作，第二章简单介绍了超声波的一些基本理论和测距的基本理论；介绍设计的总体框架和介绍主要器件特性。第三章详细地介绍与分析设计的硬件电路，第四章介绍程序的设计。第五章介绍了对设计出的实物进行调试，对遇到的问题的解决方法以及测试结果，第六章是对整个设计的总结与展望。

2 超声波测距基本理论及总体架构

2.1 基本知识

2.1.1 超声波特性

超声波是频率高于20KHZ的声波，物质振动产生声波，声波的传输需要介质。超声波属于声波，所以也具有声波传播时反射、折射、衍射等基本物理特性。而且传播时也具有良好的束射性、方向性；具有穿透性强、衰减小、反射能力强的特点 [11] 。

按照质点振动方向与波的传播方向超声波可分为纵波和横波，横波只可以在固体介质中传播。固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时便会产生表面波，质点对应的进行纵横向的往复运动。质点振动产生的波动只能沿固体介质表面传播。

超声波传播的速度c，跟介质有很大关系。忽略空气中的灰尘悬浮物和水蒸气等的影响，超声波空气里传播的介质为气体，气体只能传播纵波。气压气温、环境湿度等因素会影响超声波的传播速度，其中温度的影响最大，一般情况下温度每变化1摄氏度，声速变化0.607m/s [12] 。几种不同温度下的声速如下表2-1所示。

表2-1 声速随温度变化表

温度（℃）	-30	-20	-10	0	10	20	30	50
声速（m/s）	313.3	319.9	325.5	331.5	337.6	344.0	349.1	361.5

考虑温度对声速的影响，在空气介质中，超声波的传播速度c可修正为：

式中，T表示当前温度值，单位为摄氏度。

2.1.2 超声波传感器

超声传感器也叫超声换能器，按照原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。压电式超声换能器的使用比较广泛。压电式超声波是利用逆压电效应产生超声波，而对超声波接收是利用正压电效应原理。

2.1.3 超声波测距原理

超声波测距有渡越时间检测法。相位检测法、声波幅值检测法等。相位检测法的原理将发送的超声波信号作为参考信号，将接收器的输入进行采样并跟参考信号进行比较，对比其峰值出现的时间点。目前使用这种方法测距的精度高，但算法程序较复杂，实时效果不好、测量范围有限。根据超声波在空气中传播会衰减的特性的原理，可以检测接受到的信号的幅值，对往返时间差做一个判断，这种方法抗干扰性差，测距精度不高。渡越时间检测法是通过检测发出信号与接收信号过程的时间差，并根据声速的传播速度去测量计算，这种工作方式软硬件都比较简单、成本价格低，可测量范围大。但渡越时间法在短距离范围内会有一定的盲区。

经综合考量，本设计选用渡越时间法作为测距方法。检测从发射传感器发射超声脉冲，经气体介质传播遇到物体被反射回来，并被另一只探头所接收超声波的时间差, 即渡越时间。测量原理图如下图2-1所示。

图2-1 渡越时间测量原理图

式中，S表示探头与测量目标的距离，c表示声速，t表示渡越时间。

又由图中可看出：

式中，L为测量距离。

如果S远大于d，则L约等于S。本设计的两探头的间距很小，可以忽略不计，所以测量距离L=S，这样就能检测距离了。

2.2 总体架构

2.2.1 设计原则

设计一个模块化的产品，要求在使用中安全、准确、稳定，同时也要易于维护更新。电源采用5V直流电源输入、功耗小、电流小，符合人体安全耐受值；设计选用时钟频率较高的MCU、考虑温度补偿、程序上用高精度算法等方面来减小误差，以确保设计的准确性；为了保证可以仪器的长期稳定运行，在设计中选用高于其需要参数的器件，在进行LAYOUT设计时，合理地排版布局排版和注意连线宽细，尽可能加粗电源线与地线的宽度，减少环路。PCB上大面积敷铜，考虑电路散热问题，在PCB