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1、 - 5 -基于STM32和US-100的超声波测距仪设计 摘 要：结合嵌入式处理器STM32F103与超声波传感器设计的一种简易的智能超声波测距仪装置，采用ARM内核芯片STM32F103ZET6的32位嵌入式微处理器与带有温度补偿的US-100超声波测距模块实现声波测距。STM32的串口资源相当丰富，能提供5路串口，通过微处理器的串口实现实时显示和TFTLCD显示距离等参数。US-100带有温度传感器，对超声波的声速进行补偿，提高测量精度。关键词：STM32F103；US-100；超声波测距；TFTLCD显示 Design of Ultrasonic Distance Measuremen
2、t Based on STM32 And US-100 Abstract：Combined with the embedded microprocessor STM32F103 and ultrasonic sensor design a simple intelligent ultrasonic range finder devices, using ARM kernel chip STM32F103ZET632-bit embedded microcontroller processor with temperature compensation of US - 100 ultrasoni
3、c ranging module implements sound ranging.STM32 serial port resources rich in serial port can provide 5 road, through the serial port of the microprocessor to achieve real-time display and TFTLCD parameters such as distance.US - 100 with a temperature sensor, to compensate the velocity of ultrasonic
4、 wave, improve the accuracy of measurement.Keywords：STM32F103；US-100；Ultrasonic Distance Measurement;TFTLCD-Showing0 引言 超声波测距是一种典型的非接测量方式。超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强1。且超声波测距系统结构简单、电路容易实现、成本低、速度快，所以在工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等领域应用非常广泛，它具有非接触式测量、精度高、范围宽和安装维护方便等特点2。本设计结合嵌入式处理器与超声波测距模块提供一
5、种超声波测距装置，系统采用嵌入式处理器控制US-100超声波测距模块实现超声波的发送和接受。US-100带有温度补偿，对测量的距离进行校正，提高了测量的精度。结合STM32丰富的串口资源，本装置通过串口2与US-100相互通信，进行超声波的收发和温度补偿，得到测量距离，通过TFTLCD显示；并通过串口1在PC机上实时显示。1 系统总体设计图 1系统总体设计框图Fig.1 Diagram of the overall system design 系统总体设计框图1，可以看到该超声波测距装置由STM32微处理器、US-100超声波测距模块、TFTLCD液晶显示组成。控制器通过控制US-100超声波
6、模块实现超声波的收发，并进行温度补偿提高精度，得到精确的距离数据。再通过控制器自身串口通信向PC机串口实时显示数据和TFTLCD液晶显示的人机交互界面。STM32的高性能、低功耗和高主频等优点给该装置测距实现更加完备。2 硬件设计2.1 主控制模块STM32F103微控制器基于ARM Conex-M3内核的STM32F103ZET6时钟频率可高达72Mhz，提供20KB的RAM、多大128KB的嵌入式闪存和丰富的外设接口，处理速度比同级别的基于ARM7TDMI的产品快30%，产品功耗比同级别低75%3。使用新内核ARM Conex-M3是针对MCU的低成本、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时
7、提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应的需要而推出的。ARM Conex-M3采用纯Thumb2指令高效32位哈弗微体系结构和系统外设，使这个具有32高性能的ARM内核能够实现8位和16位的代码储存密度，几乎把所有应用软件所需内存容量降低了一半。由于ARM Conex-M3的架构和丰富的外设组件，使得它也适用于要求高度集成和低功耗的嵌入式场合42.2 US-100超声波测距模块 US-100超声波测距模块可实现2cm4.5m的非接触测距功能，拥有2.4V5.5的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA,自带温度传感器对测量结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。
8、有串口触发测距和电平触发测距两种方式。本设计采用串口触发测距，在此模式下只需要在TX管脚输入0X55（波特率9600），系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还要进行温度值测量5，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将矫正后的结果通过RX管脚输出。US-100超声波模块的引脚图如下：1脚接电源VCC，2脚接STM32F103ZET6的PA2，3脚接PA3，4脚接地即可。图 2 US -100超声波测距模块图Fig.2 US - 100 ultrasonic ranging module chart2.3 TFTLCD液晶显示设计 利用微处理器STM3
9、2开发板上的LCD接口来点亮TFTLCD，并实现ASC字符和彩色的显示等功能，并在串口打印LCD控制器ID，同时在LCD上显示。开发板上的TFTLCD采用位的并方式与外部链接，之所以不采用位的方式，是因为彩屏的数据量较大，尤其是在显示图片的时候如果用位数据线就会比位方式慢一倍以上，为了显示提高显示速度，所以选16位的接口6。TFTLCD液晶显示模块接口图如下： 图 3 TFTLCD模块接口电路图Fig.3 TFTLCD module interface circuit diagram2.4 RS-232串行通信模块接口设计 微处理器STM32通过串口和上位机对话，STM32在收到上位机发送来的
10、字符串后，原原本本的返回给上位机。本系统采用串口触发的方式进行超声波测距，把采集的距离通过串口1发送给上位机实时显示，对超声波模块的数据采集需要重新配置串口2，实现串口2与US-100之间的通信，再通过TFTLCD显示测的的距离。3 软件设计系统以STM32单片机为核心，实现对各部分的控制和响应。由于系统采用的ARM Conex-M3处理器集成调试功能，可实现快速验证支持多种开发功能。结合具有Thumb-2功能强大的指令集，可只使用C语言编程（包括复位、中断、异常处理），不需要模块转换，不需要汇编程序的软件管理，系统中软件部分采用模块化设计，若干个小的程序或模块，分别进行独立设计、编程、测试、
11、和查错，最后连成1个完整的应用程序，对每一个外设都有相应的例程，可以方便的进行移植7。系统软件采用模块化设计，主要包括主程序、串口中断子程序两个模块。系统中主程序合理结合中断子程序，使设计更加简单，并且主频消耗低，速度快。主程序控制处理器送入0X55数据，采用串口触发的方式测距，得到触发信号，进入中断子程序。发射8个40KHZ的超声波脉冲，检测回波信号。当检测到回波信号后，US-100自带温度补偿功能对测量的数据进行校正，提高了测量精度，然后通过串口送给电脑实时显示距离，并且在主程序中对测的距离进行液晶显示，具有距离小于150mm时的蜂鸣器报警功能，另外可以在TFTLCD上显示使用状态。该设计
12、还可以综合利用在智能家居的智能系统中，可以用于容量探测，实时掌控；也可以用于车载倒车和避障系统中。超声波测距具有很多实际应用，在各种智能系统中都有它的声影。软件运行流程如下： 图 4 主程序 图 5 串口中断程序Fig.4 main program Fig.5 A serial port interrupt program /*主程序（程序入口）*/ int main(void) int distant; u8 x=0;u8 temp12; /存放LCD ID字符串delay_init(); /延时函数初始化 NVIC_Configuration(); /设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级
13、，2位响应优先级uart_init(9600); /串口1初始化为9600uart_init_2(9600); /串口2初始化为9600 LED_Init(); /LED端口初始化BEEP_Init(); /初始化蜂鸣器端口LCD_Init();POINT_COLOR=BLUE; while(1) USART_SendData(USART2,0x55); /向串口2发送数据0X55输入到TX端口 delay_ms(4000); /延时 LED0=!LED0; LCD_ShowString(30,110,200,16,16,temp); delay_ms(2000); LCD_ShowStrin
14、g(30,50,200,16,16, RANGING);if(distantDR);/读取接收到的数据 if(flag%2=0)globe1=Res;flag+;elseglobe2=Res;distant=globe1*256+globe2; /距离计算公式delay_ms(40000);printf(The distant is:%dcmn,distant); /串口1显示距离flag+;LCD_ShowString(50,130,200,16,16,distance:); LCD_ShowNum(120,130,distant,4,16);/液晶显示距离if(distant150&dis
15、tant!=0)BEEP=1;LED1=0;LCD_ShowString(30,90,200,16,16,FULL);elseBEEP=0; LED1=1;LCD_ShowString(30,90,200,16,16,USED); 4 结论本设计以ARM Conex-M3内核微控制器为超声波测距的控制核心，再结合带有超声波收发和温度补偿的US-100超声波测距模块简化了电路和开发环境。利用STM32中断子程序优化了软件编程，使系统运行内存更小，功耗更低；US-100进行的温度补偿减小了误差，提高了精度，在近距离测量范围内，该设计可达到mm级。该装置具有很好的实用性。参考文献： 夏晨，李朴.反应
16、釜设计及其温度控制系统J.化工自动化及仪表，2004,31（1）:66-69 时德刚，刘哗。超声波测距的研究J.计算机测量与控制，2002，9（10）：31-33 陈文凯，张根宝，张震强.基于ARM Conex-M3内核微控制器的智能锤式料位检测系统.计算机测量与控制,2008,16(11):1564-1566 刘玉梅,张清志.基于超声波测距装置的节能装置设计J.仪表技术与传感器，2009（20）：109-110 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析J.传感器技术，2004，3（4）：17-20 林志刚，曲建中.彩色薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）基本原理与动态.山东电子，1999，11（2）：33-38 张根宝，李秀平，庞苏娟.基于ARM Conex-M3便携式智能超声波液位计.仪表技术与传感器,2012(20):29-32