基于LTC1609的高精度超声测距系统设计
《2024年基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》范文
《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的不断发展，高精度测距技术广泛应用于机器人、智能家居、无人驾驶等领域。
本文旨在设计一个基于STM32单片机的高精度超声波测距系统，该系统通过超声波测距原理，实现对目标物体的精确测距。
二、系统设计要求1. 高精度：系统应具备高精度的测距能力，误差应控制在一定范围内。
2. 稳定性：系统应具有良好的稳定性，能够在不同环境下保持稳定的测距性能。
3. 实时性：系统应具备实时测距功能，能够快速响应并输出测距结果。
4. 易于集成：系统应易于与其他设备进行集成，方便实际应用。
三、硬件设计1. 主控制器：采用STM32单片机作为主控制器，负责整个系统的控制与数据处理。
2. 超声波传感器：选用高性能的超声波传感器，实现测距功能。
3. 电源模块：为系统提供稳定的电源，保证系统的正常工作。
4. 通信接口：根据实际需求，可扩展串口、I2C、SPI等通信接口，实现与其他设备的通信。
四、软件设计1. 驱动程序设计：编写超声波传感器的驱动程序，实现对传感器的控制与数据读取。
2. 数据处理程序：对读取的超声波数据进行处理，计算目标物体的距离。
3. 实时性处理：采用中断或定时器等方式，实现实时测距功能。
4. 通信程序设计：根据实际需求，编写与其他设备进行通信的程序。
五、系统实现1. 超声波传感器的工作原理是通过发送超声波并接收其反射回来的时间来计算距离。
系统通过STM32单片机的GPIO口控制超声波传感器的发送与接收。
2. 在软件设计中，通过编写驱动程序，实现对超声波传感器的控制与数据读取。
数据处理由STM32单片机进行计算，将读取的超声波数据进行处理，得到目标物体的距离。
3. 为了保证系统的实时性，采用中断或定时器等方式，实现实时测距功能。
当超声波传感器接收到反射回来的超声波时，中断或定时器触发，STM32单片机立即进行数据处理，并输出测距结果。
4. 根据实际需求，可扩展串口、I2C、SPI等通信接口，实现与其他设备的通信。
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《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的不断进步，测量技术在众多领域中的应用日益广泛。
高精度超声波测距系统，以其非接触式、测量速度快和成本低廉的优点，被广泛应用于智能机器人、车辆导航、无人机飞行控制等场景。
本文将详细介绍基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计，包括系统架构、硬件设计、软件设计以及实验结果分析等方面。
二、系统架构本系统采用STM32单片机作为主控制器，通过超声波传感器进行测距。
系统主要由STM32单片机、超声波传感器、电源模块、信号处理模块等部分组成。
其中，STM32单片机负责控制超声波传感器的发射与接收，以及处理测距数据；超声波传感器负责将超声波信号发送出去并接收反射回来的信号；电源模块为系统提供稳定的电源；信号处理模块用于对接收到的信号进行滤波、放大等处理，以提高测距精度。
三、硬件设计1. STM32单片机：选用性能稳定、功能强大的STM32系列单片机作为主控制器，负责控制整个系统的运行。
2. 超声波传感器：选用高精度的超声波传感器，具有灵敏度高、测量范围广等优点。
通过单片机的GPIO口控制传感器的发射与接收。
3. 电源模块：为系统提供稳定的电源，包括电池或外接电源两种供电方式。
4. 信号处理模块：对接收到的超声波信号进行滤波、放大等处理，以提高测距精度。
四、软件设计1. 初始化：对STM32单片机进行初始化设置，包括GPIO口、时钟等。
2. 控制超声波传感器：通过GPIO口控制超声波传感器的发射与接收，发送一定频率的超声波信号并等待接收反射回来的信号。
3. 信号处理：对接收到的信号进行滤波、放大等处理，然后通过ADC（模数转换器）将信号转换为数字信号。
4. 距离计算：根据测量的时间差（即超声波信号往返的时间），结合声速，计算出物体与传感器之间的距离。
5. 显示与输出：将测量的距离通过LCD或LED等方式显示出来，同时可通过串口或蓝牙等方式将数据传输到其他设备。
STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计STM32单片机是一款功能强大的微控制器，它在嵌入式系统和工控领域广泛应用。
其中，高精度超声波测距系统是STM32单片机应用的一个重要方向。
本文将着重介绍这一方向的系统设计。
一、系统设计概述高精度超声波测距系统基于超声波，其原理是测量声波从发射到反射再到回波的时间差，通过声速计算出距离。
本设计采用STM32F103C8T6单片机，外接一个超声波传感器，通过计算出的时间差计算出距离值，并在1602液晶屏上实时显示。
整个系统包括硬件电路和软件部分。
二、硬件电路设计硬件部分主要有超声波传感器、STM32开发板、LCD液晶屏、按键、二极管等组成。
超声波传感器和STM32通过GPIO口连接，超声波传感器的Trig引脚连接STM32的GPIOA12口，Echo引脚连接STM32的GPIOA11，其中Trig为输出，Echo为输入。
STM32还通过GPIO控制LCD液晶屏，LCD的4条数据总线分别连接到STM32的GPIOB3、GPIOB4、GPIOB5、GPIOB6口，而LCD的R、W、E口连接到STM32的GPIOA0、GPIOA1、GPIOA2口，按键通过GPIO口检测按键动作。
为了防止电路反向流，还需要连接1N4148二极管。
三、软件设计软件部分主要包括STM32的程序设计和LCD液晶屏模块设计。
首先，在开发板上使用Keil uVision编写STM32程序，主要包括IO口配置和中断处理，其中中断处理是通过TIM3定时器和输入捕获实现。
然后，通过Keil uVision编写LCD液晶屏模块程序，实现根据输入的距离值实时显示在LCD屏上，并进行滚动显示。
四、测试结果展示经过实际测试，该系统测距范围为2-400cm，精度为1cm。
并且，系统具有超过95％的测距成功率，能够满足实际需要。
图1为实际测试结果展示，图2为系统硬件电路示意图。
五、结论本文介绍了STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计，包括硬件电路和软件设计。
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《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的不断发展，测距技术在许多领域得到了广泛的应用。
为了满足高精度、高效率的测距需求，本文设计了一种基于STM32单片机的高精度超声波测距系统。
该系统利用超声波的传播特性，结合STM32单片机的强大处理能力，实现了高精度的测距功能。
二、系统设计概述本系统主要由超声波发射模块、接收模块、STM32单片机以及相关电路组成。
其中，STM32单片机作为核心处理器，负责控制超声波的发射与接收，并对接收到的数据进行处理和显示。
三、硬件设计1. 超声波发射模块：本系统采用超声波传感器作为发射模块，其工作原理是通过产生高频脉冲信号来驱动超声波发射。
通过选择合适的传感器，可确保测距的准确性和稳定性。
2. 超声波接收模块：接收模块同样采用超声波传感器，用于接收反射回来的超声波信号。
传感器将接收到的信号转换为电信号，供STM32单片机处理。
3. STM32单片机：STM32单片机作为系统的核心处理器，负责控制超声波的发射与接收，并对接收到的数据进行处理和显示。
STM32单片机具有高性能、低功耗的特点，可满足系统的实时性要求。
4. 相关电路：包括电源电路、信号处理电路等，用于为系统提供稳定的电源和信号处理能力。
四、软件设计软件设计主要包括STM32单片机的程序设计。
程序采用模块化设计，包括主程序、超声波发射程序、超声波接收程序、数据处理与显示程序等。
主程序负责控制整个系统的运行流程，发射程序和接收程序分别控制超声波的发射和接收过程，数据处理与显示程序负责对接收到的数据进行处理和显示。
五、系统实现1. 超声波发射与接收：STM32单片机通过控制超声波发射模块产生高频脉冲信号，驱动超声波发射。
当超声波遇到障碍物时，部分能量会反射回来，被超声波接收模块接收。
2. 数据处理：STM32单片机接收到反射回来的超声波信号后，通过相关算法处理，计算出障碍物与系统之间的距离。
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《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言在现代电子技术的迅猛发展中，精确测量距离的设备扮演着重要的角色。
随着人类对于生活环境安全性的关注提升，对于各种设备的精度要求也在逐渐加强。
超声波测距技术以其非接触性、高精度、低成本等优点，在众多领域得到了广泛的应用。
本文将详细介绍基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计。
二、系统概述本系统以STM32单片机为核心控制器，结合超声波测距模块，实现对目标物体的精确测距。
系统主要由STM32单片机、超声波测距模块、电源模块、信号处理模块和显示模块等组成。
通过单片机对超声波模块的控制，实现对目标的精确测距，并通过显示模块实时显示测距结果。
三、硬件设计1. STM32单片机：作为系统的核心控制器，负责整个系统的控制与数据处理。
STM32系列单片机具有高性能、低功耗的特点，能够满足系统对于精确度和稳定性的要求。
2. 超声波测距模块：采用高精度的超声波测距传感器，实现对目标物体的距离测量。
通过超声波的发送与接收，实现对目标的距离计算。
3. 电源模块：为系统提供稳定的电源支持，确保系统的正常工作。
电源模块需考虑到功耗问题，以实现系统的长时间运行。
4. 信号处理模块：对超声波测距模块的信号进行滤波、放大等处理，以提高测距的准确性。
5. 显示模块：实时显示测距结果，方便用户观察与操作。
四、软件设计1. 主程序：负责整个系统的控制与数据处理。
主程序通过控制超声波测距模块的发送与接收，获取目标物体的距离信息，并通过显示模块实时显示。
2. 超声波测距模块控制程序：控制超声波的发送与接收，实现对目标物体的距离测量。
通过计算超声波的发送与接收时间差，计算出目标物体的距离。
3. 数据处理程序：对获取的测距数据进行处理，包括滤波、计算等操作，以提高测距的准确性。
4. 显示程序：将处理后的测距结果显示在显示模块上，方便用户观察与操作。
五、系统实现1. 通过STM32单片机的GPIO口控制超声波测距模块的发送与接收，实现超声波的发送与接收功能。
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《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的不断发展，测距技术在许多领域得到了广泛的应用。
为了满足高精度、高效率的测距需求，本文设计了一种基于STM32单片机的高精度超声波测距系统。
该系统利用超声波的传播特性，结合STM32单片机的强大处理能力，实现了高精度的测距功能。
二、系统设计1. 硬件设计本系统主要由STM32单片机、超声波测距模块、电源模块、显示模块等组成。
其中，STM32单片机作为系统的核心处理器，负责控制超声波的发射与接收，以及处理测距数据。
超声波测距模块采用非接触式测量方式，具有测量精度高、响应速度快等优点。
电源模块为系统提供稳定的电源，保证系统在各种环境下的稳定运行。
显示模块用于实时显示测距结果，方便用户观察。
2. 软件设计软件设计主要包括系统初始化、超声波发射与接收控制、数据处理与显示等部分。
系统初始化包括单片机的初始化配置、模块的初始状态设置等。
超声波发射与接收控制通过单片机的GPIO口控制超声波模块的发射与接收，实现测距功能。
数据处理与显示部分是软件设计的核心，通过单片机的强大处理能力，对接收到的超声波信号进行处理，提取出距离信息，并通过显示模块实时显示。
三、系统实现1. 超声波发射与接收系统通过STM32单片机的GPIO口控制超声波模块的发射与接收。
当系统需要测量距离时，单片机控制超声波模块发射超声波，并等待超声波的反射信号。
当接收到反射信号时，单片机通过计算超声波的传播时间，从而得到距离信息。
2. 距离计算与显示系统通过计算超声波的传播时间，利用声速与传播时间的乘积得到距离信息。
将距离信息通过单片机的UART口发送至显示模块，实时显示测距结果。
同时，系统还具有数据存储功能，可将测量数据保存至SD卡或云平台等存储设备中，方便用户随时查看与分析。
四、系统性能及优点1. 高精度：本系统采用先进的超声波测距技术，具有较高的测量精度，可满足各种应用场景的需求。
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《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的进步和智能化的发展，测距技术在众多领域得到了广泛的应用。
其中，基于STM32单片机的超声波测距系统以其高精度、低成本和易于实现的优点，成为了许多项目的首选方案。
本文将详细介绍基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计，旨在为相关研发人员提供一定的参考。
二、系统概述本系统以STM32单片机为核心，通过超声波模块进行测距。
系统包括超声波发射模块、接收模块、STM32单片机控制模块以及通信接口模块等部分。
其中，STM32单片机负责控制超声波模块的发射和接收，并对数据进行处理和传输。
三、硬件设计1. STM32单片机控制模块：STM32系列单片机具有高性能、低功耗的特点，可满足本系统的需求。
该模块主要完成对超声波模块的控制、数据处理以及与上位机的通信。
2. 超声波发射模块：采用40kHz超声波传感器，通过PWM 信号控制其发射超声波。
该模块包括超声波传感器、驱动电路和发射电路。
3. 超声波接收模块：接收反射回来的超声波信号，并将其转换为电信号。
该模块包括超声波传感器、信号处理电路和ADC （模数转换器）电路。
4. 通信接口模块：通过串口或I2C等接口与上位机进行通信，将测距数据传输至上位机进行显示或处理。
四、软件设计1. 系统初始化：STM32单片机上电后，首先进行系统初始化，包括时钟配置、I/O口配置、PWM配置等。
2. 超声波发射控制：STM32单片机通过PWM信号控制超声波发射模块发射超声波。
当发射一定时间后，停止PWM信号的输出，使超声波发射模块停止发射。
3. 超声波接收处理：接收模块接收到反射回来的超声波信号后，通过信号处理电路将其转换为电信号，并经过ADC电路进行模数转换，将数字信号传输至STM32单片机进行处理。
4. 数据处理与传输：STM32单片机对接收到的数据进行处理，计算出测距结果，并通过串口或I2C等接口将数据传输至上位机进行显示或处理。
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《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的不断发展，人们对精确测量物体距离的需求越来越高。
为此，我们设计了一款基于STM32单片机的高精度超声波测距系统。
该系统结合了超声波传感器、微处理器、电子控制等技术，能够实现远距离、高精度的测距功能。
本文将详细介绍该系统的设计思路、实现方法及性能特点。
二、系统设计1. 硬件设计本系统主要由STM32单片机、超声波传感器、电源模块、信号处理电路等部分组成。
其中，STM32单片机作为核心控制器，负责控制超声波传感器的发射与接收，以及数据的处理与传输。
（1）STM32单片机：选用高性能的STM32系列单片机，负责控制整个系统的运行。
它能够实时控制超声波传感器的发射与接收，对接收到的信号进行处理与分析，以获得目标物体的距离信息。
（2）超声波传感器：采用高性能的超声波传感器，能够发出和接收超声波信号。
传感器通过发射超声波脉冲，根据回声的强弱和时间差来计算目标物体的距离。
（3）电源模块：为系统提供稳定的电源，确保系统在不同工作条件下能够正常运行。
（4）信号处理电路：对接收到的超声波信号进行滤波、放大等处理，以提高测距精度。
2. 软件设计软件设计主要包括系统初始化、超声波信号发射与接收、数据处理与传输等部分。
具体实现方法如下：（1）系统初始化：对STM32单片机进行初始化设置，包括时钟配置、GPIO口配置、中断配置等。
（2）超声波信号发射与接收：通过STM32单片机控制超声波传感器的发射与接收过程。
在发射时，单片机发出控制信号，使超声波传感器发出一定频率的超声波脉冲；在接收时，传感器接收到回声信号后，将信号传递给单片机进行进一步处理。
（3）数据处理与传输：单片机对接收到的超声波信号进行分析与处理，通过算法计算得到目标物体的距离信息。
同时，将测得的数据通过串口或其他通信方式传输至其他设备或进行显示。
三、性能特点基于STM32单片机的高精度超声波测距系统具有以下性能特点：（1）高精度：采用高性能的超声波传感器和先进的信号处理技术，使得系统具有较高的测距精度和稳定性。
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《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的不断发展，测距技术在许多领域得到了广泛的应用。
为了满足高精度、高效率的测距需求，本文设计了一种基于STM32单片机的高精度超声波测距系统。
该系统利用超声波的传播特性，结合STM32单片机的强大处理能力，实现了高精度的测距功能。
二、系统设计1. 硬件设计本系统主要由STM32单片机、超声波测距模块、电源模块、显示模块等组成。
其中，STM32单片机作为系统的核心控制器，负责控制超声波测距模块的发送和接收，同时处理和显示测距结果。
超声波测距模块采用非接触式测量方式，通过发射超声波并接收其反射回来的时间差来计算距离。
该模块具有体积小、测量速度快、精度高等优点。
电源模块为系统提供稳定的电源，保证系统在各种工作环境下都能正常工作。
显示模块用于显示测距结果，方便用户查看。
2. 软件设计软件设计主要包括系统初始化、超声波测距模块控制、数据处理与显示等部分。
系统初始化包括对STM32单片机的时钟、中断、I/O口等进行配置，以及初始化超声波测距模块的参数。
超声波测距模块控制部分负责控制超声波的发射和接收。
STM32单片机通过控制超声波测距模块的引脚电平，实现超声波的发射和接收。
在接收到反射回来的超声波信号后，单片机通过计算时间差来计算距离。
数据处理与显示部分负责将测得的距离数据进行处理和显示。
单片机将测得的距离数据通过串口或SPI等通信方式传输到显示模块进行显示。
同时，还可以将数据存储到外部存储器中，方便后续的数据分析和处理。
三、系统实现1. 超声波测距原理超声波测距原理基于声波在空气中的传播速度和传播时间的关系。
当超声波发射后，会以一定的速度传播到目标物体并反射回来。
通过测量超声波的发射和接收时间差，以及已知的声速，就可以计算出目标物体与测距点之间的距离。
2. 测距流程测距流程主要包括初始化、发射超声波、接收反射波、计算距离等步骤。
首先，STM32单片机对系统进行初始化，包括配置时钟、中断、I/O口等。
基于单片机的超声波测距系统设计毕业论文
目录
第一章 绪论
超声波是指频率在 20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械 波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介 质吸收而发生衰减。它也有自已的特性，如它的频率可以非常高，达到兆赫级，因此，它在 介质中传播时能量可以集中在很小的范围内，具有良好的成束性，也就是方向性好。
器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优 点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。
1.3 国内外相关研究情况 国内的超声波测[3]量主要集中在对 0~10 m 固体和液体的测量，一般测量精度 高，回波稳定[4]。近年来随着超声波技术研究的不断深入已广泛应用于各种工业 领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。此外在材料科 学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。 国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内的一些学者也作了大量相 关的研究。 南昌航空工业学院的江泽涛[5]在《温度对液体中超声波速度的影响》一文中， 洋细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度同液体 压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系，进而研究了温度 对声速及声时的影响， 用实验测量了不同的液体成分下的声时同温度的关系。 Figneroa J．F．，Lamancusa J．S．[6]在《A method for accurate detection of time of arrival：AnalysiS and design of ultrasonic ranging system} 一文中，提出一种新的计时方法，该方法的原理是回波时延由峰值时延和相位时 延相加而得，分别用不同的检测方法得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波 的传播时间。
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Automation＆Instrumentation2010(11)基于LTC1609的高精度超声测距系统设计文章编号：1001-9944(2010)11-0014-04
琚晓涛，谷立臣，闫小乐（西安建筑科技大学机械电子研究所，西安710055）摘要：针对现有超声测距系统测量精度不高的问题，提出一种基于高速模数转换器
LTC1609
的高精度超声测距系统设计方案。该系统采用AT89S52单片机作为控制核心，设计了超声波发射电路、接收电路以及数据采集模块，利用“软件阈值法”确定回波前沿，并引入温度补偿
电路，提高系统测量精度。实验结果证明该系统工作可靠、测距精度高。
关键词：LTC1609；超声测距；AT89S52
中图分类号：TN79文献标志码：A
DesignofHighPrecisionUltrasonicRangingSystemBasedonLTC1609
JUXiao-tao，GULi-chen，YANXiao-le（InstituteofMechanicalandElectronicalTechnologyResearch；Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China）
Abstract：Accordingtolowprecisionofultrasonicrangingsystem，adesignofhighprecisionultrasonicrangingsystembasedonhigh－speedADCLTC1609wasproposed．ThesystemusedAT89S52asmicrocontroller，designedultrasonictransmittercircuit，ultrasonicreceivercircuitanddataacquisitionmodule，usingthe＂softwarethreshold＂tomeasurethetimeofechoandintroducedthetemperaturecompensationcircuittoimproveitsaccuracy．Theexperimentalresultsshowsthatthesystemisreliableandhashigherprecision．Keywords：LTC1609；ultrasonicrange；AT89S52
收稿日期：2010-06-18；修订日期：2010-07-23
基金项目：国家自然科学基金（50975218）；陕西省教育厅专项基金（09JK520）；西安建筑科技大学科技基金
（QN1019）
作者简介：琚晓涛（1986-），男，在读硕士研究生，研究方向为设备状态监测和嵌入式系统设计；谷立臣（1956-），男，工学博
士，教授，研究方向为机械工程诊断信息融合方法研究。
超声测距是一种典型的非接触式的测距方式。由于超声波具有防尘、防雾、防毒、防电磁干扰能力强、不受色彩和光线影响等优点，对恶劣环境有很强的适应能力，使得超声测距技术在无损检测、现场机器人、车辆自动导航、液位测量等工业领域得到了广泛应用［1］。但国内现有超声测距装置精度不高，使其在工程中的进一步推广应用受到较大制约。模数转换器作为超声测距系统的核心器件之一，对系统的测量精度有着重要影响。因此，本文通过选择合适的模数转换器和优化超声测距电路设计来提高超声测量精度。1超声测距原理在目前的超声测距技术中，常用的是Pellam和Galt于1946年提出的脉冲回波法［2］，其原理是通过超声换能器发射超声波，并接收从障碍物发射回来的回波信号，以确定超声脉冲从发射到接收的射程时间t，然后根据超声波传播速度，计算超声波换能器与被测物体之间的距离d，即
d=12c·t（1）
式中，c为声波传播速度，主要与环境温度等有关。
当环境温度确定时，如何准确捕捉到超声波回波前沿便成了关键问题。前期文献多采用硬件阈值检测法进行超声波回波前沿判别。例如文献［3］的接收电路将微弱信号放大到2～5V，然后经过比较器与硬件设定阈值相比较，送给单片机外部中断触发引脚。
仪器仪表装置14自动化与仪表2010(11)
这种“硬件阈值法”实现简单，但在实际应用中如果阈值设置太小，容易产生误动作；如果阈值设置太大，则会引入较大测量误差。本文拟采用软件阈值检测方法来确定回波起点，以克服上述硬件阈值法的缺点。其基本思路是：利用高速模数转换器对前端调理后的超声信号进行数据采集，计算超声波接收信号与发射信号之间的相关函数。若互相关函数值超过程序所设定阈值，则说明前方有障碍物，此时，互相关函数对应的时间偏移就是射程时间。2超声测距系统硬件设计超声测距系统由控制器、显示模块、温度补偿模块、发射电路、接收电路和超声波换能器等组成。系统结构框图如图1所示。测距系统选用AT89S52单片机作为系统控制核心，以两个共振频率均为40kHz的超声波换能器分别做为发射端和接收端。AT89S52发出的超声脉冲电压驱动信号经过驱动电路放大，利用超声换能器将电能转化为声能。当超声信号遇到障碍物时，返回超声回波信号，超声换能器将声能转换为电能。该电信号经过放大电路放大后，送入数据采集模块，AT89S52根据采集数据利用软件阈值检测算法计算出超声信号传播时间，利用式（1）计算出障碍物距离，并在显示模块上实时显示。2．1超声波发射电路超声发射电路的原理图如图2所示。超声信号发射电路主要由反相器74HC04和超声换能器构成。AT89S52单片机P1．0管脚发出的40kHz方波信号一路经一级反相器后送到超声波发射换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波发射换能器的另一个电极。这种推挽激励方式将方波信号加到超声波发射换能器两端可以提高超声波的发射强度。超声换能器输出端采用两个反相器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R1、R2用来提高反相器74HC04输出高电平的驱动能力，增加超声换能器的阻尼效果，以缩短超声换能器余振时间。
2．2超声波接收电路超声波在媒介中传播时，由于声波的声束扩散、
散射和吸收衰减，接收信号将随距离增大而衰减［4］。
超声波接收电路主要对接收到微弱交变电压信号（mV级）进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到较高的信噪比。为了与超声波接收换能器的高阻抗（MΩ级）相匹配，因此集成放大芯片必须有足够大的输入阻抗。
本文实际选用了高精度、高阻抗集成放大电路芯片TL082。系统采用两级放大原理，其设计原理如图3所示。超声波接收换能器S2接收到的微弱信号经过交流耦合到TL082进行一级放大，其放大倍数设计为50倍，放大的信号再经过交流耦合到TL082进行二级放大，其放大倍数为20倍。超声波接收电路的总放大倍数达到1000倍。
2．3温度补偿电路由超声物理学知识可知，气体的声速随温度的变化为正温度系数。不同温度时，空气中的声速可
图1系统结构框图Fig．1Systemstructurediagram
LED显示
温度补偿89S52信号发射数据采集信号放大
回波信号
测量信号
障碍物
图3超声波放大电路图Fig．3Ultrasonicamplifiercircuit
超声接收换能器
S2R2
1k
R110k
C2
102
R710k
R3
50k
R4
1k
R5
20k
R6
10k
VCCVCC
236
51
7
-
+-
+
C1104
LTC1609TL082
VCC4
4
88
TL082
图2超声波发射电路图Fig．2Ultrasonictransmittingcircuit
超声发射换能器
R1
1k74HC04U1C5674HC04U1D9874HC04U1E111074HC04
U1A12
74HC04U1B34
S1P1.0VCCR2
1k
仪器仪表装置
15Automation＆Instrumentation2010(11)表示为c=c0TT0姨（2）
式中：c
0＝331．45m/s；T0＝273．16K
。
由式（2）可知，温度对声速的影响较大。为了提高系统测量精度，系统设计了温度补偿电路，对声速测量进行实时校正。系统采用的美国DALLAS半导体公司的“一线总线”接口温度传感器DS18B20，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，可直接将温度转换成串行数字信号［5］，其温度补偿电
路原理图如图4所示。其中，AT89S52通过端口P1．1
读取当前温度数值，利用式（2）计算出该温度下的超声波速度，实现对障碍物距离测量的温度补偿。
2．4数据采集模块由于超声换能器的工作频率在40kHz，因此，其回波信号的中心频率也在40kHz左右。根据Nyquist
采样定理，系统模数转换器的采样频率必须大于80kHz。另外，
由于系统要实现高精度的障碍物距离测
量，因此，对模数转换器的分辨率也提出了较高要求。
综上考虑，本文选用了高速数模转换器LTC1609
。
模数转换器LTC1609采样速率最高为
200KSPS，16位分辨率，信噪比为87dB。LTC1609内部主要包括采样保持电路、精准的内部基准、连续逼近AD转换开关电容、内部时钟等［6］。它还有一个高
速串行接口，方便与DSP、FIFO、微处理器相连。串行输出数据可以通过内部串行移位时钟或者外部移位时钟输出。芯片电压输入可以为单极性输入（0V～
10V、0V～5V、0V～4V），也可以为双极性输入（±10V、±5V、±3．3V）。
在本系统中，根据高精度超声测距系统的需要，
选择±5V双极性输入，简化了信号调理电路。输出结果为直接二进制数，方便后续算法处理。数据采集模块电路图如图5所示。
LTC1609有内部时钟和外部时钟两种转换模式。CS为片选信号输入端。R/C为写信号输入端。
为模数转换状态信号。BUSY为了便于编程，本文选择外部时钟模式。外部时钟转换模式时序图如图6所示。
图4温度补偿电路图Fig．4Temperaturecompensatingcircuit
DS18B20VCC
P1.1R1
4.7k
123
图5数据采集模块电路图Fig．5Dataacquisitionmodulecircuit
R1INAGND1DGNDR2INR3INCAPSB/BTCEX/INTREFAGND2VDIGVANAPWRDCSTAGBUSYR/CDATADATACLK
P3100
+5
+VINC1
2.2μF
R233.2k
C22.2μF
R1
200
+5+5
C4++2.2μFLTC1609P0.3P0.2P0.1P0.0仪器仪表装置图6外部时钟模式时序图Fig．6ExternalclockmodesequentialgraphEXTERNALDATACLKR/CBUSYSYNCDATATAGt1t2t3t21t17t12t23t18t24t13t12t140123151617TAG2TAG3TAG1TAG0TAG18TAG19TAG17TAG16TAG15TAG1TAG2TAG0B0B1B14B13B15|MSB|0.1μFC3