超声波测距硬件设计优化方案

超声波模块型号众多，其性能也存在一些差别，比如测距距离、功耗、精度等参数。

1）模块的选型

（1）HC-SR04超声波模块

HC-SR04超声波模块性能稳定，是目前较为常用的超声波模块，测量距离精确，模块精度较高，能和国外的SRF05、SRF02等超声波模块相媲美，但是具有2 cm的盲区。其工作原理是：

图6-2　STM32最小系统硬件设计图

①采用IO触发测距，首先给一个至少10 μs的高电平信号。

②模块会自动发送8个40 kHz的方波，模块自动检测是否有信号返回。

③如果有信号返回，模块通过IO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

④测试距离见式（6-1）：

式中　D——测试距离；

T——高电平时间；

C——超声速。

如图6-3所示为HC-SR04超声波模块外观图。HC-SR04超声波模块性能参数表如表6-1所示。

图6-3　HC-SR04超声波模块外观图

表6-1　HC-SR04超声波模块性能参数表(www.xing528.com)

（2）US-015超声波模块

US-015超声波模块是分辨率高、重复测量一致性好的超声波模块；US-015超声波模块的分辨率高于1 mm，可达0.5 mm，测距精度高；测距稳定可靠，US-015超声波模块可实现2～400 mm的非接触测距功能，供电电压为5 V，工作电流为2.2 mA，是比较节能的一种超声波模块；支持GPIO通信模式，工作稳定可靠。其工作原理为：

①采用IO口TRIG触发测距，给一个至少10 μs的高电平信号。

②模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回。

③有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

④测试距离见式（6-1）。

如图6-4所示为US-015超声波模块外观图。该超声波模块的工作原理与上述的HC-SR04一样，只是测量精度更高，但是工作温度的范围有所限制，相比HC-SR04不耐低温。如表6-2所示为US-015超声波模块性能参数表。

图6-4　US-015超声波模块外观图

表6-2　US-015超声波模块性能参数表

2）硬件电路的设计

在本节中，选用HC-SR04超声波模块作为导盲系统的测距避障的传感器。模块的VCC接口用STM32单片机提供5 V电源，GND也连接到单片机的GND引针上。根据系统的要求，规划设计出8路超声波，所需8个超声波模块上除了触发接口和回响接口，VCC接口和GND接口可以分别共接在一起，从而节约更多的接口资源。

HC-SR04超声波模块触发接口TRIG连接到单片机所设计的接口上，每个接口都独立提供触发信号，不做他用；回响接口ECHO接入捕获引脚，捕获引脚会根据捕获方式的不同而变化，系统设计最终采用定时器输入捕获的方式捕获回响信号，所用STM32开发板理论能够提供6个具有输入捕获功能的定时器，其中有2个高级定时器，4个普通定时器，每个定时器能提供4路输入捕获通道，也就是总共有24路捕获通道。但是有的定时器通道在引脚上会重复，再加上有些通道的引脚会被其他功能外设所占用，经过最终的引脚规划，捕获引脚采用STM32F103ZET6的PA0、PA1、PA2、PA3、PA6、PA7、PB8、PB9，超声波模块测距电路图如图6-5所示。

图6-5　超声波模块测距电路图