STM32高频超声波开发板.docx

概述

DYSTM32F4 高频超声波开发板基于STM32F407VGT6 的微控器，包括一个板载 JLINK 接口，2 路 LED，3 路独立按键，LCD12864 显示接口，原创超声波发射电路，原创超声波接收电路，UART 异步串行口+MAX232 电平转换芯片， 温度传感器MF58 接口。如下图所示。

STM32F407VGT6 微控器是 ARM Cortex-M4 内核，32 位 MCU，带有 FPU 单元，有 210 DMIPS，多达 1MB FLASH/192+4KB RAM，17 个定时器，3 个ADC， 15 个通讯接口和一个摄像口。

用途

DYSTM32F4 高频超声波开发板，可用做超声波水下测深，探鱼的前期开发； 可以做短距离，高速率的水声通信实验；可做超声测距产品的前期开发，超声传感器的相关实验，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控前期开发，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合的前期开发应用。

板上资源及其优势

  STM32F407VGT6 微控制器有 1M 的FLASH 存储器，192K 的RAM，LQFP100

封装

  板上的 JLINK 接口，方便仿真调试

  板子电源：24VDC

  1 个电源指示灯LED1（红）

  2 个用户LED 指示灯 LED2(黄)，LED3（绿），可模拟指示工作状态；

  3 个按钮（用户按键），可以方便的进行人机互动实验；

  温感MF58 电路接口，实现实时温度采集显示功能

  板载LCD12864 显示接口，可以方便显示汉字和图形数据；

  原创超声波发射电路，实现多级放大，同时含有带通滤波处理；

  原创超声波接收电路，同时采集预留 2 种采集方式，使用更加灵活；

  UART 异步串行口+MAX232 电平转换芯片，通过 DB9（母头）接口可与电脑的COM 口通讯；

  温度传感器-- MF58，可以学习到AD 的方法和温度数据处理；

  LQFP100 IO 口的扩展头，可以快速连接成原型板，易于探测；

  定时器输出频率可高达 84M；

  ADC 可配置分辨率为 12 位、10 位、8 位、6 位；

  ADC 的最大采样频率是 2MSPS;

  使用MDK 开发环境；

  适用的换能器频率范围：200K—5M ；

  众多功能、人性化设计。除普通的实验功能外，还能更大的发挥您的潜能，合理的布局让您在操作的时候更得心应手;

  硬件设计模块划分清晰，原理明确，符合正常使用习惯;

  电路简单，安排了最常用最实用的功能电路，接口尽量不复用;

  无论是程序下载还是仿真调试，让您在学习中事半功倍，从而更快的学习和掌握超声波的应用;

  标准例程的基础上加配了综合程序，购买者可全方位体验代码的学习，更重要的是能了解产品开发的全过程实例。

常规开发板与高频开发板的差异对比表

实验  利用超声换能器实现测距功能

综述：我司的开发板+换能器（测距型）实现测距显示功能是通过单片机在 PA1 口输出与换能器同频的PWM 信号（反向的），经过反向，放大升压成实际的驱动换能器的信号，信号在空间传输碰到被测物体反射回来，被换能器接收到，经过放大后从 PA2 口进入单片机。我们通过 AD 采样获取到信号后，通过阀值判断出发射波和回波，得出时间间隔 t,由 s=1/2*V*t 计算出距离。

1、换能器

我们换能器又称超声波探头，主要由压电陶瓷构成，既可以发射声波又可以接受声波。在接受到高频电压驱动信号时，压电陶瓷产生振动，激励周围空气质点产生振动，由于空气具有惯性和弹性，在空气质点的相互作用下，振动物体周围的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。（反之， 声波信号传到换能器时，换能器会输出电压信号）。

换能器盲区：发射波和回波能明显分开的最小距离

换能器信号拖尾：高频驱动电压结束后，换能器的振动不能立即停止，在驱动信号后就会产生拖尾（实际   发射波数量大于驱动信号的数量）

探头的指向性：有小角度的（例如半功率角@-3dB:4.1°±1，锐度角 9.7°±2）适用于测距也有水平无方向的，不适用与单向测距

2、硬件信号（以空气中 300K 换能器为例） 开发板需要用户自行外接 24V 电源。

在 TP1 测试电是 5V 电源信号在 TP2 测试点是 3.3V 电源信号

首先单片机在 PA1 口产生一定数量的（一般 1-50 个脉冲）3.3V 的反向 PWM 信号

信号经过反向放大,通过 mos 管，变压器放大后得到实际的驱动信号，在 TP4 可测的峰值 200 多 V.

自发自收信号通过 TRANS 过来经过限幅（双探头从 J2 过来）经过 3 级管，带通滤波一级放大后可在

TP5 点测的信号

再经过带通滤波第二级放大，可在 TP6 点上测的信号

默认采用 A/D 采样方式 2，经过 AD8310 放大整形成单向包罗信号，再由 LM358 运放放大后可在 TP7 点测的信号

经过限幅进入单片机可在 PA2 测的信号

补充说明：使用小于 200K 的换能器时，驱动电压会达到 800 多 V

使用不同的探头的，在不同的距离下，信号的幅度，发射波和回波的时间差，以及盲区会有所差异，以实测为准

使用水平无方向的换能器是不能正确测量距离的。

AD 采样方式 1 是经过 rc 滤波后通过比较器，输出脉冲信号的。大于阈值的输出高电平，小于阈值的输出低电平，可通过调节可调电阻改变比较器的阈值。这个信号留给客户自行发挥。

3 软件

我们的简易测距代码是通过在 PA1 口输出 PWM，在 PA2 通过（在一定的采样周期）AD 采样获取发射波和回波的信号放在一个数组里。通过判断回波幅度（阈值法）判断发射波和回波的所在位置，有点数乘以采样周期的出发射波和回波的时间差，再乘以声速得出距离值。