CN101246213A - 一种双比较器式超声波测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双比较器式超声波测距装置，该装置包括单片计算机，在单片计算机上连接有超声波发射驱动电路，超声波发射驱动电路连接有超声波发射探头，超声波发射探头的超声波通过障碍物反射并经超声波接收探头接收后，被超声波接收探头送入一个带通滤波与放大电路中，带通滤波与放大电路分别连接有近距比较器和远距比较器，近距比较器和远距比较器分别与单片计算机连通，单片计算机与显示输出电路相连。本发明的双比较器式超声波测距装置，解决了现有超声波测距技术存在的“死区”问题，对提高超声波测距的技术水平，扩大其应用领域具有重要意义。

Description

一种双比较器式超声波测距装置

技术领域

本发明属于自动化测控与智能仪器仪表技术领域，涉及一种测距装置，特别一种双比较器式超声波测距装置。

背景技术

机械波的振动频率在20Hz～20kHz范围内时，能够引起耳鼓膜振动使人听到声音，这种波叫做可闻声波；低于20Hz的机械波人的耳朵听不见，称为次声波；而频率高于20kHz的机械波称为超声波，超声波也不能够被人耳听见。

超声波的传播速度与介质的弹性系数、介质的密度以及温度有关，对于液体及气体，其传播速度表达式为：

式中，V——超声波传播速度；

ρ——介质的密度；

B_α——绝对压缩系数。

超声波从一种传播介质进入另外一种传播介质的时候，有一部分波会被介质的分界面反射回原介质，称为反射波(或称回波)；而另外一部分能够进入到下一传播介质中继续传播，但是其传播方向会有所改变，称为折射波或者透射波。

超声波探头又称为超声波换能器，是超声波的产生装置，而且还可以接收超声波信号。超声波探头的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，目前应用于测量的主要是压电式超声波探头。

超声波测距的实质是采用脉冲回波法，由控制系统激励超声波发射探头发射超声波，同时计时器开始计时。超声波遇到障碍物反射回来，被超声波接收探头所接收时停止计时。这样，就得到了超声波从发射到接收所用的时间tc。已知超声波在介质中传播的速度，利用下式就可以计算出超声波探头距离障碍物的距离S。

$S=\frac{V\×\mathrm{tc}}{2}$

式中，S——超声波探头距离障碍物的距离；

V——超声波在介质中的传播速度；

tc——传播时间。

为了避免超声波发射探头发出的超声波信号直接传送到接收探头，引起测量电路直接响应，现有超声波测量电路在开始的一段时间内不对接收探头接收到的回波信号响应，而是过了这段时间之后才开始响应接收探头接收到的回波信号。因此，超声波测距存在一个最小可测距离，从零到这个最小可测距离之间的范围不能被测量电路所测量，这段距离称为“死区”。

目前，超声波测距已经应用于许多领域，但“死区”问题阻碍了其在更多领域的应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种双比较器式超声波测距装置，该装置可以消除超声波测距的“死区”。

为了实现上述任务，本发明采取如下的的技术解决方案：

一种双比较器式超声波测距装置，其特征在于，该装置包括单片计算机，在单片计算机上连接有超声波发射驱动电路，超声波发射驱动电路连接有超声波发射探头，超声波发射探头的超声波通过障碍物反射并经超声波接收探头接收后，被超声波接收探头送入一个带通滤波与放大电路中，带通滤波与放大电路分别连接有近距比较器和远距比较器，近距比较器和远距比较器分别与单片计算机连通，单片计算机与显示输出电路相连。

本发明解决了现有超声波测距技术存在的“死区”问题，对提高超声波测距的技术水平，扩大其应用领域具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的原理框图；其中的标号分别表示：1.单片计算机，2.超声波发射驱动电路，3.超声波发射探头，4.超声波接收探头，5.带通滤波与放大电路，6.近距比较器，7.远距比较器，8.显示输出电路，Vh：表示带通滤波与放大电路输出的电压信号，Ref0：表示近距参考电压，Ref1：表示远距参考电压，int0：表示近距比较器6发出的中断请求信号；int1：表示远距比较器7发出的中断请求信号，int_0：表示单片计算机内部中断0，int_1：表示单片计算机内部中断1。

图2是超声波发射驱动电路原理图；其中的标号分别表示：3.超声波发射探头，9.非门。

图3是带通滤波与放大电路原理图；其中的标号分别表示：4.超声波接收探头，10.运算放大器，R1～R10：表示电阻器，C1～C2：表示电容器。

为了更清楚的表述本发明，下面结合附图和实例，对本发明作进一步的详细描述与说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种双比较器式超声波测距装置，包括单片计算机1，在单片计算机1上连接有超声波发射驱动电路2，超声波发射驱动电路2连接有超声波发射探头3，超声波发射探头3的超声波通过障碍物反射并经超声波接收探头4接收，被超声波接收探头4送入一个带通滤波与放大电路5中，带通滤波与放大电路5分别连接有近距比较器6和远距比较器7，近距比较器6和远距比较器7与单片计算机1连通，单片计算机1与显示输出电路8相连。

本发明的装置的工作原理是：

将测距过程分为两个阶段，计时时间小于发射干扰时间时，如果接收到很强的反射波，表明障碍物很近，处于“死区”范围内，响应近距比较器输出的中断请求，计算测量距离；否则表明障碍物处于“死区”范围之外，响应远距比较器输出的中断请求，计算测量距离。

单片计算机1按预先设定的周期个数发出设定频率的方波信号，并送往超声波发射驱动电路2，经超声波发射驱动电路2放大后，驱动超声波发射探头3发射超声波，超声波遇到障碍物后产生反射，超声波接收探头4接收障碍物反射回来的超声波，将其转换为电压信号Vh，该电压信号Vh经带通滤波与放大电路5滤波并放大后分别送往近距比较器6和远距比较器7；

近距比较器6将带通滤波与放大电路5输出的电压信号Vh与输入的近距参考电压Ref0进行比较，当电压信号Vh大于Ref0时，近距比较器6的输出由高电平转换为低电平，向单片计算机1发出中断请求int0，在发射干扰时间Tr内，单片计算机1响应该中断，计算出被测物体与超声波探头之间的距离，并由显示输出电路8显示输出。

远距比较器7将带通滤波与放大电路5输出的电压信号Vh与输入的远距参考电压Ref1进行比较，当电压信号Vh大于Ref1时，远距比较器7的输出由高电平转换为低电平，向单片计算机1发出中断请求int1，当计时时间大于发射干扰时间Tr时，单片计算机1响应该中断，计算出被测物体与超声波探头之间的距离，并由显示输出电路8显示输出。

超声波的反射波强度与距离有关，当障碍物较近时，反射波强度很大，当障碍物较远时，反射波强度很小。

在超声波发射过程中，发射出去的超声波会有一部分直接送到超声波接收探头，其强度要大于障碍物较远时的反射波强度，但小于障碍物较近时的反射波强度，所以将测距过程分为两个阶段，计时时间小于发射干扰时间Tr时，如果接收到很强的反射波，表明障碍物很近，处于“死区”范围内，否则表明障碍物处于“死区”范围之外。因此，近距比较器的输入参考电压电压Ref0大于远距比较器输入参考电压Ref1。

单片计算机1按如下程序完成1次超声波测距：

步骤1)，启动单片计算机内部计时器开始计时，同时开启单片计算机内部中断int_0，同时按设定频率发出设定个数的方波信号送往超声波发射驱动电路2；

步骤2)，如果在发射干扰时间Tr内接收到近距比较器6发出的中断请求信号int0，单片计算机1内部计时器停止计时，得到测量时间tc，执行步骤6)；

步骤3)，如果在发射干扰时间Tr内没有接收到近距比较器6发出的中断请求信号int0，单片计算机开启内部中断int_1，同时关闭内部中断int_0，执行步骤4)；

步骤4)，如果在极限测量时间Tm内收到远距比较器7发出的中断请求信号int1，单片计算机1内部计算器停止计时，得到测量时间tc，执行步骤6)；

步骤5)，如果在极限测量时间Tm内没有收到比较器1发出的中断请求信号int_1，单片计算机1内部计算器停止计时，输出测量距离超出极限的信号，结束本次测量；

步骤6)，将测量时间tc与超声波传播速度相乘并除以2，得到超声波探头与障碍物之间的距离，通过显示输出电路8显示输出，结束本次测量。

确定发射干扰时间Tr的方法是：在超声波发射探头3和超声波接收探头4前方无障碍物的情况下，发射超声波，并开始计时，使用示波器或其它仪器观察并记录带通滤波与放大电路5输出波形，确定从开始发射到带通滤波与放大电路5输出波形幅值衰减到接近零的时间为发射干扰时间Tr。

确定极限测量时间Tm的方法是：极限测量时间Tm应大于2倍的装置最大测量距离与超声波传播速度之比。

图2所示是一种典型的超声波发射驱动电路，该电路采用5个非门9将来自单片机输出的方波信号放大，通过可驱动超声波发射探头3输出。

图3所示是一种典型带通滤波与放大电路，包括超声波接收探头3和相应的运算放大器10，超声波接收探头3通过连接的电阻R1与一个运算放大器10连接，运算放大器10选择适当的电阻值和电容值，该电路只放大超声波探头工作频率附近的信号。

Claims (3)

1.一种双比较器式超声波测距装置，其特征在于，该装置包括单片计算机(1)，在单片计算机(1)上连接有超声波发射驱动电路(2)，超声波发射驱动电路(2)连接有超声波发射探头(3)，超声波发射探头(3)的超声波通过障碍物反射并经超声波接收探头(4)接收后，被超声波接收探头(4)送入一个带通滤波与放大电路(5)中，带通滤波与放大电路(5)分别连接有近距比较器(6)和远距比较器(7)，近距比较器(6)和远距比较器(7)分别与单片计算机(1)连通，单片计算机(1)与显示输出电路(8)相连。

2.如权利要求1所述的双比较器式超声波测距装置，其特征在于，所述的单片计算机(1)按预先设定的周期个数发出设定频率的方波信号，并送往超声波发射驱动电路(2)，经超声波发射驱动电路(2)放大后，驱动超声波发射探头(3)发射超声波，超声波遇到障碍物后产生反射，超声波接收探头(4)接收障碍物反射回来的超声波，将其转换为电压信号，该信号经带通滤波与放大电路(5)滤波并放大后分别送往近距比较器(6)和远距比较器(7)，近距比较器(6)将带通滤波与放大电路输出的电压信号(Vh)与近距比较器(6)输入的近距参考电压(Ref0)进行比较，当电压信号(Vh)大于近距参考电压(Ref0)时，近距比较器(6)的输出由高电平转换为低电平，向单片计算机(1)发出中断请求(int0)，单片计算机(1)在发射干扰时间内接收到近距比较器(6)发出的中断请求信号(int0)，单片计算机(1)内部计时器停止计时，得到测量时间(tc)，并将测量时间(tc)与超声波传播速度相乘并除以2，得到超声波探头与障碍物之间的距离，通过显示输出电路(8)输出；

所述的远距比较器(7)将带通滤波与放大电路输出的电压信号(Vh)与远距比较器(7)输入的远距参考电压(Ref1)进行比较，当电压信号(Vh)大于远距参考电压(Ref1)时，远距比较器(7)的输出由高电平转换为低电平，向单片计算机(1)发出中断请求(int1)，单片计算机(1)响应该中断，单片计算机内部计算器停止计时，得到测量时间(tc)，并将测量时间(tc)与超声波传播速度相乘并除以2，得到超声波探头与障碍物之间的距离，通过显示输出电路(8)输出。

3.如权利要求1所述的双比较器式超声波测距装置，其特征在于所述的近距参考电压(Ref_0)大于远距参考电压(Ref_1)。

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