CN101008675A - 超声波测量距离的方法及装置 - Google Patents

Abstract

超声波测量距离的方法及装置，它涉及到一种距离测量的方法及装置。本发明解决了目前的超声波测量距离的方法中存在的由于对回波起振点确认不准确而导致的测量精度低的问题。本发明的超声波测量距离的方法包括发送测量信号；接收回波信号；回波信号的滤波放大处理；对放大的回波信号的A/D转换及转换结果存储；对检波信号和峰值信号进行比较处理；根据比较结果，停止A/D采样；分析存储的A/D转换结果数据，寻找回波起振点；根据A/D转换速度，计算回波起振点的时间，进而得到测量距离。本发明超声波测量距离的方法及装置能够应用到各种超声波测量距离的领域中。

Description

超声波测量距离的方法及装置

技术领域

本发明涉及到一种测量距离的方法及装置，具体涉及到使用超声波测量距离的方法及装置。

背景技术

由于超声波具有的指向性强、在介质中传播的距离较远、易于控制等特性，已经被广泛的应用到距离测量的领域。现有的超声波量距离的方法，都是通过测量发出超声波与收到回波的时间差来计算所测量的距离，确认接收到回波的时间的准确程度，是影响测量距离精度的重要因素，但目前采用的确定接收到回波的方法中，大都是通过比较电路判断回波的上升沿来确认回波时间，为了消除杂波的影响，在比较电路中都设有门限电平，当接收到的信号高于这个门限电平的时刻，就认为是接收到回波的时刻，但实际上这个时刻比实际接收到的回波时间要晚，这个时间差影响了测量的精度，如果要提高测量精度，就需要缩短这个时间差，也就是减小门限电平，但门限电平过低，又会导致将杂波当作回波信号的误动作，这就使目前的超声波测量距离的精度受到了限制。

发明内容

为了解决目前超声波测量距离的方法中，由于接收回波时间确认不准确而影响测量精度的问题，本发明设计了一种超声波测量距离的方法，它包括：

步骤A1：系统初始化；

步骤A2：发送超声波信号S1；

步骤A3：计时器开始计时；

步骤A4：接收回波信号；

步骤A5：对回波信号进行滤波、程控放大，得到放大的回波信号S2；

步骤A6：采集放大的回波信号S2，进行A/D转换，并存储转换结果；

步骤A7：对放大的回波信号S2分别进行检波和峰值保持处理，得到检波信号S3和峰值信号S4；

步骤A8：以峰值信号S4的分压值Vf作为参考电压与检波信号S3进行比较，得到电平信号S5，当检波信号S3的值大于峰值信号S4的分压值Vf时，得到高电平信号，当检波信号S3的值小于峰值信号S4的分压值Vf时，得到低电平信号；

步骤A9：判断脉冲信号S5是否是高电平信号？如果判断结果为是，则执行步骤A10，如果判断结果为否，则返回执行步骤A4；

步骤A10：记录计时器时间为tr1；

步骤A11：采集放大的回波信号S2，进行A/D转换，并存储转换结果；

步骤A12：判断计时器时间是否超过(tr1+ΔT)？如果判断结果为是，则执行步骤A13，如果判断结果为否，则执行步骤A11；

步骤A13：结束对放大的回波信号的A/D转换；

步骤A14：分析存储的A/D转换结果，寻找回波起振点；

步骤A15：根据A/D转换电路的转换速度，计算起振点的时间，获得测量的距离。

实现该方法的超声波测量距离的装置包括CPU控制电路、发射驱动电路、超声波发生器、超声波接收器、滤波电路、程控放大电路、检波电路、峰值保持电路、比较电路、A/D转换电路，所述发射驱动电路的输入端与CPU控制电路的输出端连接，发射驱动电路的输出端与超声波发生器的输入点连接，超声波接收器的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与程控放大电路的输入端连接，程控放大电路的控制端与CPU控制电路的控制输出端连接，程控放大电路的信号输出端与检波电路的信号输入端、峰值保持电路的信号输入端以及A/D转换电路的模拟输入端连接，检波电路和峰值保持电路的信号输出端分别与比较电路的一个输入端连接，比较电路的信号输出端与CPU控制电路的信号输入端连接，A/D转换电路的数字信号输出总线和控制信号输入端分别与CPU控制电路的数据总线及信号输出端连接。

本发明的超声波测量距离的方法，可以精确的确定回波接收时间，进而提高距离的测量精度。

附图说明

图1是本发明超声波测量距离的装置的结构图，图2是具体实施方式四和五所述的超声波测量距离的装置的结构图，图3是本发明超声波测量距离的方法流程图，图4是具体实施方式二所述的超声波测理距离的方法流程图，图5是本发明的超声波测量距离的方法中各阶段的波形示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、图3、图5说明本实施方式。本实施方式的超声波测量距离的方法包括：

步骤A1：系统初始化；

步骤A2：发送超声波信号S1；

步骤A3：计时器开始计时；

步骤A4：接收回波信号；

步骤A5：对回波信号进行滤波、程控放大，得到放大的回波信号S2；

步骤A6：采集放大的回波信号S2，进行A/D转换，并存储转换结果；

步骤A7：对放大的回波信号S2分别进行检波和峰值保持处理，得到检波信号S3和峰值信号S4；

步骤A8：以峰值信号S4的分压值Vf作为参考电压与检波信号S3进行比较，得到电平信号S5，当检波信号S3的值大于峰值信号S4的分压值Vf时，得到高电平信号，当检波信号S3的值小于峰值信号S4的分压值Vf时，得到低电平信号；

步骤A9：判断脉冲信号S5是否是高电平信号？如果判断结果为是，则执行步骤A10，如果判断结果为否，则返回执行步骤A4；

步骤A10：记录计时器时间为tr1；

步骤A11：采集放大的回波信号S2，进行A/D转换，并存储转换结果；

步骤A12：判断计时器时间是否超过(tr1+ΔT)？如果判断结果为是，则执行步骤A13，如果判断结果为否，则执行步骤A11；

步骤A13：结束对放大的回波信号的A/D转换；

步骤A14：分析存储的A/D转换结果，寻找回波起振点；

步骤A15：根据A/D转换电路的转换速度，计算起振点的时间，获得测量到的距离。

参见图1，实现本实施方式的超声波测量距离的装置由CPU控制电路1、发射驱动电路2、超声波发生器3、超声波接收器4、滤波电路5、程控放大电路6、检波电路7、峰值保持电路8、比较电路10、A/D转换电路9组成，所述发射驱动电路2的输入端与CPU控制电路1的输出端连接，发射驱动电路2的输出端与超声波发生器3的输入端连接，超声波接收器4的输出端与滤波电路5的输入端连接，滤波电路5的输出端与程控放大电路6的输入端连接，程控放大电路6的控制端与CPU控制电路1的控制输出端连接，程控放大电路6的信号输出端与检波电路7的信号输入端、峰值保持电路8的信号输入端以及A/D转换电路9的模拟输入端连接，检波电路7和峰值保持电路8的信号输出端分别与比较电路10的一个输入端连接，比较电路10的信号输出端与CPU控制电路1的信号输入端连接，所述比较电路1是将输入的峰值保持电路8的输出信号S2的分压信号和检波电路7的输出信号S3进行比较得到电平信号S5，A/D转换电路9的数字信号输出总线和控制信号输入端分别与CPU控制电路1的数据总线及信号输出端连接。

本实施方式中，CPU控制电路1由LPC2214、EPM7128、ISS125616组成，发射驱动电路2采用MOS管IRF630，超声波发生器3和超声波接收器4采用频率为40kHz的压电陶瓷超声波换能器，滤波电路5采用MAX275，检波电路7和峰值保持电路8采用OP37，比较电路10采用LM393，A/D转换电路9采用AD7892，程控放大电路6采用OP37和程控电位器X9313。

参见图5，所述超声波发生器3输出的波形信号为发射信号S1，所述程控放大电路6的输出信号为放大的回波信号S2，所述检波电路7的输出信号为检波信号S3，所述峰值保持电路8的输出信号为峰值信号S4，所述比较电路10取峰值保持电路10输出的峰值电压Vp的分压信号Vf与检波信号S3进行比较输出电平信号S5。在步骤A6及步骤A10中，A/D转换电路9对放大的回波信号S2进行采样，分别采得数据a(0)、a(1)、a(2)......a(m+n)，直到步骤A13，结束A/D采样。

在所述步骤A12中所述的ΔT为超声波发生器3发射的超声波的20至40个周期的时间。

在所述步骤A14中，寻找回波起振点的方法为：对已存储的A/D转换结果数据进行对比分析，从第一个数据开始寻找第一组有增大趋势的连续数据的起始数据作为回波的起振点。

本实施方式寻找回波起振点的过程为：从A/D转换结果的第一个数据a(0)开始比较，都是接近零的数据，直到数据a(n+1)、a(n+2)......开始，数据有逐渐增大的趋势，则可以判定数据a(n+1)前面一个数据a(n)为回波起振点。

在步骤A15中，根据A/D转换电路的转换频率f，计算采集到a(n)数据的时间：t＝n/f，则“t”即为测量距离的超声波的回波时间。

采用本发明的方法确认回波的起振点的时间的最大误差取决于A/D转换的速度。本实施方式中采用的A/D转换电路的转换速度是500kHz，则每两个数据点之间相差2μs，则寻找到的起振点与实际起振点最多相差±1个数据，超声波的速度为340m/s，则计算出的距离与实际距离最多相差±0.34mm。如果采用的A/D转换电路的转换速度是1MHz的，则测量误差为±0.17mm。

具体实施方式二：参见图4说明本实施方式，与具体实施方式一的超声波测量距离的方法的区别在于，在步骤A9中，如果判断结果为否，则执行以下步骤B1：

步骤B1：判断计时器时间是否超过指定时间Tr，如果判断结果为是，则执行步骤B2；如果判断结果为否，则返回执行步骤A4；

步骤B2：结束A/D转换，根据存储的A/D转换数据修订程控放大器的倍数；

步骤B3：清除已存储的A/D采集结果，返回步骤A2。

本实施方式中，增加了对回波时间最大值的限定，当等待脉冲信号S5的时间超过指定时间Tr时，认为回波信号太弱，测量失败，根据已经采集并存储的A/D结果信息中的最大值，增加程控放大器的倍数，然后重新进行测量。

所述指定时间Tr是根据超声波测量距离的装置的量程来设定的，当超声波测量距离的装置的量程为X时，Tr大于或者等于超声波往返距离X所用的时间。

本实施方式的超声波测量距离的方法，可以根据回波信号的强弱情况，即测量的距离的大小情况，自动调整回波信号的放大倍数，不但扩大了测量范围还提高了测量的准确度。

具体实施方式三：与具体实施方式一或二的超声波测量距离的方法的区别在于，在步骤A15之后，增加了步骤A16：根据外界温度的情况，对计算得到的距离进行修正。

实现本实施方式的超声波测量距离的方法的装置与具体实施方式一中描述的装置的区别在于，增加了温度测量电路10，温度测量电路10的信号输出端与CPU控制电路1的信号输入端连接。

本实施方式中的温度测量电路10选用数字温度传感器18 B20。

本实施方式的超声波测量方法，具有温度修正功能，可以根据外界环境的温度对测量的结果进行修正。

具体实施方式四：参见图2，本实施方式的超声波测量距离的装置与具体实施方式一所述的超声波测量距离的装置的区别在于，增加了显示电路11和键盘电路12，所述显示电路11的信号输入端与CPU控制电路1的信号输出端连接，键盘电路12的信号输出端与CPU控制电路1的信号输入端连接。

本实施方式的超声波测量距离的装置，增加了显示功能和按键输入功能。

具体实施方式五：参见图2，本实施方式的超声波测量距离的装置与具体实施方式一所述的超声波测量距离的装置的区别在于，增加了语音播报电路13的信号输入端与CPU控制电路1的信号输出端连接。

本实施方式的超声波测量距离的装置，增加了语音播报功能。

Claims (10)

1、一种超声波测量距离的方法，其特征在于它包括步骤：

步骤A1：系统初始化；

步骤A2：发送超声波信号(S1)；

步骤A3：计时器开始计时；

步骤A4：接收回波信号；

步骤A5：对回波波形进行滤波、程控放大，得到放大回的波信号(S2)；

步骤A6：采集放大的回波信号(S2)，进行A/D转换，并存储转换结果；

步骤A7：对放大的回波信号(S2)分别进行检波和峰值保持处理，得到检波信号(S3)和峰值信号(S4)；

步骤A8：以峰值信号(S4)的分压值Vf作为参考电压与检波信号(S3)进行比较，得到电平信号(S5)，当检波信号(S3)的值大于峰值信号(S4)的分压值Vf时，得到高电平信号，当检波信号(S3)的值小于峰值信号(S4)的分压值Vf时，得到低电平信号；

步骤A9：判断脉冲信号(S5)是否是高电平信号？如果判断结果为是，则执行步骤A10，如果判断结果为否，则返回执行步骤A4；

步骤A10：记录计时器时间tr1；

步骤A11：采集放大的回波信号(S2)，进行A/D转换，并存储转换结果；

步骤A12：判断计时器时间是否超过(tr1+ΔT)？如果判断结果为是，则执行步骤A13，如果判断结果为否，则执行步骤A11；

步骤A13：结束对放大的回波信号的A/D转换；

步骤A14：分析存储的A/D转换结果，寻找回波起振点；

步骤A15：根据A/D转换电路的转换速度，计算起振点的时间，获得测量到的距离。

2、根据权利要求1所述的超声波测量距离的方法，其特征在于步骤A12中所述的ΔT为超声波发生器3发射的超声波的20至40个超声波周期。

3、根据权利要求1所述的超声波测量距离的方法，其特征在于步骤A14中，寻找回波起振点的方法为：对已存储的A/D转换结果数据进行对比分析，寻找有增大趋势的数据组的起始数据作为回波的起振点。

4、根据权利要求1所述的超声波测量距离的方法，其特征在于，在步骤A9中，如果判断结果为否，则执行以下步骤：

步骤B1：判断计时器时间是否超过指定时间Tr，如果判断结果为是，则执行步骤B2；如果判断结果为否，则执行步骤A4；

步骤B2：结束A/D转换，根据存储的A/D转换数据修订程控放大器的倍数；

步骤B3：清除已存储的A/D转换结果，返回执行步骤A2。

5、根据权利要求4所述的超声波测量距离的方法，其特征在于，步骤B1中所述的指定时间Tr为大于或等于超声波往返所测量距离的最大量程所用的时间。

6、根据权利要求1至5中任一权利要求所述的超声波测量距离的方法，其特征在于在步骤A15之后还包括步骤A16：根据外界温度的情况，对距离参数进行修正。

7、用于实现权利要求1至4任一权利要求所述的超声波测量距离的方法的装置，其特征在于它包括CPU控制电路(1)、发射驱动电路(2)、超声波发生器(3)、超声波接收器(4)、滤波电路(5)、程控放大电路(6)、检波电路(7)、峰值保持电路(8)、比较电路(10)、A/D转换电路(9)，所述发射驱动电路(2)的输入端与CPU控制电路(1)的输出端连接，发射驱动电路(2)的输出端与超声波发生器(3)的输入端连接，超声波接收器(4)的输出端与滤波电路(5)的输入端连接，滤波电路(5)的输出端与程控放大电路(6)的输入端连接，程控放大电路(6)的控制端与CPU控制电路(1)的控制输出端连接，程控放大电路(6)的信号输出端与检波电路(7)的信号输入端、峰值保持电路(8)的信号输入端以及A/D转换电路(9)的模拟输入端连接，检波电路(7)和峰值保持电路(8)的信号输出端分别与比较电路(10)的一个输入端连接，比较电路(10)的信号输出端与CPU控制电路(1)的信号输入端连接，A/D转换电路(9)的数字信号输出总线和控制信号输入端分别与CPU控制电路(1)的数据总线及信号输出端连接。

8、根据权利要求7所述的超声波测量距离的装置，其特征在于它还包括温度测量电路(10)，温度测量电路(10)的信号输出端与CPU控制电路(1)的信号输入端连接。

9、根据权利要求7所述的超声波测量距离的装置，其特征在于它还包括显示电路(11)和键盘电路(12)，所述显示电路(11)的信号输入端与CPU控制电路(1)的信号输出端连接，键盘电路(12)的信号输出端与CPU控制电路(1)的信号输入端连接。

10、根据权利要求7所述的超声波测量距离的装置，其特征在于它还包括语音播报电路(13)，所述语音播报电路(13)的信号输入端与CPU控制电路(1)的信号输出端连接。

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