CN103869321A - 一种超声波测距系统及控制其测距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波测距系统及控制其测距的方法，所述的超声波测距系统包含：超声波传感器，用于向测量目标发射超声波信号，并接收目标反射回的模拟信号；移动终端，用于：采用移动终端音频口接收超声波传感器接收的模拟信号，并进行计时操作；基于得到的模拟信号和计时结果计算距离、并存储和显示得到的距离；控制超声波传感器的开启。本发明采用移动终端作为处理器，利用音频口第二通道输出周期正弦波信号至电源获取电路，作为超声波传感器的电源，采用间歇式的供电策略，节约电能；音频口第一通道发射周期正弦波信号至超声波传感器的发射器为超声波传感器提供功率适中的方波信号；音频口第四通道接收超声波传感器的回波信号。

Description

一种超声波测距系统及控制其测距的方法

技术领域

本发明涉及测距技术领域，具体涉及一种超声波测距系统及控制其测距的方法。

背景技术

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。当今计算机技术、自动化技术和工业机器人得到不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常见的测距方法有：激光测距、雷达测距和超声波测距等。其中，激光测距是利用激光对目标的距离进行测定。激光测距在工作时向目标发射出一束细激光，然后光电元件接收目标反射的激光束，控制电路中的计数器测定从发射到接收的时间，从而计算观测者到目标的距离。雷达测距与激光测距相近，其优点是测距量程大，但是功耗大、价格高，使用场合受局限。

几种测距方法中，超声波的速度相对光速小的多，易于仿真模拟。超声波是频率超过20KHZ的机械波，它同样具有声波传输的基本物理特性——反射、折射、干涉等，超声波在不同媒介面超声波的大部分能量会反射。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。自19世纪末到20世纪初,在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。

利用超声波检测往往比较迅速、方便，可以做到实时控制。在精度方面，当前一般的超声波测距模块的精度可以达到3毫米，带有温湿度补偿功能的性能高些，可以达到1毫米。超声波能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用，比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。超声波测距可以达到工业应用的要求，对井深、管道长度等工业现场的物理量进行测量，在移动机器人的研制上也可以广泛应用。超声波测距原理简单、功耗小、体积小，且对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体。超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中，例如在壁障、车辆定位和导航等领域。超声波传感器费用低，易于小型化和集成化，作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。

国内从五十年代起对超声波测距进行了较多的研究。随着电子技术的飞速发展，特别是单片机技术的应用，使得原来非常复杂的超声物位测量仪的设计有了大幅简化的可能，如采用zilog公司的z86E08单片机控制的超声波测距数显装置，以8098单片机为核心的智能物位测量仪等，从而使得超声波测距仪得到更多的应用。目前的超声波测距仪包含单片机、独立显示屏、按键、电池与超声波传感器。而采用单片机与显示屏的超声波测距仪缺点也逐渐显现，带来了高功耗、高成本、大体积等不便于携带的缺陷。因此很需要一种新颖的超声波测距系统来代替这种传统的测距系统。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述传统超声波测距仪的问题，本发明提供了一种新型超声波测距仪。

为了实现上述技术目的，本发明提供一种超声波测距系统，所述的超声波测距系统包含：超声波传感器和移动终端。

所述超声波传感器，用于向测量目标发射超声波信号，并接收目标反射回的模拟信号。

所述移动终端，用于：采用移动终端音频口接收超声波传感器接收的模拟信号，并进行计时操作；基于得到的模拟信号和计时结果计算距离、并存储和显示得到的距离；控制超声波传感器的开启。

可选的，上述超声波传感器包含：发射器，接收器，第一放大器和滤波器。

所述发射器，用于向目标发射超声波信号；所述接收器，用于接收目标返回的模拟信号；所述第一放大器，用于将接收的模拟信号进行放大处理；所述滤波器，用于将放大后的模拟信号进行滤波处理，且滤波处理后的模拟信号经过移动终端音频口的第四通道传输至移动终端。

可选的，上述发射器通过如下依次串联的器件获得方波输入信号：

移动终端音频口的第一或第二通道，用于发射周期性正弦波信号；第二放大器，用于将移动终端音频口的第一通道和第二通道发射的周期性正弦波信号进行放大处理；整形器，用于对放大器的输出信号进行整形处理，将整形处理得到的方波信号输入发射器的输入端，进而驱动发射器发生超声波信号。

可选的，超声波传感器的供电电路包含依次串联的：绕线放大器，FET整流电路和直流供电电路。

所述绕线放大器，用于接收移动终端音频口的第一或第二通道输出的周期正弦波信号，并对周期正弦波信号进行放大。

所述FET整流电路，将放大后的信号进行FET整流处理。

所述直流供电电路，将FET整流处理后的信号转化为直流电源，进而为超声波传感器供电。

可选的，上述的供电电路还为第二放大器及整形器供电。

可选的，上述的移动终端包含智能电源控制模块，用于实时监控移动终端发射和接收超声波的操作，当监测到发送超声波的命令时，开启与绕线放大器相连的第一通道或第二通道，使第一通道或第二通道开始发射周期正弦波信号；当监测到移动终端接收到超声波返回信号时，停止与绕线放大器相连的第一通道或第二通道，使第一通道或第二通道停止发射周期正弦波信号。

进一步可选的，上述的移动终端还包含：若干音频口通道、控制模块、计算模块、存储模块和联网模块。

所述若干音频口通道，音频口的第一通道或第二通道分别用于为发射器提供输入信号或为超声传感器供电，音频口的第四通道用于接收超声波传感器接收的超声波返回信号。

所述控制模块，用于监测测距指令，当监测到测距指令时启动发射器发射超声波信号；用于开启或关闭针对超声波传感器的供电；用于判断是否有回波信号返回，当监测到有回波信号返回时启动计算模块。

所述计算模块，用于基于返回的回波信号计算距离值。

所述存储模块，用于存储计算模块得到的距离值。

所述联网模块，用于完成移动终端之间的组网。

此外，本发明还提供了一种控制超声传感器进行测距的方法，所述方法包含：

步骤101）将移动终端的计数器初始化为零，同时移动终端处于待机状态并实时监测用户输入的发射超声波的命令，当监测到用户输入的发射超声波的命令时，进入下一个步骤；

步骤102）移动终端音频口的第一通道将其输出的若干周期的正弦信号依次进行放大和整形处理，进而转化为方波，将得到的方波输入超声波传感器的发射器驱动发射器发射超声波信号；

其中，所述的第一通道也能采用第二通道；

步骤103）超声波传感器的接收器接收返回的信号，并将接收的信号经过放大及滤波处理输入移动终端音频口的第四通道；

步骤104）移动终端监测音频口的第四通道是否收到回波信号，当监测到第四通道收到了回波信号则进入下一个步骤；

当经过一段时间仍没有监测得到回波时，再判断计时器的时间是否超过设定的阈值，如果超过设定的阈值则返回步骤102）重新发射超声波；如果没有超过设定时间则继续监测第四通道；

步骤105）读取计时器的计时结果，根据得到的回波信号及计时器记录的时间计算距离，输出距离结果。

可选的，上述的方法还包含为超声波换能器智能供电的步骤，具体为：

将移动终端音频口的第二通道输出的周期正弦信号依次经过绕线放大、FET整流以及直流转换，进而为超声波换能器供电；

其中，当移动终端监测到音频口的第四通道收到回波信号时，则终止移动终端音频口的第二通道发射周期信号，进而停止对超声波换能器的供电；且当在设定的阈值时间内没有收到回波信号或者有新的发射超声波命令时，再次启动移动终端音频口的第二通道持续发射周期信号为超声换能器进行供电；

所述的第二通道也能够采用第一通道。

进一步可选的，当音频口的第一通道为发射器提供了若干周期的正弦信号后，关闭该通道的信号发射功能，进而停止驱动发射器发射超声信号，直至再次收到超声波发射命令或者超过设定的阈值再启动第一通道发射周期信号，重新为发射器提供驱动信号；其中，所述第一通道能够采用第二通道替换。

总之，本发明将超声波传感器和移动终端连接起来组合成一种全新的超声波测距仪，即：通过移动终端音频口第一通道发射周期信号；音频口第四通道接收超声波回波信号；音频口第二通道同时发出周期信号，通过放大整流器，提供超声波传感器所需的电能，并对超声波传感器采用间歇式供电策略；最后采用移动终端计算并显示测距结果。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

仅采用一个超声波传感器，就能够随时任意移动终端互连，变成随身携带的智能超声波测距仪。且基于现有移动终端的可视化操作，使得本发明具有操作灵活、体积小、功耗低，携带方便等特点。

附图说明

图1本发明实施例提供的超声波测距仪结构框图；

图2本发明实施例提供的移动终端控制流程。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行清楚的描述，显而易见，所述实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部。基于本发明中的设计结构和创意，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所提出的其他实施例都在本发明保护的范围内。

本发明基于移动终端例如手机、pad等设备的音频口，提供了一种音频插头式的超声波测距仪。它采用移动终端作为中心处理器，体积小、测量携带方便，是一种新型的测距装置。

传统的超声波测距仪以单片机为核心，包含单片机、超声波传感器、独立显示屏、按键、电池。单片机输出脉冲信号，通过连接线传输至超声波传感器，单片机同时记录超声波发射的时间。当收到超声波的反射波时，超声波传感器产生一个中断信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断命令，读取时间差，计算距离，结果再输出至显示屏或是LED显示。

实施例

本发明的超声波测距仪不采用现有技术的单片机、独立显示屏、电池、按键，而是采用移动终端作为信号发射与接收的控制中枢，如图1所示，包括超声波传感器、放大器、整形器、电源获取电路和移动终端，其中移动终端是用户已有的随身设备，电源获取电路是指把从移动终端音频口得到的正弦波信号转化为稳定直流电压的电路。超声波传感器包括放大、滤波、发射器与接收器。放大整形电路指将移动终端输出的正弦波信号经过放大、整形后变为幅度适中的方波信号的电路。

将移动终端的音频口集成在同一个接线头上，有四个部分组成。其中，第一和第二通道为耳机中的左声道或者右声道输出，第三通道是接地端，第四通道是麦克风MIC的输入端。其中采用第一和第二通道作为移动终端信号发出端，发出22KHZ的正弦波信号。本发明中采用第二通道作为放大整形器与超声波传感器的供电输出，第一通道产生超声波的方形原始电信号。第三通道的地要与超声波传感器的地连接在一起，做共地处理。第四通道作为超声波传感器输入到智能移动终端的通道，超声波传感器将接收到的超声波信号转化为电信号后直接输入到智能终端。

从音频口取电实际上就是将音频口输出的正弦波信号转化为稳定的直流电压。本发明中音频口第二通道输出22KHZ的正弦波信号。但是移动终端音频口的第二通道发出的正弦波信号幅值很低，因此需要对取电信号进行放大和整流，才能高效率的把从音频口产生的功率取出来。放大整流后，再通过直流供电电路输出稳定电压，直流供电电路采用稳压模块实现。升压电路用步进式微转换装置，耦合系数很高，可用于一系列的绕线比例。本发明使用的是1:20的比例，装置型号为LPR6235。步进式电压通过FET整流，步进电压高过FET的门限电压，则FET导通。步进式升压另外一个优点是减少电流在二极管上的流通，因此，减少了前向压降。不同于以往的音频口取电模式，以往对外接设备的供电在联通后是持续的，而本发明的供电采用独特的间歇式策略，在每获取到回波信号并计算出距离值后，移动终端自动停止从音频口的第二通道发射信号，停止供电，节省移动终端的电能。也就是在音频口的第二通道与第四通道之间建立了这样的逻辑：当第四通道监测到信号后，第二通道同时停止发射信号。

空气对超声波的吸收与超声波频率的平方成正比，因此用来测距的超声波的频率本身就不能很高。另一方面频率越低，波长越长，测距的绝对误差就越大。在同样的环境、气温、湿度等条件下10kHz的声波在空气中的声吸收约0.126dBm，频率为20kHz超声波的声吸收大约为1dBm，而40kHz时便达到了4dBm。频率的选择需要进行折中，而移动终端音频口的输出频率普遍在从20HZ到24KHZ的范围。本发明中移动终端音频口的第一通道采用22KHZ的正弦信号输出给超声波传感器的发射器。但是22KHZ的正弦信号并不是直接可用，因为通常音频口的第一通道输出的正弦波信号幅值较低，峰峰值在500mV以内，需要经过放大、整形后变为功率适中的方波信号，才可以有效的传递到超声波传感器的发射器。放大功能采用集成的放大器实现，整形电路采用施密特触发器或是比较器完成。本发明中采用74AUP2G14施密特触发器，它有能力将输入信号转换成清晰、无抖动的矩形波输出信号。该触发器可确保在整个工作电压范围为0.8V至3.6V，具有非常低的静态和动态功耗，其低静态功耗电流最大值只有0.9μA，完全满足移动终端外设低功耗的要求。

由于外界的干扰声波较多，应该赋予发射超声波除固有频率外的其他特征，通常方法是采用固定的脉冲个数来区分。为满足对脉冲的调节，传统超声波测距仪还需要调制电路，或是集成在单片机里或是独立的额外电路。而本发明直接采用移动终端的音频口发射信号，移动终端APP可以通过调用底层音频协议来控制脉冲，所以可以通过移动终端设定发射信号的周期和时间。本发明移动终端音频口的第一通道采用周期为20us，发射时间持续1ms，则一次发射包含50个脉冲。移动终端音频口的第四通道只需要识别单次包含50个脉冲左右的回波信号，从而实现抗干扰。

所述发射器使用陶瓷振子，将陶瓷振子的动能力转换为超声波能量向空中辐射。同样接收器也采用陶瓷振子，将接收到的超声波后的机械振动，转化为电信号，作为传感器接收器的输出，电信号再通过放大和滤波传输到移动终端音频口的第四通道，由移动终端对接收到的超声波进行检测，完成发与收的闭环。

移动终端控制流程如图2所示。移动终端的APP是一种可视化的软件，且该，具有直观的控制界面。控制界面采用人为触发的模式，而不是不间断的测量，这样可以降低功耗，适应于移动终端节约供电的要求。打开软件，人为点击发射超声波命令后，移动终端通过音频口的第一和第二通道均发出22KHZ周期信号，同时打开计时器，开始计时。APP不间断监测音频口的第四通道，判断是否有回波信号进入。当监测到有回波时，计时停止，计算距离。当计时器时间超过一定的阈值还没有回波，则第一通道重新发射驱动信号。这里的阈值采用超声波传播1000米来回的时间，约为5.8s。时间超过阈值说明此次测量无效，自动重新发射信号。在移动终端中完成距离的计算并显示，超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。计算结果可以存储或是上传到无线互联网。

将超声波传感器嫁接在智能移动终端的音频口上，利用具有普遍统一性的音频口在超声波传感器和终端APP之间通讯，传递周期性信号，接收回波信号，进行测距，并将数据上传到无线互联网。本发明完全革新了已有的超声波测距仪的结构，利用音频口取电技术与策略、音频口发射与接收周期信号技术、移动终端APP技术，将超声波传感器与移动终端设备组成了一种新型的超声波测距仪，不再采用单片机、独立显示屏、按键、电池，简化了体积，降低了功耗，增加了携带方便性，同时实现了所测数据与无线互联网的无缝连接。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种超声波测距系统，其特征在于，所述的超声波测距系统包含：

超声波传感器，用于向测量目标发射超声波信号，并接收目标反射回的模拟信号；

移动终端，用于：

采用移动终端音频口接收超声波传感器接收的模拟信号，并进行计时操作；

基于得到的模拟信号和计时结果计算距离、并存储和显示得到的距离；

控制超声波传感器的开启。

2.根据权利要求1所述的超声波测距系统，其特征在于，所述超声波传感器包含：

发射器，用于向目标发射超声波信号；

接收器，用于接收目标返回的模拟信号；

第一放大器，用于将接收的模拟信号进行放大处理；

滤波器，用于将放大后的模拟信号进行滤波处理，且滤波处理后的模拟信号经过移动终端音频口的第四通道传输至移动终端。

3.根据权利要求2所述的超声波测距系统，其特征在于，所述发射器通过如下依次串联的器件获得方波输入信号：

移动终端音频口的第一或第二通道，用于发射周期性正弦波信号；

第二放大器，用于将移动终端音频口的第一通道和第二通道发射的周期性正弦波信号进行放大处理；

整形器，用于对放大器的输出信号进行整形处理，将整形处理得到的方波信号输入发射器的输入端，进而驱动发射器发生超声波信号。

4.根据权利要求1或权利要求3所述的超声波测距系统，其特征在于，超声波传感器的供电电路包含依次串联的：

绕线放大器，用于接收移动终端音频口的第一或第二通道输出的周期正弦波信号，并对周期正弦波信号进行放大；

FET整流电路，将放大后的信号进行FET整流处理；和

直流供电电路，将FET整流处理后的信号转化为直流电源，进而为超声波传感器供电。

5.根据权利要求4所述的超声波测距系统，其特征在于，所述的供电电路还为第二放大器及整形器供电。

6.根据权利要求4所述的超声波测距系统，其特征在于，所述的移动终端包含智能电源控制模块，用于实时监控移动终端发射和接收超声波的操作，当监测到发送超声波的命令时，开启与绕线放大器相连的第一通道或第二通道，使第一通道或第二通道开始发射周期正弦波信号；当监测到移动终端接收到超声波返回信号时，停止与绕线放大器相连的第一通道或第二通道，使第一通道或第二通道停止发射周期正弦波信号。

7.根据权利要求2所述的超声波测距系统，其特征在于，所述的移动终端还包含：

若干音频口通道，音频口的第一通道或第二通道分别用于为发射器提供输入信号或为超声传感器供电，音频口的第四通道用于接收超声波传感器接收的超声波返回信号；

控制模块，用于监测测距指令，当监测到测距指令时启动发射器发射超声波信号；用于开启或关闭针对超声波传感器的供电；用于判断是否有回波信号返回，当监测到有回波信号返回时启动计算模块；

计算模块，用于基于返回的回波信号计算距离值；

存储模块，用于存储计算模块得到的距离值；

联网模块，用于完成移动终端之间的组网。

8.一种控制超声传感器进行测距的方法，该控制方法用于控制权利要求1-7任意一条权利要求记载的超声波测距仪进行测距，所述方法包含：

步骤101）将移动终端的计数器初始化为零，同时移动终端处于待机状态并实时监测用户输入的发射超声波的命令，当监测到用户输入的发射超声波的命令时，进入下一个步骤；

步骤102）移动终端音频口的第一通道将其输出的若干周期的正弦信号依次进行放大和整形处理，进而转化为方波，将得到的方波输入超声波传感器的发射器驱动发射器发射超声波信号；

其中，所述的第一通道也能采用第二通道；

步骤103）超声波传感器的接收器接收返回的信号，并将接收的信号经过放大及滤波处理输入移动终端音频口的第四通道；

步骤104）移动终端监测音频口的第四通道是否收到回波信号，当监测到第四通道收到了回波信号则进入下一个步骤；

当经过一段时间仍没有监测得到回波时，再判断计时器的时间是否超过设定的阈值，如果超过设定的阈值则返回步骤102）重新发射超声波；如果没有超过设定时间则继续监测第四通道；

步骤105）读取计时器的计时结果，根据得到的回波信号及计时器记录的时间计算距离，输出距离结果。

9.根据权利要求8所述的控制超声传感器进行测距的方法，其特征在于，所述的方法还包含为超声波换能器智能供电的步骤，具体为：

将移动终端音频口的第二通道输出的周期正弦信号依次经过绕线放大、FET整流以及直流转换，进而为超声波换能器供电；

其中，当移动终端监测到音频口的第四通道收到回波信号时，则终止移动终端音频口的第二通道发射周期信号，进而停止对超声波换能器的供电；且当在设定的阈值时间内没有收到回波信号或者有新的发射超声波命令时，再次启动移动终端音频口的第二通道持续发射周期信号为超声换能器进行供电；

所述的第二通道也能够采用第一通道。

10.根据权利要求8所述的控制超声传感器进行测距的方法，其特征在于，

当音频口的第一通道为发射器提供了若干周期的正弦信号后，关闭该通道的信号发射功能，进而停止驱动发射器发射超声信号，直至再次收到超声波发射命令或者超过设定的阈值再启动第一通道发射周期信号，重新为发射器提供驱动信号；

其中，所述第一通道能够采用第二通道替换。

Images