CN105372662A - 具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统，利用电机模块带动超声波收发模块进行旋转扫描，实现了单一超声波收发模块连续对不同角度障碍物距离进行检测。该装置结构简单，有利于降低检测盲区。检测结果既可以通过数码管进行数字显示，又增加了图形显示功能，通过在显示屏上绘制的空间轮廓，可以更加全面地掌握周围空间的信息。系统电源模块采用太阳能充电，节能环保。本装置可与汽车倒车雷达结合使用，也可用于机器人移动避障，公共安防，工程测量，探险考古等领域。能够在光线不足的环境下对未知或危险区域进行探测时，可以通过该装置进行初步测量，了解被测区域障碍物情况，便于进一步的考察研究。

Description

具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统

技术领域

本发明涉及超声测距技术领域，更具体地说，涉及一种具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统。

背景技术

超声波测距具有方向性好，响应迅速，简单经济，易于控制，受环境影响较小等特点。因此广泛应用于倒车雷达、移动机器人、避障导航、工程建筑等领域。现有的超声测距装置主要由超声波发射、接收模块，控制模块，显示模块组成。超声波测距的原理是利用超声波在空气中传播的速度和时间计算出波束传播的距离。超声波发射探头沿某一方向发射超声波，与此同时控制系统开始计时，超声波在介质中以速度v传播，当超声波遇到障碍物发生反射，由接收探头接收到回波时停止计时。如果传播时间为t，则超声探头与障碍物之间的距离为

目前已有的超声测距装置存在以下问题：

1、方向单一具有检测盲区：由于超声波具有较好的方向性不易发散，因此系统一次只能对单一方向进行距离检测，如果要实现多方位测量必须按照不同角度安装多个探头，这样一方面使整个系统结构复杂，另一方面如果多个探头配合不当会出现检测盲区。

2、只能显示数值或发出报警：常用的超声测距系统一般只给出检测距离的数值，以屏幕或数码管的形式进行显示，给人们传达的信息只是一个数字的的概念。如在倒车雷达系统中倘若距离小于设定值时就会产生报警信号，但是这样的系统只能给驾驶员警示信号用来预防潜在的危险，无法提供有关周围障碍物更加全面、直观的信息。

因此，由于现有技术中存在上述的技术缺陷，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的为提供一种具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统，旨在提供一种利用单个探头实现全方位距离检测的装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统，包括控制模块、电机模块、超声波收发模块、显示模块、报警模块和电源模块，所述控制模块连接电机模块，控制所述电机模块带动超声波收发模块转动；所述控制模块连接超声波收发模块，控制所述超声波收发模块发出和接收超声波信号；所述控制模块分别连接显示模块和报警模块，控制所述显示模块显示距离信息或空间轮廓信息，控制所述报警模块报警；所述电源模块为上述各功能模块供电。

优选的，所述控制模块包括主控模块和辅助控制模块，所述主控模块和辅助控制模块均为STC89C52单片机，所述主控模块控制全系统的控制、计算和显示，所述辅助控制模块控制电机模块的工作。

优选的，所述电机模块包括步进电机和电机控制模块，所述电机控制模块控制所述步进电机的旋转。

优选的，所述显示模块包括数码显示模块和图形显示模块，所述数码显示模块直接显示障碍物距离，所述图形显示模块显示根据障碍物点串联绘制的周围空间轮廓图。

本发明的有益之处在于：首先，该装置利用步进电机带动探头旋转实现多角度测量，有利于降低检测盲区。其次，在满足常用的超声波测距功能的同时添加了绘图功能，系统可根据不同角度的距离信息绘制被测区域空间轮廓图形，并在显示屏上实时进行显示，更加直观。最后该系统的电源采用太阳能进行供电，更加节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的各模块连接结构示意图；

图2为本发明的超声波收发模块的超声时序图；

图3为本发明报警模块原理图；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚和详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统，包括控制模块、电机模块、超声波收发模块、显示模块、报警模块和电源模块，所述控制模块连接电机模块，控制所述电机模块带动超声波收发模块转动；所述控制模块连接超声波收发模块，控制所述超声波收发模块发出和接收超声波信号；所述控制模块分别连接显示模块和报警模块，控制所述显示模块显示距离信息或空间轮廓信息，控制所述报警模块报警；所述电源模块为上述各功能模块供电。

更进一步的，所述控制模块包括主控模块和辅助控制模块，所述主控模块和辅助控制模块均为STC89C52单片机，所述主控模块控制全系统的控制、计算和显示，所述辅助控制模块控制电机模块的工作。

更进一步的，所述电机模块包括步进电机和电机控制模块，所述电机控制模块控制所述步进电机的旋转。

更进一步的，所述显示模块包括数码显示模块和图形显示模块，所述数码显示模块直接显示障碍物距离，所述图形显示模块显示根据障碍物点串联绘制的周围空间轮廓图。

利用超声波测距的原理如下：

在控制模块的控制下，步进电机带动超声波收发模块进行旋转扫描，每旋转一定角度由超声波发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时发生反射，由接收探头接收回波，同时控制模块进行中断处理采集数据，计算距离，通过数码管实时显示数值，报警模块根据距离信息发出报警提示；扫描结束，根据所获取的全部距离信息绘制被检测区域空间轮廓图形并在液晶屏上显示。

1、控制模块：

由于本设计需要的硬件资源较多，一个单片机不能满足要求，因此系统采用2个STC89C52单片机，分为主控单片机和辅助单片机，两个单片机可单独控制使用也可联机使用。主单片机主要负责全系统的控制、计算和显示；辅助单片机用于控制步进电机的扫描。

主单片机的T0计时器用于超声波的收发计时，T1计时器用于数码管的扫描显示，T2计时器用于串口通讯的波特率控制。P1.0控制超声波的发送，P3.2引脚作为外部中断采集超声回波数据。P0口直接与4位七段数码管相连输出数码管对应的段码表，P2.4～P2.7口作为数码管的选通接口。P3.0和P3.1作为串行通信接口直接与串口显示屏相连。

步进电机控制器利用辅助单片机的P3.2引脚作为外部中断，当检测到有外部中断发生时，在P1.0～P1.3引脚产生与设定的步进电机码表相同的电平信号发送给步进电机驱动模块。步进电机驱动模块会根据预先设定的程序带动超声波收发模块做180度的旋转扫描。

通过跳线直接将P3.2引脚与主单片机的P3.2引脚相连接，当按下启动扫描按键时主单片机和辅助单片机同时接受外部中断，产生各自的执行命令，这样不仅从硬件上实现了双机通信，更避免了软件上代码的麻烦，也会提高单片机执行的效率。

2、电机模块：

为了实现利用单一超声探头对多角度进行距离测量，该装置采用步进电机带动超声探头进行旋转扫描。设计中采用四相步进电机，步进角为5.625/64度。采用ULN2003APG集成芯片进行功率放大驱动步进电机。该步进电机驱动模块带有自恢复保险丝，当发生短路或过载时系统将会自动断电保护。

3、显示模块：

该系统显示采用两种方式，在具备传统超声测距装置具有的数字显示功能的基础上进行了拓展，增加了空间轮廓的图形显示功能。显示方式一：障碍物距离可直接通过四位七段数码管进行数值显示，简单方便；显示方式二：系统可根据从不同角度测量的距离信息，在176×220分辨率的TFT彩色屏幕上绘制图形。绘图时将屏幕的最下端定义为横轴，屏幕最下端的中间定义为原点(超声波探头的位置)，系统工作时平面上绘制的每个点代表一个实际位置信息，每个点的距离均通过多次测量取平均值得到，最终将点进行连线构成周围空间轮廓图，该图形可更加直观地反映环境障碍信息，便于移动设备或佩戴者掌握全局信息，做出更加准确的判断和制定移动策略。

4、超声波收发模块：

如图2，超声波测距的原理是利用超声波在空气中传播的速度和时间计算出波束传播的距离，然后对这个距离进行处理得到待测的距离。该系统采用的超声波收发模块自带控制电路，采用5V电压驱动。通过控制模块IO口触发测距，首先向Trig引脚提供一个至少10μS的脉冲信号，触发后内部电路控制发出8个40kHz的方波信号，同时检测回波。一旦检测到有回波信号则通过Echo引脚产生高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，障碍物的距离可通过公式进行计算。其中S为实际的距离，v为超声波在空气中的传播速度，t为超声波在空气中传播的时间，除以2表示超声波传播的单程距离。

5、电源模块：

电源模块为系统提供所有的电能，该模块采用锂电池为主要的电源，利用直流升压电路将电压升高为5V后为系统供电。电源模块带有miniUSB充电接口，可直接连接USB进行充电。另外在电源模块中采用了太阳能充电的方式，该模块使用的太阳能电池板能提供最大400mA的充电电流。由于太阳能电池板受环境影响较大，产生的电流或电压较不稳定，为了对电路进行保护，在电池板输出端进行了稳压处理。此外，为了满足紧急情况下的使用，电源模块中还设置了快速充电接口。

6、报警模块：

如图3，该模块主要由8欧姆的扬声器和电阻组成。当系统探测到距离小于某一限定值时将产生声音信号。由于单片机输出电流较小，所以采用三级管进行放大，蜂鸣器通过P1.3引脚控制。

本发明利用步进电机带动超声探头进行旋转扫描，实现了单一超声探头连续对不同角度障碍物距离进行检测。该装置结构简单，有利于降低检测盲区。检测结果既可以通过数码管进行数字显示，又增加了图形显示功能，通过在显示屏上绘制的空间轮廓，可以更加全面地掌握周围空间的信息。系统电源采用太阳能充电，节能环保。本装置可与汽车倒车雷达结合使用，也可用于机器人移动避障，公共安防，工程测量，探险考古等领域。例如在光线不足的环境下对未知或危险区域进行探测时，可以通过该装置进行初步测量，了解被测区域障碍物情况，便于进一步的考察研究。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统，其特征在于：包括控制模块、电机模块、超声波收发模块、显示模块、报警模块和电源模块，所述控制模块连接电机模块，控制所述电机模块带动超声波收发模块转动；所述控制模块连接超声波收发模块，控制所述超声波收发模块发出和接收超声波信号；所述控制模块分别连接显示模块和报警模块，控制所述显示模块显示距离信息或空间轮廓信息，控制所述报警模块报警；所述电源模块为上述各功能模块供电。

2.如权利要求1所述的具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统，其特征在于：所述控制模块包括主控模块和辅助控制模块，所述主控模块和辅助控制模块均为STC89C52单片机，所述主控模块控制全系统的控制、计算和显示，所述辅助控制模块控制电机模块的工作。

3.如权利要求2所述的具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统，其特征在于：所述电机模块包括步进电机和电机控制模块，所述电机控制模块控制所述步进电机的旋转。

4.如权利要求3所述的具备空间绘图功能的多角度旋转超声测距系统，其特征在于：所述显示模块包括数码显示模块和图形显示模块，所述数码显示模块直接显示障碍物距离，所述图形显示模块显示根据障碍物点串联绘制的周围空间轮廓图。