CN106546986A - 一种基于超声波的测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声波测距领域，一种基于超声波的测距仪，包括壳体，壳体内设有单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块；壳体内还设有用于为所述单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块供电的双供电系统；所述显示模块镶嵌在壳体的内部且其显示面布置在壳体正面偏上位置；所述双供电系统包括太阳能电池和可充电的锂离子电池，所述太阳能电池镶嵌在壳体的内部且其吸光面覆盖在壳体正面的其余空白位置，壳体的侧面设置有分别用于控制太阳能电池和可充电的锂离子电池开启与关闭的两个独立开关。本发明的测距仪具有结构设计合理简单，节能环保、测量准确的优点。

Description

一种基于超声波的测距仪

技术领域

本发明属于超声波测距领域，具体涉及一种基于超声波的测距仪。

背景技术

人们日常中经常需要测量空间中两点的位置，常用的方法是用尺子进行测量，但是尺子测量精确度比较低，会造成误差。超声波测距是一种极有潜力的方法，近距离范围内超声波测距有其不受光线影响、能量消耗缓慢、结构简单等特点。超声波测量的另一个突出优点是：环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛。更重要的是超声波检测降低了劳动强度，避免工人在恶劣工作环境下受到伤害，还大大提高了测量精度，可靠性高。

超声波测距的方法有多种，如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本发明采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气煤质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。

从长远利益看，测距仪应向节能环保方面研究，但现有技术中的超声波测距仪器模块比较复杂、内部元件容易损坏，且需要经常更换电池，造成环境污染和资源浪费，并无法给测距仪自身提供能源。

发明内容

本发明克服了上述技术问题的缺点，提供了一种基于超声波的测距仪，该测距仪具有结构设计合理简单，节能环保、测量准确的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于超声波的测距仪，包括壳体，所述壳体为长方体扁平结构，壳体内设有单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块；壳体内还设有用于为所述单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块供电的双供电系统；所述单片机模块包括外部中断寄存器；所述超声波发射模块包括超声波发射管；所述超声波接收模块包括超声波接收管；其中：

所述单片机模块用于产生频率为40kHz的方波脉冲信号并分别控制超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块的工作状态；所述超声波模块上的超声波发射管发射超声波，外部中断寄存器中断电路启动；所述超声波模块上的超声波接收管接收反射回来的超声波，外部寄存器将超声波发射和接收的时间中断信号返回单片机模块，单片机经过处理将得到的时间信号通过显示模块显示，所述显示模块镶嵌在壳体的内部且其显示面布置在壳体正面偏上位置；所述双供电系统包括太阳能电池和可充电的锂离子电池，所述太阳能电池镶嵌在壳体的内部且其吸光面覆盖在壳体正面的其余空白位置，壳体的侧面设置有分别用于控制太阳能电池和可充电的锂离子电池开启与关闭的两个独立开关。

作为一种优选，所述单片机模块采用AT89C51单片机。

作为一种优选，所述超声波发射模块主要包括反相器74HC04和超声波发射管TCT40-10F1，单片机模块输出的40kHz的方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管的另一个电极，用这种推换方式将方波脉冲信号加到超声波发射管的两端，可以提高超声波的发射强度。

作为一种优选，所述超声波接收模块主要包括集成电路CX20106A和超声波接收管TCT40-10S1，其中心频率为40kHz；集成电路CX20106A识别超声波信号，并将超声波信号进行放大，控制超声波接收管接收反射的超声波信号，将超声波信号送回单片机模块。

作为一种优选，所述壳体的上端侧面开设有两个小孔，所述小孔之间的距离为3.5～4.5cm，所述超声波发射管和超声波接收管分别穿过所述小孔，所述超声波发射管和超声波接收管外设置有保护盖，所述保护盖与壳体通过锁扣活动连接。

作为一种优选，还包括与所述单片机模块连接的按键模块，所述按键模块设置在所述壳体正面中间位置，且其包括测量键、数据上翻键、数据下翻键和取消键。

作为一种优选，所述锂电池安装在壳体内的一安装盒中，所述安装盒和锂电池之间设有密封圈。

作为一种优选，所述显示模块采用YB1602液晶屏。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的基于超声波的测距仪结构简单，成本低廉，测量精度高，该测距仪的测量范围达到2cm到800cm。。

2、本发明的基于超声波的测距仪采用双供电系统方便了人们的使用，即使锂电池忘记充电，也可以利用太阳能电池供电，方便使用，节能环保。

3、本发明的基于超声波的测距仪使用寿命长、稳定性好，现有的超声波发射管和超声波接收管大多外露设置，容易损坏且影响测试准确度，本发明通过在其外部设置可以活动开启的保护盖，有助于提高测试准确度，避免超声波发射管和超声波接收管受到破坏。

附图说明

图1是本发明一种基于超声波的测距仪的结构示意图；

图2是本发明一种基于超声波的测距仪的电路框图；

附图中的标记：1-壳体；2-超声波发射管；3-超声波接收管；4-显示模块；5-太阳能电池；6-开关；7-小孔；8-保护盖；9-锁扣；10-按键模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于超声波的测距仪，包括壳体1，所述壳体1为长方体扁平结构，壳体1内设有单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块4；壳体1内还设有用于为所述单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块4供电的双供电系统；所述单片机模块包括外部中断寄存器；所述超声波发射模块包括超声波发射管2；所述超声波接收模块包括超声波接收管3；其中：

所述单片机模块用于产生频率为40kHz的方波脉冲信号并分别控制超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块4的工作状态；所述超声波模块上的超声波发射管2发射超声波，外部中断寄存器中断电路启动；所述超声波模块上的超声波接收管3接收反射回来的超声波，外部寄存器将超声波发射和接收的时间中断信号返回单片机模块，单片机经过处理将得到的时间信号通过显示模块4显示，所述显示模块4镶嵌在壳体1的内部且其显示面布置在壳体1正面偏上位置；所述双供电系统包括太阳能电池5和可充电的锂离子电池，所述太阳能电池5镶嵌在壳体1的内部且其吸光面覆盖在壳体1正面的其余空白位置，壳体1的侧面设置有分别用于控制太阳能电池5和可充电的锂离子电池开启与关闭的两个独立开关6。

本发明通过单片机模块实现对超声波发射模块和超声波接收模块的控制，并通过显示模块4将测得的距离信息显示给用户。另外，本发明利用双供电系统给所述单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块4供电，既可以利用锂离子电池供电，也可以用太阳能电池5供电，非常方便和环保。

单片机模块是整个系统的控制核心，本发明的单片机模块采用AT89C51单片机，AT89C51单片机的性能高、成本低、功耗低，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机AT89C51单片机具有丰富的I/O口，且能输出超声波发射管2所需的40kHz方波脉冲信号，利用外部中断寄存器检测超声波接收模块输出的返回信号。

超声波发射模块上的超声波发射管2用于发射超声波，所述超声波发射管2的型号为TCT40-10F1。超声波发射时，考虑到单片机端口驱动能力有限，本发明在超声波发射模块上设置74HC04反相器对单片机输出的方波脉冲信号进行功率放大，74HC04反相器能起到一个高低电平转换的作用，多用于音频放大，也可用于超声波发射。该反相器与单片机模块相连，单片机模块产生的40kHz脉冲方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管2的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管2的另一个电极，用这种推换方式将方波脉冲信号加到超声波发射管2的两端，经74HC04功率放大后，驱动超声波发射管2发射超声波。

超声波接收管3的型号为TCT40-10S1，其接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号较弱，必须经过放大。为了顺利接收回波信号，本发明在超声波接收模块设置集成电路CX20106A对超声波信号进行放大。超声波接收管3接到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为40kHz。该超声波信号经过滤波整形后输出到单片机模块的外部中断寄存器。

作为一种优选的实施方式，所述壳体11的一侧面上开设有两个小孔7，所述小孔7之间的距离为3.5～4.5cm，本实施例优选4.5cm，所述超声波发射管2和超声波接收管3分别穿过所述小孔7，使所述超声波发射管2和超声波接收管3之间间隔一定距离，避免受到发射的干扰。所述超声波发射管2和超声波接收管3外设置有保护盖8，所述保护盖8与壳体1通过锁扣9活动连接。通过设置可以活动开启的保护盖8，有助于提高测试准确度，避免超声波发射管2和超声波接收管3外受到破坏。

作为一种优选的实施方式，所述的基于超声波的便携式测距仪还包括与所述单片机模块连接的按键模块10，所述按键模块10设置在所述壳体1正面中间位置，所述按键模块10包括测量键、数据上翻键、数据下翻键和取消键。设置所述按键可以方便控制欲调试，所述按键模块10为该领域内的常用技术，故并未示出电路图。

作为一种优选的实施方式，将所述锂电池安装在壳体1内的一安装盒中，并在所述安装盒和锂电池之间设有密封圈，能整体上提高锂电池的密封性能，避免其漏电或短路，保证了锂电池的正常运转。

作为一种优选的实施方式，所述显示模块4采用YB1602液晶屏。YB1602是一种字符型液晶模块，共可以显示2行x16个字符，YB1602采用COB工艺制作，结构稳定，功耗低，使用寿命长。

作为一种优选的实施方式，所述太阳能电池5可以为单晶硅太阳能电池5、多晶硅太阳能电池5、非晶硅薄膜太阳能电池5或化合物薄膜电池，本实施例选用单晶硅太阳能电池5。

本发明的一种基于超声波的测距仪的使用方法，包括：

A、通过开启壳体1的侧面控制太阳能电池5或可充电的锂离子电池的开关6，以接入电源；

B、将测距仪对准被测目标，按下测距仪上按键模块10中的测量键，单片机模块输出40kHz的方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管2的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管2的另一个电极，将方波脉冲信号转变为超声波发射，以提高发射强度，超声波发射模块向被测目标发射超声波，在发射的同时，单片机模块的外部中断产生一个中断信号并开始计时；

C、超声波经被测目标反射后通过超声波接收管3接收，经过集成电路CX20106A识别放大，经滤波整形等处理后，输出到单片机模块的外部中断寄存器，使得单片机内停止计时；

D、单片机模块接收两个中断记录的时间间隔，通过公式计算出测定距离，并由所述单片机模块输出数字信号到YB1602液晶屏，YB1602液晶屏显示距离数值。

本发明的一种基于超声波的测距仪的工作原理：操作者通过测距仪上的测量键，向单片机模块输入控制信息，测量时，由单片机模块输出40kHz左右的方波脉冲信号，方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管2的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管2的另一个电极，并驱动超声波发射管2发出超声波脉冲，同时启动单片机模块的外部中断开始计时。超声波到达目标时传回，经空气传播超声波接收管3接收，并将超声波信号通过集成电路CX20106A进行放大，经滤波整形等处理后，输出到单片机模块的外部中断寄存器，此时计时停止，经计算可得超声波从发射到接收的时间间隔，从而得到距离数值。操作者也可以通过按下数据上翻键、数据下翻键和取消键对本测距仪进行相应的控制。

本发明的一种基于超声波的测距仪结构简单，成本低廉，该测距仪的测量范围达到2cm到800cm；在超声波发射管2和超声波接收管3外设置可以活动开启的保护盖8，有助于提高测试准确度，避免超声波发射管2和超声波接收管3外受到破坏。本发明充分使用了单片机模块的系统资源，结合AT89C51单片机的超低功耗和74HC04反相器的超强驱动功能，使得本发明的测距仪功耗和体积都有所降低，便于携带和使用，满足高精度、低功耗的测量要求，并且本测距仪采用双供电系统方便了人们的使用，即使锂电池忘记充电，也可以利用太阳能电池5供电，方便使用，节能环保。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于超声波的测距仪，包括壳体，其特征在于：所述壳体为长方体扁平结构，壳体内设有单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块；壳体内还设有用于为所述单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块供电的双供电系统；所述单片机模块包括外部中断寄存器；所述超声波发射模块包括超声波发射管；所述超声波接收模块包括超声波接收管；其中：

所述单片机模块用于产生频率为40kHz的方波脉冲信号并分别控制超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块的工作状态；所述超声波模块上的超声波发射管发射超声波，外部中断寄存器中断电路启动；所述超声波模块上的超声波接收管接收反射回来的超声波，外部寄存器将超声波发射和接收的时间中断信号返回单片机模块，单片机经过处理将得到的时间信号通过显示模块显示，所述显示模块镶嵌在壳体的内部且其显示面布置在壳体正面偏上位置；所述双供电系统包括太阳能电池和可充电的锂离子电池，所述太阳能电池镶嵌在壳体的内部且其吸光面覆盖在壳体正面的其余空白位置，壳体的侧面设置有分别用于控制太阳能电池和可充电的锂离子电池开启与关闭的两个独立开关。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的测距仪，其特征在于：所述单片机模块采用AT89C51单片机。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的测距仪，其特征在于：所述超声波发射模块主要包括反相器74HC04和超声波发射管TCT40-10F1，单片机模块输出的40kHz的方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管的另一个电极，用这种推换方式将方波脉冲信号加到超声波发射管的两端，可以提高超声波的发射强度。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的测距仪，其特征在于：所述超声波接收模块主要包括集成电路CX20106A和超声波接收管TCT40-10S1，其中心频率为40kHz；集成电路CX20106A识别超声波信号，并将超声波信号进行放大，控制超声波接收管接收反射的超声波信号，将超声波信号送回单片机模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声波的测距仪，其特征在于：所述壳体的上端侧面开设有两个小孔，所述小孔之间的距离为3.5～4.5cm，所述超声波发射管和超声波接收管分别穿过所述小孔，所述超声波发射管和超声波接收管外设置有保护盖，所述保护盖与壳体通过锁扣活动连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声波的测距仪，其特征在于：还包括与所述单片机模块连接的按键模块，所述按键模块设置在所述壳体正面中间位置，且其包括测量键、数据上翻键、数据下翻键和取消键。

7.根据权利要求1所述的一种基于超声波的测距仪，其特征在于：所述锂电池安装在壳体内的一安装盒中，所述安装盒和锂电池之间设有密封圈。

8.根据权利要求1所述的一种基于超声波的测距仪，其特征在于：所述显示模块采用YB1602液晶屏。