CN107884774B - 一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置，属于煤矿安全自动化检测技术领域；所要解决的技术问题是提供了测量精确，重量轻，尺寸小，便于模块化封装，转换效率高，节约能源，本质安全以及抗干扰能力强的一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置；解决该技术问题采用的技术方案为：包括本安稳压电源、信号放大模块、带通滤波模块、模数转换模块、FFT快速傅立叶变换模块、阈值比较模块、信号峰值计数模块、微控制器、发射信号开关选择模块、高速光耦模块、Buck‑Boost升压模块、阻抗匹配模块、功率放大模块、能量处理模块和超声波换能器；本发明可广泛应用于煤矿安全自动化检测领域。

Description

一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置

技术领域

本发明一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置，属于煤矿安全自动化检测技术领域。

背景技术

超声波是指超过人类耳朵听觉上限的声波，一般而言声波频率超过20KHz以上时就可称为超声波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，能够在气体、液体和固体内部传播。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大能量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。

超声波测距技术即利用了超声波的反射特性，是常用的非接触测距技术之一，其广泛运用于物位测量、汽车倒车雷达、机器人避障等方面。超声波具有不受光线影响，抗电磁干扰等优点，因而在高湿度、强腐蚀、多灰尘的各类特殊工业现场得到广泛应用。目前超声波测距的方法中，大多采用飞行时间法。超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，遇到障碍物后反射回来，在超声波接收器收到发射的回波时停止计时，根据发射和接收的时间差，以及常温下超声波在空气中的传播速度，即可计算出发射点到障碍物的实际距离。

超声波测距需要用到超声波换能器，其作用是通过晶体的压电效应完成电信号和声波信号相互转换。超声波换能器的结构形式是多种多样的，常用的超声波换能器为压电式与静电式，静电式换能器在工业现场应用具有较大的局限性。工业现场多采用压电式换能器。压电式超声波换能器依据换能器防护等级不同可分为防水与不防水型，依据结构功能可分为收发一体和收发分体型。收发一体型超声波换能器具有结构简单，安装方便的优点。由于煤矿矿井内粉尘多，局部湿度大，因而最宜采用防水型收发一体探头进行超声波测距。

煤矿矿井属于易燃易爆环境，根据国家标准规定，在易燃易爆环境中使用的设备必须是防爆设备，防爆可通过隔爆或者本质安全化来实现。由于隔爆外壳笨重、尺寸大、成本高等特点，一般不采用隔爆外壳来进行防爆。超声波换能器需要裸露在空气中发射和接收超声波，所以超声波收发电路必须具有本质安全特性，才能在煤矿矿井内部使用。而现有的超声波收发电路多采用大容量的电感、电容元件，不能满足本质安全对应的火花点燃实验要求，因此，无法在矿井内安全使用。另外，由于目前煤矿井下不同车辆的车载换能器都采用单一频率工作，当同一区域出现多个车辆同时工作时，这些车辆可能会发出相同频率的超声波，因而各车辆测距系统会因为环境中同频超声波的干扰而受到影响，导致测距精度降低。

发明内容

本发明一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置，克服了现有技术存在的不足，提供了测量精确，重量轻，尺寸小，便于模块化封装，转换效率高，节约能源，本质安全以及抗干扰能力强的一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置，其特征在于：包括本安稳压电源、信号放大模块、带通滤波模块、模数转换模块、FFT快速傅立叶变换模块、阈值比较模块、信号峰值计数模块、微控制器、发射信号开关选择模块、高速光耦模块、Buck-Boost升压模块、阻抗匹配模块、功率放大模块、能量处理模块和超声波换能器；

本安稳压电源与微控制器、高速光耦模块、Buck-Boost升压模块的电源输入端相连；

Buck-Boost升压模块与高速光耦模块相连，微控制器的第一输出端的信号依次经过发射信号开关选择模块、高速光耦模块、阻抗匹配模块、功率放大模块后与超声波换能器相连，微控制器的第二输出端与能量处理模块相连，能量处理模块与阻抗匹配模块相连，能量处理模块用于根据微控制器发出的指令对阻抗匹配模块的能量进行处理；

超声波换能器的输出信号依次经过信号放大模块、带通滤波模块、模数转换模块、FFT快速傅立叶变换模块后与阈值比较模块的输入端相连，阈值比较模块用于进行信号阈值比较以滤除不满足回波电压标准的信号，阈值比较模块的输出端和信号峰值计数模块的输入端相连，信号峰值计数模块的输出端与微控制器的输入端相连，信号峰值计数模块用于分时对所接收的各频率信号的峰值进行计数运算，并将结果分时送给微控制器。

进一步，还包括液晶显示模块，所述本安稳压电源的输出端与所述液晶显示模块电源输入端相连，所述液晶显示模块与所述微控制器的第三输出端相连。

进一步，还包括声光报警模块，所述本安稳压电源的输出端与所述声光报警模块的电源输入端相连，所述声光报警模块与所述微控制器的第四输出端相连。

进一步，所述发射信号开关选择模块包括多个频率开关，所述高速光耦模块包括多个光耦，所述阻抗匹配模块包括多个阻抗匹配单元，所述功率放大模块包括多个功率放大单元，所述能量处理模块包括多个能量处理单元，所述频率开关、所述光耦、所述阻抗匹配单元、所述功率放大单元和所述能量处理单元的数量保持一致。

进一步，所述本安稳压电源的输出电压为直流5V。

进一步，所述超声波换能器为防水型收发一体换能器。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1.本发明将无变压器高速光耦驱动技术和自适应频率抗超声波干扰技术相结合，解决了煤矿井下多车辆之间因相同频率超声波干扰而影响超声波测距系统测距精度的问题。

2.本发明能够在高瓦斯含量的煤矿井下安全使用，也适用于易燃易爆的化工车间及其它对电器设备具有防爆要求的场所，适用环境较广。

3.本发明具有重量轻，尺寸小，便于模块化封装，转换效率高以及节约能源的特点。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明实施例的电路结构示意图。

图中，1-本安稳压电源，2-信号放大模块，3-带通滤波模块，4-模数转换模块，5-FFT快速傅立叶变换模块，6-阈值比较模块，7-信号峰值计数模块，8-微控制器，9-液晶显示模块，10-声光报警模块，11-发射信号开关选择模块，12-高速光耦模块，13-Buck-Boost升压模块，14-阻抗匹配模块，15-功率放大模块，16-能量处理模块，17-超声波换能器。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置，将无变压器高速光耦驱动技术和自适应频率抗超声波干扰技术相结合，整个装置由本安稳压电源1、信号放大模块2、带通滤波模块3、模数转换模块4、FFT快速傅立叶变换模块5、阈值比较模块6、信号峰值计数模块7、微控制器8、液晶显示模块9、声光报警模块10、发射信号开关选择模块11、高速光耦模块12、Buck-Boost升压模块13、阻抗匹配模块14、功率放大模块15、能量处理模块16和超声波换能器17组成。

实施例

所述本安稳压电源1为微控制器8、高速光耦模块12、Buck-Boost升压模块13、液晶显示模块9和声光报警模块10供电；所述超声波换能器17为防水型收发一体换能器；所述微控制器8控制四个不同频率的脉冲信号轮流进行测距工作，微控制器8与发射信号开关选择模块11相连，根据微控制器8发出的不同频率信号来选通发射信号开关选择模块11中对应的频率开关S1、S2、S3、S4，发射信号开关选择模块11的频率开关S1、S2、S3、S4分别与高速光耦模块12 的A1、A2、A3、A4端口连接，本安稳压电源1与高速光耦模块12的B1、B2、B3、B4端口连接，为高速光耦模块12的信号输入侧提供电压，Buck-Boost升压模块13与高速光耦模块12的D1、D2、D3、D4端口连接，为高速光耦模块12的信号输出侧提供高压，使四个不同频率的电信号经过高速光耦模块12后分别从高速光耦模块12的C1、C2、C3、C4端口输出四个不同频率的高压信号，高速光耦模块12的C1、C2、C3、C4端口分别与阻抗匹配模块14的N1、N2、N3、N4阻抗匹配单元相连，将四个不同频率的高压信号分别通过阻抗匹配模块14的N1、N2、N3、N4阻抗匹配单元进行阻抗匹配来提高能量转换效率，阻抗匹配模块14的N1、N2、N3、N4阻抗匹配单元的一个输出端分别与功率放大模块15的K1、K2、K3、K4功率放大单元相连，对经过匹配的四个不同频率信号进行功率放大，同时为了避免不同频率驱动时，阻抗匹配模块各单元之间相互影响，阻抗匹配模块14的N1、N2、N3、N4阻抗匹配单元的另一个输出端分别与能量处理模块16的E1、E2、E3、E4能量处理单元相连，能量处理模块16还与微控制器8相连，并根据微控制器8发出的指令对阻抗匹配模块14相应单元的能量进行处理，与此同时经过匹配和功率放大的四个不同频率电信号分别由功率放大模块15的K1、K2、K3、K4功率放大单元输出，分时地驱动超声波换能器17发出四种不同频率的超声波。

超声波在空气中传播，遇到障碍物后反射回来的四种不同频率的回波信号包括干扰信号由超声波换能器17分时接收，超声波换能器17将接收到的信号分时输出到信号放大模块2进行放大，放大后的信号分时传送给带通滤波模块3进行带通滤波，并由模数转换模块4转换为数字信号，经FFT快速傅立叶变换模块5后输出离散频率信号，再通过阈值比较模块6滤除不满足回波电压标准的信号，然后由信号峰值计数模块7分时对所接收的各频率信号的峰值进行计数运算，并将结果分时送给微控制器8，微控制器8根据四个时段各频率信号的峰值计数结果判断出环境噪声及有效回波，并结合四种不同频率信号各自的发出时间和有效回波信号的接收时间，由超声波飞行时间法计算出不同频率下障碍物的距离，并对有效测距数据做均值运算，最后微控制器8将运算处理后得出的距离信息输出到液晶显示模块9进行显示，若当前距离小于安全距离，则微控制器8输出信号控制声光报警模块10进行报警。

下面进一步说明本实施例在煤矿井下运输工具倒车时的抗干扰测距原理及工作过程。

由于高频超声波在空气中传播，能量损耗快，不便于超声测距检测，所以超声波测距装置常采用低频信号，为克服煤矿井下多车辆之间相同频率超声波信号对测距精度造成的干扰，本发明装置采用20kHz、25kHz、30kHz和35kHz四种不同频率的低频脉冲信号轮流工作的方法进行测距。即启动本发明测距装置后，在t11～t12时段由20kHz信号进行测距工作，在t21～t22时段由25kHz信号进行测距工作，在t31～t32时段由30kHz信号进行测距工作，在t41～t42时段由35kHz信号进行测距工作，按此顺序不断循环。其中t11、t21、t31和t41分别为微控制器8发出20kHz、25kHz、30kHz和35kHz脉冲信号的时刻，t12、t22、t32和t42分别为微控制器8接收到20kHz、25kHz、30kHz和35kHz有效回波信号的时刻，且t21>t12，t31>t22，t41>t32。

下面以20kHz信号为例具体说明本实施例测距工作原理。

在t11时刻，微控制器8发出20kHz脉冲信号，控制发射信号开关选择模块11中对应的频率开关S1导通，将信号输入至高速光耦模块12的A1端口，本安稳压电源1与高速光耦模块12的B1端口连接为高速光耦模块12的信号输入侧提供电压，Buck-Boost升压模块13与高速光耦模块12的D1端口连接为高速光耦模块12信号输出侧提供高压，以提高超声波信号的发射功率。20kHz脉冲信号经高速光耦模块12进行电压转换后，由高速光耦模块12的C1端口输出高压信号，再通过阻抗匹配模块14的N1阻抗匹配单元进行阻抗匹配来提高能量转换效率，然后通过功率放大模块15的K1功率放大单元进行功率放大，同时微控制器8控制能量处理模块16的E1能量处理单元对阻抗匹配模块14的 N1阻抗匹配单元中的能量进行处理，具体地，微控制器8控制能量处理模块16中的开关器件，使其导通，并利用由电阻网络构成的能量处理单元E1，消耗阻抗匹配模块14中N1阻抗匹配单元的能量。这样能避免不同频率驱动时，阻抗匹配模块14各阻抗匹配单元之间相互影响。经过功率放大后的20kHz电信号驱动超声波换能器17发出20kHz超声波，超声波在空气中传播，遇到障碍物后反射回来的回波由超声波换能器17接收，超声波换能器17同时还可能接收到噪声干扰信号，超声波换能器17将接收到的信号输出到信号放大模块2进行放大，放大后的信号传送给频带为20kHz～35kHz范围的带通滤波模块3进行带通滤波以滤除20kHz～35 kHz范围以外的干扰信号，滤波后由模数转换模块4转换为数字信号，再经过FFT快速傅立叶变换模块5后输出离散频率信号，通过阈值比较模块6进行信号阈值比较以滤除不满足回波电压标准的信号，再由信号峰值计数模块7对回波及干扰信号的峰值进行计数后，由微控制器8进行判断处理。

FFT快速傅立叶变换模块5、阈值比较模块6、信号峰值计数模块7均由DSP编程实现，本装置测距开始时，信号峰值计数清零，在收到回波后，由模数转化模块4产生的数字信号先经过快速傅立叶算法处理，得到回波信号对应的频谱，并提取20KHz对应的强度，与系统初始设定的强度阈值进行比较，若大于此阈值，则证明本次回波有效，且当前计数值变为1，反之则说明其为无效回波。在整个20kHz测距周期期间，如果峰值数目为1，且频率为20kHz，则说明此时没有20kHz～35kHz范围内的干扰信号，收到的20kHz信号即为有效的回波信号；如果峰值数目大于1，且频率为20kHz的信号峰值数目只有一个，则说明此时环境中虽有20kHz～35kHz范围内的干扰信号，但没有20kHz的干扰信号，收到的20kHz信号即为有效的回波信号；如果峰值数目大于1，且频率为20kHz的信号峰值数目多于一个，则说明此时环境中含有20kHz的干扰信号，无法判断收到的20kHz信号为有效的回波信号还是干扰信号。通过上述判断，如果环境中含有20kHz干扰信号，则微控制器8舍弃这组数据，不进行计算；如果环境中不含20kHz干扰信号，则微控制器8记录20kHz有效回波信号的接收时间t12，并根据飞行时间法计算障碍物距离。处理完20kHz信号测距工作后，微控制器8再依次控制25kHz、30kHz和35kHz信号进行测距工作，并分别得到对应频率下的距离信息或噪声情况。具体工作过程与20kHz信号类似，这里不再赘述。

在四个不同频率信号的测距工作结束后，微控制器8可得到四个不同频率信号下的距离信息或噪声情况，并据此计算距离的平均值，然后把距离信息显示在液晶显示模块9，若当前距离小于安全距离，则微控制器8输出信号控制声光报警模块10进行报警。至此一个循环结束。接着开始下一轮循环。

微控制器8还能够根据前一轮循环中得到的环境噪声情况，确定后一轮循环所使用的具体频率，例如，如果前一轮循环中得到环境中存在25kHz的噪声干扰信号，则后一轮循环就只使用20kHz、30kHz和35kHz的频率信号进行测距。每当环境中噪声情况发生变化时，应重新启动四种频率信号进行测距，以探知具体干扰频率，并重新确定后一轮循环所使用的具体频率。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置，其特征在于：该超声波测距装置设置在煤矿井下车辆，该超声波测距装置包括本安稳压电源（1）、信号放大模块（2）、带通滤波模块（3）、模数转换模块（4）、FFT快速傅立叶变换模块（5）、阈值比较模块（6）、信号峰值计数模块（7）、微控制器（8）、发射信号开关选择模块（11）、高速光耦模块（12）、Buck-Boost升压模块（13）、阻抗匹配模块（14）、功率放大模块（15）、能量处理模块（16）和超声波换能器（17）；

本安稳压电源（1）与微控制器（8）、高速光耦模块（12）、Buck-Boost升压模块（13）的电源输入端相连；

Buck-Boost升压模块（13）与高速光耦模块（12）相连，微控制器（8）的第一输出端的信号依次经过发射信号开关选择模块（11）、高速光耦模块（12）、阻抗匹配模块（14）、功率放大模块（15）后与超声波换能器（17）相连，微控制器（8）的第二输出端与能量处理模块（16）相连，能量处理模块（16）与阻抗匹配模块（14）相连，能量处理模块（16）用于根据微控制器（8）发出的指令对阻抗匹配模块（14）的能量进行处理；

超声波换能器（17）的输出信号依次经过信号放大模块（2）、带通滤波模块（3）、模数转换模块（4）、FFT快速傅立叶变换模块（5）后与阈值比较模块（6）的输入端相连，阈值比较模块（6）用于进行信号阈值比较以滤除不满足回波电压标准的信号，阈值比较模块（6）的输出端和信号峰值计数模块（7）的输入端相连，信号峰值计数模块（7）的输出端与微控制器（8）的输入端相连，信号峰值计数模块（7）用于分时对所接收的各频率信号的峰值进行计数运算，并将结果分时送给微控制器（8），微控制器（8）得到四种不同频率信号下的距离信息或噪声情况，并据此计算距离的平均值，微控制器（8）根据前一轮测距频率循环中得到的环境噪声情况，在后一轮测距频率循环不使用在上一轮循环中与环境噪声频率相同的测距频率，当环境中噪声情况发生变化时，重新启动四种频率信号进行测距，探知具体干扰频率。

2.根据权利要求1所述的一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置,其特征在于:还包括液晶显示模块（9），所述本安稳压电源（1）的输出端与所述液晶显示模块（9）电源输入端相连，所述液晶显示模块（9）与所述微控制器（8）的第三输出端相连。

3.根据权利要求1所述的一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置,其特征在于: 还包括声光报警模块（10），所述本安稳压电源（1）的输出端与所述声光报警模块（10）的电源输入端相连，所述声光报警模块（10）与所述微控制器（8）的第四输出端相连。

4.根据权利要求1所述的一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置,其特征在于:所述发射信号开关选择模块（11）包括多个频率开关，所述高速光耦模块（12）包括多个光耦，所述阻抗匹配模块（14）包括多个阻抗匹配单元，所述功率放大模块（15）包括多个功率放大单元，所述能量处理模块（16）包括多个能量处理单元，所述频率开关、所述光耦、所述阻抗匹配单元、所述功率放大单元和所述能量处理单元的数量保持一致。

5.根据权利要求1所述的一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置,其特征在于:所述本安稳压电源（1）的输出电压为直流5V。

6.根据权利要求1～5之一所述的一种多频率的抗干扰无变压器驱动的超声波测距装置,其特征在于:所述超声波换能器（17）为防水型收发一体换能器。

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