CN108279416A - 一种超声波测距系统及其精确测量回波到达时刻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，本系统采用往返时间检测法进行测距，首先单片机发送信号驱动超声波传感器产生40Khz超声波，然后通过回波信号处理单元对反射回来的超声波信号进行放大、滤波整流以及微积分处理，从而设计一种不受回波幅度影响的信号到达时刻测试方法，计算得到发送和接收超声波的时间差。与现有技术相比，(1)采用性能优越的工业级AVR单片机作为主控芯片，实现了一种对于待测目标的精确测量，有效提高了系统的准确性和稳定性；(2)通过温度测量单元对速度误差修正，有效消除因为环境因素等对测距系统以及超声波传播速度的影响。

Description

一种超声波测距系统及其精确测量回波到达时刻的方法

技术领域

本发明涉及超声波测距技术领域，尤其涉及的是一种基于AVR的高精度超声波测距系统以及一种不受回波幅度影响的到达时刻测定方法。

背景技术

工业上常常需要对液体高度进行测量，例如水库、堰槽等，这些液位高度的测量需要实用、准确的测量工具，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于液位的测量。通过发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

超声波回波受反射物表面情况,传播过程的衰减情况等多个因素影响,使得超声波接收电路得到的回波信号幅度每次测量都有不同程度漂移.因此需要一种不受回波幅度影响的到达时刻测定方法。有效提高了对反射物体距离和液体高度测量的实用性、准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术超声波测距易受回波幅度影响导致测距不精确的不足，提供了一种超声波测距系统及其精确测量回波到达时刻的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，其特征在于：所述的AVR主控单元，用于产生方波脉冲信号，同时对经过处理后的回波数据进行分析处理，得出发送和接收超声波的时间差，进而根据修正后的速度得出待测目标的距离；

其中，所述AVR主控单元，用于控住整个系统的核心；

所述超声波传感器，用于向空气中发射超声波信号，并接收超声波信号，所述的接收超声波信号包括经过待测目标反射回来的回波信号；

所述超声波驱动单元，主要包括发送和接收子模块，用于根据AVR主控单元发送的方波脉冲信号，经过驱动单元驱动超声波传感器发送超声波信号；

所述回波信号处理单元，用于对接收到的回波信号进行处理；

所述温度测量单元，用于根据温度对超声波速度的影响，对超声波速度进行修正，提高测量精度。

优选的，所述的AVR主控单元与超声波驱动单元相连接，所述的超声波驱动单元与超声波传感器相连接，所述的超声波传感器与回波信号处理单元之间相连接。

作为优选，所述的回波信号处理单元包括分压式放大电路、40Khz多次比较带通滤波器电路、可变增益放大器电路、全波精密整流电路、以及包络检波积分、微分电路以及精密比较器电路；其中，超声波传感器收到的回波信号首先经过分压式放大电路，初级放大后信号经过多次比较带通滤波器电路处理，多次比较带通滤波器的输出端与可变增益放大器电路输入端相连，可变增益放大器信号的输出由AVR主控单元调节控制，可变增益放大器的输出信号与全波精密整流电路的输入相连，全波精密整流电路的输出与包络检波积分电路的输入相连，包络检波积分的输出与微分电路的输入相连，微分电路的输出与精密比较器输入相连，精密比较器电路输出与AVR主控单元输入捕捉功能脚相连。

优选的，包括如下步骤：(1)由AVR主控单元发出信号给驱动电路单元驱动超声波传感器产生超声波信号，所述的超声波传感器向待测目标发射所述的超声波信号，并接收由待测目标反射回来的回波信号；

(2)对所述的回波信号通过超声波传感器再传递给回波信号处理单元，经过相关处理后，输入单片机的输入捕捉中断，计算经历的往返时间；

(3)由往返时间和速度计算可以得出距离。

作为优选，上述步骤(1)中AVR主控单元发送的方波脉冲信号频率为40Khz。

优选的，上述步骤(3)中的速度是温度测量单元对传播速度的修正后的实际速度，所述的温度测量单元通过公式V＝331.3+0.606*T对超声波传播速度加以修正，得到当前的实际声速。

一种精确测量回波到达时刻的方法，其特征在于：采用积分与微分过零的检测技术，包括以下步骤：

(1)首先对回波信号进行积分处理，得到包络信号，一般超声波回波信号出现时刻为第一个驱动脉冲反射后的到达时刻，随着后续驱动脉冲的到达,回拨幅度逐渐增大，此时包络信号幅度呈上升趋势，其变化率为正；

(2)回波信号幅度最大值出现时刻为最后一个驱动脉冲反射后的到达时刻，此时包络信号幅度达到最大，随后,为超声波发射探头的余震产生的回波，幅度呈衰减形状，此时包络信号幅度开始下降，变化率变为负，包络信号最大值出现时刻，包络信号幅度达到峰值，此时，其幅度切线为水平直线，其幅度变化率为0；

(3)通过微分电路对其幅度做微分处理，对微分值进行过零比较即可准确得到包络线的峰值时刻，从而计算得出传播时间。

本发明提供了一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，本系统采用往返时间检测法进行测距，首先单片机发送信号驱动超声波传感器产生40Khz超声波，然后通过回波信号处理单元对反射回来的超声波信号进行放大、滤波整流以及微积分处理，从而设计一种不受回波幅度影响的信号到达时刻测试方法，计算得到发送和接收超声波的时间差。由于温度对超声波速度的影响，通过温度测量单元可以对超声波传播速度加以修正，得到当前的实际声速，减小误差，提高测量精度，最终得到精确的超声波回波距离。与现有技术相比，(1)本发明采用性能优越的工业级AVR单片机作为主控芯片，实现了一种对于待测目标的精确测量，有效提高了系统的准确性和稳定性；(2)本发明通过温度参数以及软件补偿对系统进行误差修正，有效消除因为环境因素等对测距系统以及超声波传播速度的影响。

附图说明

图1为本发明测距系统的工作原理示意图；

图2为本发明的系统原理示意框图；

图3为超声波的驱动单元结构示意图；

图4为分压式放大电路的结构示意图；

图5为40Khz多次比较带通滤波器的结构示意图；

图6为可变增益放大器电路的结构示意图；

图7为全波精密整流电路的结构示意图；

图8为包络检波积分电路的结构示意图；

图9为微分电路的结构示意图；

图10为精密比较器电路的结构示意图；

图11为本发明的软件系统的流程示意图；

图12为包络检波积分电路的相关波形图；

图13为微分电路的相关波形图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参照附图1的超声波测距的工作原理：超声波传感器向外发射一定频率的超声波，利用超声波极佳的方向性和反射性，传感器会接受来自反射面的超声波，通过计算超声波的往返时间t，最后即可推算出探头平面到待测目标的垂直距离。

参照附图2，一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，所述的AVR主控单元，用于产生方波脉冲信号，同时对经过处理后的回波数据进行分析处理，得出发送和接收超声波的时间差，进而根据修正后的速度得出待测目标的距离；

其中，所述AVR主控单元，用于控住整个系统的核心；

所述超声波传感器，用于向空气中发射超声波信号，并接收超声波信号，所述的接收超声波信号包括经过待测目标反射回来的回波信号；

所述超声波驱动单元，主要包括发送和接收子模块，用于根据AVR主控单元发送的方波脉冲信号，经过驱动单元驱动超声波传感器发送超声波信号；

所述回波信号处理单元，用于对接收到的回波信号进行处理；

所述温度测量单元，用于根据温度对超声波速度的影响，对超声波速度进行修正，提高测量精度。

需要说明的是，所述的超声波测距系统还包括外围基础电路单元、电源单元以及通信单元，超声波传感器包括超声波驱动单元、超声波传感器和回波信号处理单元，超声波传感器，采用收发一体式的传感器件，缩小了系统体积，节约成本，提高性价比。

参照附图3，超声波驱动单元的输入端由单片机PD5引脚软件编程输出，产生40Khz方波脉冲信号驱动超声波传感器向外界发出40Khz左右的超声波信号。由于单片机端口输出功率不够，超声波驱动电路主要对驱动信号进行功率放大，提高单片机驱动信号的驱动能力，40Khz方波脉冲信号首先通过三极管Q1进行功率放大，之后再由中周变压器驱动超声波工作，增强了超声波的输出功率，以便使超声波发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波传感器以声波形式发射到空气中。

本发明的超声波驱动单元驱动超声波传感器产生40KHz超声波，回波信号处理单元依次通过超声波传感器、分压式放大电路、40Khz多次比较带通滤波器、可变增益放大器、全波精密整流、包络检波积分、微分电路以及精密比较器电路；其中：超声波传感器接收到的回波信号首先通过分压式偏置放大电路进行信号初级放大，如图4，R12、R23是偏置电阻，由R12、R23组成分压式偏置电路，将电压分压后加到晶体三极管的基极，通过改变这两个电阻的阻值比例，可以控制静态工作点的变化，以寻找最合适的静态工作点。

通过无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波器电路进行滤波放大，滤除干扰波信号，如图5所示，R22和C16构成两个反馈支路，反馈强弱与信号频率有关。参照附图6，滤波过后，信号通过可变增益放大器进行软件调节控制放大，电路使用数字电位器(MAX5464)，数字电位器阻值通过程序调节，从而自动调节增益，通过数字电位器(MAX5464)与R16的比值进行信号放大，比值越大，放大倍数越大。

为了方便对信号的处理，采用全波精密整流电路，如图7，去掉0V以下信号，C20为滤波电容，电路匹配关系为R17＝R20，R14＝R18＝2R21，可以通过改变R18来调节增益。

参照附图8和图9，整流后对信号进行包络检波积分以及微分处理，通过包络检波找到信号幅度最大值，然后对其做微分处理，通过过零比较即可确定包络的峰值时刻。

包络检波积分电路如图8，通过对回波信号进行积分处理，得到的积分波形为如图12的包络信号，一般超声波回波信号出现时刻为第一个驱动脉冲反射后的到达时刻，随着后续驱动脉冲的到达,回拨幅度逐渐增大，此时包络信号幅度呈上升趋势，其变化率为正；回波信号幅度最大值出现时刻间为最后一个驱动脉冲反射后的到达时刻，此时包络信号幅度达到最大；随后,为超声波发射探头的余震产生的回波，幅度呈衰减形状，此时包络信号幅度开始下降，变化率变为负。包络信号最大值出现时刻，包络信号幅度达到峰值。此时，其幅度切线为水平直线，意味着其幅度变化率为0。通过微分电路9对其幅度做微分处理得到如图13的微分波形，对微分值进行过零比较即可准确得到包络线的峰值时刻。从而计算得出传播时间。最终通信电路通过通信介质传输所需传输信息，换算得到反射物体距离，并发送交互命令告诉交互设备。

参照图10，微积分处理后的信号最后通过LM2903比较器进行处理，由于电路微分后的信号是持续产生的，所以软件处理时要先通过模拟比较器触发找到实际返回的真实信号，当模拟比较器触发中断，并且当tp6电压高于Vcom时，输入单片机的输入捕捉中断，从而计算得出传播时间，最后换算得到超声波传感器到障碍物的距离。

本发明采用的是单声道超声波测量物体距离、液位高度。声音的声速对距离的测量有很大的影响，声速会随着温度的变化而变化，通过对温度传感器的测量采集当前的温度值，并通过公式V＝331.3+0.606*T可以对超声波传播速度加以修正，得到当前的实际声速，减小误差，提高测量精度，其中T为当前温度，单位为℃，V为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。

本发明超声波测距中，重点在于准确判断超声波回波的到达时刻。我们采用积分与微分过零的检测技术。

一种精确测量回波到达时刻的方法，具体说明如下：包络检波积分电路如图8，通过对回波信号进行积分处理，得到的积分波形为如图12的包络信号，一般超声波回波信号出现时刻为第一个驱动脉冲反射后的到达时刻，随着后续驱动脉冲的到达,回拨幅度逐渐增大，此时包络信号幅度呈上升趋势，其变化率为正；回波信号幅度最大值出现时刻间为最后一个驱动脉冲反射后的到达时刻，此时包络信号幅度达到最大；随后,为超声波发射探头的余震产生的回波，幅度呈衰减形状，此时包络信号幅度开始下降，变化率变为负。包络信号最大值出现时刻，包络信号幅度达到峰值。此时，其幅度切线为水平直线，意味着其幅度变化率为0。通过微分电路9对其幅度做微分处理得到如图13的微分波形，对微分值进行过零比较即可准确得到包络线的峰值时刻。从而计算得出传播时间。最终通信电路通过通信介质传输所需传输信息，换算得到反射物体距离，并发送交互命令告诉交互设备。

本发明所阐述的一种超声波的测距系统，涉及到通过以上一系列电路处理后，最后输入单片机的输入捕捉中断引脚，对信号到达时刻进行处理采集，从而计算经历的往返时间，软件处理流程图如图11。

综上所述：通过回波信号处理单元对反射回来的超声波信号的处理，然后通过触发单片机中断准确判断出超声波回波的到达时刻，从而发明一种不受回波幅度影响的到达时刻测定方法，最后通过温度测量单元得到当前温度计算相应的声速，可以对超声波传播速度加以修正，以减小误差，提高了超声波测量的精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，其特征在于：所述的AVR主控单元，用于产生方波脉冲信号，同时对经过处理后的回波数据进行分析处理，得出发送和接收超声波的时间差，进而根据修正后的速度得出待测目标的距离；

其中，所述AVR主控单元，用于控住整个系统的核心；

所述超声波传感器，用于向空气中发射超声波信号，并接收超声波信号，所述的接收超声波信号包括经过待测目标反射回来的回波信号；

所述超声波驱动单元，主要包括发送和接收子模块，用于根据AVR主控单元发送的方波脉冲信号，经过驱动单元驱动超声波检测单元发送超声波信号；

所述回波信号处理单元，用于对接收到的回波信号进行处理；

所述温度测量单元，用于根据温度对超声波速度的影响，对超声波速度进行修正，提高测量精度。

2.根据权利要求1所述的一种超声波测距系统，其特征在于：所述的AVR主控单元与超声波驱动单元相连接，所述的超声波驱动单元与超声波传感器相连接，所述的超声波传感器与回波信号处理单元之间相连接。

3.根据权利要求1所述的一种超声波测距系统，其特征在于：所述的回波信号处理单元包括分压式放大电路、40Khz多次比较带通滤波器电路、可变增益放大器电路、全波精密整流电路、以及包络检波积分、微分电路以及精密比较器电路；其中，超声波传感器收到的回波信号首先经过分压式放大电路，初级放大后信号经过多次比较带通滤波器电路处理，多次比较带通滤波器的输出端与可变增益放大器电路输入端相连，可变增益放大器信号的输出由AVR主控单元调节控制，可变增益放大器的输出信号与全波精密整流电路的输入相连，全波精密整流电路的输出与包络检波积分电路的输入相连，包络检波积分的输出与微分电路的输入相连，微分电路的输出与精密比较器输入相连，精密比较器电路输出与AVR主控单元输入捕捉功能脚相连。

4.根据权利要求1所述的一种超声波测距系统，其特征在于：包括如下步骤：(1)由AVR主控单元发出信号给驱动电路单元驱动超声波传感器产生超声波信号，所述的超声波传感器向待测目标发射所述的超声波信号，并接收由待测目标反射回来的回波信号；

(2)对所述的回波信号通过超声波传感器再传递给回波信号处理单元，经过相关处理后，输入单片机的输入捕捉中断，计算经历的往返时间；

(3)由往返时间和速度计算可以得出距离。

5.根据权利要求4所述的一种超声波测距系统，其特征在于：上述步骤(1)中AVR主控单元发送的方波脉冲信号频率为40Khz。

6.根据权利要求4所述的一种超声波测距系统，其特征在于：上述步骤(3)中的速度是温度测量单元对传播速度的修正后的实际速度，所述的温度测量单元通过公式V＝331.3+0.606*T对超声波传播速度加以修正，得到当前的实际声速。

7.一种精确测量回波到达时刻的方法，其特征在于：采用积分与微分过零的检测技术，包括以下步骤：

(1)首先对回波信号进行积分处理，得到包络信号，一般超声波回波信号出现时刻为第一个驱动脉冲反射后的到达时刻，随着后续驱动脉冲的到达,回拨幅度逐渐增大，此时包络信号幅度呈上升趋势，其变化率为正；

(2)回波信号幅度最大值出现时刻为最后一个驱动脉冲反射后的到达时刻，此时包络信号幅度达到最大，随后,为超声波发射探头的余震产生的回波，幅度呈衰减形状，此时包络信号幅度开始下降，变化率变为负，包络信号最大值出现时刻，包络信号幅度达到峰值，此时，其幅度切线为水平直线，其幅度变化率为0；

(3)通过微分电路对其幅度做微分处理，对微分值进行过零比较即可准确得到包络线的峰值时刻，从而计算得出传播时间。