CN112630781A - 超声波测距装置及超声波测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测距装置及超声波测距方法，所述超声波测距装置包括功率调节模块、功率放大模块、超声波发射器、超声波接收器、信号处理模块和控制模块。本发明通过采用功率调节模块来增加超声波发射功率可控性，通过调节用于驱动超声波发射器发射超声波信号的供电电压的大小，来调节超声波的发射功率。在接收不到回波信号的情况下，所述控制模块调整所述功率控制信号的脉冲宽度，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号，即直至接收到所述回波信号，达到了根据测量距离自动调节超声波发射功率的目的，能耗低，测量精度高，稳定性好，能够广泛应用于生活及工业中。

Description

超声波测距装置及超声波测距方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种超声波测距装置及超声波测距方法。

背景技术

在人们的生活或工业中，具有各个方面需要检测距离的装置，例如公交运输系统，检测人们与门的安全距离，建筑施工工地工作以及一些工业现场的位置监控时，目前采用的测距装置主要为光测和物理实测装置，但由于这些装置往往价格昂贵和占地面积较大，因此，不能被广泛应用于多种特殊环境下，例如汽车倒车、液位、井深、管道长度的测量等场合。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质传播中的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测量仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现，超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，因此利用超声波测距已得到了广泛的应用。

现有技术中，超声波测距装置以固定发射功率发射超声波，能耗较高。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种超声波发射功率可控，并且能够根据测量距离自动调节超声波发射功率，能耗低的超声波测距装置，同时还提供了一种超声波测距方法。

本发明采用的一种技术手段为：提供一种超声波测距装置，所述超声波测距装置包括：

功率调节模块，用于接收功率控制信号，并根据所述功率控制信号对第一电源电压进行电压变换后获得供电电压；

功率放大模块，与所述功率调节模块连接，用于接收所述供电电压和发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后得到放大信号，利用所述放大信号和所述供电电压来驱动超声波发射器发射超声波信号；其中，所述供电电压是用于驱动所述超声波发射器的第二电源电压；

所述超声波发射器，与所述功率放大模块连接，用于发射所述超声波信号给待测物；

超声波接收器，用于接收所述待测物对所述超声波信号进行反射形成的回波信号，并将所述回波信号转换成与所述回波信号对应的电压信号；

信号处理模块，连接所述超声波接收器，用于将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号；和

控制模块，与所述功率调节模块、功率放大模块和信号处理模块连接，用于输出所述功率控制信号和所述发射驱动信号，以及接收所述距离检测信号；

所述控制模块在接收不到所述距离检测信号的情况下，调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号；

所述控制模块在接收到所述距离检测信号的情况下，对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果。

本发明采用的另一种技术手段为：提供一种超声波测距方法，应用于上述所述的超声波测距装置，所述超声波测距方法包括：

功率调节模块接收功率控制信号，并根据所述功率控制信号对第一电源电压进行电压变换后获得供电电压；

功率放大模块接收所述供电电压和发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后得到放大信号，利用所述放大信号和所述供电电压来驱动超声波发射器发射超声波信号；其中，所述供电电压是用于驱动所述超声波发射器的第二电源电压；

所述超声波发射器发射所述超声波信号给待测物；

超声波接收器接收所述待测物对所述超声波信号进行反射形成的回波信号，并将所述回波信号转换成与所述回波信号对应的电压信号；

信号处理模块将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号；

控制模块在接收不到所述距离检测信号的情况下，调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号；

控制模块在接收到所述距离检测信号的情况下，对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的超声波测距装置及其方法，所述超声波测距装置包括功率调节模块、功率放大模块、超声波发射器、超声波接收器、信号处理模块和控制模块。本发明通过采用功率调节模块来增加超声波发射功率可控性，通过调节用于驱动超声波发射器发射超声波信号的供电电压的大小，来调节超声波的发射功率。在接收不到回波信号的情况下，所述控制模块调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号，即直至接收到所述回波信号，达到了根据测量距离自动调节超声波发射功率的目的。本发明提供的超声波测距装置通过自适应测量距离调节超声波发射功率，从而能够获得更稳定的回波信号，提高了测量精度和稳定性，自适应测量距离调节超声波发射功率还可以降低能耗，尤其是在超声波测距装置为电池供电的应用场合，能够显著提高电池的使用时间，本发明提供的超声波测距装置能够广泛应用于生活及工业中。

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。

其中：

图1是一个实施例中超声波测距装置的结构示意图一；

图2是一个实施例中超声波测距装置的结构示意图二；

图3是一个实施例中超声波测距装置的结构示意图三；

图4是一个实施例中超声波测距装置的结构示意图四；

图5是一个实施例中超声波发射部分的电路原理图；

图6是一个实施例中超声波接收部分的电路原理图；

图7是一个实施例中超声波测距方法的流程图一；

图8是一个实施例中步骤S7的流程图；

图9是一个实施例中超声波测距方法的流程图二；

图10是一个实施例中超声波发射功率调节的工作原理图。

图中，1、超声波测距装置；2、待测物；11、功率放大模块；12、功率调节模块；13、信号处理模块；14、控制模块；15、超声波发射器；16、超声波接收器；17、温度补偿模块；18、数据显示模块；111、放大电路；112、驱动电路；121、开关电路；122变压器电路；123、采样电路。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的部分，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示的以外的顺序实施。

本发明提供了一种超声波测距装置1，如图1所示，在一个实施例中，所述超声波测距装置1可以包括功率调节模块12、功率放大模块11、超声波发射器15、超声波接收器16、信号处理模块13和控制模块14。所述功率调节模块12可以用于接收功率控制信号，并根据所述功率控制信号对第一电源电压进行电压变换后获得供电电压；即所述第一电源电压可以是供电电源给所述超声波测距装置1提供工作电压的电源电压。所述功率放大模块11可以与所述功率调节模块12连接，用于接收所述供电电压和发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后得到放大信号，利用所述放大信号和所述供电电压来驱动超声波发射器15发射超声波信号；其中，所述供电电压是用于驱动所述超声波发射器15的第二电源电压；所述超声波发射器15可以与所述功率放大模块11连接，可以用于发射所述超声波信号给待测物2；所述超声波接收器16可以用于接收所述待测物2对所述超声波信号进行反射形成的回波信号，并将所述回波信号转换成与所述回波信号对应的电压信号；所述超声波发射器15和所述超声波接收器16可以分别为单个的超声波测距设备，也可以为二合一超声波测距设备，其可以用于发射超声波，也可以用于接收被待测物2反射所返回的超声波，即同时用于接收回波信号。所述信号处理模块13可以连接所述超声波接收器16，用于将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号；所述控制模块14可以与所述功率调节模块12、功率放大模块11和信号处理模块13连接，用于输出所述功率控制信号和所述发射驱动信号，以及接收所述距离检测信号；所述控制模块14在接收不到所述距离检测信号的情况下，调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号；所述控制模块14在接收到所述距离检测信号的情况下，对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果。

需要说明的是，如图5和图6所示，所述供电电源可以为与外部电源提供装置相连接的电源接口，也可以是储能装置，例如充电电池，还可以是电源模块、电源芯片等。所述供电电源具有正极输出端VCC和负极输出端GND。所述正极输出端VCC和负极输出端GND之间输出可以为所述超声波测距装置1提供工作电压的电源电压，例如3.3V、5V、12V。当然，所述电源电压也可以是其它适配使用需要的电压值，其中的负极输出端GND指的是电源地，用于接地。所述控制模块14可以采用微处理器U1，所述微处理器U1可以是单片机、DSP、FPGA等等，当然所述控制模块14也可以采用是功能相当的其他控制模块14，本申请不做特别的限定。

本实施例通过采用功率调节模块12来增加超声波发射功率可控性，通过调节用于驱动超声波发射器15发射超声波信号的供电电压的大小，来调节超声波的发射功率。在接收不到回波信号的情况下，所述控制模块14调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号，即直至接收到所述回波信号，达到了根据测量距离自动调节超声波发射功率的目的，而本实施例提供的超声波测距装置通过自适应测量距离调节超声波发射功率，从而能够获得更稳定的回波信号，提高了测量精度和稳定性，自适应测量距离调节超声波发射功率还可以降低能耗，尤其是在超声波测距装置为电池供电的应用场合，能够显著提高电池的使用时间，本发明提供的超声波测距装置能够广泛应用于生活及工业中。

在一个实施例中，所述控制模块14还可以用于在接收到所述距离检测信号的情况下，对所述距离检测信号进行质量评估；其中，所述质量评估是指比较所述超声波发射器15发射的所述超声波信号的次数和所述超声波接收器16接收的所述回波信号的次数是否一致；在所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数不一致的情况下，所述控制模块14调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数一致；在所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数一致的情况下，所述控制模块14对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果。

超声波的传播速度极易受到温度的影响。超声波在常温下的传播速度大约为340米/秒，但当温度发生变化时，超声波的传播速度会发生变化，例如，当温度每升高1℃时，超声波的传播速度会增加0.6米/秒，因此，在利用超声波测量距离时，必须考虑温度对超声波传播速度的影响。

为了提高超声波测量精度，在一个实施例中，如图2所示，所述超声波测距装置1还可以包括温度补偿模块17，所述温度补偿模块17可以连接所述控制模块14，可以用于对当前环境温度进行检测和采样并获得温度采样电压输出给所述控制模块14，所述控制模块14基于所述温度采样电压对所述测距结果进行温度补偿修正。进一步地，所述温度补偿模块17可以采用热敏电阻，实现对环境温度的检测。例如，可以采用负温度系数热敏电阻，当环境温度升高的情况下，负温度系数热敏电阻的阻值变小。

示例性地，请参考图6所示，所述温度补偿模块17可以包括第三电阻R1和第一热敏电阻RT1，所述第三电阻R1的第一端连接所述正极输出端VCC，所述第三电阻R1的第二端连接所述第一热敏电阻RT1的第一端，并连接所述控制模块14，所述第一热敏电阻RT1的第二端连接所述负极输出端GND。进一步地，所述第一热敏电阻RT1通过环境温度的变化，使自身的电阻值也发生变化实现对环境温度进行检测，进而输出给所述控制模块14的温度采样电压也变化，所述控制模块14根据所述温度采样电压，以及环境温度与超声波传播速度的关系，对测距结果进行温度补偿修正。

本实施例仅采用了一个电阻和一个热敏电阻，就完成了对环境温度的检测和采样，电路简单，成本低。

本实施例通过增加温度补偿模块17，以增加对环境温度检测和采样的功能，在每次超声波测距时，均通过热敏电阻测量当前环境温度以及对当前环境温度进行采样，并获得温度采样电压输出给所述控制模块14，所述控制模块14根据所述温度采样电压，以及环境温度与超声波传播速度的关系，如公式(1)所示，

V＝331.4+0.61T (1)

在公式(1)中，V为超声波传播速度，T为摄氏温度值。

对测距结果进行相关的温度补偿修正，由于温度对超声波传播速度影响较大，如果不进行温度补偿修正，超声波测距误差会较大。本实施例通过增加温度补偿模块17可以提高检测精度。

在一个实施例中，如图3所示，所述信号处理模块13可以包括信号处理芯片，所述信号处理芯片可以用于将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号。进一步地，所述信号处理芯片还可以具有增益控制、滤波、检波等功能。

示例性地，请参考图6所示，所述信号处理模块13可以包括信号处理芯片U3、第二电容C2和第五电阻R5。所述超声波接收器16可以通过超声波接收接口RX1连接所述信号处理模块13。具体的，所述信号处理芯片U3的第1引脚连接所述正极输出端VCC，所述信号处理芯片U3的第2引脚连接所述控制模块14，所述信号处理芯片U3的第6引脚连接所述超声波接收接口RX1，所述信号处理芯片U3的第3引脚连接所述第二电容C2的第一端，所述信号处理芯片U3的第5引脚连接所述第五电阻R5的第一端；所述第二电容C2的第二端、所述信号处理芯片U3的第4引脚和所述第五电阻R5均与所述负极输出端GND连接。其中，所述信号处理芯片U3可以采用CXA20106，当然信号处理芯片U3也可以采用其他型号，本申请不做限定。

本实施例通过采用专用的信号处理芯片U3，所述信号处理芯片U3集成了信号放大、频率选择和整形处理等功能，相比于现有技术中采用分立元件或通用放大芯片和选频率电路来进行信号处理的方式，可以简化电路，减少电路板面积，降低生产工艺的要求及检测环节，从而降低人工成本。现有技术中采用分立元件或通用放大芯片和选频率电路来进行信号处理的方式容易收到外界信号的干扰，造成信号不稳定，检测结果精度低，误差大，检测效率低，本实施例通过采用专用信号处理芯片U3，能够提高超声波测距的抗干扰能力和信号的稳定性，检测结果精度高，误差小，检测效率高。

在一个实施例中，如图4所示，所述功率调节模块12可以包括开关电路121和变压器电路122。所述开关电路121可以连接所述控制模块14，用于接收所述功率控制信号，并根据所述功率控制信号调整自身的开关状态；所述变压器电路122可以连接所述开关电路121和所述功率放大模块11，用于基于所述开关状态对所述第一电源电压进行电压变换后获得供电电压。进一步地，所述功率控制信号可以为脉冲信号。

示例性地，请参考图5所示，所述供电电压为图中示出的VHB。所述开关电路121可以包括第四电阻R4和第一三极管Q1。具体的，所述第四电阻R4的第一端连接所述控制模块14，所述第四电阻R4的第二端连接所述第一三极管Q1的基极，所述第一三极管Q1的集电极连接所述变压器电路122，所述第一三极管Q1的发射极连接所述负极输出端GND。

本实施例中的开关电路121通过仅采用一个电阻和一个三极管即可实现开关功能，电路简单，成本低。所述开关电路121通过接收所述功率控制信号，根据功率控制信号的频率及脉冲宽度的变化，进而控制三极管导通或截止。进一步地，当三极管导通时，所述开关电路121闭合，当三极管截止时，所述开关电路121断开，实现了开关电路121开关状态的调整，实现对变压器电路的控制，进而实现了对超声波发射功率调节的目的。

示例性地，请参考图5所示，所述变压器电路122可以包括变压器T1、第二二极管D2、第一二极管D1和第一电容C1。具体的，所述变压器T1初级线圈的第1端连接所述第二二极管D2的阳极，并连接所述开关电路121。所述变压器T1初级线圈的第2端连接所述第二二极管D2的阴极，并连接所述正极输出端VCC。所述变压器T1次级线圈的第3端连接所述第一二极管D1的阳极，所述第一二极管D1的阴极连接所述第一电容C1的第一端，并连接所述放大模块。所述变压器T1次级线圈的第4端连接所述第一电容C1的第二端，并连接负极输出端GND。进一步地，所述第一三极管Q1的集电极连接所述第二二极管D2的阳极。

本实施例中的变压器电路122通过仅采用一个变压器、两个二极管和一个电容即可实现电压变换，即对所述第一电源电压进行电压变换后获得供电电压。电路简单，成本低。并基于所述控制模块14控制所述开关电路121的开关状态，进而控制所述变压器电路122的工作来实现电压变换。进一步地，当所述控制模块14控制所述开关电路121闭合时，所述变压器初级线圈储存能量，当所述控制模块14控制所述开关电路121断开时，所述变压器初级线圈储存的能量转移到次级线圈，形成一次能量变换，即实现一次电压变换，实现控制简单方便。

在一个实施例中，如图4所示，所述功率调节模块12还可以包括采样电路123。所述采样电路123可以连接所述变压器电路122和所述控制模块14，用于对所述供电电压进行采样并获得供电采样电压输出给所述控制模块14，所述控制模块14基于所述供电采样电压来调整所述功率控制信号，以使所述供电电压在设定范围内。

示例性地，请参考图5所示，所述采样电路123可以包括第一电阻R1和第二电阻R2。具体的，所述第一电阻R1的第一端连接所述变压器电路122，所述第一电阻R1的第二端连接所述第二电阻R2的第一端，并连接所述控制模块14，所述第二电阻R2的第二端连接负极输出端GND。进一步地，所述第一电阻R1的第一端连接所述第一二极管D1的阴极。

具体的，请参考图5所示，所述功率调节模块12的工作原理为：所述微处理器U1，通过控制引脚CLK，输出设定频率的脉冲信号，所述第一三极管Q1受脉冲信号的控制，周期性的打开与关闭。在第一三极管Q1打开期间，电流从正极输出端VCC经变压器T1的初级线圈第2端流经内部线圈，从初级线圈的第1端流出，再经第一三极管Q1到负极输出端GND，期间完成变压器T1初级线圈的储能，当第一三极管Q1关闭时，由于电流不能突变，电流仍是从初级线圈第2端流入，从初级线圈第1端流出，只是回路是经第二二极管D2回流到初级线圈第2端，此过程中实现变压器T1线圈储存的能量转移到次级线圈，形成一次能量变换。变压器T1次级线圈电压经第一二极管D1整流后得到供电电压VHB，所述供电电压VHB为直流电压，同时对第一电容C1进行充电，充电回路是变压器T1次级线圈第三端，供电电压VHB，到第一电容C1，再经变压器T1次级线圈的第4端，完成一个充电周期。同时供电电压VHB经第一电阻R1和第二电阻R2分压后，信号送到微处理器U1的信号脚VC进行实时对供电电压VHB进行监测，此供电电压VHB的电压大小可由微处理器U1通过调节控制引脚CLK的脉冲宽度进行调整，当供电电压VHB电压值高于设定范围时，微处理器U1减少控制引脚CLK的脉冲宽度，若供电电压VHB电压值低于设定范围时，微处理器U1增加控制引脚CLK的脉冲宽度，从而稳定供电电压VHB电压值在设定范围内，从而实现参数化功能。

在一个实施例中，如图4所示，所述功率放大模块11可以包括放大电路111和驱动电路112。所述放大电路111可以连接所述控制模块14，用于接收所述发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后获得放大信号；所述驱动电路112可以连接所述放大电路111、所述功率调节模块12以及所述超声波发射器15，用于接收所述供电电压，利用所述放大信号和所述供电电压来驱动超声波发射器15发射超声波信号。

示例性地，请参考图5所示，所述放大电路111可以包括放大芯片U2，所述驱动电路112可以包括第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4和第五三极管Q5，所述第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4和第五三极管Q5组成桥式驱动电路112。所述超声波发射器15可以通过超声波发射接口TX1连接所述驱动电路112。具体的，所述放大芯片U2的第1引脚连接所述正极输出端VCC，所述放大芯片U2的第4引脚连接所述负极输出端GND，所述放大芯片U2的第2引脚和第3引脚分别连接所述控制模块14，用于接收所述发射驱动信号。所述放大芯片U2的第5引脚、第6引脚、第7引脚和第8引脚分别对应连接所述第四三极管Q4的基极，第二三极管Q2的基极，第五三极管Q5的基极和第三三极管Q3的基极。所述第五三极管Q5的发射极和第四三极管Q4的发射极均连接负极输出端GND。所述第五三极管Q5的集电极连接所述第三三极管Q3的集电极，并连接所述超声波发射接口TX1，所述第二三极管Q2的集电极连接所述第四三极管Q4的集电极，并连接所述所述超声波发射接口TX1。所述第三三极管Q3的发射极和所述第二三极管Q2的发射极相连接，并连接所述变压器电路122，进一步地，所述第三三极管Q3的发射极和所述第二三极管Q2的发射极均连接所述第一二极管D1的阴极。

本实施例中的放大电路111仅通过采用放大芯片U2即可实现放大功能，相比采用三极管等分立元件实现放大功能，可以简化电路，减少电路板面积，降低生产工艺的要求及检测环节，从而降低人工成本。

本实施例中的驱动电路112通过采用4个三极管组成的桥式驱动电路来驱动超声波发射器15发射超声波，提高了超声波发射器15的驱动能力。

具体的，参考图5和图6所示，超声波测距的工作原理为，在开始检测时，先启动电压变换功能，即在微处理器U1的CLK脚输出一定频率及脉冲宽度的信号，控制变压器T1的变换，使得变压器T1次级线圈经过整流输出的供电电压VHB稳定在一定值上，此时再在微处理器U1的CTL1和CTL2引脚输出电平状态相反的信号，送到放大芯片U2，经放大芯片U2处理放大后，驱动由三极管Q2、Q3、Q4和Q5组成的桥式驱动电路112，来驱动超声波发射器15，超声波发射器15实现电能到机械能的转化，微处理器U1的CTL1和CTL2引脚的信号按超声波发射器15的谐振频率进行循环切换。超声波的发射功率通过调整桥式驱动电路112的电源电压，即所述的供电电压VHB来进行调节控制。当微处理器U1接收到的距离检测信号不稳定时，通过调整微处理器U1的CLK的信号频率及宽度，来提高变压器T1次级线圈整流输出的供电电压VHB，进而提高超声波发射器15的发射功率，而当微处理器U1接收到的距离检测信号，出现多个宽度不同的信号时，则调整调整微处理器U1的CLK的信号频率及宽度，来降低变压器T1次级线圈整流输出的供电电压VHB，进而降低超声波发射器15的发射功率，以减少由于发射的超声波信号过强，一些干扰物反射的信号进入，造成超声波测距不稳定。

进一步地，请参考图5和图10所示，超声波的发射功率调节的工作原理为：超声波测距开始前，微处理器U1在CLK脚输出一定频率及脉冲宽度的信号，使变压器T1次级线圈整流输出的供电电压VHB稳定在默认值上，即将所述供电电压VHB稳定在设定范围内，然后微处理器U1的CTL1和CTL2引脚输出超声波发射器15谐振频率的信号，经放大芯片U2及三极管Q2、Q3、Q4、Q5组成的桥式驱动电路112，驱动超声波发射器15发射超声波信号。超声波测距装置1检查是否接收到回波信号，即微处理器U1检查INT引脚是否有距离检测信号，如无距离检测信号，即没有接收到回波信号，则微处理器U1增大CLK脚的脉冲宽度，提高供电电压VBH电压来提高超声波的发射功率，微处理器U1再次检查INT引脚是否有距离检测信号，若无距离检测信号则继续提高超声波发射功率，若有距离检测信号，即接收到回波信号，则评估接收到的回波信号质量，即微处理器U1评估距离检测信号的质量，如果回波信号不稳定、变动大，例如回波信号没有在规定的范围内，即距离检测信号不稳定，波动较大则继续提高超声波发射功率，如果回波信号稳定，例如回波信号在规定的范围内，但回波信号次数增多，即距离检测信号稳定，但距离检测信号次数增多，且有些距离检测信号不稳，则降低超声波发射功率，直到所述超声波发射器15发射的超声波信号的次数和所述超声波接收器16接收的回波信号的次数一致，待超声波发射功率稳定，开始正式测量距离，具体的，功率调节模块12接收功率控制信号，并根据所述功率控制信号对第一电源电压VCC进行电压变换后获得供电电压VHB；功率放大模块11接收所述供电电压VHB和发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后得到放大信号，利用所述放大信号和所述供电电压VHB来驱动超声波发射器15发射超声波信号；其中，所述供电电压VHB是用于驱动所述超声波发射器15的第二电源电压；所述超声波发射器15发射所述超声波信号给待测物2；超声波接收器16接收所述待测物2对所述超声波信号进行反射形成的回波信号，并将所述回波信号转换成与所述回波信号对应的电压信号；信号处理模块13将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号；所述距离检测信号经微处理器U1解码运算出测距结果后，温度补偿模块17对当前环境温度进行检测和采样并获得温度采样电压输出给微处理器U1，微处理器U1基于所述温度采样电压以及超声波传播速度与环境温度的关系，对当前的测距结果进行温度补偿修正，输出检测距离。

在一个实施例中，如图4所示，所述超声波测距装置还可以包括数据显示模块18，用于显示测量的数据。进一步地，所述数据显示模块18可以连接所述控制模块14。

本发明还提供了一种超声波测距方法，如图7所示，在一个实施例中，应用于上述任一实施例所述的超声波测距装置1，所述超声波测距方法可以包括：

步骤S1：功率调节模块接收功率控制信号，并根据所述功率控制信号对第一电源电压进行电压变换后获得供电电压；

步骤S2：功率放大模块接收所述供电电压和发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后得到放大信号，利用所述放大信号和所述供电电压来驱动超声波发射器发射超声波信号；其中，所述供电电压是用于驱动所述超声波发射器的第二电源电压；

步骤S3：所述超声波发射器发射所述超声波信号给待测物；

步骤S4：超声波接收器接收所述待测物对所述超声波信号进行反射形成的回波信号，并将所述回波信号转换成与所述回波信号对应的电压信号；

步骤S5：信号处理模块将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号；

步骤S6：控制模块在接收不到所述距离检测信号的情况下，调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号；具体的，所述功率控制信号可以为脉冲信号，所述控制模块可以通过对功率控制信号脉冲宽度的调整，来控制功率调节模块，实现对进行电压变换后获得的供电电压大小的调节。进一步地，控制模块在接收不到所述距离检测信号的情况下，所述控制模块可以增加功率控制信号的脉冲宽度，以提高所述供电电压大小，进而增大超声波发射功率，直至接收到所述距离检测信号。

步骤S7：控制模块在接收到所述距离检测信号的情况下，对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果。

本实施例通过调节用于驱动超声波发射器发射超声波信号的供电电压的大小，来调节超声波的发射功率。在接收不到回波信号的情况下，调整所述功率控制信号的脉冲宽度，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号，即直至接收到所述回波信号，达到了根据测量距离自动调节超声波发射功率的目的，通过自适应测量距离调节超声波发射功率，以获得更稳定的回波信号，提高了测量精度和稳定性，同时降低了能耗，特别是在超声波测距装置为电池供电的应用场合，能够显著提高电池的使用时间，本实施例提供的超声波测距方法能够广泛应用于生活及工业中。

在一个实施例中，如图8所示，所述控制模块对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果之前还可以包括：

步骤S71：所述控制模块对所述距离检测信号进行质量评估；其中，所述质量评估是指比较所述超声波发射器发射的超声波信号的次数和所述超声波接收器接收的回波信号的次数是否一致；

步骤S72：在所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数不一致的情况下，所述控制模块调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数一致；具体的，在所述超声波信号的次数大于所述回波信号的次数时，控制模块将减少功率控制信号的脉冲宽度，以降低所述供电电压的大小，进而降低超声波发射功率。在所述超声波信号的次数小于所述回波信号的次数时，控制模块将增加功率控制信号的脉冲宽度，以提高所述供电电压的大小，进而提高超声波发射功率。

步骤S73：在所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数一致的情况下，所述控制模块执行所述对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果的步骤。

在一个实施例中，如图9所示，所述对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果的步骤之后还可以包括：

步骤S8：温度补偿模块对当前环境温度进行检测和采样并获得温度采样电压输出给控制模块；

步骤S9：控制模块基于所述温度采样电压对所述测距结果进行温度补偿修正，得出检测距离。

具体的，在每次超声波测距时，均通过温度补偿模块测量当前环境温度以及对当前环境温度进行采样，并获得温度采样电压输出给所述控制模块，所述控制模块根据所述温度采样电压，以及环境温度与超声波传播速度的关系，如公式(1)所示，

V＝331.4+0.61T (1)

在公式(1)中，V为超声波传播速度，T为摄氏温度值。

对测距结果进行相关的温度补偿修正，由于超声波传播速度受环境温度的影响，如果不进行温度补偿修正，超声波测距误差会较大。本实施例通过增加温度补偿模块可以提高检测精度。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超声波测距装置，其特征在于，所述超声波测距装置包括：

功率调节模块，用于接收功率控制信号，并根据所述功率控制信号对第一电源电压进行电压变换后获得供电电压；

功率放大模块，与所述功率调节模块连接，用于接收所述供电电压和发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后得到放大信号，利用所述放大信号和所述供电电压来驱动超声波发射器发射超声波信号；其中，所述供电电压是用于驱动所述超声波发射器的第二电源电压；

所述超声波发射器，与所述功率放大模块连接，用于发射所述超声波信号给待测物；

超声波接收器，用于接收所述待测物对所述超声波信号进行反射形成的回波信号，并将所述回波信号转换成与所述回波信号对应的电压信号；

信号处理模块，连接所述超声波接收器，用于将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号；和

控制模块，与所述功率调节模块、功率放大模块和信号处理模块连接，用于输出所述功率控制信号和所述发射驱动信号，以及接收所述距离检测信号；

所述控制模块在接收不到所述距离检测信号的情况下，调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号；

所述控制模块在接收到所述距离检测信号的情况下，对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果。

2.根据权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，

所述控制模块还用于在接收到所述距离检测信号的情况下，对所述距离检测信号进行质量评估；其中，所述质量评估是指比较所述超声波发射器发射的超声波信号的次数和所述超声波接收器接收的回波信号的次数是否一致；

在所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数不一致的情况下，所述控制模块调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数一致；

在所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数一致的情况下，所述控制模块对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果。

3.根据权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，所述测距装置还包括：

温度补偿模块，连接所述控制模块，用于对当前环境温度进行检测和采样并获得温度采样电压输出给所述控制模块，所述控制模块基于所述温度采样电压对所述测距结果进行温度补偿修正。

4.根据权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：

信号处理芯片，用于将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号。

5.根据权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于，所述功率调节模块包括：

开关电路，连接所述控制模块，用于接收所述功率控制信号，并根据所述功率控制信号调整自身的开关状态；和

变压器电路，连接所述开关电路和所述功率放大模块，用于基于所述开关状态对所述第一电源电压进行电压变换后获得供电电压。

6.根据权利要求5所述的超声波测距装置，其特征在于，所述功率调节模块还包括：

采样电路，连接所述变压器电路和所述控制模块，用于对所述供电电压进行采样并获得供电采样电压输出给所述控制模块，所述控制模块基于所述供电采样电压来调整所述功率控制信号，以使所述供电电压在设定范围内。

7.根据权利要求1所述的超声波测距模块，其特征在于，所述功率放大模块包括；

放大电路，连接所述控制模块，用于接收所述发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后获得放大信号；和

驱动电路，连接所述放大电路、所述功率调节模块以及所述超声波发射器，用于接收所述供电电压，利用所述放大信号和所述供电电压来驱动超声波发射器发射超声波信号。

8.一种超声波测距方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的超声波测距装置，所述超声波测距方法包括：

功率调节模块接收功率控制信号，并根据所述功率控制信号对第一电源电压进行电压变换后获得供电电压；

功率放大模块接收所述供电电压和发射驱动信号，并将所述发射驱动信号进行放大处理后得到放大信号，利用所述放大信号和所述供电电压来驱动超声波发射器发射超声波信号；其中，所述供电电压是用于驱动所述超声波发射器的第二电源电压；

所述超声波发射器发射所述超声波信号给待测物；

超声波接收器接收所述待测物对所述超声波信号进行反射形成的回波信号，并将所述回波信号转换成与所述回波信号对应的电压信号；

信号处理模块将所述电压信号进行放大、频率选择和整形处理获得距离检测信号；

控制模块在接收不到所述距离检测信号的情况下，调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至接收到所述距离检测信号；

控制模块在接收到所述距离检测信号的情况下，对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果。

9.根据权利要求8所述的一种超声波测距方法，其特征在于，所述控制模块对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果之前还包括：

所述控制模块对所述距离检测信号进行质量评估；其中，所述质量评估是指比较所述超声波发射器发射的所述超声波信号的次数和所述超声波接收器接收的所述回波信号的次数是否一致；

在所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数不一致的情况下，所述控制模块调整所述功率控制信号，以调节所述供电电压大小，直至所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数一致；

在所述超声波信号的次数和所述回波信号的次数一致的情况下，所述控制模块执行所述对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果的步骤。

10.根据权利要求8所述的一种超声波测距方法，其特征在于，所述对所述距离检测信号进行解码运算得出测距结果的步骤之后还包括：

温度补偿模块对当前环境温度进行检测和采样并获得温度采样电压输出给控制模块；

控制模块基于所述温度采样电压对所述测距结果进行温度补偿修正，得出检测距离。

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