CN201298077Y - 一种误差补偿式超声波测距仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种误差补偿式超声波测距仪。由于超声波在空气传播中其速度会受到环境温度的影响，而目前的超声波测距仪中，对于环境温度影响造成的测距误差基本上忽略，因而测距精度不高。本实用新型一种误差补偿式超声波测距仪，包括在单片计算机系统连接的超声波发射电路，超声波发射电路发射出超声波被障碍物反射后被超声波接收电路接收，接收到的超声波信号和与单片计算机系统连接的温度测量电路测得数据由单片计算机系统进行处理后并通过与单片计算机系统连接的语音播报电路和显示输出电路输出，连接用于控制超声波发射和接收的无线遥控电路接入单片计算机系统。其可以有效的提高测距误差，精度达到毫秒级，适合精密测距。

Description

一种误差补偿式超声波测距仪

一、技术领域

本实用新型涉及一种自动化测控仪器装置，具体涉及一种误差补偿式超声波测距仪。

二、背景技术

超声波测距的方法主要是测量超声波在介质中的传播时间，常用的方法是回波探测法，这种方法主要是捕捉超声脉冲的回声，根据超声波在空气中的传播时间来确定被测目标的距离。较简单的回波捕捉法是采用电平阀值法。由于阀值法原理简单，硬件上容易实现，在一些要求不高的应用领域很常见，根据这一原理，在进一步提高测距精度的问题上，国内外学者都做了大量的研究。

超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度，目前主要采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度，常用的主要是度越时间法测距原理，即首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即超声波发生器在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器所接受。这样通过计算出发生信号到接受返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离计算公式：d＝s/2＝(c×t)/2，d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为波速，t为声波来回所用的时间。

由距离计算公式显然可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的，即测量误差：

Δ_d＝cΔ_t+Δd_v

声速误差Δd_v，Δ_d为测距误差，Δ_t为时间误差，c为波速

然而超声波的传播速度在不同温度下是不同的，如果超声波测距精度要求达到1mm时，温度的影响是比较大的，因此其传播速度与环境温度T的关系如下：

$c=331.4/\sqrt{1+T/273}\≈331.45+0.61T(m/s)$

式中：c为超声波波速，331.45m/s为0℃时的超声波速度，T为实际环境温度(℃)例如：当温度0℃时超声波速度是331.45m/s，30℃时是349m/s，温度变化引起的超声波速度变化约为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。所以，需要通过测出环境的温度来校准超声波的传播速度。

当要求测距误差Δ_d小于1mm时，假设已知超声波速度c＝344m/s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则：

测距误差：

Δ_d＝cΔ_t<0.01

测距时间误差：

Δt<(0.001/344)≈0.000002907s

即  Δt<2.907us

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度要达到微秒级，才能保证测距误差小于1mm的误差，然而，对于测距的时间误差可以通过采用不同单片机来降低或消除，但对于速度误差，目前大多数超声波测距装置都没有较好的解决办法，使得测距精度不高。

三、发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足之处，而提供一种误差补偿式超声波测距仪，该仪器误差小，测距精度高，并且具有无线遥控和语音播报功能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术解决方案为：

一种误差补偿式超声波测距仪，包括在单片计算机系统连接的超声波发射电路和超声波接收电路，超声波发射电路发射出超声波被障碍物反射后被超声波接收电路接收，其特征在于：接收到的超声波信号和与单片计算机系统连接的温度测量电路测得温度数据信号由单片计算机系统进行处理后并通过与单片计算机系统连接的语音播报电路和显示输出电路输出，连接用于控制超声波发射和接收的无线遥控电路接入单片计算机系统。

上述无线遥控电路和超声波接收电路之间无线遥控连接无线遥控控制器。

与现有技术相比，本实用新型的测距精度高，测距误差不超过0.5cm，不但有传统测距仪的显示输出，而且具有语音播报功能和无线遥控功能，更加的智能化和人工化，不仅可以应用与汽车倒车，建筑施工及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量。也可以用于防盗墙、门禁系统。

四、附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型电路图；

图3为无线遥控控制器电路图；

其中，1-电源模块，2-程序下载模块，3-显示输出电路，4-语音播报电路图，5-单片计算机系统，6-无线遥控电路，7-无线遥控控制器，8-超声波接收电路，9-超声波发射电路，10-测温电路，T-环境温度，tc-测量时间，d-测量距离。

五、具体实施方式

参见图1，本实用新型的一种误差补偿式超声波测距仪，还包括提供电源的电源模块1和与单片计算机系统5连接的程序下载模块2，控制无线遥控电路6的无线遥控控制器7发射信号后，被接入单片计算机系统5的无线遥控电路6接收，无线遥控电路6控制单片计算机系统5连接的超声波发射电路9发射超声波信号，超声波发射电路9发射出超声波信号被障碍物反射后被与单片计算机系统5连接超声波接收电路8接收，接收到的超声波信号和与单片计算机系统5连接的测温电路10测得数据由单片计算机系统5进行处理后并通过与单片计算机系统5连接的显示输出电路3和语音播报电路4输出。无线遥控控制器7无线连接与超声波接收电路8和无线遥控电路6之间，并可以无线远程遥控无线遥控电路6控制超声波信号的发射和接收。

本实用新型的测距工作原理是：

单片机计算系统5控制测温电路10测出环境温度T，然后通过无线遥控电路6控制单片机计算系统5，由单片机计算系统5控制超声波发射电路9按预先设定的周期个数发出设定频率的超声波脉冲信号并开启计时，障碍物反射后由超声波接收电路8检测，超声波接收电路8检测到回波信号后，由单片机计算系统5选择并响应中断，得到测量时间tc，由单片机计算系统5通过公式：

$d=331.4/\sqrt{1+T/273}\mathrm{x\; tc}/2$

331.45m/s为0℃时的声波速度，T为实际环境温度(℃)

得到超声波发射电路9与障碍物之间的距离d，并由显示输出电路3和语音播报电路4分别输出。

单片计算机系统机按如下程序完成一次超声波测距：

步骤1：单片计算机系统5上电复位或手动复位中断接口开中断，当有信号输入时启动单片机内部计时器开始计时，同时开启单片机内部中断，控制超声波发射电路9按设定频率发出设定个数的超声波信号；

步骤2：控制测温电路10测量环境温度T，并将温度数据传到单片计算机系统；

步骤3：如果在发射屏蔽时间TM内超声波接收电路8检测到回波信号，则发出的中断请求信号，单片计算机系统5内部计时器停止计时，得到测量时间tc，执行步骤5；

步骤4：如果在在发射屏蔽时间TM内超声波接收电路8没有检测到回波信号，发出中断请求信号，单片计算机系统5关闭内部中断，执行步骤6；

步骤5：单片机计算系统5将测量时间tc、环境温度T，通过公式：

$d=331.4/\sqrt{1+T/273}\mathrm{x\; tc}/2$

处理后得到测量距离d，通过语音播报电路4和显示输出电路3输出，结束本次测量后单片机复位；

步骤6：计时器停止计时，由语音播报电路4执行语音播报错误处理程序(发出嘟的声音)，显示输出电路3执行液晶显示程序，显示环境温度T，结束本次测量后单片机复位。

参见图2，为了降低超声波传播时间误差，使测距误差小于1mm，本实用新型单片计算机系统5采用凌阳16位单片机SPCE061A控制，其体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力，并且具有较强的中断处理能力，并且为其配置一个采用三态门总线芯片74LS244的凌阳单片机程序下载模块2。

供电电源模块1采用5V稳压芯片7805，3.3V稳压芯片AS2830-3.3.其可以为整个系统提供9V，-9V，5V，3.3V电压。

语音播报电路4采用音频放大器SPY0030，外加选择合适的电阻，电容组成音频放大电路，用于驱动扬声器。当单片机计算出所测距离后，此时调用语音播报子程序，将其输出给单片机内部的D/A数模转换器，再经过音频放大器SPY0030进行音频放大，驱动小喇叭发声将其距离数据通过声音播报出来。

无线遥控电路6由PT2262编码芯片组成的发射电路和PT2272解码芯片组成的接收电路构成。最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空、接高电平、接低电平)任意组合可提供531441地址码，本实用新型采用A0-A7八位解码译码，编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，ST脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其ST脚为低电平，所以315MHS的高频发射电路不工作，当有按键按下时，IIT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHS的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHS的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于IIT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控(AFK调制)相当于调制度为100％的调幅。

超声波接收电路8，由40KHz超声波接收传感器、两个单运放OPA228、LM311比较器、CD4052数据选择器组成。超声波探头一般只有很小的电压，经过运放放大。由OPA228及电阻，电容组成10000倍的中心频率为40KHz的前级两级放大电路，之后接一个电压比较器和数据选择器对测量模式进行软件选择。前级采用两级OPA228构成10000倍放大器，对超声波接收头接收的小信号进行放大；后级采用LM311比较器，同相端3接参考电平反相端2接两级放大后的信号，同相端反相端做比较后，当接收信号达到门限电压后LM311比较器输出端输出标准下降沿。

超声波发射电路9由555振荡器、反相器CD4049和40KHz的超声波探头组成。555振荡器外加电容、电阻组成一个40KHz的波形发生器，经反相器CD4049整形后为超声波探头提供所需的谐振频率，单片计算机系统5通过控制555多谐振荡器的4脚来启停超声波发射，4脚为高电平时超声波发射启动。该电路由555外加一些电容、电阻组成一个40KHz的多谐振荡电路，这个波形发生器由三号管脚输出波形，通过反相器CD4049整形提高功率送给40KHz的超声波探头。40KHz的超声波探头将电能转化为声波能以中心频率40KHz发射出去。

测温电路10，采用DS18B20数字温度传感器，数据线通过上拉电阻上拉后直接与单片机系统连接。DS18B20数字温度传感器与凌阳单片机之间是串口通讯。

Claims (2)

1、一种误差补偿式超声波测距仪，包括在单片计算机系统(5)连接的超声波发射电路(9)和超声波接收电路(8)，超声波发射电路(9)发射出超声波信号被障碍物反射后被超声波接收电路(8)接收，其特征在于：接收到的超声波信号和与单片计算机系统(5)连接的测温电路(10)测得温度数据信号由单片计算机系统(5)进行处理后并通过与单片计算机系统(5)连接的语音播报电路(4)和显示输出电路(3)输出，连接用于控制超声波发射和接收的无线遥控电路(6)接入单片计算机系统(5)。

2、根据权利要求1所述的一种误差补偿式超声波测距仪，其特征在于：所述的无线遥控电路(6)和超声波接收电路(8)之间无线连接无线遥控控制器(7)。

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