CN201698023U - 变频超声波测距装置 - Google Patents

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李纯成
杨恒旭
徐程
王晓明
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Abstract

本实用新型提供一种变频超声波测距装置，它包括单片机、接收电路、功放电路、超声波接收传感器和超声波发射头，所述超声波发射头通过功放电路与单片机相连，超声波接收传感器通过接收电路与单片机相连。本装置巧妙利用接收系统增益与信号频率的关系，自动改变超声波发射频率，以适应探测距离的远近变化，减小盲区范围，与传统超声波测距装置相比，提高了硬件利用率，节约了成本。

Description

变频超声波测距装置
一、技术领域：
本实用新型涉及一种利用超声波测量物体距离的装置。
二、背景技术：
超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制。但因为超声波接收电路增益较高，常常受到干扰，所以利用超声波测距总存在盲区。
当前超声波测距装置多通过改变硬件结构来改变接收增益，继而达到减小盲区的目的，元件成本较高，结构复杂。
三、发明内容：
本实用新型根据现有技术状况，提供一种变频超声波测距装置，该装置通过改变超声波频率来适应探测距离变化。
本实用新型的目的是通过以下措施实现的：
一种变频超声波测距装置，其特征是：它包括单片机、接收电路、功放电路、超声波接收传感器和超声波发射头，所述超声波发射头通过功放电路与单片机相连，超声波接收传感器通过接收电路与单片机相连。
本装置利用液晶显示器将测量距离显示出来，也可以不用液晶显示器，而将测量结果通过通信接口传至其他应用电路。
本实用新型相比现有技术具有如下优点：
本装置巧妙利用接收系统增益与信号频率的关系，自动改变超声波发射频率，以适应探测距离的远近变化，减小盲区范围，与传统超声波测距装置相比，提高了硬件利用率，节约了成本。
单片机产生超声波信号，经过功放电路进行功率放大后，通过超声波发射头发射出去。超声波在空气中传播，遇到物体后发生反射，遇到物体产生反射波，反射波被超声波传感器接收并产生电信号，该电信号经接收电路送至单片机。接收系统的增益与接收信号的频率有关，即接收频率与超声波发射头谐振频率相差越大，增益越小。单片机通过改变超声波发射频率来适应探测距离的远近，当单片机产生信号的频率使发射头产生谐振时，超声波发射功率最大，接收电路增益最大，探测距离最远，盲区也最大；单片机产生信号的频率与谐振频率相差越大，发射功率越小，接收电路增益越小，探测距离越近，盲区越小。
由于采用上述技术方案，本装置具有这样的有益效果，即可以减小盲区，适应于探测距离远近变化。
四、附图说明：
图1是超声波测距原理图；
图2是本装置的原理框图；
图3是超声波接收系统增益与频率关系图；
图4为超声波变频测距电路图；
图5为超声波部分程序流程图；
图中：T1-超声波发射头；R1-超声波接收传感器；MCU-单片机；RC-接收电路；TC-功放电路；O-物体；ATS-超声波发射系统；ATS-超声波接收系统；L-装置与被测物体之间的距离。
五、具体实施方式：
如图2所示，本装置由五个部分组成，分别如下：
单片机：产生发射超声波所需的电信号，可以改变超声波发射频率，并对接收到的超声波信号进行计算处理；
功放电路：对单片机产生的电信号进行功率放大；
超声波发射头：将电信号转换成超声波并发射出去；
接收传感器：将接收到的超声波装换成电信号并送至接收电路；
接收电路：对超声波信号进行放大整形并送至单片机进行处理；
本装置定位原理如图1所示，L为装置与被测物体之间的距离，为待测量。装置运作流程如下：超声波发射头发出一段超声波，单片机记下此时时刻为t0，超声波经物体反射后被接收传感器接收，单片机记下此时刻t1，然后结合声速v即可得出距离L：
L＝v*(t1-t0)/2
超声波测距装置产生盲区的原因：利用超声波测距时，需要发送一段时间(设为t)的超声波信号，在这段时间内接收电路因为受干扰等原因难以避免地感应到超声波信号，但此信号并非来自物体的反射波，因此对测距并无帮助，需要用软件将此信号滤除。因此最小探测距离(即盲区)为
d＝v*t/2
但因为电路制作工艺等原因，超声波发射后常常存在余波，对使用变压器的功放电路更为明显，导致盲区增大。但余波幅度较小，可以降低接收增益予以避免。
图3为本装置接收系统增益与信号频率关系图，本接收系统存在一个特定频率，次频率与发射头谐振频率相同，在此频率下本接收系统增益最高，此图意在说明在信号频率为发射头谐振频率时接收增益最大，信号频率与谐振频率相差越大，接收电路增益越小。
所以本装置测距原理为：先将超声波频率偏离谐振频率以测量近距离物体，如果一段时间内没有收到信号，则表明近距离内没有物体，即可以将超声波频率逐步调至谐振频率，以测量远距离物体。
图4为本装置的电路图，U1为ATmega88型单片机，晶振(未画出)使用8MHz，3脚输出一定频率的矩形波，送至三极管Q1，经变压器TR1放大后由超声波发射头发送出去。
R1为TC40-16R型超声波接收传感器，R1将收到的超声波信号送至U2，U2为CX20106A型集成电路，用以对接收到的超声波信号进行放大整形，由7脚输出至单片机，本装置超声波发射头为TC40-16T型，其谐振频率为40kHz，当调整R2为210kΩ时，接收电路中心频率为40kHz，增益最大。其中LCD1为1602型液晶屏，用以显示测量距离。也可以不用液晶屏，通过单片机通信接口接至其他应用电路。
图5为本电路处理程序流程图，程序设为一次变频，也可进行多次变频，只需更改等待时间及发射频率即可。对超声波程序有如下说明：
1、每次发射超声波的时间应较短，如0.1ms；
2、f0为发射头谐振频率，f1的数值不应等于f0，设系统在f1频率下的盲区为d1，测量范围为L1，在f0频率下的盲区为d0，测量范围为L0，则应使d1小于d0，且为保障测量范围的连续性，应使L1大于d0；
3、应使d1＜v*T1＜L1，T0＞T1。

Claims (2)

1.一种变频超声波测距装置，其特征是：它包括单片机、接收电路、功放电路、超声波接收传感器和超声波发射头，所述超声波发射头通过功放电路与单片机相连，超声波接收传感器通过接收电路与单片机相连。
2.根据权利要求1所述的变频超声波测距装置，其特征是：该装置还包括液晶显示器，该液晶显示器与单片机相连。
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