CN202453502U

CN202453502U - 超声波测距仪

Info

Publication number: CN202453502U
Application number: CN201220084940XU
Authority: CN
Inventors: 丛凌搏; 阮万涛; 王宏昊
Original assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Current assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2022-03-08

Abstract

超声波测距仪。测量工具在建筑装饰、房产评估、机械安装、农田水利、公路交通、矿山隧道以及园林规划等场合应用非常广泛，但是有一部分还是用比较传统的测量工具——卷尺。一种超声波测距仪，其组成包括:壳体，所述的壳体（1）内装有单片机处理器（2），所述的单片机处理器连接超声波发送装置(3)、超声波接收装置（4）、温度校准装置(5)和电源装置。本实用新型用于测量距离。

Description

超声波测距仪

技术领域：

本实用新型涉及一种超声波测距仪。

背景技术：

测量工具在建筑装饰、房产评估、机械安装、农田水利、公路交通、矿山隧道以及园林规划等场合应用非常广泛，但是有一部分还是用比较传统的测量工具——卷尺。

用卷尺测量存在不足在于：

测量较高的高度时要借助梯子等其它辅助工具才能测量，增加了工作量。测量河渠等宽度大的地方比较困难。

测量长度、面积、体积等，测量时间长，又需要计算器等辅助工具进行计算，比较浪费人力、物力。虽然，也有许多先进的测量工具，但由于结构复杂，制作成本高，不能满足普通生活所需。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种测量简单、方便、快捷、准确，并降低成本的超声波测距仪。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种超声波测距仪，其组成包括:壳体，所述的壳体内装有单片机处理器，所述的单片机处理器连接超声波发送装置、超声波接收装置、温度校准装置和电源装置。

所述的超声波测距仪，所述的超声波发送装置包括脉冲信号发生器，所述的脉冲信号发生器连接载波信号发生器，所述的脉冲信号发生器和所述的载波信号发生器同时连接发射头驱动电路；所述的脉冲信号发生器是由IC1组成的超声波脉冲信号发生器，所述的载波信号发生器是由IC2组成的超声波载波信号发生器。

所述的超声波测距仪，所述的壳体装有显示屏，所述的显示屏连接所述的单片机处理器，所述的单片机处理器连接调整按钮和调整指示灯，所述的电源装置包括电源开关，所述的电源开关连接电源指示灯。

有益效果：

1.本实用新型系统采用高速单片机作为微处理器，在软件计算时采用多脉冲平均算法，考虑了电路的延迟时间和压电材料与探头表面的距离所引起的误差，并对声速进行了温度补偿。

2.本实用新型具有很高的测量精度。在200—4000mm的范围内测量时，绝对误差在2mm以内。在超声波的发送与接收电路中多采用通用器件，节约了成本。

3.本实用新型的超声波接收装置采用了单电源（9V）供电，保证其工作的可靠性；并用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。

附图说明：

附图1是本产品的结构示意图。

附图2是附图1的电路图。

具体实施方式：

实施例1：

一种超声波测距仪，其组成包括:壳体，所述的壳体1内装有单片机处理器2，所述的单片机处理器连接超声波发送装置3、超声波接收装置4、温度校准装置5和电源装置。

实施例2：

实施例1所述的超声波测距仪，所述的超声波发送装置包括脉冲信号发生器，所述的脉冲信号发生器连接载波信号发生器，所述的脉冲信号发生器和所述的载波信号发生器同时连接发射头驱动电路；所述的脉冲信号发生器是由IC1555组成的超声波脉冲信号发生器，所述的载波信号发生器是由IC2组成的超声波载波信号发生器。

实施例3：

实施例1或2所述的超声波测距仪，所述的壳体装有显示屏6，所述的显示屏连接所述的单片机处理器，所述的单片机处理器连接调整按钮7和调整指示灯8，所述的电源装置包括电源开关9，所述的电源开关连接电源指示灯10。

实施例4：

上述实施例所述的超声波测距仪，所述的超声波发送装置由脉冲信号发生器, 载波信号发生器, 发射头驱动电路组成，IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。

条件: RA =9.1MΩ、 RB=150KΩ、 C1=0.01μF

TL = 0.69 x RB x C1 = 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 10-6 = 1 msec

TH = 0.69 x (RA + RB) x C1 = 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6 = 64 msec

IC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止64ms。计算公式如下：

条件: RC =1.5KΩ、 RD=15KΩ、 C2=1000pF

TL = 0.69 x RB x C2 = 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12 = 10μsec

TH = 0.69 x (RA + RB) x C2 = 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12 = 11μsec

f = 1/(TL + TH) = 1/((10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHz

IC3（CD4069）组成超声波发射头驱动电路。

IC2（555）超声波载波信号发生器out输出同时做为51单片机中断控制信号输入。

实施例5：

上述实施例所述的超声波测距仪，所述的超声波接收装置，超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。

C9、D1、D2、C10组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。

由Ra、Rb、IC5组成信号比较器。其中

Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb)=(47KΩ x 9V)/(1MΩ + 47KΩ) = 0.4V

所以当A点（IC5的反相端）过来的脉冲信号电压高于0.4V时，B点电压将由高电平"1"到低电平"0"。同时注意到在IC5的同相端接有电容C11和二极管D3，这是用来防止误检测而设置的。在实际测量时，在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测。为避免这种情况发生，这里用D3直接引入检测脉冲来适当提高IC5比较器的门限转换电压，并且这个电压由C11保持一段时间，这样在超声波发射器发出检测脉冲时，由于D3的作用使IC5的门限转换电压也随之被提高，并且由于C11的放电保持作用，可防止这时由于检测脉冲自身的干扰而形成的误检测。由以上可知，当测量距离小到一定程度时，由于D3及C11的防误检测作用，其近距离测量会受到影响。图示参数的最小测量距离在40cm左右。减小C11的容量，在环境温度为20 时可做到30cm测量最短距离。此时其放电时间为1.75ms。

将此时的脉冲输出做为单片机的中断控制信号输入，与IC1输出同步进行，通过程序计算就可计算出实际探测距离，经7279显示装置给出距离值。

距离算法

　采用异地脉冲反射式来测距, 即需测距离是声波传输距离的一半:

Figure 201220084940X100002DEST_PATH_IMAGE002

式中, L 为待测距离, v 为超声波的声速, t 为渡越时间。由下式计算测量误差

Figure 201220084940X100002DEST_PATH_IMAGE004

式中, RL 为测距误差, v 为声速, R△t为时间测量误差, Rv 为声速误差。若要求测距误差小于0.01m , 已知声速v= 344m /s (20℃时) , 忽略声速误差, 那么测量时间的误差

Figure 201220084940X100002DEST_PATH_IMAGE006

利用单片机脉冲计数的方法, 间接测量时间, 可以把声波传播的时间精度提高到所需的准确度。也就是把对渡越时间的测量转化为对计数脉冲个数N 的测量, 所以

Figure 201220084940X100002DEST_PATH_IMAGE008

式中, S 为等效标尺, S = v/f , f 为计数脉冲的频率,v 为声速。所以

Figure 201220084940X100002DEST_PATH_IMAGE010

误差修正

由于压电材料易碎, 而且要满足密封、绝缘和阻抗匹配等要求, 超声波换能器往往被封装在探头外壳内, 使压电材料与探头表面有一定距离, 对此距离无法进行精确测量, 因此会给测量结果带来误差。由硬件电路所引起的延时时间是固定的, 压电材料与探头表面的距离也是固定的, 可以通过以下方法来修正。

设硬件延时时间为

Figure 201220084940X100002DEST_PATH_IMAGE012

, 压电材料与探头表面的距离为

L0, 计算距离的公式L = 0. 5ct应修正为

Figure 201220084940X100002DEST_PATH_IMAGE014

设L 为已知的固定距离, t1, t2 分别为环境温度T1, T2情况下超声波的传播时间, c1, c2分别为环境温度T1, T2情况下超声波的传播速度。在L 距离内往返传播所用的实际

时间分别为

Figure 201220084940X100002DEST_PATH_IMAGE016

, 则有

求解这2个联立方程得到

软件处理时, 在修正公式中减去

与L0, 便可以消除硬件延迟产生的计时误差和压电材料与探头表面的距离产生的测距误差。

温度补偿

由于超声波在一定程度上受温度的影响，为了达到更好的精度，单片机连接一温度传感器，所述的温度传感器为现有成熟器件，通过单片机读取计算温度值，以便单片机在计算距离时进行温度补偿，

。

Claims

1.一种超声波测距仪，其组成包括:壳体，其特征是: 所述的壳体内装有单片机处理器，所述的单片机处理器连接超声波发送装置、超声波接收装置、温度校准装置和电源装置。

2.根据权利要求1所述的超声波测距仪，其特征是: 所述的超声波发送装置包括脉冲信号发生器，所述的脉冲信号发生器连接载波信号发生器，所述的脉冲信号发生器和所述的载波信号发生器同时连接发射头驱动电路；所述的脉冲信号发生器是由IC1组成的超声波脉冲信号发生器，所述的载波信号发生器是由IC2组成的超声波载波信号发生器。

3.根据权利要求1或2所述的超声波测距仪，其特征是: 所述的壳体装有显示屏，所述的显示屏连接所述的单片机处理器，所述的单片机处理器连接调整按钮和调整指示灯，所述的电源装置包括电源开关，所述的电源开关连接电源指示灯。