CN206209105U

CN206209105U - 一种高精度超声波测距装置

Info

Publication number: CN206209105U
Application number: CN201621357502.0U
Authority: CN
Inventors: 刘天任; 林权; 穆天开
Original assignee: Wuyi University
Current assignee: Wuyi University
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2026-12-12

Abstract

本实用新型公开了一种高精度超声波测距装置，包括MCU处理器、超声波发射电路、发射接收切换电路、超声波传感器、前置放大滤波电路、自动增益控制电路、整形电路、比较器电路、温度传感器和温度采集电路，所述温度传感器的输出端接温度采集电路的输入端，所述温度采集电路的输出端接MCU处理器的输入端，所述MCU处理器、超声波发射电路、发射接收切换电路和超声波传感器依次连接，所述超声波传感器、发射接收切换电路、前置放大滤波电路、自动增益控制电路、整形电路、比较器电路和MCU处理器依次连接。本实用新型结构简单、测量精度高，在近距离测量范围内，可以达到mm级，可以满足料位检测、液位探测及微地形构造等方面的需要。

Description

一种高精度超声波测距装置

技术领域

本实用新型涉及超声波测距技术领域，具体地涉及一种高精度超声波测距装置。

背景技术

距离或长度是智能控制系统中需要检测的物理量之一，常用的测距方法有接触式和非接触式，其中非接触式的测距方法有激光测距、微波测距、雷达测距和超声波测距等。相比其他高频波，超声波具有方向性强、能量集中、易于反射，以及传播速度较慢、易于测量传播时间等特点，广泛应用于机器人避障和定位、车辆导航和倒车防撞、液位测量等领域。

超声波测距方法与红外线、激光等测距方法比较，具有灵敏度高，抗声波和电磁干扰能力强，在实现上简单、成本低、可靠性高、便于安装维护等优点，但常规的超声波测距装置普遍测量精度较低，电路结构复杂，成本高，应用领域受到较大限制。

发明内容

本实用新型目的在于为解决上述为题而提供一种结构简单、测量精度高，成本低的高精度超声波测距装置。

为此，本实用新型公开了一种高精度超声波测距装置，包括MCU处理器、超声波发射电路、发射接收切换电路、超声波传感器、前置放大滤波电路、自动增益控制电路、整形电路、比较器电路、温度传感器和温度采集电路，所述温度传感器的输出端接温度采集电路的输入端，所述温度采集电路的输出端接MCU处理器的输入端，所述MCU处理器、超声波发射电路、发射接收切换电路和超声波传感器依次连接，所述超声波传感器、发射接收切换电路、前置放大滤波电路、自动增益控制电路、整形电路、比较器电路和MCU处理器依次连接，所述自动增益控制电路的控制端接MCU处理器的控制输出端。

进一步的，还包括显示电路，所述显示电路与MCU处理器连接。

更进一步的，所述显示电路为数码管显示电路。

进一步的，还包括存储电路，所述存储电路与MCU处理器连接。

进一步的，所述超声波传感器为TCF40-16型收发一体式超声波传感器。

进一步的，所述MCU处理器的型号为AT89C51。

进一步的，所述温度传感器为NTC热敏电阻。

更进一步的，所述温度采集电路包括电阻R87、电容C51、型号LF353的运算放大器U18A和型号TL431的稳压二极管Q8，所述电阻R87的第一端接地，所述电阻R87的第二端串联NTC热敏电阻接稳压二极管Q8的阴极，所述电容C51和电阻R87并联，所述稳压二极管Q8的阴极串联电阻R89接12V电源，稳压二极管Q8的阳极接地，稳压二极管Q8的参考极接电阻R90和R91的第一端，所述电阻R90的第二端接稳压二极管Q8的阴极，所述电阻R91的第二端接稳压二极管Q8的阳极，所述稳压二极管Q8与电容C53并联，所述电阻R87的第二端串联电阻R86接运算放大器U18A的同相输入端，所述运算放大器U18A的反相输入端接其输出端，运算放大器U18A的输出端接MCU处理器，同时，运算放大器U18A的输出端反串联二极管D26接地和串联二极管D25接3.3V电源。

进一步的，所述比较器电路包括型号LM339的比较器U1、电容C11和C12、二极管D4和二极管D3，所述电容C11的第一端接整形电路的输出端，第二端依次串联二极管D4和电容C12接比较器U1的反相输入端，所述比较器U1的输出端接MCU处理器，所述比较器U1的同相输入端串联电阻R15接电源VCC，同时串联电阻R14接地，所述二极管D3的负端接电容C11的第二端，二极管D3的正端接地。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型通过对电路结构进行优化设计，使得电路结构简单、测量精度高，在近距离测量范围内，可以达到mm级，可以满足料位检测、液位探测及微地形构造等方面的需要。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例的结构框图；

图2为本实用新型具体实施例的温度采集电路原理图；

图3为本实用新型具体实施例的比较器电路原理图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1所示，一种高精度超声波测距装置，包括MCU处理器1、超声波发射电路2、发射接收切换电路3、超声波传感器4、前置放大滤波电路5、自动增益控制电路6、整形电路7、比较器电路8、温度传感器12和温度采集电路11，所述温度传感器12的输出端接温度采集电路11的输入端，所述温度采集电路11的输出端接MCU处理器1的输入端，所述MCU处理器1、超声波发射电路2、发射接收切换电路3和超声波传感器4依次连接，所述超声波传感器4、发射接收切换电路3、前置放大滤波电路5、自动增益控制电路6、整形电路7、比较器电路8和MCU处理器1依次连接，所述自动增益控制电路6的控制端接MCU处理器1的控制输出端。

本具体实施例中，所述超声波传感器4采用TCF40-16型收发一体式超声波传感器，所述MCU处理器1的型号为AT89C51，所述温度传感器12为NTC热敏电阻。

进一步的，本具体实施例中，还包括显示电路9，所述显示电路9与MCU处理器1连接，所述显示电路9优选为为数码管显示电路，成本低，且显示明显。

进一步的，本具体实施例中，还包括存储电路10，所述存储电路10与MCU处理器1连接，存储电路10优选为E2PROM存储电路，用于存储温度、时间以及事先通过实验获得的与一定距离对应的较为理想的增益放大倍数等相关信息。

具体的，如图2所示，所述温度采集电路包括电阻R87、电容C51、型号LF353的运算放大器U18A和型号TL431的稳压二极管Q8，所述电阻R87的第一端接地，所述电阻R87的第二端串联NTC热敏电阻12接稳压二极管Q8的阴极，本具体实施例中，NTC热敏电阻12插接在插座J3的第五脚和第六脚之间而与稳压二极管Q8的阴极和电阻R87的第二端连接，所述电容C51和电阻R87并联，起滤波作用，所述稳压二极管Q8的阴极串联电阻R89接12V电源，阳极接地，参考极接电阻R90和R91的第一端，电阻R90的第二端接稳压二极管Q8的阴极，电阻R91的第二端接稳压二极管Q8的阳极，稳压二极管Q8的阴极与电容C53并联，电阻R87的第二端串联电阻R86接运算放大器U18A的同相输入端，运算放大器U18A的反相输入端接其输出端，运算放大器U18A的输出端接MCU处理器，同时，运算放大器U18A的输出端反串联二极管D26接地和串联二极管D25接3.3V电源。利用稳压二极管Q8为NTC热敏电阻12提供一个独立的3.3V供电电压，防止NTC热敏电阻12拔插过程中对电路正常工作产生影响。当外界温度变化时，NTC热敏电阻12的阻值随之改变，由于电阻分压，电阻R87两端的电压值也发生变化，通过运算放大器U18A构成的运放跟随器将R87电压值送入MCU处理器1进行采用，获得温度信息。

具体的，如图3所示，所述比较器电路8包括型号LM339的比较器U1、电容C11和C12、二极管D4和二极管D3，所述电容C11的第一端接整形电路的输出端，第二端依次串联二极管D4和电容C12接比较器U1负输入端，所述比较器U1的输出端接MCU处理器，所述比较器U1的正输入端串联电阻R15接电源VCC，同时串联电阻R14接地，二极管D3的负端接电容C11的第二端，二极管D3的正端接地。

工作过程：MCU处理器1产生的40kHz的脉冲信号，经超声波发射电路2放大后，通过发射接收切换电路3驱动超声波传感器4发出超声波，MCU处理器1发出脉冲信号后,启动计数器开始计数；回波信号经过发射接收切换电路3、前置放大电路5、带通滤波电路6、自动增益控制电路6、整形电路7处理后再经过比较器电路转换成数字型号输入MCU处理器1中,MCU处理器1停止计数器计数，得出传播时间，进而计算得出距离，同时温度传感器12将现场温度数据送到MCU处理器1中，对所计算的距离进行修正后，通过显示电路9显示出来。MCU处理器1根据计数器的时间相应调整自动增益控制电路6的增益放大倍数，此可以参照现有技术，不再细说。

超声波为直线传播方式，频率越高，反射能力越强，而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性，常常用渡越时间检测法进行距离的测量。其工作原理是：换能器向介质发射超声波，声波遇到目标后必然有反射回波作用在换能器上。由于超声波在传播过程中，声压会随距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪比低，用固定阈值的比较器检测回波，可能导致越过门槛的时刻前后移动，从而影响计时的准确性，这必然会影响到测距的准确度。本实用新型在回波接收电路中串入随时间变化的自动增益控制电路6，电压放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加，使接收回波的幅值保持恒定或者仅在较小范围内变化，再经过整形电路输出，这样可以大幅度地提高测距的精度。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种高精度超声波测距装置，其特征在于：包括MCU处理器、超声波发射电路、发射接收切换电路、超声波传感器、前置放大滤波电路、自动增益控制电路、整形电路、比较器电路、温度传感器和温度采集电路，所述温度传感器的输出端接温度采集电路的输入端，所述温度采集电路的输出端接MCU处理器的输入端，所述MCU处理器、超声波发射电路、发射接收切换电路和超声波传感器依次连接，所述超声波传感器、发射接收切换电路、前置放大滤波电路、自动增益控制电路、整形电路、比较器电路和MCU处理器依次连接，所述自动增益控制电路的控制端接MCU处理器的控制输出端。

2.根据权利要求1所述的高精度超声波测距装置，其特征在于：还包括显示电路，所述显示电路与MCU处理器连接。

3.根据权利要求2所述的高精度超声波测距装置，其特征在于：所述显示电路为数码管显示电路。

4.根据权利要求1所述的高精度超声波测距装置，其特征在于：还包括存储电路，所述存储电路与MCU处理器连接。

5.根据权利要求1所述的高精度超声波测距装置，其特征在于：所述超声波传感器为TCF40-16型收发一体式超声波传感器。

6.根据权利要求1所述的高精度超声波测距装置，其特征在于：所述MCU处理器的型号为AT89C51。

7.根据权利要求1所述的高精度超声波测距装置，其特征在于：所述温度传感器为NTC热敏电阻。

8.根据权利要求7所述的高精度超声波测距装置，其特征在于：所述温度采集电路包括电阻R87、电容C51、型号LF353的运算放大器U18A和型号TL431的稳压二极管Q8，所述电阻R87的第一端接地，所述电阻R87的第二端串联NTC热敏电阻接稳压二极管Q8的阴极，所述电容C51和电阻R87并联，所述稳压二极管Q8的阴极串联电阻R89接12V电源，稳压二极管Q8的阳极接地，稳压二极管Q8的参考极接电阻R90和R91的第一端，所述电阻R90的第二端接稳压二极管Q8的阴极，所述电阻R91的第二端接稳压二极管Q8的阳极，所述稳压二极管Q8与电容C53并联，所述电阻R87的第二端串联电阻R86接运算放大器U18A的同相输入端，所述运算放大器U18A的反相输入端接其输出端，运算放大器U18A的输出端接MCU处理器，同时，运算放大器U18A的输出端反串联二极管D26接地和串联二极管D25接3.3V电源。

9.根据权利要求1所述的高精度超声波测距装置，其特征在于：所述比较器电路包括型号LM339的比较器U1、电容C11和C12、二极管D4和二极管D3，所述电容C11的第一端接整形电路的输出端，第二端依次串联二极管D4和电容C12接比较器U1的反相输入端，所述比较器U1的输出端接MCU处理器，所述比较器U1的同相输入端串联电阻R15接电源VCC，同时串联电阻R14接地，所述二极管D3的负端接电容C11的第二端，二极管D3的正端接地。