CN206876868U - 一种多路同步超声波测距系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型以中央处理器单片机AT89C51与可编程模块FPGA作为核心部件，设计并制作了一种多路同步超声波测距系统。其中，单片机AT89C51控制同步发射超声波与启动计时计数器，并在接收到回波后对计时计数器的值进行处理。可编程模块FPGA主要实现125kHz的超声波的发射与接收以及六路超声波从发射到接收之间时间的精确测量。第一路到第五路超声波换能器用于测量距离，它们被等间距的分别安装在测距仪的固定板上，系统采用收发同体的探头，有效的保证了各探头到被测物体的垂直测量距离。第六路超声波换能器安装在测距仪的左侧，在测距仪的右侧安装一块标准档板，能够较准确的测量当时环境下的声速，用于温度补偿，避免因环境因素变化而造成的误差。

Description

一种多路同步超声波测距系统

技术领域

本实用新型属于非接触测量领域，尤其涉及一种多路同步超声波测距系统。

背景技术

超声波测距仪利用了一种非接触性的检测方法测量距离，因其结构简单紧凑、可靠性高、实时性强等优点，近年来已经得到了广泛应用，如液位测量，修路过程中路面平整检测，汽车倒车雷达，机器人辅助视觉识别系统等。但因超声波在空气中传播时受到诸如环境温度、湿度、风速等影响，传统的超声波测距系统精度普遍较低。

常规超声波系统采用增加硬件温度补偿模块的方法仅能在一定程度上避免因环境温度变化带来的测量误差，且系统灵活性不高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多路同步超声波测距系统，旨在解决常规超声波测距系统测量精度低、灵活性不高的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种多路同步超声波测距系统，包括：显示与控制模块、中央处理器、可编程模块、超声波换能模块和环境补偿模块；其中包含所述可编程模块与所述中央处理器的外壳就是测距仪，所述中央处理器作为输入与所述显示与控制模块连接，所述中央处理器与可编程模块双向连接，所述可编程模块双向连接于所述超声波换能模块和所述环境补偿模块，所述超声波换能模块与所述环境补偿模块不具有连接关系。

进一步根据本实用新型所述的多路同步超声波测距系统，所述中央处理器使用单片机 AT89C51；所述中央处理器负责发送信号启动超声波的发射，且将所得的计时计数值进行处理计算，得到当前声速精确值与五个距离值，并将结果通过所述显示与控制模块显示出来。

进一步根据本实用新型所述的多路同步超声波测距系统，所述显示与控制模块主要用于显示所述中央处理器的计算结果和调整测距仪的平衡。

进一步根据本实用新型所述的多路同步超声波测距系统，所述超声波换能模块包括五路超声波换能器，每路所述超声波换能器包括发射单元与接收单元，所述可编程模块连接于所述发射单元，所述发射单元连接于所述接收单元，所述接收单元连接于所述可编程模块。

进一步根据本实用新型所述的多路同步超声波测距系统，所述环境补偿模块主要包括第六路超声波换能器与一块标准挡板；所述第六路超声波换能器接在所述测距仪的一侧，与所述可编程模块双向连接，所述标准档板接在所述测距仪没有安装所述第六路超声波换能器的地方。

进一步根据本实用新型所述的多路同步超声波测距系统，所述可编程模块，即可编程硬件FPGA，包括发射单元、顺序执行计数器、数据选择器、计时计数器与接收单元五部分；所述发射单元、所述顺序执行计数器、所述数据选择器与所述接收单元均连接于所述计时计数器；所述发射单元主要完成脉冲串的发射与使所述计时计数器启动的功能，一定数量的脉冲信号通过端口1发送至所述超声波换能模块，并启动所述计时计数器；接收信号通过端口 3被所述接收单元接收，所述接收单元接收完数据后，使所述计时计时器关闭，并通过端口2 触发所述中央处理器使其处于接收数据状态；所述计时计数器主要测量脉冲从发出去到接收到的时间间隔和对脉冲进行计数；所述数据选择器与所述顺序执行计数器完成计数值数据的读取。

进一步根据本实用新型所述的多路同步超声波测距系统，所述超声波换能器的发射单元电路包括三个电阻R1、R2、R3，两个三极管Q1、Q2，一个场效应管Q3，一个电解电容C1，一个TRANS1变压器T和一个晶振L1；所述可编程模块输出的脉冲信号通过所述电阻R1分别接入所述三极管Q1与所述三极管Q2的基极，所述三极管Q1的集电极接+5V电压，所述三极管Q2的集电极接地，所述三极管Q1、Q2的发射极相连，且所述三极管Q1、Q2的发射极同时连接到所述场效应管Q3的栅极，所述TRANS1变压器T的初级电感一端连接于所述场效应管Q3的漏极、衬底、源极并接地，不与所述场效应管Q3连接的一端通过所述电阻 R2接+5V电压，所述电解电容C1的正极接所述TRANS1变压器T的初级电感不与所述场效应管Q3连接的一端，负极接地，所述变压器TRANS1的次级电感一端接地，另一端接所述电阻R3的一端和所述晶振L1的一端，所述电阻R3的另一端和所述晶振L1的另一端都接地，超声波信号通过所述晶振L1输出。

进一步根据本实用新型所述的多路同步超声波测距系统，所述超声波换能器的接收单元电路包括晶振L1，十四个电阻R4—R17，七个电容C2、C6—C11，两个OP37功率放大器U1A、U1B，一个TL082功率放大器U2A，一个LM393功率放大器U3A，一个稳压管UZ、一个滑动变阻器R18，其中，晶振L1属于所述超声波换能器的发射单元；通过所述晶振L1 输入信号，所述电阻R5一端接地，另一端接所述晶振L1不接地端，所述电阻R4一端接所述晶振L1不接地端，另一端接所述电容C2的一端，所述电容C2的另一端接所述电阻R6 的一端，所述电阻R6的另一端接所述OP37功率放大器U1A的引脚2，所述OP37功率放大器U1A的引脚3通过所述电阻R7接地，所述OP37功率放大器U1A的引脚4接+12V电压，引脚8接-12V电压，所述电阻R10一端接所述OP37功率放大器U1A的引脚2，另一端接所述OP37功率放大器U1A的引脚1，所述OP37功率放大器U1A的引脚6依次通过所述电容 C6和所述电阻R9连接到所述OP37功率放大器U1B的引脚6，所述OP37功率放大器U1B 的引脚5通过所述电阻R8接地，所述电阻R11一端接所述OP37功率放大器U1B的引脚6，另一端接所述OP37功率放大器U1B的引脚7；所述OP37功率放大器U1B的引脚7接所述电容C7的一端，所述电容C7的另一端接所述电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端接所述电容C8的一端和所述电容C9的一端，所述电容C8的另一端接地，所述电容C9的另一端接所述电阻R13的一端和所述TL082功率放大器U2A的引脚2，所述电阻R13的另一端接地，所述TL082功率放大器U2A的引脚4接-12V电压，引脚8接+12V电压，所述电阻R14一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚1，另一端接TL082功率放大器U2A的引脚 3，所述电阻R15一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚3，另一端接地，所述电阻R16 一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚1，另一端接所述电容C8的不接地端；所述TL082 功率放大器U2A的引脚1通过所述电容C10接所述LM393功率放大器U3A的引脚2，所述电容C11一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3，另一端接地，所述电阻R17一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3，另一端接地，所述滑动变阻器R18的一端接+12V电压，另一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3，所述LM393功率放大器U3A的引脚4 接+12V电压，引脚8接地，引脚1做输出端，所述稳压管UZ一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚1，另一端接地，信号通过所述LM393功率放大器U3A的引脚1被所述可编程模块接收。

本实用新型与现在技术相比，其有益效果在于:

1.本实用新型利用安装标准挡板的方法能够精确测量当前环境下的声速，可以避免因各种环境因素的变化而造成的误差，系统的抗环境因素影响能力强。本实用新型使用多路超声波测距，可将得到的多路距离测量值进行比较计算，进一步提高了系统精度。

2.本实用新型与常规系统相比，增加了可编程硬件来实现环境因素补偿，舍弃了一些系统所采用的外加温度补偿模块，大大提高了系统的灵活性。

3.本实用新型所采用的电路，成本低、性能可靠、所有原件易购、容易实现。

附图说明

图1是本实用新型的系统框图；

图2是本实用新型超声波换能模块的框图；

图3是本实用新型超声波换能器的发射单元电路；

图4是本实用新型超声波换能器的接收单元电路；

图5是本实用新型环境补偿模块的框图；

图6是本实用新型可编程模块的框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的系统框图如图1所示，包括五个模块，分别为显示与控制模块、中央处理器、可编程模块、超声波换能模块和环境补偿模块。其中包含所述可编程模块与所述中央处理器的外壳就是测距仪。所述中央处理器作为输入与所述显示与控制模块连接。所述中央处理器与可编程模块双向连接。所述可编程模块双向连接于所述超声波换能模块和所述环境补偿模块。所述超声波换能模块与所述环境补偿模块不具有连接关系。

所述中央处理器使用单片机AT89C51。所述中央处理器负责发送信号启动超声波的发射，且将所得的计时计数值进行处理计算，得到当前声速精确值与五个距离值，并将结果通过所述显示与控制模块显示出来。

所述显示与控制模块主要用于显示所述中央处理器的计算结果和调整测距仪的平衡。

本实用新型超声波换能模块的框图如图2所示。

所述超声波换能模块包括五路超声波换能器，每路所述超声波换能器包括发射单元与接收单元，所述可编程模块连接于所述发射单元，所述发射单元连接于所述接收单元，所述接收单元连接于所述可编程模块。

本实用新型超声波换能器的发射单元电路如图3所示。

所述超声波换能器的发射单元电路包括三个电阻R1、R2、R3，两个三极管Q1、Q2，一个场效应管Q3，一个电解电容C1，一个TRANS1变压器T和一个晶振L1。所述可编程模块输出的脉冲信号通过所述电阻R1分别接入所述三极管Q1与所述三极管Q2的基极。所述三极管Q1的集电极接+5V电压，所述三极管Q2的集电极接地，所述三极管Q1、Q2的发射极相连，且所述三极管Q1、Q2的发射极同时连接到所述场效应管Q3的栅极。所述TRANS1 变压器T的初级电感一端连接于所述场效应管Q3的漏极、衬底、源极并接地，不与所述场效应管Q3连接的一端通过所述电阻R2接+5V电压。所述电解电容C1的正极接所述TRANS1 变压器T的初级电感不与所述场效应管Q3连接的一端，负极接地。所述变压器TRANS1的次级电感一端接地，另一端接所述电阻R3的一端和所述晶振L1的一端，所述电阻R3的另一端和所述晶振L1的另一端都接地。超声波信号通过所述晶振L1输出。

本实用新型超声波换能器的接收单元电路如图4所示。

本实用新型超声波换能器的接收单元电路包括所述晶振L1，十四个电阻R4—R17，七个电容C2、C6—C11，两个OP37功率放大器U1A、U1B，一个TL082功率放大器U2A，一个LM393功率放大器U3A，一个稳压管UZ、一个滑动变阻器R18。其中，图中晶振L1属于所述超声波换能器的发射单元。

通过所述晶振L1输入信号。所述电阻R5一端接地，另一端接所述晶振L1不接地端。所述电阻R4一端接所述晶振L1不接地端，另一端接所述电容C2的一端。所述电容C2的另一端接所述电阻R6的一端。所述电阻R6的另一端接所述OP37功率放大器U1A的引脚2。所述OP37功率放大器U1A的引脚3通过所述电阻R7接地。所述OP37功率放大器U1A的引脚4接+12V电压，引脚8接-12V电压。所述电阻R10一端接所述OP37功率放大器U1A 的引脚2，另一端接所述OP37功率放大器U1A的引脚1。所述OP37功率放大器U1A的引脚6依次通过所述电容C6和所述电阻R9连接到所述OP37功率放大器U1B的引脚6。所述 OP37功率放大器U1B的引脚5通过所述电阻R8接地。所述电阻R11一端接所述OP37功率放大器U1B的引脚6，另一端接所述OP37功率放大器U1B的引脚7。

所述OP37功率放大器U1B的引脚7接所述电容C7的一端。所述电容C7的另一端接所述电阻R12的一端。所述电阻R12的另一端接所述电容C8的一端和所述电容C9的一端。所述电容C8的另一端接地。所述电容C9的另一端接所述电阻R13的一端和所述TL082功率放大器U2A的引脚2。所述电阻R13的另一端接地。所述TL082功率放大器U2A的引脚 4接-12V电压，引脚8接+12V电压。所述电阻R14一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚1，另一端接TL082功率放大器U2A的引脚3。所述电阻R15一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚3，另一端接地。所述电阻R16一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚1，另一端接所述电容C8的不接地端。

所述TL082功率放大器U2A的引脚1通过所述电容C10接所述LM393功率放大器U3A的引脚2。所述电容C11一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3，另一端接地。所述电阻R17一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3，另一端接地。所述滑动变阻器R18的一端接+12V电压，另一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3。所述LM393功率放大器U3A的引脚4接+12V电压，引脚8接地，引脚1做输出端。所述稳压管UZ一端接所述 LM393功率放大器U3A的引脚1，另一端接地。信号通过所述LM393功率放大器U3A的引脚1被所述可编程模块接收。

本实用新型环境补偿模块的框图如图5所示。

所述环境补偿模块主要包括第六路超声波换能器与一块标准挡板。所述第六路超声波换能器接在所述测距仪的一侧，与所述可编程模块双向连接。所述标准档板接在所述测距仪没有安装所述第六路超声波换能器的地方。

本实用新型可编程模块的框图如图6所示。

所述可编程模块，即可编程硬件FPGA，包括发射单元、顺序执行计数器、数据选择器、计时计数器与接收单元五部分。所述发射单元、所述顺序执行计数器、所述数据选择器与所述接收单元均连接于所述计时计数器。所述发射单元主要完成脉冲串的发射与使所述计时计数器启动的功能，一定数量的脉冲信号通过端口1发送至所述超声波换能模块，并启动所述计时计数器。接收信号通过端口3被所述接收单元接收，所述接收单元接收完数据后，使所述计时计时器关闭，并通过端口2触发所述中央处理器使其处于接收数据状态。所述计时计数器主要测量脉冲从发出去到接收到的时间间隔和对脉冲进行计数。所述数据选择器与所述顺序执行计数器完成计数值数据的读取。

使用本实用新型时，首先要正确安装所述测距仪。开始工作后：利用所述中央处理器指令控制启动超声波的发射。所述可编程模块收到所述中央处理器的信息后，产生并发送一定数量的脉冲串并启动所述计时计数器，脉冲串分别通过六路所述超声波换能器发送出去，遇到障碍物或标所述标准挡板后返回回波，回波被所述超声波换能器传送至所述可编程模块，使所述计时计数器停止计时，以此计算超声波脉冲从发送到接收的时差。通过所述可编程模块接收单元后的回波使所述中央处理器处于接收信号的状态，此时处于接收信号的状态的所述中央处理器发送信号给所述可编程模块，通过所述可编程模块中的数据选择器与顺序执行所述计时计数器读取计时计数值数据。所述中央处理器将接收到的数据进行处理后，通过所述显示与控制模块将结果显示出来。所述五路超声波换能器用于测距，将所得的五个距离值进行处理，得到较为准确的距离计算值，所述第六路超声波换能器用于计算当前环境下的声速，进行环境补偿，最终得到高精度距离值。

以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域人员在本实用新型的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴，本实用新型具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (8)

1.一种多路同步超声波测距系统，其特征在于，包括：显示与控制模块、中央处理器、可编程模块、超声波换能模块和环境补偿模块；其中包含所述可编程模块与所述中央处理器的外壳就是测距仪，所述中央处理器作为输入与所述显示与控制模块连接，所述中央处理器与可编程模块双向连接，所述可编程模块双向连接于所述超声波换能模块和所述环境补偿模块，所述超声波换能模块与所述环境补偿模块不具有连接关系。

2.根据权利要求1所述的多路同步超声波测距系统，其特征在于，所述中央处理器使用单片机AT89C51；所述中央处理器负责发送信号启动超声波的发射，且将所得的计时计数值进行处理计算，得到当前声速精确值与五个距离值，并将结果通过所述显示与控制模块显示出来。

3.根据权利要求1所述的多路同步超声波测距系统，其特征在于，所述显示与控制模块主要用于显示所述中央处理器的计算结果和调整测距仪的平衡。

4.根据权利要求1所述的多路同步超声波测距系统，其特征在于，所述超声波换能模块包括五路超声波换能器，每路所述超声波换能器包括发射单元与接收单元，所述可编程模块连接于所述发射单元，所述发射单元连接于所述接收单元，所述接收单元连接于所述可编程模块。

5.根据权利要求1所述的多路同步超声波测距系统，其特征在于，所述环境补偿模块主要包括第六路超声波换能器与一块标准挡板；所述第六路超声波换能器接在所述测距仪的一侧，与所述可编程模块双向连接，所述标准档板接在所述测距仪没有安装所述第六路超声波换能器的地方。

6.根据权利要求1所述的多路同步超声波测距系统，其特征在于，所述可编程模块，即可编程硬件FPGA，包括发射单元、顺序执行计数器、数据选择器、计时计数器与接收单元五部分；所述发射单元、所述顺序执行计数器、所述数据选择器与所述接收单元均连接于所述计时计数器；所述发射单元主要完成脉冲串的发射与使所述计时计数器启动的功能，一定数量的脉冲信号通过端口1发送至所述超声波换能模块，并启动所述计时计数器；接收信号通过端口3被所述接收单元接收，所述接收单元接收完数据后，使所述计时计时器关闭，并通过端口2触发所述中央处理器使其处于接收数据状态；所述计时计数器主要测量脉冲从发出去到接收到的时间间隔和对脉冲进行计数；所述数据选择器与所述顺序执行计数器完成计数值数据的读取。

7.根据权利要求4所述的多路同步超声波测距系统，其特征在于，所述超声波换能器的发射单元电路包括三个电阻R1、R2、R3，两个三极管Q1、Q2，一个场效应管Q3，一个电解电容C1，一个TRANS1变压器T和一个晶振L1；所述可编程模块输出的脉冲信号通过所述电阻R1分别接入所述三极管Q1与所述三极管Q2的基极，所述三极管Q1的集电极接+5V电压，所述三极管Q2的集电极接地，所述三极管Q1、Q2的发射极相连，且所述三极管Q1、Q2的发射极同时连接到所述场效应管Q3的栅极，所述TRANS1变压器T的初级电感一端连接于所述场效应管Q3的漏极、衬底、源极并接地，不与所述场效应管Q3连接的一端通过所述电阻R2接+5V电压，所述电解电容C1的正极接所述TRANS1变压器T的初级电感不与所述场效应管Q3连接的一端，负极接地，所述变压器TRANS1的次级电感一端接地，另一端接所述电阻R3的一端和所述晶振L1的一端，所述电阻R3的另一端和所述晶振L1的另一端都接地，超声波信号通过所述晶振L1输出。

8.根据权利要求4所述的多路同步超声波测距系统，其特征在于，所述超声波换能器的接收单元电路包括晶振L1，十四个电阻R4—R17，七个电容C2、C6—C11，两个OP37功率放大器U1A、U1B，一个TL082功率放大器U2A，一个LM393功率放大器U3A，一个稳压管UZ、一个滑动变阻器R18，其中，晶振L1属于所述超声波换能器的发射单元；通过所述晶振L1输入信号，所述电阻R5一端接地，另一端接所述晶振L1不接地端，所述电阻R4一端接所述晶振L1不接地端，另一端接所述电容C2的一端，所述电容C2的另一端接所述电阻R6的一端，所述电阻R6的另一端接所述OP37功率放大器U1A的引脚2，所述OP37功率放大器U1A的引脚3通过所述电阻R7接地，所述OP37功率放大器U1A的引脚4接+12V电压，引脚8接-12V电压，所述电阻R10一端接所述OP37功率放大器U1A的引脚2，另一端接所述OP37功率放大器U1A的引脚1，所述OP37功率放大器U1A的引脚6依次通过所述电容C6和所述电阻R9连接到所述OP37功率放大器U1B的引脚6，所述OP37功率放大器U1B的引脚5通过所述电阻R8接地，所述电阻R11一端接所述OP37功率放大器U1B的引脚6，另一端接所述OP37功率放大器U1B的引脚7；所述OP37功率放大器U1B的引脚7接所述电容C7的一端，所述电容C7的另一端接所述电阻R12的一端，所述电阻R12的另一端接所述电容C8的一端和所述电容C9的一端，所述电容C8的另一端接地，所述电容C9的另一端接所述电阻R13的一端和所述TL082功率放大器U2A的引脚2，所述电阻R13的另一端接地，所述TL082功率放大器U2A的引脚4接-12V电压，引脚8接+12V电压，所述电阻R14一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚1，另一端接TL082功率放大器U2A的引脚3，所述电阻R15一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚3，另一端接地，所述电阻R16一端接所述TL082功率放大器U2A的引脚1，另一端接所述电容C8的不接地端；所述TL082功率放大器U2A的引脚1通过所述电容C10接所述LM393功率放大器U3A的引脚2，所述电容C11一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3，另一端接地，所述电阻R17一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3，另一端接地，所述滑动变阻器R18的一端接+12V电压，另一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚3，所述LM393功率放大器U3A的引脚4接+12V电压，引脚8接地，引脚1做输出端，所述稳压管UZ一端接所述LM393功率放大器U3A的引脚1，另一端接地，信号通过所述LM393功率放大器U3A的引脚1被所述可编程模块接收。