CN207611143U - 一种基于dsp的超声波测距仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种基于DSP的超声波测距仪，涉及测距技术领域，该超声波测距仪包括温度补偿电路模块、DSP处理器、高频高压驱动电路模块、收发一体超声波换能器、信号处理模块以及显示电路模块。本实用新型提供的超声波测距仪其采用DSP作为装置的核心处理器，可提高系统对回波信号的处理能力，而增加的温度补偿电路模块，可对超声波的波速进行实时修正，从而有效的提高装置的测距精度。

Description

一种基于DSP的超声波测距仪

技术领域

本实用新型涉及测距技术领域，尤其指一种基于DSP的超声波测距仪。

背景技术

随着科技的迅速发展，测距系统广泛应用于自动化技术、工业机器人、汽车倒车雷达及防洪抗灾减灾体系等众多领域，测距的方式有多种，比如激光测距法、雷达测距法及超声波测距法，其中，超声波测距作为一种非接触式测量，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好等特点，而且结构简单、成本低廉，因此它已然成为测距系统中的重中之重。然而，目前很多超声波测距仪的测量精度并不是很高，主要原因有两点：其一、它采用8位的单片机作为核心处理器对电子元件捕捉到的超声波回波信号进行处理来判断超声波传播的时间，此种单片机的运算速度不快、对回波信号的处理能力不强。其二、众所周知，超声波的传播速度受环境温度影响较大，超声波在 15℃时的传播速度为340m/s，当环境温度每升高1℃，声速增加约为 0.61m/s，而很多超声波测距仪它的单片机处理器没有对环境温度进行检测、反馈处理，因此往往当前环境温度下的波速值与单片机处理器内部预设的波速值不一样，这将导致较大的计算误差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于DSP的超声波测距仪，采用DSP作为装置的核心处理器，可提高系统对回波信号的处理能力，增加的温度补偿电路模块，可对超声波的波速进行实时修正，解决了现有技术中的超声波测距仪测距精度不高的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种基于DSP的超声波测距仪，包括温度补偿电路模块、DSP处理器、高频高压驱动电路模块、收发一体超声波换能器、信号处理模块以及显示电路模块；所述DSP处理器包括温度补偿输入端、1号PWM波输出端、2号PWM波输出端、选通信号输出端、回波信号输入端和数据输出端；所述高频高压驱动电路模块包括1号PWM波输入端、2 号PWM波输入端、选通信号输入端以及电压信号输出端；所述收发一体超声波换能器包括电源输入端和信号输出端；所述信号处理模块包括按序依次电连接的放大电路、滤波电路、整形电路以及电平比较电路；

所述温度补偿电路模块与DSP处理器的温度补偿输入端电连接，所述温度补偿电路模块能够检测、利用当前环境温度对超声波的实时波速值进行修正并将该修正后的实时波速值以电压信号的形式传送给DSP处理器，所述DSP处理器的1号PWM波输出端、2号PWM 波输出端分别与高频高压驱动电路模块的1号PWM波输入端、2号 PWM波输入端电连接，所述DSP处理器的选通信号输出端与高频高压驱动电路模块的选通信号输入端电连接，所述高频高压驱动电路模块能将来自DSP处理器的低压PWM波转变为高频高压的正弦波，所述高频高压驱动电路模块的电压输出端与收发一体超声波换能器的电源输入端电连接，所述收发一体超声波换能器的信号输出端与放大电路的输入端电连接，所述电平比较电路的输出端与DSP处理器的回波信号输入端电连接，所述DSP处理器的数据输出端与显示电路模块电连接。

进一步地，所述温度补偿电路模块中用于感应环境温度变化的器件为温度传感器，所述温度传感器采用AD592集成温度传感器。

进一步地，所述DSP处理器采用TMS320F2812，所述DSP处理器发送的PWM波的工作频率为26KHz、工作电压为5V。

更进一步地，所述收发一体超声波换能器采用DYA-25-20C，所述收发一体超声波换能器的超声波探头的工作频率为26KHz、工作电压为1000V。

更进一步地，所述放大电路包括信号为AD620的前置放大器，所述前置放大器的2号引脚、3号引脚经过一限幅电路与收发一体超声波换能器的信号输出端电连接。

再进一步地，所述电平比较电路包括比较器和触发器，所述比较器的输入端与整流电路连接，所述比较器的输出端与触发器的输入端连接，所述触发器的输出端与DSP处理器的回波信号输入端连接，所述比较器采用型号为TLC27L4CD的比较器芯片，所述触发器采用型号为SN74LS279AD的触发器芯片。

优选地，所述显示电路模块采用J12864液晶显示屏。

在本实用新型提供的超声波测距仪中，DSP处理器作为装置的核心处理器，其运算速度比传统的8位的单片机的运算速度快很多，提高了系统对回波信号的处理能力，而温度补偿电路模块可根据检测到的当前环境温度值对超声波的实时波速进行修正并将修正值提供给 DSP处理器，使得DSP处理器可以以准确的波速值对超声波信号进行处理、计算，从而不影响装置整体测量的稳定性、精确性，减小了测距偏差；另外，该超声波测距仪中的信号处理模块对回波信号进行放大、过滤、整流以及电平比较多环节处理，进一步保证了装置的测距精度。

附图说明

图1为本实用新型中的超声波测距仪的总体结构框图；

图2为本实用新型中的温度补偿电路模块的电路图；

图3为本实用新型中的高频高压驱动电路模块的电路图；

图4为本实用新型中的放大电路的电路图；

图5为本实用新型中的滤波电路的电路图；

图6为本实用新型中的整流电路的电路图；

图7为本实用新型中的电平比较电路的电路分解图，其包括五个模块。

附图标记为：

1——温度补偿电路模块 2——DSP处理器

3——高频高压驱动电路模块 4——收发一体超声波换能器

5——信号处理模块 6——显示电路模块

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本实用新型的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。

如图1所示，一种基于DSP的超声波测距仪，包括温度补偿电路模块1、DSP处理器2、高频高压驱动电路模块3、收发一体超声波换能器4、信号处理模块5以及显示电路模块6；所述DSP处理器 2包括温度补偿输入端、1号PWM波输出端、2号PWM波输出端、选通信号输出端、回波信号输入端和数据输出端；所述高频高压驱动电路模块3包括1号PWM波输入端、2号PWM波输入端、选通信号输入端以及电压信号输出端；所述收发一体超声波换能器4包括电源输入端和信号输出端；所述信号处理模块5包括按序依次电连接的放大电路、滤波电路、整形电路以及电平比较电路；

具体地，如图3所示，所述高频高压驱动电路模块3包括与非门、 TTL/MOS接口器件、功率管以及高频脉冲变压器，所述与非门的数量为4个，所述功率管包括1号功率管和2号功率管，所述TTL/MOS 接口器件采用SN75372D，所述功率管采用IRF520，所述高频高压驱动电路模块3的1号PWM波输入端经过两个与非门与TTL/MOS接口器件的1号引脚电连接，所述高频高压驱动电路模块3的2号PWM 波输入端经过另外两个与非门与TTL/MOS接口器件的3号引脚电连接，所述选通信号输入端与与非门电连接，该选通信号可控制超声波的发射时间以及两次超声波发射之间的时间间隔，所述TTL/MOS接口器件的7号引脚通过电阻与1号功率管的栅极电连接，所述 TTL/MOS接口器件的6号引脚通过电阻与2号功率管的栅极电连接，所述1号功率管的源极与2号功率管的漏极电连接，所述1号功率管的漏极、2号功率管的源极分别与高频脉冲变压器的两个输入端电连接，所述高频脉冲变压器的输出端作为高频高压驱动电路模块3的电压信号输出端与收发一体超声波换能器4的输入端电连接。

所述温度补偿电路模块1与DSP处理器2的温度补偿输入端电连接，所述温度补偿电路模块1能够检测、利用当前环境温度对超声波的实时波速值进行修正并将该修正后的实时波速值以电压信号的形式传送给DSP处理器2，所述DSP处理器2的1号PWM波输出端、 2号PWM波输出端分别与高频高压驱动电路模块3的1号PWM波输入端、2号PWM波输入端电连接，所述DSP处理器2的选通信号输出端与高频高压驱动电路模块3的选通信号输入端电连接，所述高频高压驱动电路模块3能将来自DSP处理器2的低压PWM波转变为高频高压的正弦波，所述高频高压驱动电路模块3的电压输出端与收发一体超声波换能器4的电源输入端电连接，所述收发一体超声波换能器4的信号输出端与放大电路的输入端电连接，所述电平比较电路的输出端与DSP处理器2的回波信号输入端电连接，所述DSP处理器2的数据输出端与显示电路模块6电连接。

上述实施方式提供的超声波测距仪，首先温度补偿模块检测当前环境温度，根据温度与波速的关系式为：V＝Vo+0.61T(Vo表示超声波在0℃时的波速331.4m/s)得出超声波的实时波速值V并将该实时波速值V以电压信号的形式传送给DSP处理器，接着DSP处理器2通过内部的PWM发生模块产生两路相同频率、低压的PWM波并将其通过端口送给高频高压驱动电路模块3，该高频高压驱动电路模块3将两路PWM波处理成为能够驱动收发一体超声波换能器4中的超声波探头工作的高频高压信号，收发一体超声波换能器4被驱动后便随即向被测物体方向发射超声波信号，当超声波信号碰到被测物体时就会进行回波反射，回波信号又被收发一体超声波换能器4接收，进而将该回波信号送到信号处理模块5中进行放大、滤波、整流以及电平比较(需要提出说明的是，由于超声波在介质中的衰减特性，接收到的回波信号非常微弱，因此必须经过放大电路对其进行放大，放大电路如图4 所示，然而在放大回波信号的同时，一系列的干扰信号也被放大，为了更好地提取回波信号，必须经过滤波环节，滤波电路如图5所示，再者当回波信号经过了放大、滤波后，其输出的信号为交流信号，DSP 处理器是无法处理交流信号的，所以应将交流信号转化为直流信号，整流电路如图6所示，其次，回波信号经过上述处理后取出的是回波包络线，回波包络线需要与基准电平比较才能确定超声波传感器是否接收到回波以及回波到来时刻，因此需要进行电平比较。)，最后，进行电平比较完的信号送入DSP处理器中，DSP处理器的定时计数器读取计数值并进行数据处理，就可从发射超声波到接收回波信号的时间差T,通过距离公式：S＝T/2*V可精确计算出测距仪与被测物体之间的距离S，该距离S通过显示电路模块显示出来。

在上述整个工作过程中，DSP处理器2作为装置的核心处理器，其运算速度比传统的8位的单片机的运算速度快很多，提高了系统对回波信号的处理能力，而温度补偿电路模块1可根据检测到的当前环境温度值对超声波的实时波速进行修正并将修正值提供给DSP处理器2，使得DSP处理器2可以以准确的波速值对超声波信号进行处理、计算，从而不影响装置整体测量的稳定性、精确性，减小了测距偏差；另外，该超声波测距仪中的信号处理模块，其对回波信号进行放大、过滤、整流以及电平比较多环节处理，进一步保证了装置的测距精度。

进一步，如图2所示，所述温度补偿电路模块1中用于感应环境温度变化的器件为温度传感器，所述温度传感器采用AD592集成温度传感器，所述温度补偿电路模块1还包括两个运算放大器，所述温度传感器与第一个运算放大器的同相输入端电连接，所述第一运算放大器的输出端与第二个运算放大器的同相输入端电连接，所述温度传感器用于感应环境温度变化，所述第二个运算放大器的输出端与DSP 处理器2的温度补偿输入端电连接。

再进一步，所述DSP处理器2采用TMS320F2812，所述DSP处理器2发送的PWM波的工作频率为26KHz、工作电压为5V。

再进一步，所述收发一体超声波换能器4采用DYA-25-20C，所述收发一体超声波换能器4的超声波探头的工作频率为26KHz、工作电压为1000V。

更进一步，如图4所示，所述放大电路包括信号为AD620的前置放大器，在放大电路中，由于本实施方式采用了收发一体式的超声波探头，因而会有较大发射信号直接进入接收电路，对接收信号有一定的干扰，发射信号要比回波信号大得多，经过放大电路必定达到饱和，电路工作不稳定，为此在放大电路之间在设置一限幅电路，具体地，所述前置放大器的2号引脚、3号引脚经过一限幅电路与收发一体超声波换能器4的信号输出端电连接。

再进一步，所述电平比较电路包括比较器和触发器，所述比较器采用型号为TLC27L4CD的比较器芯片，所述触发器采用型号为 SN74LS279AD的触发器芯片，如图7所示，a模块表示回波包络线与第一基准电平的比较电路，b模块表示回波包络线与第二基准电平的比较电路，c模块表示发射时刻输出电路，d模块表示发射超声波与接收回波信号的时间差的脉冲信号触发电路，e模块表示两基准电平的时间差的脉冲信号触发电路，具体地，所述比较器芯片的2号、9号、13号引脚均与整流电路的输出端连接，所述比较器芯片的10 号、12号引脚分别连接第一基准电平BASE V1、BASE V2，所述比较器芯片的3号引脚输入一固定电压，所述比较器芯片的1号引脚与触发器芯片的2号、3号引脚均连接，所述比较器芯片的8号引脚与触发器芯片的1号、5号引脚均连接，所述比较器芯片的14号引脚与触发器芯片的6号引脚连接，所述触发器芯片的4号、7号引脚与 DSP处理器2的回波信号输入端连接。

作为优选地，所述显示电路模块6采用J12864液晶显示屏。

上述实施例为本实用新型较佳的实现方案，除此之外，本实用新型还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本实用新型的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本实用新型相对于现有技术的改进之处，本实用新型的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本实用新型的内容。

Claims (7)

1.一种基于DSP的超声波测距仪，其特征在于：包括温度补偿电路模块(1)、DSP处理器(2)、高频高压驱动电路模块(3)、收发一体超声波换能器(4)、信号处理模块(5)以及显示电路模块(6)；所述DSP处理器(2)包括温度补偿输入端、1号PWM波输出端、2号PWM波输出端、选通信号输出端、回波信号输入端和数据输出端；所述高频高压驱动电路模块(3)包括1号PWM波输入端、2号PWM波输入端、选通信号输入端以及电压信号输出端；所述收发一体超声波换能器(4)包括电源输入端和信号输出端；所述信号处理模块(5)包括按序依次电连接的放大电路、滤波电路、整形电路以及电平比较电路；

所述温度补偿电路模块(1)与DSP处理器(2)的温度补偿输入端电连接，所述温度补偿电路模块(1)能够检测、利用当前环境温度对超声波的实时波速值进行修正并将该修正后的实时波速值以电压信号的形式传送给DSP处理器(2)，所述DSP处理器(2)的1号PWM波输出端、2号PWM波输出端分别与高频高压驱动电路模块(3)的1号PWM波输入端、2号PWM波输入端电连接，所述DSP处理器(2)的选通信号输出端与高频高压驱动电路模块(3)的选通信号输入端电连接，所述高频高压驱动电路模块(3)能将来自DSP处理器(2)的低压PWM波转变为高频高压的正弦波，所述高频高压驱动电路模块(3)的电压输出端与收发一体超声波换能器(4) 的电源输入端电连接，所述收发一体超声波换能器(4)的信号输出端与放大电路的输入端电连接，所述电平比较电路的输出端与DSP处理器(2)的回波信号输入端电连接，所述DSP处理器(2)的数据输出端与显示电路模块(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的超声波测距仪，其特征在于：所述温度补偿电路模块(1)中用于感应环境温度变化的器件为温度传感器，所述温度传感器采用AD592集成温度传感器。

3.根据权利要求2所述的基于DSP的超声波测距仪，其特征在于：所述DSP处理器(2)采用TMS320F2812，所述DSP处理器(2)发送的PWM波的工作频率为26KHz、工作电压为5V。

4.根据权利要求3所述的基于DSP的超声波测距仪，其特征在于：所述收发一体超声波换能器(4)采用DYA-25-20C，所述收发一体超声波换能器(4)的超声波探头的工作频率为26KHz、工作电压为1000V。

5.根据权利要求4所述的基于DSP的超声波测距仪，其特征在于：所述放大电路包括信号为AD620的前置放大器，所述前置放大器的2号引脚、3号引脚经过一限幅电路与收发一体超声波换能器(4)的信号输出端电连接。

6.根据权利要求5所述的基于DSP的超声波测距仪，其特征在于：所述电平比较电路包括比较器和触发器，所述比较器的输入端与整流电路连接，所述比较器的输出端与触发器的输入端连接，所述触发器的输出端与DSP处理器(2)的回波信号输入端连接，所述比较器采用型号为TLC27L4CD的比较器芯片，所述触发器采用型号为SN74LS279AD的触发器芯片。

7.根据权利要求6所述的基于DSP的超声波测距仪，其特征在于：所述显示电路模块(6)采用J12864液晶显示屏。