CN212586545U - 一种单探头的超声波测距模块及超声波设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种单探头的超声波测距模块及超声波设备，超声波测距模块包括一收发一体的超声波探头、接收放大电路、收发测距电路和控制电路；控制电路接收到外设输出的测量指令时，控制收发测距电路输出超声波信号，收发一体的超声波探头根据超声波信号发射一束超声波脉冲；超声波探头将反射回波转换为超声波信号并传输给接收放大电路，接收放大电路对超声波信号放大后输出超声波接收信号，收发测距电路根据超声波接收信号输出一个超声波往返的测距时间信号给控制电路；控制电路根据测距时间信号计算出距离值并传输给外设。只需一个超声波探头就能实现超声波信号的收发，简化了器件，可直接输出距离值给用户，还节省了用户计算时间。

Description

一种单探头的超声波测距模块及超声波设备

技术领域

本实用新型涉及超声波测距技术领域，尤其涉及一种单探头的超声波测距模块及超声波设备。

背景技术

传统的超声波测距模块采用多个芯片或分离元件搭建，例如，型号为US-015的超声波测距模块可实现2cm～4m的非接触测距功能。但是，US-015超声波测距模块采用两个超声波探头(一个用于发送，另一个用于接收)和分离元件构成，无法直接输出所测距离，只能输出数字信号，还需外接MCU才能将数字信号转换成距离值。同时，使用两个超声波探头成本较高，电路比较复杂，且用于集成超声波探头和分离元件的电路板必须有足够的长度，才能安装两个超声波探头，电路板的尺寸不能缩小。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种单探头的超声波测距模块及超声波设备，以解决现有超声波测距模块成本较高的问题。

本实用新型实施例提供一种单探头的超声波测距模块，连接外设，其包括一收发一体的超声波探头、接收放大电路、收发测距电路和控制电路；所述超声波探头连接接收放大电路和收发测距电路，收发测距电路连接接收放大电路和控制电路，所述控制电路连接外设；

所述控制电路接收到外设输出的测量指令时，控制收发测距电路输出超声波信号，收发一体的超声波探头根据超声波信号发射一束超声波脉冲；

所述超声波探头将反射回波转换为超声波信号并传输给接收放大电路，接收放大电路对超声波信号放大后输出超声波接收信号，收发测距电路根据超声波接收信号输出一个超声波往返的测距时间信号给控制电路；

所述控制电路根据测距时间信号计算出距离值并传输给外设。

可选地，所述的单探头的超声波测距模块中，所述收发一体的超声波探头的负极连接接收放大电路和收发测距电路，超声波探头的正极连接接收放大电路和收发测距电路。

可选地，所述的单探头的超声波测距模块中，所述接收放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一电阻的一端连接超声波探头的负极，第一电阻的另一端连接运算放大器的反相输入端和第三电阻的一端，第二电阻的一端连接超声波探头的正极，第二电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端和第四电阻的一端，运算放大器的输出端连接第三电阻的另一端和第一电容的一端，第一电容的另一端连接第二电容的一端和收发测距电路，第二电容的另一端连接第三电容的一端和收发测距电路，第三电容的另一端和第四电阻的另一端均接地。

可选地，所述的单探头的超声波测距模块中，所述接收放大电路还包括第五电阻、第六电阻、第四电容和第五电容；

所述第五电阻与第三电阻并联，第四电容与第五电阻并联，第六电阻的一端连接第二电阻的另一端和第四电阻的一端，第六电阻的另一端连接电源端，第五电容与第四电阻并联。

可选地，所述的单探头的超声波测距模块中，所述收发测距电路包括晶振、超声波测距芯片、第七电阻、第六电容和第七电容；

所述超声波测距芯片的RN脚连接第二电容的另一端和第三电容的一端；超声波测距芯片的RP脚连接第一电容的另一端、还通过第七电阻接地；超声波测距芯片的TRIM1脚、TRIM0脚、ECHO脚、TRIG脚、BLIND0脚、BLIND1脚和BLIND2脚均连接控制电路；超声波测距芯片的XO脚连接晶振的一端和第六电容的一端，超声波测距芯片的XI脚连接晶振的另一端和第七电容的一端，第六电容的另一端和第七电容的另一端均接地，超声波测距芯片的TN脚连接超声波探头的负极，超声波测距芯片的TP脚连接超声波探头的正极，超声波测距芯片的AVDD脚和DVDD脚均连接电源端，超声波测距芯片的AVSS脚和DVSS脚均接地。

可选地，所述的单探头的超声波测距模块中，所述控制电路包括单片机和串口，所述单片机的P0.6/AIN3/TXD脚和P0.7/AIN2/RXD脚通过串口连接外设；单片机的P3.0/AIN1/OSCIN/INT0脚、P1.7/AIN0/INT1脚、SPCLK/IC2/PWM2/P1.0脚、CL0/AIN7/IC1/PWM1/P1.1脚、IC0/PWM0/P1.2脚、SCL/P1.3脚、PWM1/FB/SDA/P1.4脚与超声波测距芯片的TRIG脚、ECHO脚、BLIND0脚、BLIND1脚、BLIND2脚、TRIM0脚、TRIM1脚一对一连接；单片机的VDD脚连接电源端，单片机的GND脚接地。

本实用新型实施例第二方面提供了一种超声波设备，包括一外设，还包括所述的单探头的超声波测距模块，所述单探头的超声波测距模块与外设之间通过串口线连接；

所述外设输出控制指令设置超声波测距模块的工作参数，所述超声波测距模块根据外设输出的测量指令向被测物体发射一束超声波脉冲，对反射回波进行解析处理，获得对应的距离值并传输给外设。

本实用新型实施例提供的技术方案中，超声波测距模块包括一收发一体的超声波探头、接收放大电路、收发测距电路和控制电路；超声波探头连接接收放大电路和收发测距电路，收发测距电路连接接收放大电路和控制电路，控制电路连接外设；控制电路接收到外设输出的测量指令时，控制收发测距电路输出超声波信号，收发一体的超声波探头根据超声波信号发射一束超声波脉冲；超声波探头将反射回波转换为超声波信号并传输给接收放大电路，接收放大电路对超声波信号放大后输出超声波接收信号，收发测距电路根据超声波接收信号输出一个超声波往返的测距时间信号给控制电路；控制电路根据测距时间信号计算出距离值并传输给外设。只需一个超声波探头就能实现超声波信号的收发，简化了器件，可直接输出距离值给用户，还节省了用户计算时间。

附图说明

图1为本实用新型实施例中超声波设备的结构框图。

图2为本实用新型实施例中超声波测距模块中接收放大电路的电路示意图。

图3为本实用新型实施例中超声波测距模块中收发测距电路的电路示意图。

图4为本实用新型实施例中超声波测距模块中控制电路的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型实施例提供的超声波设备包括单探头的超声波测距模块和外设，所述超声波测距模块与外设之间通过串口线连接，所述外设输出控制指令设置超声波测距模块的工作参数，所述超声波测距模块根据外设输出的测量指令向被测物体发射一束超声波脉冲，对反射回波进行解析处理，获得对应的距离值并传输给外设。

其中，所述外设可为电脑，也可为可输入指令的单片机、可编程逻辑控制器。所述超声波设备包括所有需要进行距离测量的设备，如各种机器人(扫地机器人)、飞行器等。

本实施例中，所述单探头的超声波测距模块包括一电路板，所述电路板上集成了一收发一体的超声波探头RT、接收放大电路10、收发测距电路20和控制电路30；所述超声波探头RT连接接收放大电路10和收发测距电路20，收发测距电路20连接接收放大电路10和控制电路30，所述控制电路30连接外设。所述控制电路30根据外设输入的控制指令设置收发测距电路20的工作参数(如灵敏度、盲区时间)，还接收到外设输出的测量指令时输出开启测距信号Trig给收发测距电路20；收发测距电路20根据开启测距信号Trig输出超声波信号(S_TN和S_TP)、控制收发一体的超声波探头RT向被测物体发射一束超声波脉冲；超声波探头RT将接收的反射回波转换为超声波信号并传输给接收放大电路10，接收放大电路10对超声波信号放大后输出超声波接收信号(RP和RN)，收发测距电路20根据超声波接收信号(RP和RN)输出一个超声波往返的测距时间信号给控制电路30，控制电路30根据测距时间信号计算出距离值并传输给外设。只需一个超声波探头就能实现超声波信号的收发，简化了器件，可直接输出距离值给用户，节省了用户计算时间。

其中，所述收发一体的超声波探头RT的型号优选为MSW-A1640H10TR或者ZM-Sensor-A1640TR-W。请一并参阅图2和图3，超声波探头RT的负极连接接收放大电路10和收发测距电路20，超声波探头RT的正极连接接收放大电路10和收发测距电路20。收发测距电路20输出超声波信号(S_TN和S_TP)控制超声波探头RT向被测物体发射一束超声波脉冲，此时的超声波信号(S_TN和S_TP)做为发射信号。超声波脉冲(一种声波)被物体表面反射，部分反射回波由超声波探头RT接收并转换为超声波信号(S_TN和S_TP)，此时的超声波信号(S_TN和S_TP)做为接收信号。即超声波信号(S_TN和S_TP)兼容了发射和接收，收发一体的超声波探头相当于一个传感器，发射的时候该超声波探头用来产生声波，接收声波的时候超声波探头就是接收传感器。

请继续参阅图2，所述接收放大电路10包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3；所述第一电阻R1的一端连接超声波探头RT的负极，第一电阻R1的另一端连接运算放大器U1的反相输入端和第三电阻R3的一端，第二电阻R2的一端连接超声波探头RT的正极，第二电阻R2的另一端连接运算放大器U1的同相输入端和第四电阻R4的一端，运算放大器U1的输出端连接第三电阻R3的另一端和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接第二电容C2的一端和收发测距电路20，第二电容C2的另一端连接第三电容C3的一端和收发测距电路20，第三电容C3的另一端和第四电阻R4的另一端均接地。运算放大器U1的电源端(即第5脚)连接电源端(提供电源电压VCC)，运算放大器U1的地端(即第2脚)接地。

其中，所述运算放大器U1的型号优选为LMV321。超声波探头RT将接收的反射回波转换为超声波信号(S_TN和S_TP，如40kHZ的方波)，R1-R4与运算放大器U1组成差动输入组态电路来对接收的超声波信号(S_TN和S_TP)进行放大，再通过第一电容C1进行滤波通交隔直，最后通过第二电容C2和第三电容C3隔离滤波后输出超声波接收信号(RP和RN，是两个幅值不同的40KHZ的方波)至收发测距电路20。

优选地，所述接收放大电路10还包括第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4和第五电容C5；所述第五电阻R5与第三电阻R3并联，第四电容C4与第五电阻R5并联，第六电阻R6的一端连接第二电阻R2的另一端和第四电阻R4的一端，第六电阻R6的另一端连接电源端，第五电容C5与第四电阻R4并联。其中，第四电容C4作为补偿电容进行相位补偿，第五电容C5用于引入一个正反馈，使信号加强，放大倍数增加。

请继续参阅图3，所述收发测距电路20包括晶振Y、超声波测距芯片U2、第七电阻R7、第六电容C6和第七电容C7；所述超声波测距芯片U2的RN脚连接第二电容C2的另一端和第三电容C3的一端；超声波测距芯片U2的RP脚连接第一电容C1的另一端、还通过第七电阻R7接地；超声波测距芯片U2的TRIM1脚、TRIM0脚、ECHO脚、TRIG脚、BLIND0脚、BLIND1脚和BLIND2脚均连接控制电路30；超声波测距芯片U2的XO脚连接晶振Y的一端和第六电容C6的一端，超声波测距芯片U2的XI脚连接晶振Y的另一端和第七电容C7的一端，第六电容C6的另一端和第七电容C7的另一端均接地，超声波测距芯片U2的TN脚连接超声波探头RT的负极，超声波测距芯片U2的TP脚连接超声波探头RT的正极，超声波测距芯片U2的AVDD脚和DVDD脚均连接电源端，超声波测距芯片U2的AVSS脚和DVSS脚均接地。

其中，所述超声波测距芯片U2的型号优选为CS102，用于产生超声波信号并解析超声波接收信号(RP和RN)中的数据，采用该超声波测距芯片只需单个超声波探头，就能实现现有两个超声波探头的功能。晶振Y为超声波测距芯片提供一个精准的时钟。第七电阻R7做下拉电阻，在没有信号输入时将超声波测距芯片U2的RP下拉为低电平，以防止干扰信号的误判，还能起到调节灵敏度的作用。所述超声波测距芯片U2收到控制电路30输出的开启测距信号Trig后，输出超声波信号(S_TN和S_TP，此时做发射信号)以控制超声波探头RT向被测物体发射一束超声波脉冲，之后超声波测距芯片U2等待接收到返回的放大后的超声波接收信号(RP和RN)时，输出一个超声波往返的测距时间信号Echo给控制电路30，以便于控制电路30能计算出实际的距离值。

由于收发一体的超声波探头RT在发射时只管发射，发射完了需要等待一段时间(预设值)直至超声波探头RT平静下来，这段时间就是超声波探头RT的盲区，不产生声波了才能接收外面反射回来的反射回波。则图3中，盲区时间信号(BLIND0、BLIND1、BLIND2)的高低电平用来设置盲区时间以屏蔽余震的影响，BLIND0、BLIND1、BLIND2按照2进制方法来设置，高电平为1，低电平为0，共有8种组合，分别为000、001、010、011、100、101、110、111；数值越大盲区时间和距离也就越大，例如，111表示最高盲区时间，时长为2.25ms，盲区距离为382mm；000表示最低盲区时间，时长和盲区距离都为0。

请一并参阅图4，所述控制电路30包括型号为NE76003系列的8位的单片机U3和串口(图中未示出，串口为现有技术，此处不做赘述)，所述单片机U3的P0.6/AIN3/TXD脚和P0.7/AIN2/RXD脚均外接串口；单片机U3的P3.0/AIN1/OSCIN/INT0脚、P1.7/AIN0/INT1脚、SPCLK/IC2/PWM2/P1.0脚、CL0/AIN7/IC1/PWM1/P1.1脚、IC0/PWM0/P1.2脚、SCL/P1.3脚、PWM1/FB/SDA/P1.4脚与超声波测距芯片U2的TRIG脚、ECHO脚、BLIND0脚、BLIND1脚、BLIND2脚、TRIM0脚、TRIM1脚一对一连接；单片机U3的VDD脚连接电源端，单片机U3的GND脚接地。

其中，所述单片机U3的P0.6/AIN3/TXD脚和P0.7/AIN2/RXD脚外接串口以进行通讯，用于输出所测的距离值至外设，直接输出距离值给用户，节省用户的计算时间。工作时，用户先通过通讯接口(P0.6/AIN3/TXD脚和P0.7/AIN2/RXD脚)发送测量指令给到单片机U3，单片机U3输出开启测距信号Trig(一个大于10us的高电平脉冲)用来开启超声波测距芯片U2的测距功能；超声波测距芯片U2输出超声波信号(S_TN和S_TP)控制超声波探头RT向被测物体发射一束超声波脉冲，接着超声波测距芯片U2等待接收返回的超声波信号并通过运算放大器U1放大后、输出超声波接收信号(RP和RN)至超声波测距芯片U2，超声波测距芯片U2输出一个超声波往返的测距时间信号Echo给到单片机，单片机通过运算即可得到当前的距离值，通过P0.6/AIN3/TXD脚和P0.7/AIN2/RXD脚输出距离值给用户。

单片机U3还根据用户输入的灵敏度控制指令调节灵敏度：如单片机U3根据P0.6/AIN3/TXD脚和P0.7/AIN2/RXD脚输入的灵敏度控制指令、从SCL/P1.3脚、PWM1/FB/SDA/P1.4脚对应输出灵敏信号(TRIM0、TRIM1)来控制超声波测距芯片U2测距的灵敏度，当TRIM0和TRIM1都为0时灵敏度为默认值，当TRIM0为1且TRIM1为0时灵敏度降低一级，当TRIM0为0且TRIM1为1时灵敏度增加一级，都为1时灵敏度降低两级。

综上所述，本实用新型提供的单探头的超声波测距模块及超声波设备，采用一个收发一体的超声波探头和超声波测距芯片来实现测距，只需一个超声波探头，大大减少了元器件的成本，简化了电路，电路板的尺寸可以缩小；还能直接输出距离值，无需用户计算，节省了计算时间。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种单探头的超声波测距模块，连接外设，其特征在于，包括一收发一体的超声波探头、接收放大电路、收发测距电路和控制电路；所述超声波探头连接接收放大电路和收发测距电路，收发测距电路连接接收放大电路和控制电路，所述控制电路连接外设；

所述控制电路接收到外设输出的测量指令时，控制收发测距电路输出超声波信号，收发一体的超声波探头根据超声波信号发射一束超声波脉冲；

所述超声波探头将反射回波转换为超声波信号并传输给接收放大电路，接收放大电路对超声波信号放大后输出超声波接收信号，收发测距电路根据超声波接收信号输出一个超声波往返的测距时间信号给控制电路；

所述控制电路根据测距时间信号计算出距离值并传输给外设。

2.根据权利要求1所述的单探头的超声波测距模块，其特征在于，所述收发一体的超声波探头的负极连接接收放大电路和收发测距电路，超声波探头的正极连接接收放大电路和收发测距电路。

3.根据权利要求2所述的单探头的超声波测距模块，其特征在于，所述接收放大电路包括运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容和第三电容；

所述第一电阻的一端连接超声波探头的负极，第一电阻的另一端连接运算放大器的反相输入端和第三电阻的一端，第二电阻的一端连接超声波探头的正极，第二电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端和第四电阻的一端，运算放大器的输出端连接第三电阻的另一端和第一电容的一端，第一电容的另一端连接第二电容的一端和收发测距电路，第二电容的另一端连接第三电容的一端和收发测距电路，第三电容的另一端和第四电阻的另一端均接地。

4.根据权利要求3所述的单探头的超声波测距模块，其特征在于，所述接收放大电路还包括第五电阻、第六电阻、第四电容和第五电容；

所述第五电阻与第三电阻并联，第四电容与第五电阻并联，第六电阻的一端连接第二电阻的另一端和第四电阻的一端，第六电阻的另一端连接电源端，第五电容与第四电阻并联。

5.根据权利要求3所述的单探头的超声波测距模块，其特征在于，所述收发测距电路包括晶振、超声波测距芯片、第七电阻、第六电容和第七电容；

所述超声波测距芯片的RN脚连接第二电容的另一端和第三电容的一端；超声波测距芯片的RP脚连接第一电容的另一端、还通过第七电阻接地；超声波测距芯片的TRIM1脚、TRIM0脚、ECHO脚、TRIG脚、BLIND0脚、BLIND1脚和BLIND2脚均连接控制电路；超声波测距芯片的XO脚连接晶振的一端和第六电容的一端，超声波测距芯片的XI脚连接晶振的另一端和第七电容的一端，第六电容的另一端和第七电容的另一端均接地，超声波测距芯片的TN脚连接超声波探头的负极，超声波测距芯片的TP脚连接超声波探头的正极，超声波测距芯片的AVDD脚和DVDD脚均连接电源端，超声波测距芯片的AVSS脚和DVSS脚均接地。

6.根据权利要求5所述的单探头的超声波测距模块，其特征在于，所述控制电路包括单片机和串口，所述单片机的P0.6/AIN3/TXD脚和P0.7/AIN2/RXD脚通过串口连接外设；单片机的P3.0/AIN1/OSCIN/INT0脚、P1.7/AIN0/INT1脚、SPCLK/IC2/PWM2/P1.0脚、CL0/AIN7/IC1/PWM1/P1.1脚、IC0/PWM0/P1.2脚、SCL/P1.3脚、PWM1/FB/SDA/P1.4脚与超声波测距芯片的TRIG脚、ECHO脚、BLIND0脚、BLIND1脚、BLIND2脚、TRIM0脚、TRIM1脚一对一连接；单片机的VDD脚连接电源端，单片机的GND脚接地。

7.一种超声波设备，包括一外设，其特征在于，还包括如权利要求1-6任一项所述的单探头的超声波测距模块，所述单探头的超声波测距模块与外设之间通过串口线连接；

所述外设输出控制指令设置超声波测距模块的工作参数，所述超声波测距模块根据外设输出的测量指令向被测物体发射一束超声波脉冲，对反射回波进行解析处理，获得对应的距离值并传输给外设。

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