CN2356355Y - 超声波测距装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种超声波测距装置，在装置中采用了增益放大、峰值检测及渡越时间检测。增益放大电路用来调整前置放大产生的回波信号的幅值；峰值检测电路用于消除干扰信号，检测出回波峰值进入单片机A/D转换通道；渡越时间检测电路用来判断是否回波，若是回波，则停止计时器，请求单片机中断，读入计时值，由单片机完成距离计算。该装置具有检测精度高，可靠性好，测量范围大等特点，结构简单，调整容易，有重要的实用价值和广泛的应用范围。

Description

超声波测距装置
本实用新型涉及一种自动检测装置。
超声波测距是实现接近觉、距离觉传感的一种重要的检测方式，现有测距的方法有多种，如相位差法、脉冲回波法等。由于超声波在空气中传播会受到气流扰动、环境温度、噪声等因素的影响，同时声波传播过程中的扩散、对象物对声波的散射和吸收，这些都会使超声波测距的精度受到影响。所以，测量精度不高是超声测距传感器普遍存在的问题。
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种抗干扰能力强、测量精度高，具有良好的检测性能和实用性的超声波测距装置。
为解决上述任务，本实用新型采用的解决方案是：该测距装置包括发射换能器，接收换能器，超声波发射电路，时序控制电路，前置放大电路，可变增益放大电路，峰值检测电路，渡越时间检测电路及单片机数据采集系统，可变增益放大电路用以调整前置放大电路产生的回波的幅值，使其不随检测距离的变化而变化，输出端分两路，一路送入峰值检测电路，一路送入渡越时间检测电路，峰值检测电路用于消除干扰信号，检测出回波峰值进入单片机A/D转换通道，渡越时间检测电路用来判断是否回波，若是回波，则停止计时器，并请求单片机产生中断，读入计时值，由单片机完成距离计算。
由于上述解决方案中采用了可变增益放大电路、渡越时间检测电路及峰值检测电路，因而本实用新型具有检测精度高，可靠性好，测量范围大等特点，结构简单，调整容易，有重要的实用价值和广泛的应用范围。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
图1是本实用新型一种实施例的电路方框图。
图2是图1中可变增益放大电路的一种具体电路图。
图3是图2中的控制电压产生电路的一种具体电路图。
图4是图1中峰值检测电路的一种具体电路图。
图5是图1中渡越时间检测电路的一种具体电路图。
图6是过零检测原理图。
如图1所示，测距过程如下：时序控制电路6产生的信号对系统工作的时序逻辑进行控制，超声波发射电路4驱动发射换能器2定时发射超声波窄脉冲信号，同时将TRIGER信号送时序控制电路6，启动计时器，接收换能器1接收到目标(或障碍物)反射的回波后，送前置放大电路3，回波信号经前置放大电路3及可变增益放大电路5滤波放大后分为两路，一路送入峰值检测电路8，检测出回波峰值PEAK送入单片机9A/D转换通道，一路经渡越时间检测电路7，判断是否回波，若是回波，则停止计时器，并请求单片机9产生中断，读入计时值，由单片机9完成距离计算。
为了提高测距装置的检测精度，可接入温度传感器11及温度检测电路10。
由于超声波在空气介质中传播时，声强随传播距离增加呈指数衰减，其衰减系数与声波频率的平方成正比。为了使回波信号的幅值不随检测距离的变化受到较大影响，放大器的增益必须随距离的变化自动地进行调整。采用可变增益放大电路5，当测量距离增大，回波幅值减小时，其增益自动增大，近距离时，增益减小。
可变增益放大电路5的一种具体电路如图2所示，一对场效应管J1、J2的漏极分别接在运算放大器12的正向输入端和反向输入端，场效应管J2的源极与栅极之间接有电阻R3，栅极通过二极管D1与控制电压产生电路的输出端相接，在运算放大器12的反向输入端与输出端之间接有电阻R4，两个输入端之间接有电阻R1、R2，两电阻R1与R2的连接点通过电容C1与前置放大电路3的输出端相接。
这里采用一对场效应管J1和J2可组成动态范围较大的增益由外加电压AGC控制的压控放大器。图中的控制电压AGC应能随目标的远近自动调整，即当物体靠近时，接收回波信号较大，这时，AGC要小，反之，接收回波信号较小，则AGC要增大。由图3所示的电路可得到满足这一要求的控制电压。
由图3所示控制电压产生电路的接法是，在三极管13的集电极与+5V电源之间接有电阻R7，发射极与集电极之间接有电容C2、与基极之间接有电阻R6，基极通过电阻R5接收门控信号GATE，发射极与运算放大器14的正向输入端之间接有电阻R9，集电极与运算放大器14的反向输入端之间接有电阻R8，运算放大器14的反向输入端与输出端之间接有可变电阻R10，输出端产生控制电压至可变增益放大电路5。
电容C2与电阻R7构成积分电路，门控信号GATE通过三极管13控制电压清零。GATE为1时，三极管13导通，电容C2电压清零，AGC为零；GATE为0时，三极管13截止，电容C2充电，AGC电压随时间增加，由AGC控制的电路放大器倍数也随之增加(图2)，这样就实现了自动增益补偿。
峰值检测电路8可由图4所示电路实现，具体接法是，运算放大器15的反向输入端与输出端之间接有二极管D2、与运算放大器16的输出端之间接有电阻R12，运算放大器15的正向输入端与可变增益放大电路5的输出端相接、并通过电阻R11接地，运算放大器15的输出端与运算放大器16的正向输入端之间接有二极管D3、电阻R13，运算放大器16的反向输入端与输出端相接，正向输入端通过电容C3接地，开关管17的发射极和集电极跨接在电容C3的两端，基极通过电阻R15接收门控信号GATE、并通过电阻R14接地。
采用回波峰值检测技术，其目的是为了消除虚假回波及噪声的干扰。由于这些干扰信号有可能达到域值，但其幅值通常达不到正常回波的峰值，采用回波峰值检测可有效剔除干扰信号，提高传感器的检测精度和可靠性。图4利用运算放大器开环增益大的特点，配合深度负反馈来克服二极管死区电压对测量精度的影响。由运算放大器15和16构成反馈回路，可以忽略二极管D3的正向压降和温度变化的影响。同时，运算放大器15通过二极管D3向电容C3快速充电，充电过程持续到电容C3的端电压与输入电压相等为止，这一保持电压即峰值电压。若输入电压略低于被保持的电压，运算放大器15的输出电位就向负方向变化，使二极管D2导通，进入闭环状态。为了阻止峰值采样存储电容C3通过下一级的输入电阻放电，可选用高输入阻抗的运算跟随器16作为缓冲级。开关管17跨接在电容C3的两端，当峰值取样完毕后，开关管17开通，使电容C3迅速放电，电路进入下一峰值检测过程。
渡越时间检测电路7可由图5所示电路实现，具体接法是：采用三个运算放大器18、19及20，运算放大器18的正向输入端与可变增益放大电路5的输出端相接，反向输入端接阈值信号THRESHOLD，输出端通过单稳延时电路21接至与门22，运算放大器19的正向输入端与峰值检测电路8的输出端相接，反向输入端接峰值阈值信号，输出端接至与门22，与门22的输出端接至触发电路23，运算放大器20的正向输入端接地，反向输入端与运算放大器18的正向输入端相接，输出端接至触发电路23，超声波发射电路4的输出端接至触发电路23，触发电路23的输出端与时序控制电路6相接。
渡越时间检测电路7综合运用可变域值检测、回波峰值检测、过零检测等技术，可得到准确、可靠的计时器(停止)触发脉冲，即只有当这三个信号都检测到时计时器才停止计时，可保证准确的回波检测时间。过零检测的原理如图6所示，采用域值检测，对于不同幅值的信号，其检测时间(触发相位)是不同的，THRESHOLD是阈值，两个不同幅值的回波信号达到阈值的时刻是不同的，如图中的t1、t2点。而零点检测可保证在回波幅值不同的情况下，也能在同一时刻检测到回波，如图中的O点。

Claims (2)

1、一种超声波测距装置，包括发射换能器(2)，接收换能器(1)，超声波发射电路(4)，时序控制电路(6)，前置放大电路(3)，单片机数据采集系统(9)；
本实用新型的特征在于，它还包括：
可变增益放大电路(5)，调整前置放大电路(3)产生的回波信号的幅值，使其不随检测距离的变化而变化，输出端分两路，一路送入峰值检测电路(8)，一路送入渡越时间检测电路(7)，可变增益放大电路(5)的接法为，一对场效应管J1、J2的漏极分别接在运算放大器(12)的正向输入端和反向输入端，场效应管J2的源极与栅极之间接有电阻R3，栅极通过二极管D1与控制电压产生电路的输出端相接，在运算放大器(12)的反向输入端与输出端之间接有电阻R4，两个输入端之间接有电阻R1、R2，两电阻R1与R2的连接点通过电容C1与前置放大电路(3)的输出端相接；
峰值检测电路(8)，用于消除干扰信号，检测出回波峰值进入单片机(9)A/D转换通道，峰值检测电路(8)的接法为，运算放大器(15)的反向输入端与输出端之间接有二极管D2、与运算放大器(16)的输出端之间接有电阻R12，运算放大器(15)的正向输入端与可变增益放大电路(5)的输出端相接、并通过电阻R11接地，运算放大器(15)的输出端与运算放大器(16)的正向输入端之间接有二极管D3、电阻R13，运算放大器(16)的反向输入端与输出端相接，正向输入端通过电容C3接地，开关管(17)的发射极和集电极跨接在电容C3的两端，基极通过电阻R15接收门控信号GATE、并通过电阻R14接地；
渡越时间检测电路(7)，用来判断是否回波，若是回波，则停止计时器，并请求单片机(9)产生中断，读入计时值，由单片机(9)完成距离计算，渡越时间检测电路(7)的接法为，采用三个运算放大器(18)、(19)及(20)，运算放大器(18)的正向输入端与可变增益放大电路(5)的输出端相接，反向输入端接阈值信号THRESHOLD，输出端通过单稳延时电路(21)接至与门(22)，运算放大器(19)的正向输入端与峰值检测电路(8)的输出端相接，反向输入端接峰值阈值信号，输出端接至与门(22)，与门(22)的输出端接至触发电路(23)，运算放大器(20)的正向输入端接地，反向输入端与运算放大器(18)的正向输入端相接，输出端接至触发电路(23)，超声波发射电路(4)的输出端接至触发电路(23)，触发电路(23)的输出端与时序控制电路(6)相接。
2、根据权利要求1所述的超声波测距装置，其特征在于：上述控制电压产生电路的接法为，在三极管(13)的集电极与+5V电源之间接有电阻R7，发射极与集电极之间接有电容C2、与基极之间接有电阻R6，基极通过电阻R5接收门控信号GATE，发射极与运算放大器(14)的正向输入端之间接有电阻R9，集电极与运算放大器(14)的反向输入端之间接有电阻R8，运算放大器(14)的反向输入端与输出端之间接有可变电阻R10，输出端产生控制电压至可变增益放大电路(5)。
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