CN2645091Y - 收发同体型超声测距仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动检测装置，特别是超声测距装置。收发同体型超声测距仪，它包括换能器、发射电路、接收电路、单片机控制器，其特征是换能器与发射电路、接收电路相连接，发射电路、接收电路分别与单片机控制器相连接，单片机控制器与上位机相连接；单片机控制器控制发射电路，使超声波发射电路驱动换能器定时发射超声波窄脉冲信号，同时换能器接收反射波，接收电路将反射波放大处理后传送给单片机控制器，单片机控制器捕捉发射波和反射波的峰值所对应的时间间隔，再将时间信号以RS－485总线标准发送到上位机。本实用新型具有抗干扰能力强、实时动态显示所测距离的特点。

Description

收发同体型超声测距仪

技术领域

本实用新型涉及一种自动检测装置，特别是超声测距装置。

背景技术

近年来，随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，特别是工业机器人的自动测距、导航系统和视觉识别系统的需要，出现了多种识别方法和原理。根据其信息载体的不同可归纳为光学方法和超声波方法。但光学方法在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法在这些方面具有明显突出的优点：超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近距离的目标，纵向分辨率高；声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体；对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；超声波传感器结构简单，体积小，费用低信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。传统的超声测距装置采用两个换能器，结构复杂，互相之间容易造成干扰；采用温度补偿系统，提高了成本，不利于推广。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗干扰能力强、实时动态显示所测距离的收发同体型超声实测距仪。

为了实现上述目的，本用新型的技术方案是：收发同体型超声测距仪，它包括换能器、发射电路、接收电路、单片机控制器，接收电路主要由前置放大电路、带通滤波器、自动增益电路、整形电路、低通滤波器组成，其特征是换能器与发射电路、接收电路相连接，发射电路、接收电路分别与单片机控制器相连接，单片机控制器与上位机相连接；单片机控制器控制发射电路，使超声波发射电路驱动换能器定时发射超声波窄脉冲信号，同时换能器接收反射波，接收电路将反射波放大处理后传送给单片机控制器，单片机控制器捕捉发射波和反射波的峰值所对应的时间间隔，再将时间信号以RS-485总线标准发送到上位机。

所述的前置放大电路由音频功放LM386、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄组成，电容C₄连接在音频功放LM386的1脚和8脚，信号从电阻R₁引入连接到正向输入端，电阻R₂一端连接电阻R₁，另一端连接地，电阻R₃和电容C₁连接反向输入端和输出，构成反馈，音频功放LM386的输出端5脚连接电容C₂和电容C₃，电容C₃一端连接地，改变电容C₁的大小可以调整增益值。

所述的自动增益电路主要由电阻、运算放大器、二极管、场效应管组成，自动增益电路的输出经过电阻R₁连接到运算放大器1的正向输入端，电阻R₂一端连接到正向输入端，另一端连接地，运算放大器1的反向输入端通过电阻R₄连接到输出端，电阻R₃连接反向输入端入地，运算放大器1的输出通过电阻R₅连接运算放大器2的反向输入端，其正向输入端通过电阻R₆到地，运算放大器2输出接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接运算放大器1的输出；二极管D2的负极通过电阻R₈连接到运算放大器3的反向输入端，电阻R₁₀连接反向输入端和输出；运算放大器3的正向输入端通过可调电阻R₉到地，运算放大器3通过电阻R₁₁连接到场效应管的栅极，漏极接到地，源极连接到运算放大器1的反向输入端，构成反馈；运算放大器2、运算放大器3和场效应管构成运算放大器1的反馈，运算放大器2、运算放大器3根据输入信号的大小调节场效应管栅极的电压，从而调节运算放大器1的反馈电阻，改变其增益，从而改变输出信号的大小，使之在一定范围。

本实用新型采用上述结构，具有如下特点：1)、发射换能器和接收换能器采用同一换能器，可以避免发射波对反射波接受的干扰，且有利于集成，小型化；2)、利用单片机技术捕捉发射波和反射波的峰值所对应的时间间隔；再将时间信号以RS-485总线标准发送到计算机，通过Visual Basic6.0高级语言编制可视化界面，对数据进行滤波处理，实时动态显示所测距离；3)、以音频功放LM386为反射波检测放大电路的主运算放大器结构简单，拥有良好的性噪比；4)、用以基准物为基础的动态标定方法代替传统的温度补偿环节，去除了偶然因素，实现了动态实时标定，节省了成本；5)、峰值检测法补偿测量误差，提高检测精度；

前置放大电路采用以音频功放LM386为基础的放大电路，与普通运算放大器相比，不仅具有良好的信噪比，而且结构简单，便于集成。自动增益电路(AGC)采用运算放大器和场效应管构成受控放大器，场效应管作为压控电阻形成反馈调节回路。改变场效应管的栅极和源极的压差，即可控制场效应管的等效输出电阻，从而改变输入信号的大小。采用以基准物为基础的动态标定方法，舍弃了传统的温度补偿环节(包括温度传感器及采样保持电路等)，大大简化了系统的结构，具有实时性。

附图说明

图1为本实用新型的结构方框图。

图2为单片机控制器程序流程图。

图3为上位机数据处理流程图。

图4为数据处理主界面。

图5为前置放大电路图。

图6为自动增益放大电路图。

具体实施方式

如图1所示，收发同体型超声测距仪，它包括换能器、发射电路、接收电路、单片机控制器，接收电路主要由前置放大电路、带通滤波器、自动增益电路、整形电路、低通滤波器组成，换能器与发射电路、接收电路相连接，发射电路、接收电路分别与单片机控制器相连接，单片机控制器与上位机相连接；单片机控制器控制发射电路，使超声波发射电路驱动换能器定时发射超声波窄脉冲信号，同时换能器接收反射波，接收电路将反射波放大处理后传送给单片机控制器，单片机控制器捕捉发射波和反射波的峰值所对应的时间间隔，再将时间信号以RS-485总线标准发送到上位机。

如图5所示，所述的前置放大电路由音频功放LM386、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄组成，电容C₄连接在音频功放LM386的1脚和8脚，信号从电阻R₁引入连接到正向输入端，电阻R₂一端连接电阻R₁，另一端连接地，电阻R₃和电容C₁连接反向输入端和输出，构成反馈，音频功放LM386的输出端5脚连接电容C₂和电容C₃，电容C₃一端连接地，改变电容C₁的大小可以调整增益值。

如图6所示，所述的自动增益电路主要由电阻、运算放大器、二极管、场效应管组成，自动增益电路的输出经过电阻R₁连接到运算放大器1的正向输入端，电阻R₂一端连接到正向输入端，另一端连接地，运算放大器1的反向输入端通过电阻R₄连接到输出端，电阻R₃连接反向输入端入地，运算放大器1的输出通过电阻R₅连接运算放大器2的反向输入端，其正向输入端通过电阻R₆到地，运算放大器2输出接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接运算放大器1的输出；二极管D2的负极通过电阻R₈连接到运算放大器3的反向输入端，电阻R₁₀连接反向输入端和输出；运算放大器3的正向输入端通过可调电阻R₉到地，运算放大器3通过电阻R₁₁连接到场效应管的栅极，漏极接到地，源极连接到运算放大器1的反向输入端，构成反馈；运算放大器2、运算放大器3和场效应管构成运算放大器1的反馈，运算放大器2、运算放大器3根据输入信号的大小调节场效应管栅极的电压，从而调节运算放大器1的反馈电阻，改变其增益，从而改变输出信号的大小，使之在一定范围。

如图1所示，声波在空气中的传播速度C一定，测得超声换能器发射波和反射波的时间间隔t，即可算出换能器至被测物的距离 $S(S=\frac{1}{2}\mathrm{Ct}).$ 通过自动增益放大、滤波、检波、比较等环节，获取适合的反射波信号；利用单片机技术捕捉发射波和反射波的峰值所对应的时间间隔；再将时间信号以RS-485总线标准发送到计算机。通过Visual Basic6.0高级语言编制可视化界面，对数据进行滤波处理，实时动态显示所测距离。

将测试头对准被测物，然后启动上位机，由上位机向单片机发出开始测试命令OFFH，然后等待单片机向上位机发送应答信号OOH，若没有接收到应答信号，则再次向单片机发送开始命令。若接收到应答信号，则向单片机发握手信号OFOH。待握手成功，单片机即启动测试，并首先将基准物的测试距离传送给上位机，再将被测物的测试距离传送给上位机。数据处理的任务由上位机完成。上位机将接收的数据每相邻50个做一次数字滤波，然后结合基准物的测试距离、被测物的测试距离及基准物的实际距离即可算出被测物的实际距离。这种方法代替了传统的温度补偿方式，去除了偶然因素，实现了动态实时标定。上位机的数据处理程序采用Visual Basic 6.0编制，具有可视化界面(如图4所示)，可以曲线方式实时显示所测得的距离。其单片机控制器程序流程如图2所示，其上位机数据处理流程如图3所示。

Claims (3)

1、收发同体型超声测距仪，它包括换能器、发射电路、接收电路、单片机控制器，接收电路主要由前置放大电路、带通滤波器、自动增益电路、整形电路、低通滤波器组成，其特征是换能器与发射电路、接收电路相连接，发射电路、接收电路分别与单片机控制器相连接，单片机控制器与上位机相连接；单片机控制器控制发射电路，使超声波发射电路驱动换能器定时发射超声波窄脉冲信号，同时换能器接收反射波，接收电路将反射波放大处理后传送给单片机控制器，单片机控制器捕捉发射波和反射波的峰值所对应的时间间隔，再将时间信号以RS-485总线标准发送到上位机。

2、根据权利要求1所述的收发同体型超声测距仪，其特征是所述的前置放大电路由音频功放LM386、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄组成，电容C₄连接在音频功放LM386的1脚和8脚，信号从电阻R₁引入连接到正向输入端，电阻R₂一端连接电阻R₁，另一端连接地，电阻R₃和电容C₁连接反向输入端和输出，构成反馈，音频功放LM386的输出端5脚连接电容C₂和电容C₃，电容C₃一端连接地，改变电容C₁的大小可以调整增益值。

3、根据权利要求1所述的收发同体型超声测距仪，其特征是所述的自动增益电路主要由电阻、运算放大器、二极管、场效应管组成，自动增益电路的输出经过电阻R₁连接到运算放大器(1)的正向输入端，电阻R₂一端连接到正向输入端，另一端连接地，运算放大器(1)的反向输入端通过电阻R₄连接到输出端，电阻R₃连接反向输入端入地，运算放大器(1)的输出通过电阻R₅连接运算放大器(2)的反向输入端，其正向输入端通过电阻R₆到地，运算放大器(2)输出接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接运算放大器(1)的输出；二极管D2的负极通过电阻R₈连接到运算放大器(3)的反向输入端，电阻R₁₀连接反向输入端和输出；运算放大器(3)的正向输入端通过可调电阻R₉到地，运算放大器(3)通过电阻R₁₁连接到场效应管的栅极，漏极接到地，源极连接到运算放大器(1)的反向输入端，构成反馈；运算放大器(2)、运算放大器(3)和场效应管构成运算放大器(1)的反馈，运算放大器(2)、运算放大器(3)根据输入信号的大小调节场效应管栅极的电压，从而调节运算放大器(1)的反馈电阻，改变其增益，从而改变输出信号的大小，使之在一定范围。

Images