CN104569995A

CN104569995A - 小盲区超声波传感器

Info

Publication number: CN104569995A
Application number: CN201510040340.1A
Authority: CN
Inventors: 赵凯
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明涉及电子传感器领域，尤其涉及一种小盲区超声波传感器，包括主控芯片、测温元件、发射电路和接收电路，测温元件、发射电路和接收电路分别与主控芯片相连接，装置结构简单，***盲区为5cm，在10~60cm范围内误差较小，测量误差为0；在60~500cm范围内，测量误差较大为1～3cm；由于受到超声波传感器自身质量的影响，***只能测量5m以内的距离;同时，随着测量距离的增加，误差逐渐增大，基上可控制在2％以下，精度较高。

Description

小盲区超声波传感器

技术领域

本发明涉及电子传感器领域，尤其涉及一种小盲区超声波传感器。

背景技术

一般情况空气对超声波的吸收与超声波频率的平方成正比，因此用来测距的超声波的频率就不能很高；另一方面超声波的频率越低，波长越长，测距的绝对误差就越大，所以，测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾。在同样的环境、气温、湿度等条件下10kHz的声波在空气中的声吸收约为0.26dB/m，按吸收与频率的平方成正比的关系估算，频率为20kHz的超声波在空气中的声吸收大约为1dB/m，而40kHz时便达到了4dB/m，这也正是通常使用40kHz超声波的单频测距方法的测量范围只有5～6m的原因。其次环境温度对超声波的传输速率有很大的影响，这将直接影响测距的精度，另外超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响，还有一些因素，诸如风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用。此外，超声波还有测量盲区的固有特性，而且盲区的范围一般在0.5m左右。对某些AMR的应用场合中，如自动驾驶的汽车，其移动速度较快，或者移动机器人在动态环境中，其障碍物的移动速度较快，如果传感器对障碍物的检测存在盲区，一旦发生碰撞，后果将不堪设想。因此，避障***中对检测障碍物盲区的研究也是非常必要的。

目前对障碍物检测研究比较多，如基于激光测距仪的检测、基于视觉传感器的检测、基于红外传感器与超声波传感器的检测等：其中，激光传感器穿透力强、精度高、检测距离远，但是价格昂贵；视觉传感器识别障碍物是近年来研究的热点，但由于其信息量大，实时性差，对机器人处理性能有很高要求，且易受光照影响；基于红外传感器与超声波传感器的检测***，价格低廉，使用简单，虽然可以弥补超声波测量的不足，但由于红外测量抗干扰能力差，受环境影响较大，并且探测物体的颜色、表面光滑程度不同，反射回的红外线强弱就会有所不同，所以很难保证测量精度。因此，研究如何缩小超声波传感器检测盲区，提高传感器检测平面上障碍物的被检测率，对移动机器人的避障控制***具有重要的意义。

所谓盲区是指反射波隐藏在发射后的衰减波内，这时反射波被发射后的衰减波所覆盖，无法辨认反射波的存在，通常将这段无法测定的距离称为盲区。超声波传感器产生盲区的原因主要有以下两种情况：

①波探头在发射超声波时有一个从受迫振动到平衡振动再到阻尼振动的过程，因此在超声波发送结束后还有一定的衰减震荡过程，这种衰减震荡产生电压信号，叠加到回波信号上，使电路鉴别不出真正的回波。

②单片机发送脉冲串时，如果发送脉冲串需要的时间为，则在较短的时间内，接收计时器很可能还没有开始计时，若目标很近时，超声波信号已经反射回来，但信号无法被捕捉到。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足而提供的一种小盲区超声波传感器。

一种小盲区超声波传感器，包括主控芯片、测温元件、发射电路和接收电路，测温元件、发射电路和接收电路分别与主控芯片相连接，其特征在于：所述的发射电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、三极管Q1、DC-DC转换器U1、运算放大器U2和超声波换能器T1，三极管Q1的基极与主控芯片的端子相连接三极管Q1的发射极接电源，同时三极管Q1的基极和发射极之间并联有电阻R1，三极管Q1的集电极分别与DC-DC转换器U1的端口、DC-DC转换器U1的V+端口、电容C3的一端、运算放大器U2的V+端口相连接，电容C3的另一端与电容C4的一端相连接，电容C4的另一端接地，DC-DC转换器U1的V—端口与运算放大器U2的V—端口相连接，DC-DC转换器U1的C2—与DC-DC转换器U1的C2+端口之间连接有电容C1，DC-DC转换器U1的C1—与DC-DC转换器U1的C1+端口之间连接有电容C6，DC-DC转换器U1的端口、FC1端口、FC0端口、IN端口同时与电阻R4的一端相连接，电阻R4的另一端分别与电阻R3的一端、运算放大器U2的IN—端口相连接，运算放大器U2的IN+端口与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端与主控芯片相连接，运算放大器U2的OUT端口与电容C5的一端相连接，电容C5的另一端与超声波换能器T1的一端相连接，超声波换能器T1的另一端接地；

所述的接收电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、运算放大器U3、运算放大器U4、数字电位器U5、比较器U6、二极管D1、三极管Q2和超声波接收器T2，超声波接收器T2的一端分别与电阻R9的一端、电容C8的一端和运算放大器U4的同相输入端相连接，电阻R9的另一端与主控芯片相连接，电容C8的另一端与电阻R10的另一端相连接，电阻R10的另一端同时接地；超声波接收器T2的另一端与电容C7的一端相连接，电容C7的另一端与电阻R5的一端相连接，电阻R5的另一端分别与电阻R6的一端、电容C12的一端、运算放大器U3的反相输入端相连接，电阻R6的另一端、电容C12的另一端均与运算放大器U3的输出端相连接，运算放大器U3的输出端与电容C9的一端相连接，电容C9的另一端与电阻R7的一端相连接，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端、运算放大器U4的反相输入端相连接，电阻R8的另一端与数字电位器U5的LA端口相连接，运算放大器U4的同相输入端与运算放大器U3的同相输入端相连接，运算放大器U4的负极接地，运算放大器U4的正极分别与三极管Q2的集电极、电容C11的一端、比较器U6的V+端子、电阻R13相连接，三极管Q2发射极接电源，三极管Q2的基极与主控芯片相连接，三极管Q2发射极和基极之间并联有电阻R11，电容C11的另一端接地，运算放大器U4的输出端和数字电位器U5的WA端口均与二极管D1的正极相连接，二极管D1的负极分别与电容C10的一端、电阻R12的一端、比较器U6的IN+端口相连接，电容C10的另一端和电阻R12的另一端接地，同时，电容C10的另一端和电阻R12的另一端与电阻R14的一端相连接，电阻R14的另一端与电阻R13的另一端、比较器U6的IN—端口相连接，比较器U6的V—端口接地，比较器U6的OUT端口与主控芯片相连接。

所述的测温元件为铜电阻Cu5。

所述的主控芯片的型号为DSPIC30F5011。

所述的DC-DC转换器U1的型号为MAX864，运算放大器U2的型号为LM8261，运算放大器U3的型号为LMV822，运算放大器U4的型号为LMV822、数字电位器U5的型号为MAX5405，比较器U6的型号为LMC7215。

本发明具有以下优势：

研究表明，盲区的大小受发射时间、发射强度、放大倍数以及传播媒介和温度的影响，其发射时间越长、发射强度越强、放大倍数越大，盲区越大。根据测量距离远近，通过编程调整发射功率的大小，即在近距离时采用较小的发射功率以减小测量盲区，在远距离时增强发射功率以获得更大的测量距离。

发射拖尾波覆盖信号，并根据距离的远近自动调整宽度，进一步减少盲区。采用频带宽度大，发射和接收灵敏度高，以及较小的脉冲回波持续时间的超声波换能器，以获得最大的等效机电耦合系数。

采用温度补偿技术，同时采用较高精度的温度测量方法，以获得偏差+/-0.1度以内的温度测量值以供给后端的处理单元使用。

通常超声波换能器T1和超声波换能器T2都是平行放置且距离较近，当超声波换能器T1发射超声波时，超声波换能器T2收到的第一个波是串扰直通波(也称泄漏波)，它是通过绕射由超声波换能器T1直接到达超声波换能器T2而造成的，因此，通常超声波换能器T2会引起强烈的感应信号，须将其隐去。

超声波换能器T2选频后，将发射主频以外的杂波滤除，两级LM822放大器放大，然后进行检波，需要注意的是直接接收到的超声波换能器T1发送的信号也同样得到了放大，但是为了只测量反射信号，必须消除直接接收到的信号。因此，采用比较器LMC7215将检波后的信号与基准信号进行比较，从而消除直接接收到的信号，芯片MAX5405通过SPI接口在线调整增益，这样能减少干扰，从而达到减少盲区的目的。

下表为小盲区超声波传感器实测数据

实际距离(cm)	测量距离(cm)	最大测量误差(cm)	绝对误差(cm)	实际距离(cm)	测量距离(cm)	最大测量误差(cm)	绝对误差(cm)
								1	盲区	0	0	150	152	2	2
3	盲区	0	0	200	198	2	-2
								5	盲区	0	0	250	253	3	3
6	6	0	0	300	303	3	3
								10	10	0	0	350	352	2	2
20	20	0	0	400	403	3	3
								50	50	0	0	450	453	3	3
60	61	1	1	480	482	2	2
								100	101	1	1	490	492	2	2
110	112	2	2	500	502	2	2

从表中可以看出，该测距***盲区为5cm，在10~60cm范围内误差较小，测量误差为0；在60~500cm范围内，测量误差较大为1～3cm；由于受到超声波传感器自身质量的影响，***只能测量5m以内的距离。同时，随着测量距离的增加，误差逐渐增大，基本上可控制在2％以下，精度较高。

附图说明

图1为本发明的模块示意图。

图2为发射电路的电气原理图。

图3为接收电路的电气原理图。

图4为本发明的软件流程图。

图5为本发明的工作流程图。

具体实施方案

以下通过具体实施方式进一步描述本发明，但本发明不仅仅限于如下实施例。

如图1所示，一种小盲区超声波传感器，包括主控芯片1、测温元件2、发射电路3和接收电路4，测温元件2、发射电路3和接收电路4分别与主控芯片1相连接，所述的主控芯片1的型号为DSPIC30F5011，所述的测温元件2为铜电阻Cu5，主控芯片1的型号为DSPIC30F5011，所述的测温元件2为铜电阻Cu5的使用连接方法为公知技术，无特殊之处，故在此不相加介绍。

如图2所示，所述的发射电路2包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、三极管Q1、DC-DC转换器U1、运算放大器U2和超声波换能器T1，所述的DC-DC转换器U1的型号为MAX864，运算放大器U2的型号为LM8261，三极管Q1的基极与主控芯片1的OUT EN端子相连接三极管Q1的发射极接电源，同时三极管Q1的基极和发射极之间并联有电阻R1，三极管Q1的集电极分别与DC-DC转换器U1的端口、DC-DC转换器U1的V+端口、电容C3的一端、运算放大器U2的V+端口相连接，电容C3的另一端与电容C4的一端相连接，电容C4的另一端接地，DC-DC转换器U1的V—端口与运算放大器U2的V—端口相连接，DC-DC转换器U1的C2—与DC-DC转换器U1的C2+端口之间连接有电容C1，DC-DC转换器U1的C1—与DC-DC转换器U1的C1+端口之间连接有电容C6，DC-DC转换器U1的端口、FC1端口、FC0端口、IN端口同时与电阻R4的一端相连接，电阻R4的另一端分别与电阻R3的一端、运算放大器U2的IN—端口相连接，运算放大器U2的IN+端口与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端与主控芯片的SEND端子相连接，运算放大器U2的OUT端口与电容C5的一端相连接，电容C5的另一端与超声波换能器T1的一端相连接，超声波换能器T1的另一端接地。

如图3所示，所述的接收电路4包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、运算放大器U3、运算放大器U4、数字电位器U5、比较器U6、二极管D1、三极管Q2和超声波接收器T2，其中，所述的DC-DC转换器U1的型号为MAX864，运算放大器U2的型号为LM8261，运算放大器U3的型号为LMV822，运算放大器U4的型号为LMV822、数字电位器U5的型号为MAX5405，比较器U6的型号为LMC7215。

超声波接收器T2的一端分别与电阻R9的一端、电容C8的一端和运算放大器U4的同相输入端相连接，电阻R9的另一端与主控芯片1的PWM IN端口相连接，电容C8的另一端与电阻R10的另一端相连接，电阻R10的另一端同时接地；超声波接收器T2的另一端与电容C7的一端相连接，电容C7的另一端与电阻R5的一端相连接，电阻R5的另一端分别与电阻R6的一端、电容C12的一端、运算放大器U3的反相输入端相连接，电阻R6的另一端、电容C12的另一端均与运算放大器U3的输出端相连接，运算放大器U3的输出端与电容C9的一端相连接，电容C9的另一端与电阻R7的一端相连接，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端、运算放大器U4的反相输入端相连接，电阻R8的另一端与数字电位器U5的LA端口相连接，运算放大器U4的同相输入端与运算放大器U3的同相输入端相连接，运算放大器U4的负极接地，运算放大器U4的正极分别与三极管Q2的集电极、电容C11的一端、比较器U6的V+端子、电阻R13相连接，三极管Q2发射极接电源，三极管Q2的基极与主控芯片1的IN EN端口相连接，三极管Q2发射极和基极之间并联有电阻R11，电容C11的另一端接地，运算放大器U4的输出端和数字电位器U5的WA端口均与二极管D1的正极相连接，二极管D1的负极分别与电容C10的一端、电阻R12的一端、比较器U6的IN+端口相连接，电容C10的另一端和电阻R12的另一端接地，同时，电容C10的另一端和电阻R12的另一端与电阻R14的一端相连接，电阻R14的另一端与电阻R13的另一端、比较器U6的IN—端口相连接，比较器U6的V—端口接地，比较器U6的OUT端口与主控芯片1的DETECT端口相连接。

如图4所示，初始化超声波端口，主控芯片1的信号触发振荡电路，能产生40 kHz的方波信号驱动发射电路的I／O口发出脉冲驱动信号驱动发射电路发出信号，同时打开定时器T1开始计时，当发现接收到回波信号时，关闭外部中断，读定时器T1的值，然后读取温度值，进行温度转换，计算超声波实际速度值，接着进行数据处理，最终得到输出结果。

如图5所示，工作过程如下，信号经过调节后进行震荡，震荡后一方面进行脉冲串生成，另一方面进行相位检测，同步后再对生成的脉冲串进行调整，然后功率调解、放大后的脉冲串发出，经障碍物反射后被超声波接收器接收、检波，然后滤波和放大，同时在线进行放大倍数的调解，然后进行信号处理，信号处理时计算温度补偿，然后信号输出。

Claims

1.一种小盲区超声波传感器，包括主控芯片、测温元件、发射电路和接收电路，测温元件、发射电路和接收电路分别与主控芯片相连接，其特征在于：所述的发射电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、三极管Q1、DC-DC转换器U1、运算放大器U2和超声波换能器T1，三极管Q1的基极与主控芯片的端子相连接三极管Q1的发射极接电源，同时三极管Q1的基极和发射极之间并联有电阻R1，三极管Q1的集电极分别与DC-DC转换器U1的端口、DC-DC转换器U1的V+端口、电容C3的一端、运算放大器U2的V+端口相连接，电容C3的另一端与电容C4的一端相连接，电容C4的另一端接地，DC-DC转换器U1的V—端口与运算放大器U2的V—端口相连接，DC-DC转换器U1的C2—与DC-DC转换器U1的C2+端口之间连接有电容C1，DC-DC转换器U1的C1—与DC-DC转换器U1的C1+端口之间连接有电容C6，DC-DC转换器U1的端口、FC1端口、FC0端口、IN端口同时与电阻R4的一端相连接，电阻R4的另一端分别与电阻R3的一端、运算放大器U2的IN—端口相连接，运算放大器U2的IN+端口与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端与主控芯片相连接，运算放大器U2的OUT端口与电容C5的一端相连接，电容C5的另一端与超声波换能器T1的一端相连接，超声波换能器T1的另一端接地；

2.根据权利要求1所述的小盲区超声波传感器，其特征在于：所述的测温元件为铜电阻Cu5。

3.根据权利要求1所述的小盲区超声波传感器，其特征在于：所述的主控芯片的型号为DSPIC30F5011。

4.根据权利要求1所述的小盲区超声波传感器，其特征在于：所述的DC-DC转换器U1的型号为MAX864，运算放大器U2的型号为LM8261，运算放大器U3的型号为LMV822，运算放大器U4的型号为LMV822、数字电位器U5的型号为MAX5405，比较器U6的型号为LMC7215。