CN106443683A - 一种基于超声波的便携式测距仪 - Google Patents

一种基于超声波的便携式测距仪 Download PDF

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Abstract

本发明属于超声波测距领域，一种基于超声波的便携式测距仪，包括壳体，与所述壳体的一端固定连接的环扣，还包括单片机模块以及均与其集成设置连接的超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块；所述单片机模块包括外部中断寄存器；所述超声波发射模块包括超声波发射管；所述超声波接收模块包括超声波接收管；整个测距仪由所述外壳进行封装，所述单片机模块、超声波发射模块和超声波接收模块设置于所述壳体内；所述显示模块设置于所述壳体表面。本发明的测距仪具有电路精简，体积小，价格便宜，携带方便，测量准确的优点，适合土建设计人员对建筑现场测量距离时使用。

Description

一种基于超声波的便携式测距仪
技术领域
本发明属于超声波测距领域，具体涉及一种基于超声波的便携式测距仪。
背景技术
人们日常中经常需要测量，特别是一些学习土建设计的工程人员，经常需要测量空间中两点的位置，常用的方法是用尺子进行测量，但是尺子测量精确度比较低，会造成误差。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，利用超声波测距仪检测往往比较迅速、方便。超声波测距一般采用渡越时间法。超声波测距的实质是时间的测量，即：用超声脉冲激励超声探头向外发射超声波，同时接收从被测物体反射回来的超声波，通过精确测量从发射超声波至接收回波所经历的射程时间t(渡越时间)，按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离S，即
其中，c为空气介质中声波的传播速度，在常温下，超声波的传播速度为340m/s。
测量精度高的超声波测距仪一般电路较复杂，体积较大，价格昂贵，携带不方便，给测量距离的工作带来较多不便。
发明内容
本发明克服了上述技术问题的缺点，提供了一种基于超声波的便携式测距仪，该测距仪具有电路精简，体积小，价格便宜，携带方便，测量准确的优点，适合土建设计人员对建筑现场测量距离时使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于超声波的便携式测距仪，包括壳体，与所述壳体的一端固定连接的环扣，还包括单片机模块以及均与其集成设置连接的超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块；所述单片机模块包括外部中断寄存器；所述超声波发射模块包括超声波发射管；所述超声波接收模块包括超声波接收管；整个测距仪由所述外壳进行封装，所述单片机模块、超声波发射模块和超声波接收模块设置于所述壳体内；所述显示模块设置于所述壳体表面；其中：
所述单片机模块用于产生频率为40kHz的方波脉冲信号并分别控制超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块的工作状态；所述超声波模块上的超声波发射管发射超声波，外部中断寄存器中断电路启动；所述超声波模块上的超声波接收管接收反射回来的超声波，外部寄存器将超声波发射和接收的时间中断信号返回单片机模块，单片机经过处理将得到的时间信号通过显示模块显示。
进一步地，所述壳体的一侧面上开设有两个小孔，所述小孔之间的距离为3.0～3.5cm，所述超声波发射管和超声波接收管分别穿过所述小孔，所述超声波发射管和超声波接收管外设置有保护盖，所述保护盖与壳体通过锁扣活动连接。
进一步地，所述的基于超声波的便携式测距仪还包括与所述单片机模块连接的按键模块，所述按键模块设置在所述壳体表面，且其包括测量键、数据上翻键、数据下翻键和取消键，每个所述按键的半径为1.0～1.5cm。
进一步地，所述的基于超声波的便携式测距仪还包括与单片机模块连接的电池，其设置在所述壳体内，所述电池为纽扣电池。
进一步地，所述单片机模块采用STM32F103单片机。
进一步地，所述超声波发射模块主要包括反相器74HC04和超声波发射管TCT40-10F1，单片机模块输出的40kHz的方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管的另一个电极，用这种推换方式将方波脉冲信号加到超声波发射管的两端，可以提高超声波的发射强度。
进一步地，所述超声波接收模块主要包括集成电路CX20106A和超声波接收管TCT40-10S1，其中心频率为40kHz；集成电路CX20106A识别超声波信号，并将超声波信号进行放大，控制超声波接收管接收反射的超声波信号，将超声波信号送回单片机模块。
进一步地，所述显示模块采用4位共阳极LED数码管。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明结构简单，成本低廉，该测距仪的测量范围达到1cm到600cm。通过将电路精简集成化，充分使用了单片机模块的***资源，减少输入按键和电路的体积，使整个测距仪小巧，在壳体上连接一扣环可方便操作者携带。
2、本发明结合STM32F103单片机的超低功耗和74HC04反相器的超强驱动功能，功耗和体积都有所降低，便于携带和使用，满足高精度、低功耗的测量要求。
附图说明
图1是本发明一种基于超声波的便携式测距仪的结构示意图；
图2是本发明一种基于超声波的便携式测距仪的电路框图；
其中：1-壳体；2-环扣；3-显示模块；4-超声波发射管；5-超声波接收管；6-小孔；7-保护盖；8-锁扣；9-按键模块。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1-2所示，一种基于超声波的便携式测距仪，包括一壳体1，与所述壳体1的一端固定连接的一环扣2，还包括单片机模块以及均与其集成设置连接的一超声波发射模块、一超声波接收模块和一显示模块3；所述单片机模块包括外部中断寄存器；所述超声波发射模块包括一超声波发射管4；所述超声波接收模块包括一超声波接收管5；整个测距仪由所述外壳进行封装，所述单片机模块、超声波发射模块和超声波接收模块设置于所述壳体1内；所述显示模块3设置于所述壳体1表面；其中：
所述单片机模块用于产生频率为40kHz的方波脉冲信号并分别控制超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块3的工作状态；所述超声波模块上的超声波发射管4发射超声波，外部中断寄存器中断电路启动；所述超声波模块上的超声波接收管5接收反射回来的超声波，外部寄存器将超声波发射和接收的时间中断信号返回单片机模块，单片机经过处理将得到的信号通过显示模块3显示。
本发明通过一壳体1将集成设置的单片机模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块3进行封装，减小了测距仪的体型，并在所述壳体1的一端固定连接一环扣2，便于操作者携带。
单片机模块是整个***的控制核心，本发明的单片机模块采用意法半导体公司出品的STM32F103单片机，STM32F103是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的ARM Cortex-0内核，采用8MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机STM32F103具有丰富的I/O口，且能输出超声波发射管4所需的40kHz方波脉冲信号，利用外部中断寄存器检测超声波接收模块输出的返回信号。
超声波发射模块上的超声波发射管4用于发射超声波，所述超声波发射管4的型号为TCT40-10F1。超声波发射时，考虑到单片机端口驱动能力有限，本发明在超声波发射模块上设置74HC04反相器对单片机输出的方波脉冲信号进行功率放大，74HC04反相器能起到一个高低电平转换的作用，多用于音频放大，也可用于超声波发射。该反相器与单片机模块相连，单片机模块产生的40kHz脉冲方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管4的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管4的另一个电极，用这种推换方式将方波脉冲信号加到超声波发射管4的两端，经74HC04功率放大后，驱动超声波发射管4发射超声波。
超声波接收管5的型号为TCT40-10S1，其接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号较弱，必须经过放大。为了顺利接收回波信号，本发明在超声波接收模块设置集成电路CX20106A对超声波信号进行放大。超声波接收管5接到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为40kHz。该超声波信号经过滤波整形后输出到单片机模块的外部中断寄存器。
作为一种优选的实施方式，所述壳体1的一侧面上开设有两个小孔6，所述小孔6之间的距离为3.0～3.5cm，所述超声波发射管4和超声波接收管5分别穿过所述小孔6，使所述超声波发射管4和超声波接收管5之间间隔一定距离，避免受到发射的干扰。所述超声波发射管4和超声波接收管5外设置有保护盖7，所述保护盖7与壳体1通过锁扣8活动连接。通过设置可以活动开启的保护盖7，有助于提高测试准确度，避免超声波发射管4和超声波接收管5外受到破坏。
作为一种优选的实施方式，所述的基于超声波的便携式测距仪还包括与所述单片机模块连接的按键模块9，所述按键模块9设置在所述壳体1表面，所述按键模块9包括测量键、数据上翻键、数据下翻键和取消键。设置所述按键可以方便控制欲调试，所述按键模块9为该领域内的常用技术，故并未示出电路图。本实施例采用STM型的迷你按键，每个所述按键的半径为1.0cm，该型号的按键具有良好的导通性能，能够起到良好的开关启用与控制作用，并且具备稳定的回弹力，按下后自动回位，能够给操作者带来舒适的触动感。
作为一种优选的实施方式，所述的基于超声波的便携式测距仪还包括与单片机模块连接的电池，其设置在所述壳体1内，所述电池为纽扣电池。纽扣电池具有体型小，重量轻，稳定性高，电力持久的优点。
作为一种优选的实施方式，所述显示模块3采用4位共阳极LED数码管，其根据单片机模块的指令，用于显示测量结果等数据。在显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象以及发光二极管的余晖效应，尽管实际上各数码管并非同时点亮，但如果扫描的速度比较快，仍会给人们留下一种稳定显示数据的印象，而不会有闪速感。
本发明的一种基于超声波的便携式测距仪的使用方法，包括：
A、将测距仪对准被测目标，按下测距仪上按键模块9中的测量键，单片机模块输出40kHz的方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管4的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管4的另一个电极，将方波脉冲信号转变为超声波发射，以提高发射强度，超声波发射模块向被测目标发射超声波，在发射的同时，单片机模块的外部中断产生一个中断信号并开始计时；
B、超声波经被测目标反射后通过超声波接收管5接收，经过集成电路CX20106A识别放大，经滤波整形等处理后，输出到单片机模块的外部中断寄存器，使得单片机内停止计时；
C、单片机模块接收两个中断记录的时间间隔，通过公式计算出测定距离，并由所述单片机模块输出数字信号到LED数码管，LED数码管显示距离数值。
本发明的一种基于超声波的便携式测距仪的工作原理：操作者通过测距仪上的测量键，向单片机模块输入控制信息，测量时，由单片机模块输出40kHz左右的方波脉冲信号，方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管4的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管4的另一个电极，并驱动超声波发射管4发出超声波脉冲，同时启动单片机模块的外部中断开始计时。超声波到达目标时传回，经空气传播超声波接收管5接收，并将超声波信号通过集成电路CX20106A进行放大，经滤波整形等处理后，输出到单片机模块的外部中断寄存器，此时计时停止，经计算可得超声波从发射到接收的时间间隔，从而得到距离数值。操作者也可以通过按下数据上翻键、数据下翻键和取消键对本测距仪进行相应的控制。
本发明的一种基于超声波的便携式测距仪，本发明结构简单，成本低廉，该测距仪的测量范围达到1cm到600cm；本发明将电路精简集成化，充分使用了单片机模块的***资源，减少输入按键和电路的体积，使整个测距仪小巧，在壳体1上连接一扣环可方便操作者携带。并且结合STM32F103单片机的超低功耗和74HC04反相器的超强驱动功能，使得本发明的测距仪功耗和体积都有所降低，便于携带和使用，满足高精度、低功耗的测量要求，适合于土建工程人员的现场勘测距离使用。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于超声波的便携式测距仪，包括壳体，与所述壳体的一端固定连接的环扣，其特征在于：还包括单片机模块以及均与其集成设置连接的超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块；所述单片机模块包括外部中断寄存器；所述超声波发射模块包括超声波发射管；所述超声波接收模块包括超声波接收管；整个测距仪由所述外壳进行封装，所述单片机模块、超声波发射模块和超声波接收模块设置于所述壳体内；所述显示模块设置于所述壳体表面；其中：
所述单片机模块用于产生频率为40kHz的方波脉冲信号并分别控制超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块的工作状态；所述超声波模块上的超声波发射管发射超声波，外部中断寄存器中断电路启动；所述超声波模块上的超声波接收管接收反射回来的超声波，外部寄存器将超声波发射和接收的时间中断信号返回单片机模块，单片机经过处理将得到的时间信号通过显示模块显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的便携式测距仪，其特征在于：所述壳体的一侧面上开设有两个小孔，所述小孔之间的距离为3.0～3.5cm，所述超声波发射管和超声波接收管分别穿过所述小孔，所述超声波发射管和超声波接收管外设置有保护盖，所述保护盖与壳体通过锁扣活动连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的便携式测距仪，其特征在于：还包括与所述单片机模块连接的按键模块，所述按键模块设置在所述壳体表面，且其包括测量键、数据上翻键、数据下翻键和取消键，每个所述按键的半径为1.0～1.5cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的便携式测距仪，其特征在于：还包括与单片机模块连接的电池，其设置在所述壳体内，所述电池为纽扣电池。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波的便携式测距仪，其特征在于：所述单片机模块采用STM32F103单片机。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声波的便携式测距仪，其特征在于：所述超声波发射模块主要包括反相器74HC04和超声波发射管TCT40-10F1，单片机模块输出的40kHz的方波脉冲信号一路经一级反相器后送到所述超声波发射管的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波发射管的另一个电极，用这种推换方式将方波脉冲信号加到超声波发射管的两端，可以提高超声波的发射强度。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波的便携式测距仪，其特征在于：所述超声波接收模块主要包括集成电路CX20106A和超声波接收管TCT40-10S1，其中心频率为40kHz；集成电路CX20106A识别超声波信号，并将超声波信号进行放大，控制超声波接收管接收反射的超声波信号，将超声波信号送回单片机模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于超声波的便携式测距仪，其特征在于：所述显示模块采用4位共阳极LED数码管。
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