CN107193008A - 一种超声波测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测距装置，包括超声波传感器、放大器、整流器、滤波器、电压比较器、微控制器、时钟电路、显示模块和电源模块，用来计时的第一个计时器以及第二个计时器，其中，时钟电路、显示模块和电源模块连接到微控制器，微控制器的一个输出端通过驱动电路连接到超声波传感器的发射端，超声波传感器的接收端依次通过放大器、整流器、滤波器、电压比较器连接到微控制器的一个输入端。本发明还公开了一种采用上述超声波测距装置进行测距的方法。本发明相比现有技术具有以下优点：有效地减小了时间测定误差，从而减小了距离测量误差，此外，还可以通过显示模块，清楚明了地观察到所测距离的值。

Description

一种超声波测距装置及方法

技术领域

本发明属于超声波测量技术领域，尤其涉及一种超声波测距方法及装置。

背景技术

超声波是指振动频率高于20kHz的声波，它具有振动频率高，方向性好，穿透能力强等特点，被广泛应用于测距、测速、焊接、碎石、清洗、杀菌等方面。超声波遵循一般机械波在介质中的传播规律，在传输媒介中存在反射、折射、衍射、散射等传播规律，其沿直线传播，具有较强的成束性。超声波可在气体、液体、固体、固熔体等许多介质中有效传播，且不受光线、粉尘、电磁、潮湿等其他因素影响，在同一传播媒介中的传播速度基本保持不变。超声波测距作为一种非接触检测技术能够在比较恶劣的环境下完成，具有少维护、不污染、长寿命等特点，可广泛应用到汽车倒车、建筑施工以及工业现场的液位、井深等的测量。因此设计一款超声波测距装置是非常有必要的，由测距原理可知，只要测得超声波在媒介中传播所需的时间，就可以计算出待测距离。为了提高超声波测距精确度，必须精确地测得超声波在媒介中传播所需的时间。

与本发明相关的现有技术一--一种基于STC89C52单片机的超声波测距仪(专利公布号：CN 205539462 U)，该专利没有写出距离计算公式，而且只测量一个超声波传播时间，具有较大的偶然性，精准性不是很高。

与本发明相关的现有技术二--一种基于ZigBee通信的超声波测距***及方法(专利公布号：CN 106646443 A)，该测距方法只测得一个超声波传播时间，这会有很大的偶然性，从而有造成不必要误差的隐患。另外，该专利的测距***需要固定在主机和从机上，不便于移动，具有很大的限制性，而且需要两套***，从而增加了该测距***的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够高精准度地测得超声波传播时间，减少测量误差的超声波测距装置和方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种超声波测距装置，包括超声波传感器、放大器、整流器、滤波器、电压比较器、微控制器、时钟电路、显示模块和电源模块，用来计时的第一个计时器以及第二个计时器，其中，时钟电路、显示模块和电源模块连接到微控制器，微控制器的一个输出端通过驱动电路连接到超声波传感器的发射端，超声波传感器的接收端依次通过放大器、整流器、滤波器、电压比较器连接到微控制器的一个输入端；

当微控制器给超声波传感器发射器一个触发信号，超声波发射器接收到有效的触发信号后发射一段超声波，此时第一个计时器开始计时，超声波在媒介中沿直线传播，遇到障碍物被反射回来，当超声波接收器接收到返回来的超声波时，第一个计时器停止计时，同时第二个计时器开始计时,接收到的信号分别传输到放大器、整流器、滤波器进行放大、整流、滤波处理得到一段完整的电信号，当微控制器检测到送来的信号是高电平信号而且完全接收到这段连续的高电平信号时，第二个计时器停止计时，由此得到2个记录时间T1、T2，在微控制器中把这两个时间进行求平均值计算，然后根据距离计算公式计算出待测距离，在显示模块中显示所测距离。

优化的，所述超声波传感器包括配对设置的超声波发射器和超声波接收器。

优化的，所述超声波发射器由发送头和换能器组成，换能器用于将电振动转换成超能量的超声波，并经发送头发射出去，超声波接收器由接收头和换能器组成，换能器将接收头接收到的超声波变换成电信号。

优化的，所述的第一个计时器和第二个计时器是单独的计时器，均连接到微控制器。

优化的，所述的第一个计时器和第二个计时器是微控制器自带的计时器。

优化的，所述显示模块包括驱动电路及连接到驱动电路的显示装置。

优化的，所述显示装置为由发光二极管组成的LED数码管。

或者，所述显示装置为LCD显示屏。

距离计算公式为：

T＝(T1+T2)/2

S＝CT/2

其中，C为声波在媒介中传播速度；T1、T2均为记录时间，T是T1和T2的平均值，即为超声波在媒介中往返传播所需时间，也称测得时间；S为所测得距离。

本发明还提供一种采用上述任一方案所述的超声波测距装置进行测距的方法，包括以下步骤：

步骤1：微控制器通过驱动电路给超声波发射器一个触发信号，控制发射器；

步骤2：使超声波发射器发射向具有反射参考物的待测距离的方向发射一段超声波，同时，第一个计时器开始计时，记为记录时间T1；

步骤3：当超声波接收器收到返回来的超声波时，将接收到的信号传送到放大器中；

步骤4：放大器将信号放大后，传送到整流器中；

步骤5：整流器将信号进行整流后，再把整流后的信号传送到滤波器；

步骤6：滤波器获得信号，进行滤波后传送给电压比较器；

步骤7：电压比较器将获得的信号与预设信号进行比较，将比较结果传送给微控制器；

步骤8：当微控制器接收到上述处理后的信号时，第一个计时器停止计时，此时获得超声波在媒介中往返传播记录时间T1，同时，第二个计时器开始计时，记为记录时间T2；

步骤9：当微控制器完全接收到上述处理后的信号时，第二个计时器停止计时，此时获得超声波在媒介中往返传播记录时间T2；

步骤10：微控制器将上述得到的两个记录时间，即T1、T2，求平均值，得到超声波在媒介中往返传播所需时间T，即为测得时间；

步骤11：微控制器根据测得时间和计算距离公式计算出待测距离；

步骤12：显示模块将所测得的距离值显示出来。

本发明相比现有技术具有以下优点：有效地减小了时间测定误差，从而减小了距离测量误差。此外，还可以通过显示模块，清楚明了地观察到所测距离的值。

附图说明

图1为本发明计算超声波往返时间的方法；

图2为本发明超声波测距装置的整体框图；

图3为本发明超声波测距的过程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1至图3，本发明提供一种超声波测距装置，包括超声波传感器、放大器、整流器、滤波器、电压比较器、微控制器、时钟电路、显示模块和电源模块，用来计时的第一个计时器以及第二个计时器。其中，时钟电路、显示模块和电源模块连接到微控制器，微控制器的一个输出端通过驱动电路连接到超声波传感器的发射端，超声波传感器的接收端依次通过放大器、整流器、滤波器、电压比较器连接到微控制器的一个输入端。

当微控制器给超声波传感器发射器一个触发信号，超声波发射器接收到有效的触发信号后发射一段超声波，此时第一个计时器开始计时，超声波在媒介中沿直线传播，遇到障碍物被反射回来，当超声波接收器接收到返回来的超声波时，第一个计时器停止计时，同时第二个计时器开始计时。接收到的信号分别传输到放大器、整流器、滤波器进行放大处理、进行整流处理、进行滤波处理得到一段完整的电信号。而微控制器与滤波器相连，当微控制器检测到送来的信号是高电平信号而且完全接收到这段连续的高电平信号时，第二个计时器停止计时。由此得到2个记录时间T1、T2，在微控制器中把这两个时间进行求平均值计算，然后根据距离计算公式计算出待测距离。然后，在显示模块中显示所测距离。

上述的超声波传感器包括配对设置的超声波发射器和超声波接收器，而上述的第一个计时器和第二个计时器可以是单独连接到微控制器的计时器，也可以是微控制器自带的计时器。

上述距离计算公式为：

T＝(T1+T2)/2

S＝CT/2

其中，C为声波在媒介中传播速度；T1、T2均为记录时间，T是T1和T2的平均值，即为超声波在媒介中往返传播所需时间，也称测得时间；S为所测得距离。

本发明实施例还提供了一种使用上述超声波测距装置进行测距的方法，其包括以下步骤：

步骤1：微控制器通过驱动电路给超声波发射器一个触发信号，控制发射器；

步骤2：使超声波发射器发射向具有反射参考物的待测距离的方向发射一段超声波，同时，第一个计时器开始计时，记为记录时间T1；

步骤3：当超声波接收器收到返回来的超声波时，将接收到的信号传送到放大器中；

步骤4：放大器将信号放大后，传送到整流器中；

步骤5：整流器将信号进行整流后，再把整流后的信号传送到滤波器；

步骤6：滤波器获得信号，进行滤波后传送给电压比较器；

步骤7：电压比较器将获得的信号与预设信号进行比较，将比较结果传送给微控制器；

步骤8：当微控制器接收到上述处理后的信号时，第一个计时器停止计时，此时获得超声波在媒介中往返传播记录时间T1，同时，第二个计时器开始计时，记为记录时间T2；

步骤9：当微控制器完全接收到上述处理后的信号时，第二个计时器停止计时，此时获得超声波在媒介中往返传播记录时间T2；

步骤10：微控制器将上述得到的两个记录时间，即T1、T2，求平均值，得到超声波在媒介中往返传播所需时间T，即为测得时间；

步骤11：微控制器根据测得时间和计算距离公式计算出待测距离；

步骤12：显示模块将所测得的距离值显示出来。

上述的微控制器需要包含两个计时器或者计数器，用于记录从发射超声波到接收到超声波所用时间T1和微控制器接收到高电平信号持续的时间T2，由图1可以清楚看到这两个时间的界定；微控制器还可以用于驱动超声波发射器使其触发，从而发射超声波，此时第一个计时器开始计时。

上述的超声波发射器由发送头和换能器组成，换能器用于将电振动转换成超能量的超声波，并经发送头发射出去。而超声波接收器由接收头和换能器组成，换能器将接收头接收到的超声波变换成电信号。

上述步骤3中，超声波在沿直线传播中遇到障碍物，被反射回来，由超声波接收器检测到。

接下来做下面步骤处理，分别经过步骤4、步骤5、步骤6的放大处理、整流处理、滤波处理，从而得到一段完整的电信号。然后经过步骤7处理，使此电信号与电压比较器的预设值进行比较，如果此信号是幅值大于预设信号的幅值，则电压比较器的输出由低电平变为高电平。当超声波接收完超声波转换成的电信号，接下来的电压比较器输入端信号的幅值不大于预设信号的幅值，从而电压比较器输出端由高电平变为低电平。而电压器输出端接到了微控制器中，从而微控制器可以检测电压比较器输出端电平信号的变化，可以使得计时器记录这种信号的变化，即得到了超声波在媒介中传播所需时间。

在步骤8中，当微控制器检测到电压比较器输出端从低电平变为高电平时，第一个计时器停止计时，获得记录时间T1，同时第二个计时器开始计时。

而在步骤9中，当微控制器检测电压比较器输出端从高电平变为低电平时，第二个计时器停止计时，获得记录时间T2，此时T2也是超声波在媒介中传播所需时间。

上述步骤10中微控制器可以完成计算，那么将上述所记录的两个时间T1和T2求平均值，得到超声波在媒介中往返传播所需时间T，即为测得时间。然后在步骤11中，微控制器根据距离计算公式，计算出所测距离。

上述步骤12中显示模块包括驱动电路及显示装置，显示装置可以为由发光二极管组成的LED(Light Emitting Diode)数码管或LCD(Liquid Crystal Display)显示屏。通过位选码、段选码可以在显示模块中显示出所测得的距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波测距装置，其特征在于，包括超声波传感器、放大器、整流器、滤波器、电压比较器、微控制器、时钟电路、显示模块和电源模块，用来计时的第一个计时器以及第二个计时器，其中，时钟电路、显示模块和电源模块连接到微控制器，微控制器的一个输出端通过驱动电路连接到超声波传感器的发射端，超声波传感器的接收端依次通过放大器、整流器、滤波器、电压比较器连接到微控制器的一个输入端；

当微控制器给超声波传感器发射器一个触发信号，超声波发射器接收到有效的触发信号后发射一段超声波，此时第一个计时器开始计时，超声波在媒介中沿直线传播，遇到障碍物被反射回来，当超声波接收器接收到返回来的超声波时，第一个计时器停止计时，同时第二个计时器开始计时，接收到的信号分别传输到放大器、整流器、滤波器进行放大、整流、滤波处理得到一段完整的电信号，当微控制器检测到送来的信号是高电平信号而且完全接收到这段连续的高电平信号时，第二个计时器停止计时，由此得到2个记录时间T1、T2，在微控制器中把这两个时间进行求平均值计算，然后根据距离计算公式计算出待测距离，在显示模块中显示所测距离。

2.根据权利要求1所述的一种超声波测距装置，其特征在于，所述超声波传感器包括配对设置的超声波发射器和超声波接收器。

3.根据权利要求2所述的一种超声波测距装置，其特征在于，所述超声波发射器由发送头和换能器组成，换能器用于将电振动转换成超能量的超声波，并经发送头发射出去，超声波接收器由接收头和换能器组成，换能器将接收头接收到的超声波变换成电信号。

4.根据权利要求1所述的一种超声波测距装置，其特征在于，所述的第一个计时器和第二个计时器是单独的计时器，均连接到微控制器。

5.根据权利要求1所述的一种超声波测距装置，其特征在于，所述的第一个计时器和第二个计时器是微控制器自带的计时器。

6.根据权利要求1所述的一种超声波测距装置，其特征在于，所述显示模块包括驱动电路及连接到驱动电路的显示装置。

7.根据权利要求6所述的一种超声波测距装置，其特征在于，所述显示装置为由发光二极管组成的LED数码管。

8.根据权利要求6所述的一种超声波测距装置，其特征在于，所述显示装置为LCD显示屏。

9.根据权利要求1所述的一种超声波测距装置，其特征在于，距离计算公式为：

T＝(T1+T2)/2

S＝CT/2

其中，C为声波在媒介中传播速度；T1、T2均为记录时间，T是T1和T2的平均值，即为超声波在媒介中往返传播所需时间，也称测得时间；S为所测得距离。

10.一种采用权利要求1至9任一项所述的超声波测距装置进行测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：微控制器通过驱动电路给超声波发射器一个触发信号，控制发射器；

步骤2：使超声波发射器发射向具有反射参考物的待测距离的方向发射一段超声波，同时，第一个计时器开始计时，记为记录时间T1；

步骤3：当超声波接收器收到返回来的超声波时，将接收到的信号传送到放大器中；

步骤4：放大器将信号放大后，传送到整流器中；

步骤5：整流器将信号进行整流后，再把整流后的信号传送到滤波器；

步骤6：滤波器获得信号，进行滤波后传送给电压比较器；

步骤7：电压比较器将获得的信号与预设信号进行比较，将比较结果传送给微控制器；

步骤8：当微控制器接收到上述处理后的信号时，第一个计时器停止计时，此时获得超声波在媒介中往返传播记录时间T1，同时，第二个计时器开始计时，记为记录时间T2；

步骤9：当微控制器完全接收到上述处理后的信号时，第二个计时器停止计时，此时获得超声波在媒介中往返传播记录时间T2；

步骤10：微控制器将上述得到的两个记录时间，即T1、T2，求平均值，得到超声波在媒介中往返传播所需时间T，即为测得时间；

步骤11：微控制器根据测得时间和计算距离公式计算出待测距离；

步骤12：显示模块将所测得的距离值显示出来。