CN107765247A - 一种无串扰超声测距***硬件电路 - Google Patents

Abstract

一种无串扰超声测距***硬件电路，适用于超声测距领域。电路由发射电路及检测电路、滤波电路、收发开关控制电路、实时数据存储电路和历史数据存储电路组成。电路测量距离远、盲区小、测量信号失真小、精度高、动态范围大、回波信号稳定，余振小，且可跟据理论研究的需要调节余振个数，方便进行发射信号的编码、调制。

Description

一种无串扰超声测距***硬件电路

所属技术领域

本发明涉及一种无串扰超声测距***硬件电路，适用于超声测距领域。

背景技术

机器人已经被越来越广泛地应用于工业、农业、国防、科学实验、服务业等社会的各行各业中。移动机器人是一种在复杂环境下工作的具有自规划、自组织、自适应能力的机器人，正在成为机器人技术研究的新热点和重点。移动机器人智能化的一个最基本，也是最重要的表现是能够自主行走、自动躲避障碍物。理论上，移动机器人的行为可以根据其所处的环境预先进行规划，由一系列运动加以描述，最终能够实现自动行走和自动避障。但是在实际环境中存在运动的人或物，甚至环境只是局部已知，移动机器人的行为不能完全依照预定的规划去实现目标，因此移动机器人需要探测周围环境的感知***，利用各种传感器采集环境信息，实时调整行为，实现机器人的自主导航。超声波测距传感器(超声换能器)价格低廉、硬件容易实现、测距准确，故被广泛用作移动机器人的测距传感器。超声波测距是一种非接触的检测方式，它不受光线、被测对象颜色等因素的影响，具有一定的适应恶劣环境的能力。与激光传感器相比，超声测距传感器更容易获得近距离的空间信息，并且在价格上有很大优势。因此，超声测距传感器已成为移动机器人感知环境信息必不可少的一种传感器，它与CCD摄像机、红外、激光等传感器共同组成移动机器人的感知***。

由于超声换能器的波束角有限，为了获取更多的周围环境信息，采用多个超声传感器组成传感器阵列是比较普遍的方法。但是，由于多个超声传感器的存在，相邻传感器之间常常发生干扰，即为超声串扰。超声串扰是指在多个超声测距传感器同时工作时，其中的一个超声换能器接收到的信号是其它换能器发射的超声或超声碰到障碍物后的回波，并非自己发射超声的回波，由此导致换能器与障碍物之间的测量结果发生错误，从而会使移动机器人下一步的动作发生错误，极有可能撞上障碍物，产生严重的后果。因此，多个超声测距传感器同时工作时产生的超声串扰问题是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种无串扰超声测距***硬件电路，电路测量距离远、盲区小、测量信号失真小、精度高、动态范围大、回波信号稳定，余振小，且可跟据理论研究的需要调节余振个数，方便进行发射信号的编码、调制。

本发明所采用的技术方案是。

无串扰超声测距***电路由发射电路及检测电路、滤波电路、收发开关控制电路、实时数据存储电路和历史数据存储电路组成。

所述发射电路及检测电路中，信号源耳发出的脉冲信号，使Q1处于开关工作状态，这样在变压器的初级线圈中就会产生变化的电流，变化的电流产生的磁通在变压器的次级线圈感应出电压，次级感应电压是初级线圈感应电压的70倍左右(初次级感应电压之比等于线圈匝数之比)。次级线圈产生的几百伏高电压激励换能器，使得换能器发射超声波，电能转化成声能。超声波经障碍物反射回来，作用在换能器上，换能器的电容量随着超声波发生变化，电路中的电流也随之变化，声能转化成电能，这是超声波发射与接收一体的电路。

开关K1和K2处于相反的工作状态。当K1闭合(K2断开)时电路处于发射状态，电路按固有频率做幅度衰减的自由振荡，换能器发出超声波；同时，二极管D7将交流整流成直流，电容器C2存储直流电压，其值约等于交流电压的峰值电压，该电压为换能器的直流偏置电压。二极管D1和D2对余振起加速衰减的作用。调节可变电阻R4可改变余振的大小。当K2闭合(K1断开)时电路处于接收状态，这时若有超声波作用在换能器上，换能器的电容量发生变化，在电路中产生变化的电流。ECHO端点为回波电压检测点。二极管D3, D4, D5和D6做限幅器，把ECHO端点的电压限制在1.4伏以内，在开关切换过程中，换能器通过电阻R5放电，以免损坏其他元件。由于电路处于开关状态，电压波动大，所以用电容C2滤波。

所述滤波电路采用四阶巴特沃兹带通滤波器，MAX275是MAXIM公司生产的专用模拟集成有源滤波器芯片，芯片内部含有两个独立的二阶有源滤波电路，可同时进行低通和带通滤波，滤波电路由四个运算放大器及若干电阻、电容组成。两个运算放大器构成一个二阶节，每个二阶节的中心频率为fo。转折频率，品质因数Q，放大倍数都由芯片外部的四个电阻确定。滤波器的中心频率可从100Hz至300KHz，增益带宽积为15MHz，品质因数Q可以高至100。与由运算放大器和R. C组成的二阶节有源滤波器相比，MAX275组成的滤波器具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点。由于没有外接电容，高频场合时受分布电容的影响较小。

所述收发开关控制电路中，当有开关控制信号，Q1和Q3导通，Q2的栅极为低电平，Q2截止，AQW216内部3-4端点间的发光二极管截止，1-2端点间的发光二极管导通，从而5-6端点间的MOSFET管截止，7-8端点间的MOSFET管导通，接收开关断开，发射开关导通。R1，R3，R5对MOSFET管的栅极起限流的作用，R2对漏极电流起限流的作用，R4. R6对AQW216的发光二极管起限流的作用，用MOSFET管可提高开关的速度。

所述自增益放大器输出的开关控制电路由NE555组成单稳态触发电路，R1, R2,C4组成RC电路，其RC常数决定了暂稳态持续的时间。调节R2可改变时间常数。若无脉冲信号，则Q1截止，NE555的2脚为高电平，电路处于稳定状态，3脚输出低电平，Q2截止，Q3导通，AQW216的发光二极管导通(1,2脚间)，MOSFET管导通(7. 8脚间)，即放大器的输出开关闭合，放大器处于输出状态。当Q1导通，NE555的2脚处于低电平，3脚变为高电平，Q2导通，Q3截止，放大器输出开关断开。这期间，NE555处于暂稳态，当时间达到设定值时(该值大于脉冲信号持续的时间)，进入单稳态，3脚变为低电平，Q2截止，Q3导通，放大器处于输出状态。

本发明的有益效果是：电路测量距离远、盲区小、测量信号失真小、精度高、动态范围大、回波信号稳定，余振小，且可跟据理论研究的需要调节余振个数，方便进行发射信号的编码、调制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的发射电路及检测电路。

图2是本发明的滤波电路。

图3是本发明的收发开关控制电路。

图4是本发明的自增益放大器输出开关控制电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，发射电路及检测电路中，信号源耳发出的脉冲信号，使Q1处于开关工作状态，这样在变压器的初级线圈中就会产生变化的电流，变化的电流产生的磁通在变压器的次级线圈感应出电压，次级感应电压是初级线圈感应电压的70倍左右(初次级感应电压之比等于线圈匝数之比)。次级线圈产生的几百伏高电压激励换能器，使得换能器发射超声波，电能转化成声能。超声波经障碍物反射回来，作用在换能器上，换能器的电容量随着超声波发生变化，电路中的电流也随之变化，声能转化成电能，这是超声波发射与接收一体的电路。

开关K1和K2处于相反的工作状态。当K1闭合(K2断开)时电路处于发射状态，电路按固有频率做幅度衰减的自由振荡，换能器发出超声波；同时，二极管D7将交流整流成直流，电容器C2存储直流电压，其值约等于交流电压的峰值电压，该电压为换能器的直流偏置电压。二极管D1和D2对余振起加速衰减的作用。调节可变电阻R4可改变余振的大小。当K2闭合(K1断开)时电路处于接收状态，这时若有超声波作用在换能器上，换能器的电容量发生变化，在电路中产生变化的电流。ECHO端点为回波电压检测点。二极管D3, D4, D5和D6做限幅器，把ECHO端点的电压限制在1.4伏以内.在开关切换过程中，换能器通过电阻R5放电，以免损坏其他元件。由于电路处于开关状态，电压波动大，所以用电容C2滤波。

如图2, 滤波电路采用四阶巴特沃兹带通滤波器，MAX275是MAXIM公司生产的专用模拟集成有源滤波器芯片，芯片内部含有两个独立的二阶有源滤波电路，可同时进行低通和带通滤波，滤波电路由四个运算放大器及若干电阻、电容组成。两个运算放大器构成一个二阶节，每个二阶节的中心频率为fo。转折频率，品质因数Q，放大倍数都由芯片外部的四个电阻确定。滤波器的中心频率可从100Hz至300KHz，增益带宽积为15MHz，品质因数Q可以高至100。与由运算放大器和R. C组成的二阶节有源滤波器相比，MAX275组成的滤波器具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点。由于没有外接电容，高频场合时受分布电容的影响较小。

如图3，收发开关控制电路中，当有开关控制信号，Q1和Q3导通，Q2的栅极为低电平，Q2截止，AQW216内部3-4端点间的发光二极管截止，1-2端点间的发光二极管导通，从而5-6端点间的MOSFET管截止，7-8端点间的MOSFET管导通，接收开关断开，发射开关导通。R1，R3，R5对MOSFET管的栅极起限流的作用，R2对漏极电流起限流的作用，R4. R6对AQW216的发光二极管起限流的作用，用MOSFET管可提高开关的速度。

如图4，自增益放大器输出的开关控制电路由NE555组成单稳态触发电路，R1, R2,C4组成RC电路，其RC常数决定了暂稳态持续的时间。调节R2可改变时间常数。若无脉冲信号，则Q1截止，NE555的2脚为高电平，电路处于稳定状态，3脚输出低电平，Q2截止，Q3导通，AQW216的发光二极管导通(1,2脚间)，MOSFET管导通(7. 8脚间)，即放大器的输出开关闭合，放大器处于输出状态。当Q1导通，NE555的2脚处于低电平，3脚变为高电平，Q2导通，Q3截止，放大器输出开关断开。这期间，NE555处于暂稳态，当时间达到设定值时(该值大于脉冲信号持续的时间)，进入单稳态，3脚变为低电平，Q2截止，Q3导通，放大器处于输出状态。

Claims (9)

1.一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述的无串扰超声测距***电路由发射电路及检测电路、滤波电路、收发开关控制电路、实时数据存储电路和历史数据存储电路组成。

2.根据权利要求1所述的一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述发射电路及检测电路中，信号源耳发出的脉冲信号，使Q1处于开关工作状态，这样在变压器的初级线圈中就会产生变化的电流，变化的电流产生的磁通在变压器的次级线圈感应出电压。

3.根据权利要求1所述的一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述的发射电路及检测电路中，开关K1和K2处于相反的工作状态，当K1闭合(K2断开)时电路处于发射状态，电路按固有频率做幅度衰减的自由振荡，换能器发出超声波。

4.根据权利要求1所述的一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述的积分扫描控制电路中，A点断开时，同步解调器得到的误差信号1将作为反相积分U3的输入信号，反相积分U3对误差信号1进行积分，得到压控晶体振荡器的纠偏电压Vcon。

5.根据权利要求1所述的一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述发射电路及检测电路中，ECHO端点为回波电压检测点，二极管D3, D4, D5和D6做限幅器，把ECHO端点的电压限制在1.4伏以内，在开关切换过程中，换能器通过电阻R5放电，以免损坏其他元件。

6.根据权利要求1所述的一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述滤波电路采用四阶巴特沃兹带通滤波器，MAX275芯片内部含有两个独立的二阶有源滤波电路，可同时进行低通和带通滤波。

7.根据权利要求1所述的一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述滤波电路由四个运算放大器及若干电阻、电容组成，两个运算放大器构成一个二阶节，每个二阶节的中心频率为fo，转折频率，品质因数Q，放大倍数都由芯片外部的四个电阻确定。

8.根据权利要求1所述的一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述收发开关控制电路中，当有开关控制信号，Q1和Q3导通，Q2的栅极为低电平，Q2截止，AQW216内部3-4端点间的发光二极管截止，1-2端点间的发光二极管导通，从而5-6端点间的MOSFET管截止。

9.根据权利要求1所述的一种无串扰超声测距***硬件电路，其特征是：所述自增益放大器输出的开关控制电路由NE555组成单稳态触发电路，R1, R2, C4组成RC电路，其RC常数决定了暂稳态持续的时间，调节R2可改变时间常数。