CN202486313U - 超声波测距传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波测距传感器，包括相互连接的CPU模块、信号处理模块和收发一体超声波换能器。本实用新型采用通用器件，通过自主设计的信号处理模块对超声波测距信号进行放大、补偿、滤波、整形等一系列的处理后，在不使用价格高的专用的超声波测距芯片的情况下，可使超声波探测精度达到毫米级、探测距离增大，还通过电路设计提高了产品的稳定性，具有良好的应用前景。

Description

超声波测距传感器

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，具体涉及一种超声波测距传感器。 

背景技术

近几年，超声波传感器技术已经广泛应用于工业自动化测距、纠偏、测流量、测风速等。由于传统的超声波测距传感器在恶劣的工作环境下精度低，稳定性及可靠性差，无法应用于高要求的自控领域。目前国外专用的超声波测距芯片可以在恶劣的环境情况下工作，精度高，稳定性及可靠性高，但难以采购且成本过高，不易实现。 

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中传统的超声波测距传感器在恶劣的工作环境下精度低，稳定性及可靠性差，无法应用于高要求的自控领域。目前国外专用的超声波测距芯片可以在恶劣的环境情况下工作，精度高，稳定性及可靠性高，但难以采购且成本过高，不易实现的问题。 

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是： 

一种超声波测距传感器包括CPU模块、信号处理模块和收发一体超声波换能器，所述CPU模块包括CPU和第二电源电路，所述第二电源电路与CPU模块中各电路相连接，其特征在于：所述CPU模块还包括施密特触发电路、回波信号输出驱动电路、超声波发射驱动电路和自动增益控制驱动电路，外部测距***主机的触发信号输出端与CPU模块的施密特触发电路的触发信号输入端相连接，所述施密特触发电路的输出端与CPU的第一外部中断端口相连接，CPU的回波信号输出端通过回波信号输出驱动电路与外部测距***主机的回波信号输入端相连接，CPU的增益控制信号输出端通过自动增益控制驱动电路与设置在信号处理模块内的自动增益控制电路相连接，CPU的超声波发射驱动信号输出端通过超声波发射驱动电路与设置在信号处理模块内的换能器升压驱动电路相连接。

前述的超声波测距传感器，其特征在于：所述信号处理模块还包括阻抗匹配及前置放大电路、二级带通滤波放大电路、有源全波整流滤波电路和波形整形比较器电路，所述收发一体超声波换能器的接线端分别与阻抗匹配及前置放大电路的输入端及换能器升压驱动电路的输出端相连接，阻抗匹配及前置放大电路的输出端通过所述自动增益控制电路与二级带通滤波放大电路的输入端相连接，二级带通滤波放大电路的输出端与有源全波整流滤波电路的输入端相连接，有源全波整流滤波电路的输出端与波形整形比较器电路的输入端相连接，波形整形比较器电路的输出端与所述CPU的第二外部中断端口相连接。 

前述的超声波测距传感器，其特征在于：所述信号处理模块还设有射极跟随型中点电压驱动电路，所述射极跟随型中点电压驱动电路分别与阻抗匹配及前置放大电路、二级带通滤波放大电路和有源全波整流滤波电路中的运算放大器的同相输入端相连接。 

前述的超声波测距传感器，其特征在于：所述设置在信号处理模块内的自动增益控制电路，位于所述阻抗匹配及前置放大电路和二级带通滤波放大电路之间。 

前述的超声波测距传感器，其特征在于：所述设置在信号处理模块内的波形整形比较器电路设有比较器，所述比较器的触发基准电压端与二极管的正极相连接，所述二极管的负极与所述射极跟随型中点电压驱动电路的输出端相连接。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型仍然采用通用器件，通过自主设计的信号处理模块对超声波测距信号进行放大、补偿、滤波、整形等一系列的处理后，在不使用价格高的专用的超声波测距芯片的情况下，可使超声波探测精度达到毫米级、探测距离增大，还通过电路设计提高了产品的稳定性和可靠性，具有良好的应用前景。 

附图说明

图1是本实用新型的超声波测距传感器的***框图。 

图2是本实用新型的超声波测距传感器的软件设计流程图。 

图3是本实用新型的超声波测距传感器与外部测距***主机的接口图。 

图4是本实用新型的外部测距***主机分析得到的信号时序图。 

图5是本实用新型的信号处理模块的电路原理图。 

图6是本实用新型的CPU模块的电路原理图。 

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本实用新型作进一步的说明。 

如图1所示，一种超声波测距传感器，包括CPU模块、信号处理模块和收发一体超声波换能器，外部测距***主机的触发信号输出端Clock端口与CPU模块的施密特触发电路的输入端Clock端口相连接，所述施密特触发电路的输出端与CPU的第一外部中断INT0端口相连接，CPU的回波信号输出端out3端口与回波信号输出驱动电路的输入端相连接，回波信号输出驱动电路输出端Echo端口与外部测距***主机的回波信号输入端Echo端口相连接，CPU的增益控制信号输出端out2端口与自动增益控制驱动电路的输入端相连接，自动增益控制驱动电路的输出端与信号处理模块内的自动增益控制电路相连接，CPU的超声波发射驱动信号输出端out1端口与超声波发射驱动电路的输入端相连接，超声波发射驱动电路的输出端与信号处理模块内的换能器升压驱动电路相连接。 

所述收发一体超声波换能器的接线端分别与信号处理模块内的阻抗匹配及前置放大电路的输入端及换能器升压驱动电路的输出端相连接，阻抗匹配及前置放大电路的输出端与自动增益控制电路的输入端相连接，自动增益控制电路的输出端与二级带通滤波放大电路的输入端相连接，二级带通滤波放大电路的输出端与有源全波整流滤波电路的输入端相连接，有源全波整流滤波电路的输出端与波形整形比较器电路的输入端相连接，波形整形比较器电路的输出端与CPU的第二外部中断 INT1端口相连接。 

所述信号处理模块还设有射极跟随型中点电压驱动电路和第一电源电路，所述射极跟随型中点电压驱动电路分别与阻抗匹配及前置放大电路、二级带通滤波放大电路和有源全波整流滤波电路中的运算放大器的同相输入端相连接，第一电源电路与信号处理模块中的各电路相连接。 

所述设置在信号处理模块内的自动增益控制电路，位于阻抗匹配及前置放大电路和二级带通滤波放大电路之间。 

所述设置在信号处理模块内的波形整形比较器电路设有比较器，所述比较器的触发基准电压端与二极管的正极相连接，所述二极管的负极与所述射极跟随型中点电压驱动电路的输出端相连接。 

其中CPU模块用于控制处理各种信号的输入输出；超声波换能器用于发出超声波信号和接收超声波回波信号；第二电源电路用于超声波测距传感器各电路提供工作电压；施密特触发电路用于将外部测距***主机发送的测距触发信号进行整形，由于不同厂家的外部测距***主机发出的测距触发信号电平并不一致，故将施密特触发器电路设计成宽逻辑电平的工作模式，即输入电平高于2/3U_B为高电平，输入电平低于1/3 U_B为低电平，U_B为本超声波测距传感器的供电电压；施密特触发器电路由精密比较器芯片构成，其相关电阻值是经过精密计算取得的；超声波发射驱动电路采用三极管或mos管对CPU输出的超声波发射信号进行放大，用于驱动信号处理模块内的超声波换能器升压驱动电路，确保收发一体超声波换能器能发出超声波信号；换能器升压驱动电路采用微型变压器将超声波发射波信号升压到几百伏，驱动收发一体的超声波换能器发出超声波信号，微型变压器初级端的供电电源需有良好的滤波处理，确保发射出去的超声波稳定；自动增益控制驱动电路由CPU根据不同的时间域所对应的探测距离来控制自动增益控制驱动电路，根据探测距离越近，信号衰减量越大，增益越低的原则来输出不同的电平到信号处理模块内的自动增益控制电路中的三极管的基极，从而控制回波信号的放大增益；考虑到CPU的驱动能力有限，以及回波输出信号极性要符合外部测距***主机的要求这两点因素，回波信号输出驱动电路中的驱动器件采用耐压较高、输出电流较大的三极管或mos管，将超声波回波信号输送给外部测距***主机的Echo回波脉冲输入端，提高产品的可靠性。 

所述信号处理模块设有阻抗匹配及前置放大电路、自动增益控制电路、二级带通滤波放大电路、有源全波整流滤波电路和波形整形比较器电路，所述阻抗匹配及前置放大电路、自动增益控制电路、二级带通滤波放大电路和有源全波整流滤波电路、波形整形比较器电路依次连接。所述阻抗匹配及前置放大电路采用反相输入形式的线性运放电路，其输入信号由收发一体超声波换能器给定，经放大后的信号输出到自动增益控制电路。虽然此电路与收发一体超声波换能器的阻抗匹配性稍差，但共模抑制比高，能有效的抑制电源电压的波动，提高测量数据的精度，至于因阻抗匹配性差而造成的信号放大倍数的损失可在后续的电路中弥补，这里选用的运算放大器放选用低噪声，宽带宽的线性运放，运放的截止频率十倍于工作频率。 

所述自动增益控制电路由于整个超声波测距传感器信号处理模块对回波信号的放大倍数很大，自动增益控制电路在整个信号处理电路中所处的位置显得很重要，其直接影响到整个信号处理电路的信噪比和稳定性，自动增益控制电路放置于阻抗匹配及前置放大电路和二级带通滤波放大电路之间效果最好。自动增益控制电路的输入信号来自于阻抗匹配及前置放大电路的输出端，电路采用三极管共发射极（或mos管共源极）电路对阻抗匹配及前置放大电路放大后的超声波回波信号进行分压处理，其对信号的衰减量由CPU进行控制，经自动增益控制电路处理后的信号输出到二级带通滤波放大电路进行选频放大，自动增益控制电路能有效的减小测距的盲区。 

所述二级带通滤波放大电路采用线性运放作为无限增益放大器的多重反馈有源滤波器，特点是滤波器频点、带宽及增益易调，并采用两级可大大的提高整个信号处理电路在工作频率点的信号放大增益，有效的提高电路对其它声波的抗干扰能力及增大探测距离，其输入信号来自于自动增益控制电路的输出，输出信号提供给有源全波整流滤波电路进行全波整流滤波信号处理。 

所述有源全波整流滤波电路由精密全波整流电路和π型RC滤波电路组成，能够使电路避免二极管死区电压和指数特性对整流输出的影响，实现了精密全波整流和高灵敏度。该电路的输入信号来自于二级带通滤波放大电路，输出信号接后面的波形整形比较器电路的信号输入端。 

所述波形整形比较器电路是在比较器的一端即触发基准电压采用自动跟踪运放的中点电压的方式，由一个二极管在正向导通时压降的基本恒定特点来作为超声波回波信号的触发基准电压，一旦运放的中点电压因某种原因产生波动时比较器该端的触发基准电压也自动跟随变动，从而使得对经过有源全波整流滤波电路的超声波回波信号的电压与触发基准电压的差值保持不变，提高了整个电路的测距精度。 

所述射极跟随型中点电压驱动电路由于本电路中单电源供电的运算放大器工作时同相输入端需提供一个1/2Vcc中点电压才能正常工作（Vcc为线性运放的工作电压），中点电压的稳定与否至关重要，为了提高整个电路的稳定性和测距精度，对电阻分压后的1/2Vcc再经过一道射极跟随电路能够提高其中点电压的负载能力，从而保证了中点电压的稳定性，提高了整个电路的稳定性和测距精度。 

结合图2所示，本实用新型的超声波测距传感器的具体工程过程如下：当外部测距***主机给出一个起始的测距触发信号到施密特触发电路的Clock端口，经施密特触发电路电平转换后传送给CPU模块的CPU处理器的第一外部中断INT0端口，CPU收到此信号后立刻控制超声波发射驱动电路，驱动收发一体的超声波换能器发出一串超声波信号，同时CPU通过自动增益控制驱动电路来控制自动增益控制电路，根据不同的时间域所对应的探测距离来控制自动增益控制电路对回波信号进行衰减，探测距离越近，信号衰减量越大，增益越低。当超声波碰到物体时产生回波，回波被收发一体的超声波换能器所探测到，探测到的回波信号经信号处理模块处理后触发CPU模块的CPU的第二外部中断INT1端口，CPU即产生一固定脉宽的脉冲信号（即超声波回波响应信号），再通过回波信号输出驱动电路的Echo端输出到外部测距***主机Echo输入端，供外部测距***主机使用。外部测距***主机根据其自身发出的测距Clock触发信号和由超声波测距传感器所返回的超声波Echo回波信号的时间差来计算距离。 

上述的信号处理模块处理的回波信号的工作原理如下：由超声波换能器所探测到的微弱信号首先经阻抗匹配及前置放大电路对回波信号进行放大，将微伏级的信号放大成毫伏级的信号，然后送入自动增益控制电路，自动增益控制电路实际是一个受CPU模块中CPU控制的信号衰减器，具体控制方法为：对信号的衰减量同所检测到的超声波的回波距离成反比，即超声波回波信号距离越近衰减量越大。超声波回波信号经过自动增益控制电路后到达二级带通滤波放大电路，该电路对能够对超声波回波信号进行选频放大，滤除杂波。经选频放大后的超声波回波信号再送入有源全波整流滤波电路提取出超声波回波信号的包络线信号，最后经过波形整形比较器电路传送出一个CPU模块中的CPU能够识别的超声波回波中断触发信号。具体过程如下：波形整形比较器电路的比较器的一端接触发基准电压，当超声波回波信号的强度超过这一触发基准电压时比较器翻转，输出一控制信号到CPU模块中的CPU的外部中断INT1端口，CPU即产生一固定脉宽的脉冲信号（即超声波回波响应信号），再通过回波信号输出驱动电路的Echo端输出到外部测距***主机Echo输入端，供外部测距***主机使用。如图3所示，本实用新型的超声波测距传感器与外部测距***主机的接口，其中＋U_B、-U_B端口为本超声波测距传感器的供电电压，Clock端口为外部测距***主机发出的测距触发信号，Echo端口为超声波测距传感器输出的超声波回波信号，其分析得到的信号时序图如图4所示，外部测距***主机根据其自身发出Clock测距触发信号和由超声波测距传感器所返回的Echo超声波回波信号的时间差echo time来计算距离。 

图5为本实用新型的信号处理模块的具体实施的电路原理图，图6为CPU模块的具体实施的电路原理图。 

综上所述，本实用新型仍然采用通用器件，通过自主设计的信号处理模块对超声波测距信号进行放大、补偿、滤波、整形等一系列的处理后，在不使用价格高的国外专用的超声波测距芯片的情况下，可使超声波探测精度达到毫米级（1毫米以下）、探测距离增大，还通过电路设计提高了产品的稳定性，具有良好的应用前景。 

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (5)

1.超声波测距传感器包括CPU模块、信号处理模块和收发一体超声波换能器，所述CPU模块包括CPU和第二电源电路，所述第二电源电路与CPU模块中各电路相连接，其特征在于：所述CPU模块还包括施密特触发电路、回波信号输出驱动电路、超声波发射驱动电路和自动增益控制驱动电路，外部测距***主机的触发信号输出端与CPU模块的施密特触发电路的触发信号输入端相连接，所述施密特触发电路的输出端与CPU的第一外部中断端口相连接，CPU的回波信号输出端通过回波信号输出驱动电路与外部测距***主机的回波信号输入端相连接，CPU的增益控制信号输出端通过自动增益控制驱动电路与设置在信号处理模块内的自动增益控制电路相连接，CPU的超声波发射驱动信号输出端通过超声波发射驱动电路与设置在信号处理模块内的换能器升压驱动电路相连接。

2.根据权利要求1所述的超声波测距传感器，其特征在于：所述信号处理模块还包括阻抗匹配及前置放大电路、二级带通滤波放大电路、有源全波整流滤波电路和波形整形比较器电路，所述收发一体超声波换能器的接线端分别与阻抗匹配及前置放大电路的输入端及换能器升压驱动电路的输出端相连接，阻抗匹配及前置放大电路的输出端通过所述自动增益控制电路与二级带通滤波放大电路的输入端相连接，二级带通滤波放大电路的输出端与有源全波整流滤波电路的输入端相连接，有源全波整流滤波电路的输出端与波形整形比较器电路的输入端相连接，波形整形比较器电路的输出端与所述CPU的第二外部中断端口相连接。

3.根据权利要求1或2所述的超声波测距传感器，其特征在于：所述信号处理模块还设有射极跟随型中点电压驱动电路，所述射极跟随型中点电压驱动电路分别与阻抗匹配及前置放大电路、二级带通滤波放大电路和有源全波整流滤波电路中的运算放大器的同相输入端相连接。

4.根据权利要求1或2所述的超声波测距传感器，其特征在于：所述设置在信号处理模块内的自动增益控制电路，位于所述阻抗匹配及前置放大电路和二级带通滤波放大电路之间。

5.根据权利要求3所述的超声波测距传感器，其特征在于：所述设置在信号处理模块内的波形整形比较器电路设有比较器，所述比较器的触发基准电压端与二极管的正极相连接，所述二极管的负极与所述射极跟随型中点电压驱动电路的输出端相连接。

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