专利名称：超声波测距传感器的制作方法
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—种超声波测距传感器包括CPU�？�、信号处理�？楹褪辗⒁惶宄ɑ荒芷鳎鯟PU�？榘–PU和第二电源电路，所述第二电源电路与CPU�？橹懈鞯缏废嗔樱涮卣髟谟谒鯟PU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，外部测距系统主机的触发信号输出端与CPU�？榈氖┟芴卮シ⒌缏返拇シ⑿藕攀淙攵讼嗔樱鍪┟芴卮シ⒌缏返氖涑龆擞隒PU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系统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�？槟诘淖远鲆婵刂频缏废嗔樱珻PU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�？榛拱ㄗ杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏贰⒍洞瞬ǚ糯蟮缏�、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�？榛股栌猩浼嫘椭械愕缪骨缏罚錾浼嫘椭械愕缪骨缏贩直鹩胱杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏�、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�？槟诘淖远鲆婵刂频缏罚挥谒鲎杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏泛投洞瞬ǚ糯蟮缏分�。[0009]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�？槟诘牟ㄐ握伪冉掀鞯缏飞栌斜冉掀鳎霰冉掀鞯拇シ⒒嫉缪苟擞攵艿恼嗔樱龆艿母杭胨錾浼嫘椭械愕缪骨缏返氖涑龆讼嗔�。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�？槎猿ú饩嘈藕沤蟹糯蟆⒉钩�、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。
图I是本实用新型的超声波测距传感器的系统框图。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系统主机的接口图。图4是本实用新型的外部测距系统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�？榈牡缏吩硗�。图6是本实用新型的CPU�？榈牡缏吩硗�。
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I所示，一种超声波测距传感器，包括CPU模块、信号处理�？楹褪辗⒁惶宄ɑ荒芷鳎獠坎饩嘞低持骰拇シ⑿藕攀涑龆薈lock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INTO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端口与外部测距系统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OUtl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�？槟诘幕荒芷魃骨缏废嗔�。所述收发一体超声波换能器的接线端分别与信号处理�？槟诘淖杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏返氖淙攵思盎荒芷魃骨缏返氖涑龆讼嗔樱杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏返氖涑龆擞胱远鲆婵刂频缏返氖淙攵讼嗔樱远鲆婵刂频缏返氖涑龆擞攵洞瞬ǚ糯蟮缏返氖淙攵讼嗔樱洞瞬ǚ糯蟮缏返氖涑龆擞胗性慈ㄕ髀瞬ǖ缏返氖淙攵讼嗔樱性慈ㄕ髀瞬ǖ缏返氖涑龆擞氩ㄐ握伪冉掀鞯缏返氖淙攵讼嗔樱ㄐ握伪冉掀鞯缏返氖涑龆擞隒PU的第二外部中断INTl端口相连接。所述信号处理�？榛股栌猩浼嫘椭械愕缪骨缏泛偷谝坏缭吹缏罚錾浼嫘椭械愕缪骨缏贩直鹩胱杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏�、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�？橹械母鞯缏废嗔�。所述设置在信号处理�？槟诘淖远鲆婵刂频缏罚挥谧杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏泛投洞瞬ǚ糯蟮缏分�。[0022]所述设置在信号处理�？槟诘牟ㄐ握伪冉掀鞯缏飞栌斜冉掀鳎霰冉掀鞯拇シ⒒嫉缪苟擞攵艿恼嗔樱龆艿母杭胨錾浼嫘椭械愕缪骨缏返氖涑龆讼嗔�。其中CPU�？橛糜诳刂拼砀髦中藕诺氖淙胧涑觯怀ɑ荒芷饔糜诜⒊龀ㄐ藕藕徒邮粘ɑ夭ㄐ藕牛坏诙缭吹缏酚糜诔ú饩啻衅鞲鞯缏诽峁┕ぷ鞯缪梗皇┟芴卮シ⒌缏酚糜诮獠坎饩嘞低持骰⑺偷牟饩啻シ⑿藕沤姓危捎诓煌Ъ业耐獠坎饩嘞低持骰⒊龅牟饩啻シ⑿藕诺缙讲⒉灰恢拢式┟芴卮シ⑵鞯缏飞杓瞥煽砺呒缙降墓ぷ髂Ｊ剑词淙氲缙礁哂�2/3Ub为高电平,输入电平低于1/3 Ub为低电平，Ub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�？槟诘某ɑ荒芷魃骨缏罚繁Ｊ辗⒁惶宄ɑ荒芷髂芊⒊龀ㄐ藕牛换荒芷魃骨缏凡捎梦⑿捅溲蛊鹘ǚ⑸洳ㄐ藕派沟郊赴俜辗⒁惶宓某ɑ荒芷鞣⒊龀ㄐ藕牛⑿捅溲蛊鞒跫抖说墓┑绲缭葱栌辛己玫穆瞬ù恚繁７⑸涑鋈サ某ㄎ榷ǎ蛔远鲆婵刂魄缏酚蒀PU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�？槟诘淖远鲆婵刂频缏分械娜艿幕佣刂苹夭ㄐ藕诺姆糯笤鲆妫豢悸堑紺PU的驱动能力有限，以及回波输出信号极性要符合外部测距系统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系统主机的Echo回波脉冲输入端，提高产品的可靠性。所述信号处理�？樯栌凶杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏�、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�？槎曰夭ㄐ藕诺姆糯蟊妒艽螅远鲆婵刂频缏吩谡鲂藕糯淼缏分兴Φ奈恢孟缘煤苤匾渲苯佑跋斓秸鲂藕糯淼缏返男旁氡群臀榷ㄐ裕远鲆婵刂频缏贩胖糜谧杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏泛投洞瞬ǚ糯蟮缏分湫Ч詈�。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l/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系统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�？榈腃PU处理器的第一外部中断INTO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�？榇砗蟠シPU�？榈腃PU的第二外部中断INTl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端输出到外部测距系统主机Echo输入端，供外部测距系统主机使用。外部测距系统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�？榇淼幕夭ㄐ藕诺墓ぷ髟砣缦掠沙ɑ荒芷魉讲獾降奈⑷跣藕攀紫染杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏范曰夭ㄐ藕沤蟹糯螅⒎兜男藕欧糯蟪珊练兜男藕牛缓笏腿胱远鲆婵刂频缏罚远鲆婵刂频缏肥导适且桓鍪蹸PU模块中(PU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�？橹械腃PU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(PU模块中的CPU的外部中断INTl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端输出到外部测距系统主机Echo输入端，供外部测距系统主机使用。如图3所示，本实用新型的超声波测距传感器与外部测距系统主机的接口，其中+ UB、-UB端口为本超声波测距传感器的供电电压，Clock端口为外部测距系统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，外部测距系统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�？榈木咛迨凳┑牡缏吩硗�。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�？槎猿ú饩嘈藕沤蟹糯蟆⒉钩�、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(I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。
权利要求1.超声波测距传感器包括CPU模块、信号处理�？楹褪辗⒁惶宄ɑ荒芷鳎鯟PU�？榘–PU和第二电源电路，所述第二电源电路与CPU�？橹懈鞯缏废嗔樱涮卣髟谟谒鯟PU�？榛拱ㄊ┟芴卮シ⒌缏�、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，外部测距系统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系统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�？槟诘淖远鲆婵刂频缏废嗔樱珻PU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�？槟诘幕荒芷魃骨缏废嗔�。
2.根据权利要求I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I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I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�？槟诘淖远鲆婵刂频缏罚挥谒鲎杩蛊ヅ浼扒爸梅糯蟮缏泛投洞瞬ǚ糯蟮缏分洹�
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�？槟诘牟ㄐ握伪冉掀鞯缏飞栌斜冉掀鳎霰冉掀鞯拇シ⒒嫉缪苟擞攵艿恼嗔樱龆艿母杭胨錾浼嫘椭械愕缪骨缏返氖涑龆讼嗔�。
专利摘要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�？椤⑿藕糯砟？楹褪辗⒁惶宄ɑ荒芷�。本实用新型采用通用器件，通过自主设计的信号处理�？槎猿ú饩嘈藕沤蟹糯�、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。
文档编号G01S15/08GK202486313SQ20122010846
公开日2012年10月10日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者汪宇豪 申请人:南京锐电传感器设备有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
