专利名称：一种智能超声波测距传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超声波测距装置，具体地说，涉及一种智能超声波测距模块。
背景技术：
目前市场上提供的 超声波测距模块，大多数都是采用回波定位的方式，这类的装 置将超声波发射器和接收器集成一体，工作时，超声波发射器发射超声波，超声波到达测物 体后被反射回来由接收器接收，根据超声波发送和接收的时间差和声速来计算出被测物的 距离，这种超声波检测距离有限，且对被测物有一定要求，检测的精度较差容易受到干扰。 也有采用超声波发射和超声波接收分开的设计方法，中国专利局在2006年5月31日公告了公告号为2784945Y的专利名称为一种超 声波测距传感器，它包括各自分离的超声波发射器和超声波接收器组成，并在超声波发射 器上安装了一个光速波发射器，超声波发射器和光速波发射器的控制端并联，与一个脉冲 信号发生器的输出端连接构成控制回路，超声波接收器上安装了一个光速波接收器，光速 波接收器的输出端连接脉冲触发器的控制端，超声波接收器的输出端连接脉冲放大整形电 路，脉冲放大整形电路的输出端与脉冲触发器的控制端连接构成控制回路，在工作时，超声 波发射电路上的超声波发射器和光速波发射器在脉冲信号发生器的控制下，间歇同步发出 脉冲超声波和光速波；超声波接收电路上的超声波接收器和光速波接收器接收到各自的信 号，并送到脉冲触发器的控制端，脉冲触发器的输出端将会产生相应的两个不同的脉冲信 号，这两个不同的脉冲就是传感器的输出信号。但由于超声波的传播速度在各种环境下并 不是一个恒定值，会随着周围环境的变化而变化。影响超声波传播速度的环境因素最主要 的是温度。该超声波测距传感器没有针对环境因素进行补偿，特别是从一个环境中转移到 另一个环境中时，如果两个环境的特性(尤其是温度)差别太大，其测量精度就难以保证。 其使用范围受到一定的限制。
发明内容本实用新型主要解决了 超声波测距装置受到环境因素特别是温度变化因素的限 制问题，提供了一种能够在不同环境进行测量的智能超声波测距模块。本实用新型采用的技术方案为一种智能超声波测距传感器，包括相互独立的发 射模块和接收模块，所述的发射模块包括光速波发射器、超声波发射器、光速波发射电路、 超声波发射电路和信号发生器，光速波发射器与光速波发射电路连接，超声波发射器与超 声波发射电路连接，光速波发射电路和超声波发射电路的信号输入端并联接到一个信号发 生器的输出端；所述的接收模块包括光速波接收器、超声波接收器、光速波接收电路、超声 波接收电路、信号处理器和带有温度传感器的温度补偿电路，光速波接收器与光速波接收 电路连接，超声波接收器与超声波接收电路连接，光速波接收电路的输出端和温度补偿电 路的输出端并联连接再与信号处理器的控制端连接，超声波发射器的输出端与信号处理器 的控制端连接构成回路。[0006]光速波和超声波在信号发生器的控制下同时发射，再由接收模块接收，由于测距 一般是在空气中进行的，此时光速波受环境的影响较超声波而言非常小，且光速波在空气 中的速度约为30万千米/秒，在相对光速的近距离内光速波的传播时间可以忽略，故可以 将光速波的接收时间近似的看作为超声波测距的开启时间。测量时发射模块向接收模块先 发射光速波脉冲信号，同时发射超声波脉冲信号，接收模块接收到光速波脉冲信号时，开始 计时，收到超声波信号时计时停止，两者的时差即为超声波在空气中的传播时间t12，同时由 温度补偿补偿电路推测出该温度下的超声波速度V。根据公式s = VXt12，便可以计算出发 射模块与接收模块之间的距离。作为优选，所述的发射模块内还设有一个电池升压电路，电池升压电路的输出端 与光速波发射电路、超声波发射电路和信号发生器的电源端连接， 所述的电池升压电路由 一个单片机(IC3)、晶体振荡器(El)、晶体振荡器(E2)、电感(Li)、电容(C5)和四个电阻 (R15、R16、R17、R18)组成。电池升压电路主要将电池电压升压后给发射模块提供一个独立 于接收模块的稳定的5V电源。作为优选，所述的信号发生器为发射单片机，发射单片机与发射单片机电路连接， 发射单片机电路由一个晶体振荡器(XTl)、一个电阻(R20)和三个电容(Cl、C2、C3)组成， 电阻(R5)的一端接地线，另一端与其中一个电容(Cl)的一端连接，电容(Cl)的另一端接 高电势(+5V)，电容(C2) —端接电线、另一端接发射单片机的输入端和晶体振荡器(XTl)的 一端，电容(C3) —端接地线、另一端接发射单片机的另一个输入端和晶体振荡器(XTl)的 另一端，发射单片机(ICl)的接地端和电压输入端分别与地线、高电势(+5V)对应连接，发 射单片机(ICl)的信号输出端分别与光速波发射电路的信号输入端和超声波发射电路的 信号输入端连接。作为优选，所述的光速波发射器为红外光发射器，所述的光速波接收器为红外光 接收器，所述的光束波发射电路为红外光发射电路，所述的光束波接收电路为红外光接收 电路，所述的红外光发射器为红外光二极管(Dl)，红外光发射电路包括一个晶体三极管 (Q2)和两个电阻(R5、R10)，其中一个电阻R5的一端与发射单片机(ICl)的输出端连接，另 一端与与晶体三极管Q2的基极连接，晶体三极管(Q2)的集电极、红外光二极管(Dl)、另一 个电阻(RlO)、地线依次串联连接。作为优选，所述的超声波发射电路由一个晶体三极管(Ql)、一个电阻(R19)和六 个非门(IC2A、IC2B、IC2C、IC2D、IC2E、IC2F)电路组成，非门(IC2C)与非门(IC2D)并联 后，再与一个非门(IC2B)串联作为超声波发射头的正驱动；非门(IC2E)与非门(IC2F)并 联，再与电容(C4)串联作为超声波发射头的负驱动，正驱动和负驱动并联后与非门(IC2A) 串联连接在晶体三极管(Ql)的集电极，且晶体三极管(Ql)的集电极、电阻(R19)、高电势 (+5V)依次串联连接，晶体三极管(Ql)的基极与发射单片机(ICl)的一个信号输出端连接。作为优选，信号处理器为接收单片机(IC2)，红外光接收器与红外光接收电路连 接，红外光接收电路和温度补偿电路的输出信号端分别与接收单片机IC2连接，超声波接 收器与超声波接收电路连接，超声波接收电路与接收单片机IC2连接构成回路。作为优选，所述的超声波接收电路包括与超声波接收器顺序相连的前置放大电 路、采样电路、单管单调谐放大电路、检波电路、比较电路；所述的前置放大电路为由一个晶体三极管(Ql)、两个电容(C8、C9)和三个电阻(R1、R4、R5)组成的一个深度的负反馈放大电路，其中一个电阻(Rl) —端接电线，另一端分别与超声波接收器的一端和其中一个电容(C8)的一端连接，电容(C8)的另一端接晶体三 极管(Ql)的基极，电阻(R4)的两端分别与晶体三极管(Ql)的基极和集电极连接，起到了 一个深度的负反馈的作用，晶体三极管(Ql)的集电极还与电容(C9)、电阻(R5)的一端连 接，电阻(R5)的另一端接高电势(+5V)，电容(C9)的另一端作为输出端与采样电路连接，将 信号传递给采样电路。所述的采样电路包括两个电阻(R2、R6)和两个二极管(D1、D2)，电阻(R2)与一个 由电阻(R6)和两个二极管(D1、D2)构成的并联电路串联，其中两个二极管反向并联在电路 中，电阻(R2)与前置放大电路的输出端连接，导入采样信号，并联电路的输出端与单管单 调谐放大电路连接，将信号传递。所述的单管单调谐放大电路由一个晶体三极管(Q2)、四个电容(C7、C10、C11、 C12)、三个电阻(R8、R9、R10)、一个电感(Li)组成，电容(Cll)和电阻(RlO)并联连接构成 的电路，再分别与晶体三极管(Q2)的发射极和地线连接构成旁路，电容(C7)与电感(Li) 并联构成谐振回路，再分别与高电势(+5V)和晶体三极管(Q2)的集电极连接，谐振回路作 为晶体管的集电极负载，其谐振频率调谐在超声波信号的中心频率上，电阻(R8)和电阻 (R9)串联在地线和高电势之间，电阻(R8)和电阻(R9)的连接端与晶体三极管(Q2)的基 极连接，两个电阻主要给晶体管提供直流偏置电压，电容(ClO)和电容(Cll)分别是采样电 路、检波电路的耦合电容，电容(ClO) —端与采样电路的输出端连接、另一端与晶体三极管 (Q2)的基极连接，电容(C12) —端与晶体三极管(Q2)的集电极连接、另一端作为输出端与 检波电路的输入端连接。所述的检波电路由一个二极管(D3) —个晶体三极管(Q3)、一个电阻(R3)和一个 电容(C13)组成；电阻(R3)和电容(C13)并联，并联后的电路一端接晶体三极管(Q3)的发 射极另一端接地线，二极管(D3)的负极接晶体三极管(Q3)的基极、正极接地线，二极管D3 起到了将负半轴波形滤除的作用，晶体三极管(Q3)的基极与单管单调谐放大电路的输出 端连接、集电极与高电势(+5V)连接、发射极作为输出端与比较电路连接。所述的比较电路主要由三个电阻(R7、R12、R13)、一个电容(C14)和一个放大器 (IC2)组成，电容(C14) 一端作为输入端与检波电路连接、另一端连接电阻(R7)和电阻 (R13)的一端，电阻(R7)另一端接地线，电阻(R13)另一端接放大器(IC2)的负极，放大器 的负极和输出端之间串联电组(R12)，放大器的正极连接一个可变电阻(RWl)的输出端，可 变电阻的两个输入端分别接地线和高电势(+5V)，放大器的输出端与接收单片机(IC4)的 一个输入端连接。本实用新型取得的有益效果1采用超声波发射端和接收端分离的模块，不依赖 超声波的发射，可以消除测量的盲区。2采用测距范围大，由于接收模块中有温度补偿电路， 测量时环境影响小，测量精确度高。
图1为本实用新型的电池升压电路图；图2为本实用新型的发射模块工作的电路原理图；图3为本实用新型的接收模块工作的电路原理图；具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的说明。实施例一种智能超声波测距传感器，包括相互独立的发射模块和接收模块，发射 模块包括红外光发射器D1、超声波发射器JP1、红外光发射电路、超声波发射电路、与发射 单片机ICl连接的发射单片机电路、电池升压电路(参见附图1、2、3)，红外光发射电路和超 声波发射电路的信号输入端并联接到发射单片机的输出端，其中红外光发射器为红外光二 极管Dl ；接收模块包括红外光接收器AS1、超声波接收器J1、红外光接收电路、超声波接收 电路、与接收单片机IC4连接的接收单片机电路和与温度传感器J2连接的温度补偿电路， 其中温度传感器J2型号为DS18B20，红外光接收电路的输出端和温度补偿电路的输出端并 联连接到接收单片机的控制端，超声波发射器JPl的输出端与接收单片机IC4的控制端连 接构成回路。电池升压电路(参见附图1)由一个升压芯 片IC3、晶体振荡器E1、晶体振荡器E2、 电感L1、电容C5、电阻R2、电阻R6、电阻R7和电阻R8组成，电池升压电路主要将电池电压 升压后给发射模块提供一个独立于接收模块的稳定的5V电源。发射单片机电路(参见附图2)由发射单片机IC1，电容Cl、电容C2、电容C3、一个 电阻R3和晶体振荡器XTl组成，发射单片机ICl的信号输出端分别与红外光发射电路的信 号输入端和超声波发射电路的信号输入端连接。红外光发射电路(参见附图3)包括一个晶体三极管Q2和两个电阻R5、R6，其中 电阻R5的一端作为输入端与发射单片机ICl的信号输出端连接，另一端与与晶体三极管Q2 的基极连接，晶体三极管Q2的集电极依次与红外光二极管D1、地线连接。超声波发射电路由一个晶体三极管Q1、一个电阻R1、六个非门电路组成，两个非 门IC2C与IC2D并联后，再与一个非门IC2B串联作为超声波发射头的正驱动；两个非门 IC2E与IC2F并联，再与电容C4串联作为超声波发射头的负驱动，正驱动和负驱动并联后与 非门IC2A串联接在晶体三极管Ql的集电极，且集电极依次与电阻R1、电源高电势端连接， 晶体三极管Ql的基极与发射单片机ICl的一个信号输出端连接。超声波接收电路包括与超声波接收器顺序相连的前置放大电路、采样电路、单管 单调谐放大电路、检波电路、比较电路前置放大电路为由一个晶体三极管Q1、两个电容C8、C9和三个电阻Rl、R4、R5组 成的一个深度的负反馈放大电路，其中一个电阻R4的两端分别连接在晶体三极管Ql的基 极和集电极，起到了一个深度的负反馈的作用；采样电路由一个电阻R6与一个由一个电阻和两个二极管Dl、D2组成的并联电路 串联组成，其中两个二极管Dl、D2反向并联；单管单调谐放大电路由一个晶体三极管Q2、电容C7、电容C10、电容C11、电容C12、 电阻R8、电阻R9、电阻RlO和一个电感Ll组成，其中有两个电容C10、C12分别是前级电路、 后级电路的耦合电容，电容Cll和电阻RlO并联连接构成的电路分别与晶体三极管Q2的发 射极和地线连接构成旁路，电容C7与电感Ll组成并联谐振回路并作为晶体管的集电极负 载，其谐振频率调谐在超声波信号的中心频率上，电阻R8、R9的一端分别与晶体三极管Q2 的基极连接，另外一端分别与地线和电源高电势端连接，两个电阻R8、R9主要给晶体管提供直流偏置电压；检波电路包括由一个二极管D3、一个三极管Q3、一个电阻R3和一个电容C13组成，其中D3起到了将负半轴波形滤除的作用；比较电路由电阻R7、电阻R12、电阻R13、一个电容C14和一个放大器IC2组成，电 容C14 一端作为输入端与检波电路连接、另一端连接电阻R7和电阻R13的一端，电阻R7另 一端接地线，电阻R13另一端接放大器IC2的负极，放大器的负极和输出端之间串联电组 R12，放大器的正极连接一个可变电阻RWl的输出端，可变电阻的两个输入端分别接地线和 高电势+5V，放大器的输出端与接收单片机IC4的一个输入端连接。红外光发射器Dl和超声波发射器JPl在发射单片机的控制下同时发射，再由接 收模块接收，由于测距一般是在空气中进行的，此时红外光受环境的影响较超声波而言非 常小，且红外光在空气中的速度约为30万千米/秒，在相对光速的近距离内红外光的传播 时间可以忽略，故可以将红外光的接收时间近似的看作为超声波测距的开启时间。测量时 发射模块向接收模块先发射红外光脉冲信号，同时发射超声波脉冲信号。接收模块接收到 红外光脉冲信号时，开始计时，收到超声波信号时计时停止，两者的时差即为超声波在空气 中的传播时间t12，同时由温度补偿电路推测出该温度下的超声波速度V。根据公式s = VXt12,便可以计算出发射模块与接收模块之间的距离。
权利要求一种智能超声波测距传感器，包括相互独立的发射模块和接收模块，其特征在于所述的发射模块包括光速波发射器、超声波发射器、光速波发射电路、超声波发射电路和信号发生器，光速波发射器与光速波发射电路连接，超声波发射器与超声波发射电路连接，光速波发射电路和超声波发射电路的信号输入端并联接到一个信号发生器的输出端；所述的接收模块包括光速波接收器、超声波接收器、光速波接收电路、超声波接收电路、信号处理器和带有温度传感器的温度补偿电路，光速波接收器与光速波接收电路连接，超声波接收器与超声波接收电路连接，光速波接收电路的输出端和温度补偿电路的输出端并联连接再与信号处理器的控制端连接，超声波发射器的输出端与信号处理器的控制端连接构成回路。
2.根据权利要求1所述的一种智能超声波测距传感器，其特征在于所述的发射模块 内还设有一个电池升压电路，电池升压电路的输出端与光速波发射电路、超声波发射电路 和信号发生器的电源端连接，所述的电池升压电路主要由一个升压芯片(IC3)、两个晶体振 荡器(E1、E2)、电感(Li)、电容(C5)、四个电阻(R15、R16、R17、R18)组成。
3.根据权利要求1或2所述的一种智能超声波测距传感器，其特征在于所述的信 号发生器为发射单片机，发射单片机与发射单片机电路连接，发射单片机电路由三个电容 (C1、C2、C3)、一个电阻(R20)和一个晶体振荡器(XTl)组成，电阻(R20)的一端接地线，另 一端与其中一个电容(Cl)的一端连接，电容(Cl)的另一端接高电势(+5V)，电容(C2) —端 接电线、另一端接发射单片机的输入端和晶体振荡器(XTl)的一端，电容(C3) —端接地线、 另一端接发射单片机的另一个输入端和晶体振荡器(XTl)的另一端，发射单片机(ICl)的 接地端和电压输入端分别与地线、高电势(+5V)对应连接，发射单片机(ICl)的信号输出端 分别与光速波发射电路的信号输入端和超声波发射电路的信号输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一种智能超声波测距传感器，其特征在于所述的光速波发 射器为红外光发射器，所述的光速波接收器为红外光接收器，所述的光束波发射电路为红 外光发射电路，所述的光束波接收电路为红外光接收电路。
5.根据权利要求4所述的一种智能超声波测距传感器，其特征在于所述的红外光发 射器为红外光二极管(Dl)，红外光发射电路包括一个晶体三极管(Q2)和两个电阻(R5、 R10)，其中一个电阻(R5)的一端与发射单片机(ICl)的输出端连接，另一端与与晶体三极 管(Q2)的基极连接，晶体三极管(Q2)的集电极、红外光二极管(Dl)、另一个电阻(RlO)、地 线依次串联。
6.根据权利要求1或2所述的一种智能超声波测距传感器，其特征在于所述的超声 波发射电路由一个晶体三极管(Ql)、一个电阻(R19)、六个非门(IC2A、IC2B、IC2C、IC2D、 IC2E、IC2F)电路组成，非门(IC2C)与非门(IC2D)并联后，再与一个非门(IC2B)串联作 为超声波发射头的正驱动；非门(IC2E)与非门(IC2F)并联，再与电容C4串联作为超声波 发射头的负驱动，正驱动和负驱动并联后与非门(IC2A)串联连接在晶体三极管(Ql)的集 电极，且晶体三极管(Ql)的集电极、电阻(R19)、高电势(+5V)依次串联连接，晶体三极管 (Ql)的基极与发射单片机(ICl)的一个信号输出端连接。
7.根据权利要求1或4所述的一种智能超声波测距传感器，其特征在于信号处理器 为接收单片机(IC2)，红外光接收器与红外光接收电路连接，红外光接收电路和温度补偿电 路的输出信号端分别与接收单片机(IC2)连接，超声波接收器与超声波接收电路连接，超声波接收电路与接收单片机(IC2)连接构成回路。
8.根据权利要求1所述的一种智能超声波测距传感器，其特征在于所述的超声波接 收电路包括与超声波接收器顺序相连的前置放大电路、采样电路、单管单调谐放大电路、检 波电路、比较电路所述的前置放大电路为由一个晶体三极管(Ql)、两个电容(C8、C9)、三个电阻(R1、R4、 R5)组成的一个深度的负反馈放大电路，其中一个电阻(Rl) —端接电线，另一端分别与超 声波接收器的一端和其中一个电容(C8)的一端连接，电容(C8)的另一端接晶体三极管 (Ql)的基极，电阻(R4)的两端分别与晶体三极管(Ql)的基极和集电极连接，起到了一个深 度的负反馈的作用，晶体三极管(Ql)的集电极还与电容(C9)、电阻(R5)的一端连接，电阻 (R5)的另一端接高电势(+5V)，电容(C9)的另一端作为输出端与采样电路连接，将信号传 递给采样电路；所述的采样电路包括两个电阻(R2、R6)和两个二极管(D1、D2)，电阻(R2)与一个由电 阻(R6)和两个二极管(D1、D2)构成的并联电路串联，其中两个二极管反向并联在电路中， 电阻(R2)与前置放大电路的输出端连接，导入采样信号，并联电路的输出端与单管单调谐 放大电路连接，将信号传递；所述的单管单调谐放大电路由一个晶体三极管(Q2)、四个电容(C7、C10、C11、C12)、三 个电阻(R8、R9、R10)、一个电感(Li)组成，电容(Cll)和电阻(RlO)并联连接构成的电路， 再分别与晶体三极管(Q2)的发射极和地线连接构成旁路，电容(C7)与电感(Li)并联构成 谐振回路，再分别与高电势(+5V)和晶体三极管(Q2)的集电极连接，谐振回路作为晶体管 的集电极负载，其谐振频率调谐在超声波信号的中心频率上，电阻(R8)和电阻(R9)串联在 地线和高电势之间，电阻(R8)和电阻(R9)的连接端与晶体三极管(Q2)的基极连接，两个 电阻主要给晶体管提供直流偏置电压，电容(ClO)和电容(Cll)分别是采样电路、检波电路 的耦合电容，电容(ClO) —端与采样电路的输出端连接、另一端与晶体三极管(Q2)的基极 连接，电容(C12) —端与晶体三极管(Q2)的集电极连接、另一端作为输出端与检波电路的 输入端连接；所述的检波电路由一个二极管(D3) —个晶体三极管(Q3)、一个电阻(R3)和一个电容 (C13)组成；电阻(R3)和电容(C13)并联，并联后的电路一端接晶体三极管(Q3)的发射极 另一端接地线，二极管(D3)的负极接晶体三极管(Q3)的基极、正极接地线，二极管D3起到 了将负半轴波形滤除的作用，晶体三极管(Q3)的基极与单管单调谐放大电路的输出端连 接、集电极与高电势(+5V)连接、发射极作为输出端与比较电路连接；所述的比较电路主要由三个电阻(R7、R12、R13)、一个电容(C14)和一个放大器(IC2) 组成，电容(C14) 一端作为输入端与检波电路连接、另一端连接电阻(R7)和电阻(R13)的 一端，电阻(R7)另一端接地线，电阻(R13)另一端接放大器(IC2)的负极，放大器的负极和 输出端之间串联电组(R12)，放大器的正极连接一个可变电阻(RWl)的输出端，可变电阻的 两个输入端分别接地线和高电势(+5V)，放大器的输出端与接收单片机(IC4)的一个输入 端连接。
专利摘要本实用新型涉及一种智能超声波测距模块。本实用新型包括相互独立的发射模块和接收模块，所述的发射模块包括光速波发射器、超声波发射器、光速波发射电路、超声波发射电路和信号发生器，光速波发射电路和超声波发射电路的信号输入端并联接到一个信号发生器的输出端；所述的接收模块包括光速波接收器、超声波接收器、光速波接收电路、超声波接收电路、信号处理器和带有温度传感器的温度补偿电路，光速波接收电路的输出端和温度补偿电路的输出端并联连接再与信号处理器的控制端连接，超声波发射器的输出端与信号处理器的控制端连接构成回路。本实用新型不依赖超声波的发射可以消除测量的盲区；采用测距范围大，测量时环境影响小，测量精确度高。
文档编号G01S15/08GK201654232SQ20102017912
公开日2010年11月24日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者刘文富, 姚建平, 陈军律, 黄华圣 申请人:浙江天煌科技实业有限公司