基于超声波测距的探坑设备的制作方法

本实用新型属于探测技术领域，尤其涉及基于超声波测距的探坑设备。

背景技术：

超声波（ultrasonic）是一种频率高于20000Hz的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。目前来看，超声波测距已经十分成熟，造价也较低，但是仍然在功耗和对测量距离的运用上有所欠缺。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种功耗低，利用超声波测量距离实现坑点的探测的设备。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：基于超声波测距的探坑设备，包括超声波电路模块、MSP430控制模块以及上位机；MSP430控制模块与超声波电路模块通信连接，与上位机串口通信。

在上述的基于超声波测距的探坑设备中，超声波电路模块包括STC11F02单片机，超声波发射电路以及超声波接收电路；STC11F02单片机分别连接超声波发射电路、超声波接收电路以及MSP430控制模块。

在上述的基于超声波测距的探坑设备中，超声波发射电路包括第一超声波传感器和MAX3232芯片；MAX3232芯片与STC11F02单片机连接。

在上述的基于超声波测距的探坑设备中，超声波接收电路包括第二超声波传感器、前级放大电路，选频电路，固定放大电路和电平比较电路；并采用OPA4251四运放芯片进行电路搭建。

在上述的基于超声波测距的探坑设备中，MSP430控制模块采用Texas Instruments公司的MSP430G2553的混合信号微处理器。

本实用新型的有益效果是：（1）体积小，便于携带。（2）电路简单，耗电量低，性能优良。（3）成本低，价格低廉。（4）模块化程度高，易于集成。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的电路模块框图；

图2是本实用新型一个实施例测距探坑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用以下技术方案来实现，基于超声波测距的探坑设备，包括超声波电路模块、MSP430控制模块以及上位机；MSP430控制模块与超声波电路模块通信连接，与上位机串口通信。

进一步，超声波电路模块包括STC11F02单片机，超声波发射电路以及超声波接收电路；STC11F02单片机分别连接超声波发射电路、超声波接收电路以及MSP430控制模块。

进一步，超声波发射电路包括第一超声波传感器和MAX3232芯片；MAX3232芯片与STC11F02单片机连接。

进一步，超声波接收电路包括第二超声波传感器、前级放大电路，选频电路，固定放大电路和电平比较电路；并采用OPA4251四运放芯片进行电路搭建。

更进一步，MSP430控制模块采用Texas Instruments公司的MSP430G2553的混合信号微处理器。

具体实施时，如图1所示，基于超声波测距的探坑设备，包括超声波电路模块、MSP430控制模块以及上位机。

其中，超声波电路模块包括STC11F02单片机，超声波发射电路以及超声波接收电路。

而且，STC11F02单片机具有低功耗，超低价，主频速度高的特点。采用复用的I/O功能，一方面实现与MSP430控制模块进行通信，另一方面实现对超声波的收发进行控制，计算出收发时间，以脉冲形式在I/O口体现。

而且，超声波发射电路采用MAX3232芯片进行LVTTL/RS232转换，MAX3232芯片采用专有的低压差发送器输出级，利用双电荷泵实现真正的RS-232特性，可确保在120kbps数据速率下维持RS-232输出电平。器件仅需四个0.1uF的外接小尺寸电荷泵电容。超声波发射电路，STC11F02单片机控制发射电路供电，仅当需要发射超声波时，STC11F02单片机通过引脚高电平驱动三极管为MAX3232芯片提供5V电压，从而降低了系统的静态功耗。同时向MAX3232芯片输入端输入RS-232电平下频率为40kHz的高频信号，使得MAX3232芯片输出TTL电平下频率为40kHz的高频信号来驱动超声波传感器发射超声波。

而且，超声波接收电路包括第二超声波传感器前级放大电路，选频电路，固定放大电路以及电平比较电路，并采用OPA4251四运放芯片进行电路搭建。具有单电源，高精度，低温漂，低零漂，满电压输出以及低功耗等特性。超声波接收电路产生的周期方波输入给STC11F02单片机进行处理，从而在STC11F02单片机对应I/O口上输出一个电压脉冲，该电压脉冲的脉宽为发射超声波到接收到超声波的时间间隔。

其中，MSP430控制模块一方面实现与所述超声波电路模块通信连接，另一方面实现与上位机的进行串口通信。

并且，MSP430控制模块的处理器采用Texas Instruments公司的MSP430G2553的混合信号微处理器，其具有四种校准频率并高达16MHz的内部频率，具有两个16位定时器，分别具有三个捕获/比较寄存器，特点在于超低功耗，可在不到1us的时间里超快速地待机模式唤醒，极大提高续航时间。MSP430控制模块利用片内定时器在对应I/O口产生周期为25ms，高脉宽为50us的PWM波，用于使能STC11F02单片机产生40kHz方波驱动超声波发射电路发生超声波。同时，利用片内定时器的捕获寄存器对STC11F02单片机产生的电压脉冲信号进行捕获。MSP430控制模块利用测得距离，在单片机内进行探坑算法获得坑点的位置和深度。并利用MAX3232芯片与上位机进行串口通信，将4路测距以及坑点的位置和深度上传至上位机，进行数据的记录。

并且，本实施例控坑设备采用5V电源适配器进行供电。

本实施例基于超声波测距的探坑设备，首先，利用低功耗，超低价，主频速度高的STC11F02单片机作为处理器，驱动超声波的产生，实现超声波的接收以及响应超声波收发时间间隔；其次，利用MAX3232芯片和第一超声波传感器构成超声波发射电路，其具有低压差发送器作为输出级，能将STC11F02的驱动信号由RS-232电平转换为TTL电平驱动超声波传感器。最后，超声波接收电路由具有单电源，高精度，低温漂，低零漂，满电压输出以及低功耗等特性的PA4251四运放芯片进行电路搭建，包括第二超声波传感器、前级放大电路，选频电路，固定放大电路以及电平比较电路。MSP430驱动模块处理器采用Texas Instruments公司的MSP430G2553的混合信号微处理器，特点在于超低功耗，可在不到1us的时间里超快速地待机模式唤醒，极大提高续航时间。利用MSP430G2553处理器为STC11F02单片机提供脉冲触发信号，使能超声波电路模块实现超声波的发收，并且由STC11F02单片机将收发时间间隔以脉冲形式体现在I/O口上，利用MSP430G2553内部捕获寄存器捕获脉冲，计算出脉冲宽度，从而利用声速计算出距离。由此获得的4路超声波测量的距离，结合几何算法获得坑点的位置和深度。从而将4路距离以及计算结果，通过MAX3232芯片传送至上位机进行记录。

工作流程如下：如图2所示，整个基于超声波测距的探坑设备系统以5V电源适配器上电后，静态电流为1mA，静态功耗为约为5mW。上位机通过MAX3232芯片与MSP430G2553处理器进行通信，可使之退出超低功耗模式，并且在对应I/O口为第一电路模块-第四电路模块产生2路周期为25ms，高脉宽为50us的PWM波，用于使能超声波电路模块。STC11F02单片机利用I/O口输出一高电平驱动三极管，为MAX3232芯片间断性供电，同时在对应I/O口输出频率为40kHz周期方波，通过MAX3232芯片转换为TTL电平驱动超声波传感器。在发射超声波后，STC11F02单片机即开启定时器进行计数。当超声波接收模块接收到超声波信号后，依次通过增益为8.3dB的前级放大电路；中心频率为39.3kHz，通带增益为12dB，带宽为2.5kHz选频电路；增益为8.75dB的固定放大电路；电平比较电路。最后产生频率为40kHz下TTL电平的方波信号，输入至STC11F02单片机。当接收到超声波后STC11F02单片机停止计数，从而在对应I/O口输出一段为电压脉冲，其脉宽为收发时间间隔。同时，此脉冲被MSP430G2553的捕获寄存器捕获，从而计算出脉冲宽度，由脉冲宽度*声速即可得到所测距离。第一、第二、第三、第四超声波模块测得的距离均为发射端-坑点-接收端的距离，而这些距离在数学空间上分别相当于圆1的半径的两倍，椭圆1的长轴的两倍，椭圆2的长轴的两倍，地面高度的两倍。这四个数据结合算法可获得坑点的位置和深度。最后MSP430G2553处理器通过MAX3232芯片与上位机进行串口通信，将4个模块测量的数据以及坑点的位置和深度上传至PC端进行数据的记录。在系统工作期间，电流为7mA，并且由于STC11F02只有在发射超声波时为MAX3232芯片提供电源，同时MSP430G2553处理器在未计算和处理4路数据时也处于超低功耗模式，故整个系统仅有较小的系统功耗。

本实施例的探坑设备中MSP430控制模块以MSP430G2553作为处理器，通过I/O口高低电平对超声波电路模块进行使能，并通过I/O口捕获寄存器对超声波电路模块的响应信号进行获取。上位机通过串口通信与MSP430芯片进行数据传输，为系统提供指令，同时接收测量数据和计算数据。是一种功耗低，造价低廉，结构简洁，具有与上位机通信的探坑设备。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。