一种低盲区的超声波模块及其测量方法与流程

本发明属于工业测量技术领域，具体是涉及一种低盲区的超声波模块及其测量方法。

背景技术：
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超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，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。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，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。

现有的用于机器人的超声波模块存在着测量盲区，由于在硬件布置上超声波发射传感器与超声波接收传感器相邻，所以当超声波发射传感器发生超声波时会第一个达到超声波接收付感器，但这一信号不是反射信号，即误信号，而这一信号一旦被检查到就会被接收电路处理而产生错误的响应，但这不是真正要测量的值，属于误操作，所以在通常情况下，当超声发射超感器发出声波后，延时一段时间后，单片机才开始处理接收到返回的信号，在这段延时的时间里，超声波检传播的距离是不能被检测的，这样就产生了测量盲区。现有的超声波模块，盲区较高，大于4cm。现有的减小测量盲区的方法主要有以下两种：一种湿减小发射功率，这种方法减小了发射功率，但是超声波回波就会变弱，影响测量距离；另一种方法是提高超声波传感器的测量灵敏度，但是这种方法会造成超声波传感器的成本增加。

技术实现要素：
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为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中用于机器人的超声波模块存在着测量盲区，盲区较高，大于4cm，现有的减小测量盲区的方法影响测量距离或者是增加成本，从而提出一种低盲区的超声波模块及其测量方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低盲区的超声波模块，包括：

STC单片机、电源供电电路、温度检测电路、超声波发送传感器、超声波接收传感器、超声波接收电路、RS232接口电路、电压比较器控制电路。

所述电源供电电路分别与所述STC单片机、所述温度检测电路、所述超声波发送传感器、所述超声波接收传感器、所述超声波接收电路、所述RS232接口电路、所述电压比较器控制电路连接，提供5V电源供电。

所述STC单片机通过驱动电路与所述超声波发送传感器连接。

所述超声波接收传感器通过超声波接收电路与所述STC单片机连接。

作为上述技术方案的优选，所述超声波接收电路包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第八电阻R8、第九电阻R9、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十七电阻R17，第二十一电阻R21、第九电容C9、第十六电容C16、第二十四电容C24、第一放大器U4-A，第二放大器U4-B。

作为上述技术方案的优选，所述第二十一电阻R21的第一端连接所述超声波接收传感器第一端，所述第二十一电阻R21的第二端和所述超声波接收传感器的第二端分别接地，所述第九电容C9的第一端连接所述超声波接收传感器的第一端，所述二电阻R2的第一端连接所述第九电容C9的第二端，所述第二电阻R2的第二端连接所述第一放大器U4-A的反相输入端，所述第三电阻R3的第一端连接所述第一放大器U4-A的反相输入端，所述第三电阻R3的第二端连接所述第一放大器U4-A的输出端，所述第一放大器U4-A的正相输入端连接所述第四电阻R4的第一端，所述第四电阻R4的第二端连接所述第十四电阻R14的第一端，所述第十四电阻R14的第二端连接VCC5V，所述第十七电阻R17的第一端连接第十四电阻R14的第一端，所述第十七电阻R17的第二端接地，所述第十六电容C16与所述第十七电阻R17并联，所述第一放大器U4-A的输出端连接所述第二十四电容C24的第一端，所述第二十四电容C24的第二端连接所述第九电阻R9的第一端，所述第九电阻R9的第二端连接所述第二放大器U4-B的反相输入端，所述第八电阻R8的第一端连接所述第二放大器U4-B的正相输入端，所述第八电阻R8的第二端连接所述第十四电阻R14的第一端，所述第十三电阻R13的第一端连接所述第二放大器U4-B的反相输入端，所述第十三电阻R13的第二端连接所述第二放大器U4-B的输出端，所述第二放大器U4-B的输出端与所述STC单片机的9脚连接。

作为上述技术方案的优选，所述第一放大器U4-A和所述第二放大器U4-B的偏置电压为2.5V，所述偏置电压由所述第十四电阻R14和所述第十七电阻R17设置。

作为上述技术方案的优选，所述电压比较器控制电路包括第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第十九电容C19。

作为上述技术方案的优选，所述第十八电阻R18的第一端连接VCC5V，所述第十八电阻R18的第二端连接所述第十九电阻R19的第一端，所述第十九电阻R19的第二端接地，所述第十九电容C19与所述第十九电阻R19并联，所述第二十电阻R20的第一端连接所述第十八电阻R18的第二端，所述第二十电阻R20的第二端连接所述STC单片机的18脚，所述第十八电阻R18的第二端连接所述STC单片机的7脚。

一种低盲区的超声波模块的测量方法，包括如下步骤：

S1：STC单片机控制驱动器发送第一驱动信号，同时设置电压比较器的电压为第一电压。

S2：超声波发射传感器发出第一超声波，用于测量30cm内的距离。

S3：判断超声波接收传感器是否接收到返回信号，若未接收到返回信号，则表示30cm内没有障碍物，进入步骤S4。

S4：STC单片机控制驱动器发送第二驱动信号，设置电压比较器的电压为第二电压，同时不处理30cm内的回波信号。

S5：超声波发射传感器发出第二超声波。

S6：超声波接收传感器接收返回的信号，经过超声波接收电路处理并两级放大后，送入到STC单片机的电压比较器端口。

S7：STC单片机计算超声波的传播时间，从而获取障碍物距离。

作为上述技术方案的优选，所述第一驱动信号包括2个40KHz占空比为50％的脉冲信号，所述第二驱动信号包括8个40KHz占空比为50％的脉冲信号。

作为上述技术方案的优选，所述第一电压为2.1V，所述第二电压为2.35V。

本发明的有益效果在于：本发明在一次完整的测量过程中，发送两次驱动信号，第一次发送2个脉冲，同时把电压比较器的电压设置在2.1V左右，用来测量30cm内的距离，如果30cm内没有测到障碍物，则再发送8个脉冲并且同时调节电压比较器的电压为2.35V，用来测量更远的距离，同时不处理30cm内的回波信号。这样在测量近的距离时，由于只发送了2脉冲，并且比较器的阈值电压有较大，使得测量的盲区非常小，小于1cm。本发明通过改进硬件电路设计及程序优化，使得测量盲区小于1CM，结构简单、操作方便、不需要增加成本，不影响测量距离，盲区能够得到有效的降低。

附图说明：

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1为本发明一个实施例的一种低盲区的超声波模块结构示意图；

图2为本发明一个实施例的一种超声波接收电路图；

图3为本发明一个实施例的一种电压比较器控制电路图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的一种低盲区的超声波模块，包括：

STC单片机、电源供电电路、温度检测电路、超声波发送传感器、超声波接收传感器、超声波接收电路、RS232接口电路、电压比较器控制电路。

所述电源供电电路分别与所述STC单片机、所述温度检测电路、所述超声波发送传感器、所述超声波接收传感器、所述超声波接收电路、所述RS232接口电路、所述电压比较器控制电路连接，提供5V电源供电。

所述STC单片机通过驱动电路与所述超声波发送传感器连接。

所述超声波接收传感器通过超声波接收电路与所述STC单片机连接。

如图2所示，所述超声波接收电路包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第八电阻R8、第九电阻R9、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十七电阻R17，第二十一电阻R21、第九电容C9、第十六电容C16、第二十四电容C24、第一放大器U4-A，第二放大器U4-B。所述第二十一电阻R21的第一端连接所述超声波接收传感器第一端，所述第二十一电阻R21的第二端和所述超声波接收传感器的第二端分别接地，所述第九电容C9的第一端连接所述超声波接收传感器的第一端，所述二电阻R2的第一端连接所述第九电容C9的第二端，所述第二电阻R2的第二端连接所述第一放大器U4-A的反相输入端，所述第三电阻R3的第一端连接所述第一放大器U4-A的反相输入端，所述第三电阻R3的第二端连接所述第一放大器U4-A的输出端，所述第一放大器U4-A的正相输入端连接所述第四电阻R4的第一端，所述第四电阻R4的第二端连接所述第十四电阻R14的第一端，所述第十四电阻R14的第二端连接VCC5V，所述第十七电阻R17的第一端连接第十四电阻R14的第一端，所述第十七电阻R17的第二端接地，所述第十六电容C16与所述第十七电阻R17并联，所述第一放大器U4-A的输出端连接所述第二十四电容C24的第一端，所述第二十四电容C24的第二端连接所述第九电阻R9的第一端，所述第九电阻R9的第二端连接所述第二放大器U4-B的反相输入端，所述第八电阻R8的第一端连接所述第二放大器U4-B的正相输入端，所述第八电阻R8的第二端连接所述第十四电阻R14的第一端，所述第十三电阻R13的第一端连接所述第二放大器U4-B的反相输入端，所述第十三电阻R13的第二端连接所述第二放大器U4-B的输出端，所述第二放大器U4-B的输出端与所述STC单片机的9脚连接。超声波接收传感器接收到信号后，经过两级同相放大后，经过第二放大器U4-B的输出端输出，接到STC单片机内部的电压比较器的正极。本实施例中，所述第一放大器U4-A和所述第二放大器U4-B的偏置电压为2.5V，所述偏置电压由所述第十四电阻R14和所述第十七电阻R17设置。

如图3所示，所述电压比较器控制电路包括第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第十九电容C19。所述第十八电阻R18的第一端连接VCC5V，所述第十八电阻R18的第二端连接所述第十九电阻R19的第一端，所述第十九电阻R19的第二端接地，所述第十九电容C19与所述第十九电阻R19并联，所述第二十电阻R20的第一端连接所述第十八电阻R18的第二端，所述第二十电阻R20的第二端连接所述STC单片机的18脚，所述第十八电阻R18的第二端连接所述STC单片机的7脚。VCC5V经过第十八电阻R18和第十九电阻R19分压后接到STC单片机内部比较器的负极，同时第二十电阻R20受STC单片机控制，可以通过STC单片机的IO口来控制电压比较器负极的电压。

经实验测试得出，盲区信号的大小时间长短与驱动信号的强弱时间长短有关，一般是发射8个40KHz占空比为50％的脉冲信号去驱动超声波发射传感器。为了减小盲区，本模块通过改变驱动超声波发射传感器脉冲个数以及调整电压比较器的比较电压。

本发明的低盲区的超声波模块的测量方法，即低盲区的超声波模块测量流程如下：

S1：STC单片机控制驱动器发送第一驱动信号，同时设置电压比较器的电压为第一电压。本实施例中，所述第一驱动信号包括2个40KHz占空比为50％的脉冲信号，所述第一电压为2.1V。

S2：超声波发射传感器发出第一超声波，用于测量30cm内的距离。

S3：判断超声波接收传感器是否接收到返回信号，若未接收到返回信号，则表示30cm内没有障碍物，进入步骤S4。

S4：STC单片机控制驱动器发送第二驱动信号，设置电压比较器的电压为第二电压，同时不处理30cm内的回波信号。本实施例中，所述第二驱动信号包括8个40KHz占空比为50％的脉冲信号，所述第二电压为2.35V。

S5：超声波发射传感器发出第二超声波。

S6：超声波接收传感器接收返回的信号，经过超声波接收电路处理并两级放大后，送入到STC单片机的电压比较器端口。

S7：STC单片机计算超声波的传播时间，从而获取障碍物距离。

本实施例所述的一种低盲区的超声波模块及其测量方法。本发明在一次完整的测量过程中，发送两次驱动信号，第一次发送2个脉冲，同时把电压比较器的电压设置在2.1V左右，用来测量30cm内的距离，如果30cm内没有测到障碍物，则再发送8个脉冲并且同时调节电压比较器的电压为2.35V，用来测量更远的距离，同时不处理30cm内的回波信号。这样在测量近的距离时，由于只发送了2脉冲，并且比较器的阈值电压有较大，使得测量的盲区非常小，小于1cm。本发明通过改进硬件电路设计及程序优化，使得测量盲区小于1CM，结构简单、操作方便、不需要增加成本，不影响测量距离，盲区能够得到有效的降低。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。