本实用新型涉及教学设备领域，具体涉及一种超声波、红外线两用测距装置。
背景技术：
在电子电路的基础教学过程中，主要包含使用分立元件按照教学搭建的功能单元与单片机的编程实践；在这过程中会使用到一些传感器模块，但对于传感器的使用环境局限目前仍缺少清晰认识，为了加深同学们对传感器的使用认知，提高知识关联的掌握情况，有必要对此进行深入研究。
技术实现要素：
针对现有技术中所存在的不足，本实用新型提供了一种超声波、红外线两用测距装置，其目的在于加深同学们对红外线测距、超声波测距的使用环境限制及测距精度的认识。
本实用新型提供一种超声波、红外线两用测距装置，包含单片机、超声波测距传感单元、红外线测距传感单元、显示单元、超声波测距开关、红外线测距开关与供电单元；所述单片机的输入与超声波测距传感单元的输出相连；显示单元与单片机电性连接；所述超声波测距传感单元的供电端、红外线测距传感单元的供电端分别通过超声波测距开关与供电单元的输出相连；还包含环境红外线强度指示单元、超声波测距关联因素检测单元、第一线性放大电路、第二线性放大电路、比较电路、第一指示电路、第二指示电路与第三指示电路；
所述环境红外线强度指示单元包含顺序串联的红外接收电路、红外放大电路、施密特触发器电路、第一逻辑调整单元与第一电控开关电路；还包含第一模数转换单元；所述第一模数转换单元的输入与红外放大电路的输出相连；第一模数转换单元的输出与单片机的输入相连，所述第一指示电路连接在施密特触发器电路的输出端与参考地端之间；第一电控开关电路还包含有第一隔断电阻与第一电控开关，红外线测距传感单元的输出经第一隔断电阻与单片机的输入相连；所述第一隔断电阻还与第一电控开关的开关动作端并联；所述第一电控开关的控制端与第一逻辑调整单元的输出端相连；
所述超声波测距关联因素检测单元包含环境传感单元，还包含第二模数转换单元、电压跟随器、窗口比较器、第二逻辑调整单元、第二电控开关电路；环境传感单元的输出经电压跟随器后与第二模数转换单元的输入、窗口比较器的输入并联相接，窗口比较器的输出与第二逻辑调整单元的输入相连；第二电控开关电路还包含有第二隔断电阻与第二电控开关，超声波测距传感单元的输出经第二隔断电阻与单片机的输入相连；所述第二隔断电阻还与第二电控开关的开关动作端并联；所述第二电控开关的控制端与第二逻辑调整单元的输出端相连；第二模数转换单元的输出与单片机的输入相连；
第一线性放大电路的输入与所述红外放大电路的输出相连；第二线性放大电路的输入与电压跟随器的输出相连；第一线性放大电路的输出、第二线性放大电路的输出分别与比较电路的输入相连；比较放大电路的输出与单片机的输入相连；第三指示电路连接在比较放大电路的输出与参考地端之间。
由于阳光中的红外线对于红外线测距的影响较大，有时甚至会发现红外线测距不工作，为了帮助同学们理解红外线测距的使用环境限制，本实用新型设计了环境红外线强度指示单元；在使用时，红外接收电路将对应检测的信号经过放大单元后，由第一模数转换单元转为数字信号传递给单片机，从而可方便同学们进行测量数据与测距误差影响关联建模实验；红外放大单元的输出通过施密特触发器后，调整施密特触发器的阈值电压，当红外接收电路对应传递信号处于施密特触发器器的设定范围时，触发指示电路工作；由此对影响红外线测距的临界环境状态有更为直观的认识；
由于超声波测距的原理与接收到反射超声波的时延有关，超声波在不同环境下的速度存在差异性，本实用新型利用这个原理设计了超声波测距关联因素检测单元；在使用时，可通过喷雾、热吹风等模拟测距路径上的环境变化，环境传感单元将对应检测的信号经过电压跟随单元后，由模数转换单元转为数字信号传递给单片机，从而可方便同学们进行测量数据与测距修正建模实验；电压跟随单元的输出通过窗口比较器与逻辑调整单元后，调整窗口比较器的比较电压，当环境传感单元对应传递信号处于窗口比较器的设定范围时，触发指示电路工作；通过调整窗口比较器的设定范围值，可根据自己搭建的建模模型，自定义测量精度最准条件，在指示电路的指示下测量距离，获取数据；
通过第一线性放大电路、第二线性放大电路的参数设计，使得超声波测距关联因素检测单元与环境红外线强度指示单元传递的信号为统一变化区间范围，再经过比较单元，即可获知现在哪种测量方式的环境影响更大，由此得知哪种测距方式更为准确。
相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：脱离了传统的传感器模块式教学，通过引入环境因素测量，使同学们对于超声波测距、红外线测距的影响因素更为了解，并通过实际建模与测量，找到修正测距误差的方法，提高了同学们处理问题的能力
附图说明
图1为本实用新型的电路原理图。
图2为实施例中环境红外线强度指示单元的电路原理示意图。
图3为实施例中超声波测距关联因素检测单元的电路原理示意图。
图4为实施例中指示开关电路局部电路原理示意图。
具体实施方式
一种超声波、红外线两用测距装置，如图1、图2、图3所示，包含单片机、超声波测距传感单元、红外线测距传感单元、显示单元、超声波测距开关、红外线测距开关与供电单元；所述单片机的输入与超声波测距传感单元的输出相连；显示单元与单片机电性连接；所述超声波测距传感单元的供电端、红外线测距传感单元的供电端分别通过超声波测距开关与供电单元的输出相连；还包含环境红外线强度指示单元、超声波测距关联因素检测单元、第一线性放大电路A1、第二线性放大电路A2、比较电路、第一指示电路、第二指示电路与第三指示电路；
所述环境红外线强度指示单元包含顺序串联的红外接收电路、红外放大电路、施密特触发器电路、第一逻辑调整单元与第一电控开关电路；还包含第一模数转换单元AD1；所述第一模数转换单元AD1的输入与红外放大电路的输出相连；第一模数转换单元AD1的输出与单片机的输入相连，所述第一指示电路连接在施密特触发器电路的输出端与参考地端之间；第一电控开关电路还包含有第一隔断电阻与第一电控开关，红外线测距传感单元的输出经第一隔断电阻与单片机的输入相连；所述第一隔断电阻还与第一电控开关的开关动作端并联；所述第一电控开关的控制端与第一逻辑调整单元的输出端相连；
所述超声波测距关联因素检测单元包含环境传感单元，还包含第二模数转换单元、电压跟随器、窗口比较器、第二逻辑调整单元、第二电控开关电路；环境传感单元的输出经电压跟随器后与第二模数转换单元AD2的输入、窗口比较器的输入并联相接，窗口比较器的输出与第二逻辑调整单元的输入相连；第二电控开关电路还包含有第二隔断电阻与第二电控开关，超声波测距传感单元的输出经第二隔断电阻与单片机的输入相连；所述第二隔断电阻还与第二电控开关的开关动作端并联；所述第二电控开关的控制端与第二逻辑调整单元的输出端相连；第二模数转换单元的输出与单片机的输入相连；
第一线性放大电路的输入与所述红外放大电路的输出相连；第二线性放大电路的输入与电压跟随器的输出相连；第一线性放大电路的输出、第二线性放大电路的输出分别与比较电路的输入相连；比较放大电路的输出与单片机的输入相连；第三指示电路连接在比较放大电路的输出与参考地端之间。
如图2所示，所述红外接收电路包含红外光电二极管RD1与限流电阻R1；所述红外光电二极管RD1的阴极与供电模块的供电端相连；红外光电二极管RD1的阳极串联限流电阻R1至参考地端。
所述红外放大电路包含运算放大器U1，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2与电容C3；其中运算放大器U1的同相输入端与红外光电二极管RD1的阳极相连；所述电阻R3的一端与红外光电二极管RD1的阴极相连，电阻R3的另一端串联电阻R2至参考地端；电阻R2与电阻R3的连接端与运算放大器U1的反相输入端连接；电阻R4与电容C1相互并联，并联整体的一端与运算放大器U1的同相输入端连接，并联整体的另一端串联电阻R5至运算放大器U1的输出端；电容C2跨接在运算放大器U1的同相输入端与输出端之间；电容C3的一端与电阻R5与电容C1的连接端相连，并作为红外放大电路的输出端；电容C3的另一端与参考地端相连；在参数选择上，电容C2与电容 C1的相等，且R4*C1的值与R5*C3的值相等，使红外放大电路的反应速度与降噪功能相适应；在红外光电二极管RD1未接收到红外线照射时，红外光电二极管RD1截止，红外放大电路中电阻R2、电阻R3串联分压后成为红外接收电路输出电压的对比电压；当红外光电二极管RD1接收到红外线照射时，红外光电二极管RD1的光电流经过电阻R1形成信号电压，经过放大后再输出到后级电路；
所述施密特触发器电路包含电阻R6、可调电阻R7，反相器U2与反相器U2；所述电阻R6的一端与红外放大电路的输出端相连；电阻R6的另一端与反相器U3的输入相连，反相器U2的输出与反相器U3的输出相连；可调电阻R7的两端分别与反相器U2的输入端及反相器U3的输出端相连。根据叠加原理及反相器翻转阈值电压属性，施密特触发器的高限电压为：(1+R6/R7)Vth，施密特触发器的低限电压为：(1-R6/R7)Vth，参数选择时，要求电阻R6的阻值大于电阻R7的阻值；Vth为反相器翻转的阈值电压值。通过施密特触发器，可减少环境中如云层对阳光的遮挡形成的红外线照射波动。
如图2，图3所示，所述第一逻辑调整单元为非门U4、第二逻辑调整单元为非门U9。
所述第一电控开关为N沟道MOSFET管Q1，所述第二电控开关为N够到MOSFET 管Q2；N沟道MOSFET管Q1的栅极与第一逻辑调整单元的输出端相连，N沟道MOSFET 管Q1的源极经电阻R10连接到参考地端；所述N沟道MOSFET管Q1的源极还连接到单片机的输入端；N沟道MOSFET管Q1的漏极与红外线测距单元的输出相连；当红外线影响过强超过施密特触发器的阈值电压后，输出高电平，经过非门U4转为低电平，则 MOSFET管Q2截止，红外线测距传感信号无法传递到单片机U5；反之，则MOSFET管 Q2导通，并将第一隔离电阻R9短路，红外测距传感信号可正常传递到单片机U5。
N沟道MOSFET管Q2的栅极与第二逻辑调整单元的输出端相连，N沟道MOSFET 管Q2的源极经电阻R10连接到参考地端；所述N沟道MOSFET管Q2的源极还连接到单片机的输入端；N沟道MOSFET管Q2的漏极与超声波测距单元的输出相连；当超声波环境因素信号影响处于窗口比较器的范围中时，输出低电平，经过非门U9转为高电平，则MOSFET管Q2导通，并将第二隔离电阻R17短路，使得超声波测距传感信号正常传递给单片机U5，反之，则MOSFET管Q2截止，超声波传感信号可正常传递到单片机U5。
所述第一指示电路包含电阻R8、发光二极管LERD1；所述电阻R8的一端与施密特触发器电路的输出相连，电阻R8的另一端与发光二极管LERD1的阳极相连，发光二极管LERD1的阴极与参考地端相连；
所述第二指示电路包含电阻R15、发光二极管LED2；所述电阻R15的一端与第二逻辑调整单元的输出相连，电阻R15的另一端与发光二极管LED2的阳极相连，发光二极管 LED2的阴极与参考地端相连；。
所述指示开关电路包含二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻RB1、NPN三极管 Q3与继电器；所述二极管D2、二极管D3的阴极并接后，串联电阻RB1与NPN三极管 Q3的基极相连；二极管D2的阳极与超声波测距开关、超声波测距传感单元的连接端相连；二极管D3的阳极与红外线测距开关、红外线测距传感单元的连接端相连；所述继电器的控制线圈L1一端与NPN三极管的集电极相连，继电器控制线圈L1的另一端与供电单元相连；二极管D4与继电器的控制线圈L1并联相接，且二极管D4的阳极与NPN三极管 Q3的集电极相连；NPN三极管Q3的发射极与参考地端相连；所述继电器为双刀双掷开关，包含开关S3与开关S4，开关S3连接在施密特触发器电路的输出与电阻R8远离发光二极管LERD1一侧的连接端之间；开关S4连接在第二逻辑调整单元的输出与电阻R15远离发光二极管LED2一侧的连接端之间。
如图4所示，所述红外线测距开关S1、超声波测距开关S2均为按键开关，测量时使用，使得供电单元提供给红外线测距传感单元SEN1、超声波测距传感单元SEN2用电，红外线测距传感单元或超声波测距传感单元对应工作，通过此设计，减少常态供电下的电能消耗；按下红外线测距开关S1或超声波测距开关S2后，NPN三极管Q3导通，继电器控制线圈L1通电工作，继电器开关工作端S3、S4闭合，当施密特触发器输出高电平时，则发光二极管LED1点亮；当第二逻辑调整单元U9输出高电平时，则发光二极管LED2 点亮；由于继电器动作时有“嗒嗒”声，若发现测距不工作时，可初步判断测距传感单元是否得电或工作并对应采取措施，不致影响同学们的实验效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。