專利名稱：一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方明涉及超聲波測距領(lǐng)域，更具體的涉及一種能克服測距盲區(qū)的高精度超聲波測距系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，人們對超聲波的特性越來越了解，對超聲波的廣泛應(yīng)用給我們的生活帶來了諸多方便。由于超聲波指向性強(qiáng)，因而常用于距離的測量，其測量精度可以達(dá)到毫米級(jí)別，因此基本上滿足日常的使用，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在汽車安全方面如汽車前后倒車?yán)走_(dá)測距、盲區(qū)探測系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的超聲波返回信號(hào)檢測電路都是直接連接在超聲波探頭的兩端，這樣會(huì)帶來弊端，首先激勵(lì)超聲波探頭的脈沖信號(hào)同樣會(huì)進(jìn)入返回信號(hào)檢測電路，因而容易導(dǎo)致信號(hào)放大電路增益溢出，進(jìn)而引起放大電路工作自激震蕩，振蕩的時(shí)間一般在5mS以上，因此在這一段時(shí)間內(nèi)超聲波探頭由于放大電路的自激震蕩是不能檢查到障礙物返回信號(hào)的，因此也就不能測量障礙物的距離，即所謂的超聲波盲區(qū)，目前已知最好的超聲波探頭一般能將自激振蕩時(shí)間控制在3. 5mS，對應(yīng)的盲區(qū)距離在60cm左右，因此大大限制了超聲波在近距離探測方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種精確的超聲波測距電路系統(tǒng)，利用本發(fā)明的電路能減小甚至抑制超聲波信號(hào)放大電路的自激振蕩，進(jìn)而減小超聲波測距的盲區(qū)距離，拓展超聲波在近距離測量的使用。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下
一種超聲波測距系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)電路、超聲波探頭、返回信號(hào)檢測電路和單片機(jī)，其中單片機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)輸出端連接于驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接于超聲波探頭，超聲波探頭的探測信號(hào)輸出至返回信號(hào)檢測電路，返回信號(hào)檢測電路的輸出端連接于單片機(jī)，其特征在于，在超聲波探頭的信號(hào)輸出端和返回信號(hào)檢測電路之間還連接有模擬開關(guān)，當(dāng)單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)從測距系統(tǒng)中斷開對返回信號(hào)檢測電路的連接，當(dāng)單片機(jī)停止向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)接通所述返回信號(hào)檢測電路在所述測距系統(tǒng)中的連接。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，其中所述的驅(qū)動(dòng)電路包括推挽電路和脈沖變壓器，推挽電路的輸入端連接于單片機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)輸出端，推挽電路的輸出端連接有脈沖變壓器，該推挽電路基于單片機(jī)輸入的啟動(dòng)信號(hào)將電壓源VCC的電壓變?yōu)轵?qū)動(dòng)脈沖電壓而施加于脈沖變壓器上。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述超聲波探頭的兩端同時(shí)連接于脈沖變壓器輸出級(jí)的兩端和模擬開關(guān)，所述模擬開關(guān)的控制端連接于推挽電路的輸出端，當(dāng)該推挽電路輸出第一信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)控制超聲波探頭的輸出端與返回信號(hào)檢測電路間相斷開，當(dāng)該推挽電路輸出第二信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)控制超聲波探頭的輸出端與返回信號(hào)檢測電路相連接。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，只有當(dāng)所述單片機(jī)向所述推挽電路輸入啟動(dòng)信 號(hào)時(shí)，所述推挽電路才產(chǎn)生所述第一信號(hào)，當(dāng)所述單片機(jī)停止向所述推挽電路輸入啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述推挽電路產(chǎn)生所述第二信號(hào)。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述推挽電路、脈沖變壓器和超聲波探頭的一端接地，所述第一信號(hào)為高電平信號(hào)，所述第二信號(hào)為低電平信號(hào)。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述超聲波探頭的兩端同時(shí)連接于脈沖變壓器輸出級(jí)的兩端和模擬開關(guān)，所述模擬開關(guān)的控制端連接于單片機(jī)的控制信號(hào)端，當(dāng)單片機(jī)向推挽電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，該控制信號(hào)端同時(shí)向模擬開關(guān)的控制端輸出第一控制信號(hào)，使得此時(shí)模擬開關(guān)控制超聲波探頭的輸出端與返回信號(hào)檢測電路間相斷開，當(dāng)單片機(jī)停止向推挽電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，其控制信號(hào)端隨即向模擬開關(guān)的控制端輸出第二控制信號(hào)，使得此時(shí)模擬開關(guān)控制超聲波探頭的輸出端與返回信號(hào)檢測電路間相連接。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，其中所述的推挽電路由PNP三極管Q1_B、NPN三極管Ql-A與Q2和電阻町2、1 16、1 17、1 18、1 19、1 20、1 21、1 22組成，三極管Ql-B的發(fā)射極連接電壓源VCC，三極管Ql-B的集電極通過電阻R12連接于三極管Ql-A的集電極，且于三極管Ql-B的集電極和電阻R12間引出推挽電路的輸出端，電阻R18、R16、R17、R19依次串聯(lián)組成分壓電路，電阻R18—個(gè)引腳接電壓源VCC，另一個(gè)引腳同時(shí)接電阻R16和三極管Ql-B的基極，三極管Ql-A的發(fā)射極接地，電阻R16的另一個(gè)引腳同時(shí)連接于電阻R17、三極管Q2的集電極和電阻R22，電阻R22的另一個(gè)引腳連接電壓源VCC，電阻R17的另一個(gè)引腳連接電阻R19和三極管Ql-A的基極，電阻R19另一個(gè)引腳接地，三極管Q2的發(fā)射極接地，三極管Q2的基極連接于電阻R20和R21，電阻R21的另一個(gè)引腳接地，電阻R20的另一個(gè)引腳作為推挽電路的輸入端，所述脈沖變壓器輸入級(jí)的一端連接于推挽電路的輸出端，另一端接地。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，在所述推挽電路的輸出端與脈沖變壓器之間連接有隔直電容。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述的超聲波探頭的兩端進(jìn)一步并聯(lián)有溫度補(bǔ)償電容和吸收二極管，所述超聲波探頭的一端接地，另一端作為其輸出端而連接于模擬開關(guān)。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述的模擬開關(guān)為MAX4541芯片，其第I腳是使能引腳、第3引腳接地、第4腳連接于返回信號(hào)檢測電路、第5腳連接于超聲波探頭的信號(hào)輸出端、第6腳懸空配置，當(dāng)對第I腳施加高電平時(shí)，第5腳便連接于懸空的第6腳使得此時(shí)模擬開關(guān)處于斷開狀態(tài)，當(dāng)對第I腳輸入非高電平時(shí)，第5腳便自動(dòng)連接于第4腳使得此時(shí)模擬開關(guān)處于閉合狀態(tài)。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述模擬開關(guān)的第I腳連接于推挽電路的輸出端，當(dāng)該推挽電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖高電平時(shí)，模擬開關(guān)的第5腳連接于懸空的第6腳，使得超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)不能到達(dá)返回信號(hào)檢測電路；當(dāng)推挽電路輸出低電平信號(hào)時(shí)，模擬開關(guān)的第5腳連接于第4腳，使得超聲波探頭的探測信號(hào)到達(dá)返回信號(hào)檢測電路。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述模擬開關(guān)的第I腳連接于單片機(jī)的控制信號(hào)端，當(dāng)單片機(jī)向推挽電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，該控制信號(hào)端同時(shí)向第I腳輸出高電平信號(hào)，使得模擬開關(guān)的第5腳連接于懸空的第6腳，當(dāng)單片機(jī)停止向推挽電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，其控制信號(hào)端隨即向第I腳輸出低電平信號(hào)，使得模擬開關(guān)的第5腳連接于第4腳。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述返回信號(hào)檢測電路包括帶通濾波器、二級(jí)放大電路和雙門限比較器，所述雙門限比較器將經(jīng)過濾、放大后的超聲波返回包絡(luò)信號(hào)處理為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，并輸出至所述單片機(jī)。
進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述的單片機(jī)采用8位單片機(jī)，具有中斷加定時(shí)計(jì)數(shù)模式，通過計(jì)算超聲波發(fā)射信號(hào)和返回信號(hào)之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)距離測量。進(jìn)一步地根據(jù)本發(fā)明的測距系統(tǒng)，所述的單片機(jī)型號(hào)為MC9S08SG4，當(dāng)其停止向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)時(shí)立即開始計(jì)時(shí)，直到該單片機(jī)接收到返回信號(hào)檢測電路輸入的障礙物回波信號(hào)時(shí)停止記時(shí)，根據(jù)該時(shí)間間隔并結(jié)合超聲波的傳播速度來計(jì)算障礙物的距離。本發(fā)明的技術(shù)方案所要達(dá)到的技術(shù)效果
通過本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠極大的減小甚至抑制超聲波信號(hào)放大電路的自激振蕩，進(jìn)而有效的減小了超聲波測距的盲區(qū)距離，拓展了超聲波在近距離測量的使用，提高了超聲波的近距離測量精度。本發(fā)明的超聲波測距電路結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強(qiáng)，且其測距結(jié)果精確，可推廣性強(qiáng)。


圖I為本發(fā)明所述超聲波測距系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)框 圖2為本發(fā)明所述超聲波測距系統(tǒng)的具體電路結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述
如附圖I所示，本發(fā)明提供的超聲波測距系統(tǒng)電路主要包括推挽電路、脈沖變壓器Tl、收發(fā)一體超聲波探頭UTS、模擬開關(guān)U1、帶通濾波器、二級(jí)放大電路、雙門限比較器及單片機(jī)，其中推挽電路連接于脈沖變壓器Tl，脈沖變壓器Tl的輸出端連接于超聲波探頭，超聲波探頭的輸出信號(hào)端連接于模擬開關(guān)U1，模擬開關(guān)Ul連接于帶通濾波器，帶通濾波器連接于二級(jí)放大電路，二級(jí)放大電路連接于雙門限比較器，雙門限比較器連接于單片機(jī)。本發(fā)明中的推挽電路主要由Q1、Q2、R12、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22 組成，如附圖2所示，Ql包括Ql-A和Ql-Β，其為一對NPN、PNP三極管，采用同體封裝，優(yōu)點(diǎn)在于能夠確保三極管參數(shù)有同向偏差，參數(shù)差異性一致性較好，其中Ql-B的發(fā)射極連接VCC，Q1-B集電極連接R12，同時(shí)連接隔直電容C4 (此處網(wǎng)絡(luò)號(hào)為ECH0_C0N)，Q1-B集電極通過R12連接于Ql-A的集電極，Ql-B的基極連接于串聯(lián)電阻R18和R16之間。Ql-A的發(fā)射極接地。電阻R18、R16、R17、R19依次串聯(lián)組成分壓電路，R18 一個(gè)引腳接VCC，另一個(gè)引腳接R16同時(shí)連接Ql-B的基極，R16另一個(gè)引腳連接R17同時(shí)連接于Q2的集電極和R22，R22的另一個(gè)引腳連接VCC。R17的另一個(gè)引腳連接R19和Ql-A的基極；R19另一個(gè)引腳接地。Q2的發(fā)射極接地。電阻R20 —個(gè)引腳接單片機(jī)U2的控制引腳PWM_IN，另一個(gè)引腳接Q2的基極和電阻R21，R21的另一個(gè)引腳接地。電阻R18和R16、R17、R19的分壓值用于對Ql-B的基極電壓偏置，電阻R18、R16、R17和R19的分壓值用于對Ql-A的基極電壓偏置。其中上述隔直電容C4的另一端連接超聲波探頭驅(qū)動(dòng)用的脈沖變壓器Tl，上述推挽電路將VCC電壓變?yōu)槊}沖電壓并經(jīng)隔直電容C4而施加于脈沖變壓器Tl上，該隔直電容C4的作用有二，首先是用于隔離直流，達(dá)到隔直通交的作用，即通過脈沖電壓同時(shí)隔離直流電流，因?yàn)檩斎胩笾绷麟娏魅菀讓?dǎo)致脈沖變壓器磁芯飽和，其次是當(dāng)推挽電路中Ql-B出現(xiàn)故障后，防止VCC直接短路，R12用于控制推挽電路交越導(dǎo)通時(shí)的電流。
本發(fā)明中的變壓器Tl為脈沖變壓器，通過Tl驅(qū)動(dòng)超聲波探頭UTS發(fā)射超聲波，即該脈沖變壓器Tl直接輸出超聲波探頭UTS的激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)距離測量。如附圖2所示超聲波探頭UTS、電容C3以及二極管Dl并聯(lián)于變壓器Tl輸出端，其中C3為溫度補(bǔ)償電容，用于對系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償使用，Dl為吸收二極管，加大脈沖變壓器勵(lì)磁電壓能量的衰減，進(jìn)一步衰弱超聲波探頭的機(jī)械余震，超聲波探頭UTS的一端接地，另一端連接于模擬開關(guān)Ul的第5腳，所示的超聲波探頭UTS為收發(fā)一體形式的超聲波探頭，在變壓器Tl的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)下能夠發(fā)射超聲波探測信號(hào)，所發(fā)射的超聲波探測信號(hào)在遇到障礙物反射回超聲波探頭UTS時(shí)，該超聲波探頭UTS在接收到該反射回的超聲波回波后能夠產(chǎn)生并輸出一返回探測信號(hào)，通常該超聲波探頭可使用壓電材料制作而成，其在收到回波之后便會(huì)產(chǎn)生一定的電壓探測信號(hào)。本發(fā)明中的模擬開關(guān)Ul采用MAX4541芯片，MAX4541的第一引腳IN是使能引腳，通過對該第一引腳IN施加高電平和低電平，能夠?qū)崿F(xiàn)其第5引腳COM腳和第6腳NO、第4腳NC的分時(shí)連接，其中該MAX4541的第6腳懸空配置，第4腳連接于后續(xù)的超聲波返回信號(hào)檢測電路，第5腳連接于前方超聲波探頭UTS的返回信號(hào)輸出端。當(dāng)MAX4541的第一引腳IN輸入高電平時(shí)，其第5引腳COM腳便連接于懸空的第6腳NO，此時(shí)該模擬開關(guān)Ul處于斷開狀態(tài)，經(jīng)其所連接的前后兩部分電路處于斷開狀態(tài)，前部分電路中的任何信號(hào)都不能傳輸至后部分電路中；當(dāng)祖乂4541的第一引腳IN輸入非高電平(如低電平)時(shí)，其第5引腳COM腳便自動(dòng)連接于第4腳NC，此時(shí)該模擬開關(guān)Ul處于閉合狀態(tài)，經(jīng)其所連接的前后兩部分電路處于連通狀態(tài)，前部分電路中的返回信號(hào)能夠傳輸至后部分電路中。因此應(yīng)用于本發(fā)明所述電路中的這種模擬開關(guān)Ul (MAX4541芯片)實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一種單刀雙擲的開關(guān)，本發(fā)明利用這種模擬開關(guān)Ul解決本發(fā)明技術(shù)問題中所述克服超聲波探測盲區(qū)的具體原理過程如下
如附圖2所示，本發(fā)明中脈沖變壓器Tl的輸出端連接于超聲波探頭UTS的兩端，用于對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而超聲波探頭UTS的返回信號(hào)輸出端通過模擬開關(guān)Ul而連接于后續(xù)的返回信號(hào)檢測電路；若在該電路中不設(shè)置模擬開關(guān)則超聲波探頭UTS的返回信號(hào)和驅(qū)動(dòng)脈沖都直接輸出至后續(xù)返回信號(hào)檢測電路，即當(dāng)為超聲波探頭UTS提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)其激勵(lì)脈沖信號(hào)同時(shí)輸出至后續(xù)返回信號(hào)檢測電路中而引起具有一定時(shí)間間隔的自激震蕩，導(dǎo)致探測盲區(qū)的出現(xiàn)，而本發(fā)明如上所述于超聲波探頭UTS的返回信號(hào)輸出端和后續(xù)返回信號(hào)檢測電路間連接有模擬開關(guān)Ul，該模擬開關(guān)Ul的第6腳懸空配置，第4腳連接于后續(xù)的超聲波返回信號(hào)檢測電路，第5腳連接于前方超聲波探頭UTS的返回信號(hào)輸出端，通過對模擬開關(guān)Ul的使能引腳IN施加控制信號(hào)來控制器第5引腳COM腳和第6腳NO、第4腳NC的分時(shí)連接，對該使能引腳IN的控制可通過推挽電路的輸出端來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵撏仆祀娐份敵雒}沖信號(hào)即意味著要對超聲波探頭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施方式中該模擬開關(guān)Ul的使能引腳IN通過電阻R14而連接于推挽電路的輸出端ECH0_C0N，當(dāng)單片機(jī)U2通過其PWM_IN腳向推挽電路發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)，該推挽電路的Ql-B導(dǎo)通，其ECHO_CON端輸出脈沖方波(如0V-12V的方波脈沖)，且當(dāng)其脈沖電平為高電平時(shí)，模擬開關(guān)Ul的使能引腳IN接收到該高電平信號(hào)，此時(shí)模擬開關(guān)使其第5引腳COM腳連接于懸空的第6腳NO，模擬開關(guān)Ul處于斷開狀態(tài)，使得超聲波探頭UTS的高電平脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能到達(dá)后續(xù)的返回信號(hào)檢測電路，盡管當(dāng)ECH0_C0N端輸出脈沖低電平時(shí)模擬開關(guān)Ul處于接通狀態(tài)，但由于超聲波探頭的一端接地，此時(shí)這種低電平信號(hào)(OV)不會(huì)引起自激震蕩，因此這種通過用推挽電路的輸出端信號(hào)控制模擬開關(guān)能夠阻擋超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)傳輸至后續(xù)檢測電路中而引起探測盲區(qū)；同理而當(dāng)單片機(jī)U2停止發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)(亦即其PWM_IN腳停止向推挽電路輸出控制信號(hào)時(shí))，推挽電路的ECH0_C0N端輸出低電平信號(hào)，使得模擬開關(guān)Ul的第5引腳COM腳連接于其第4腳而使前后電路處于接通狀態(tài)，此時(shí)超聲波探頭UTS的返回信號(hào)能夠到達(dá)后續(xù)的返回信號(hào)檢測電路。當(dāng)然基于同樣的原理上述模擬開關(guān)Ul的使能引腳IN也可直接連接于單片機(jī)U2的某控制信號(hào)端來實(shí)現(xiàn)上述分時(shí)控制功能，即當(dāng)單片機(jī)U2向推挽電路輸出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，該單片機(jī)U2的控制信號(hào)端同時(shí)向模擬開關(guān)輸出高電平使得模擬開關(guān)的第5引腳COM腳連接于懸空的第6腳NO，模擬開關(guān)Ul處于斷開狀態(tài)使得驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)不能到達(dá)后續(xù)電路，當(dāng)單片機(jī)U2停止向推挽電路輸出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，該單片機(jī)U2的控制信號(hào)端隨即向模擬開關(guān)輸出低電平使得模擬開關(guān)的第5引腳COM腳連接于其第4腳而使前后電路處于接通狀態(tài)，此時(shí)超聲波探頭UTS的返回信號(hào)能夠到達(dá)后續(xù)的返回信號(hào)檢測電路。因此本發(fā)明中通過利用這種具有單刀雙擲性能的模擬開關(guān)Ul，通過在超聲波發(fā)射時(shí)斷開返回信號(hào)檢測電路，從而隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到后續(xù)的放大電路，使得放大電路在沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)影響的情況下將不會(huì)自激振蕩，因而系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在超聲波發(fā)射立即結(jié)束后就能檢測障礙物的返回信號(hào)，有效減小了超聲波探頭的盲區(qū)距離。上述連接于模擬開關(guān)Ul第4腳的超聲波返回信號(hào)檢測電路包括帶通濾波器、二級(jí)放大電路和雙門限比較器。其中所述帶通濾波器由RU Cl、R2、C2、R5、R3、R4及IC5-A組成，其中R1、C1組成低通濾波器，同時(shí)決定帶通濾波器的中心頻率，R2、C2組成高通濾波器，R5和IC5-A組成有源反饋，IC5-A和R3、R4組成帶通信號(hào)增益放大電路，對礙物返回信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大，放大倍數(shù)為(1+R3/R4)。本發(fā)明中的二級(jí)放大電路主要由IC5-B和R7、R8組成，放大倍數(shù)為(1+R7/R8)，實(shí)現(xiàn)對障礙物返回信號(hào)的二級(jí)放大。本發(fā)明中的雙門限比較電路主要由R11、R13、R9、R10、IC5-C和IC5-D組成，其中R11、R13和IC5-C組成上限值比較器，通過調(diào)節(jié)Rll和R13的值，設(shè)置雙門限比較器的上門限值；R9、RlO和IC5-D組成下門限比較器，通過調(diào)節(jié)R9和RlO的值，設(shè)置雙門限比較器的下門限值。通過該雙門限比較器將超聲波返回的包絡(luò)信號(hào)處理為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，并輸出至單片機(jī)U2的比較捕獲引腳PWM_0UT中。上述IC5采用高速放大器，IC5-A、IC5-B、IC5-C和IC5-D最好為同一個(gè)運(yùn)放封裝中的四個(gè)單獨(dú)運(yùn)放，其中附圖2中的IC5-E部分即給出了這些運(yùn)放的電源和地的使用配置圖。本發(fā)明中的單片機(jī)可以采用8位單片機(jī)及其他微處理器，采用中斷加定時(shí)計(jì)數(shù)模式，通過計(jì)算發(fā)射信號(hào)和返回信號(hào)之間的時(shí)間實(shí)現(xiàn)距離轉(zhuǎn)換。本發(fā)明實(shí)例中采用飛思卡爾的單片機(jī)，該單片機(jī)U2的型號(hào)為MC9S08SG4，如附圖2所示其第8引腳的控制信號(hào)輸出端PWM_IN連接于推挽電路的輸入端，所述超聲波返回信號(hào)檢測電路的輸出端連接于單片機(jī)U2的第7腳PWM_OUT。該單片機(jī)U2的功能為通過控制超聲波探頭UTS發(fā)射超聲波信號(hào)以進(jìn)行超聲波測距，具體過程為單片機(jī)U2通過其PWM_IN向推挽電路發(fā)出超聲波發(fā)射啟動(dòng)控制信號(hào)，推挽電路隨即基于該啟動(dòng)信號(hào)而驅(qū)動(dòng)變壓器激勵(lì)超聲波探頭UTS發(fā)射超聲波信號(hào)以用于測距，當(dāng)其PWM_IN端的啟動(dòng)信號(hào)發(fā)射停止時(shí)(表明超聲波已發(fā)射)，該單片機(jī)U2立即開始計(jì)時(shí)，直到單片機(jī)U2的第7腳檢測到返回信號(hào)檢測電路輸出的障礙物回波信號(hào)時(shí)停止記時(shí)，此時(shí)算出超聲波在傳輸過程中的時(shí)間，根據(jù)公式vt/2即可計(jì)算障礙物的距離，V是聲音在空氣中的傳輸速度，t是單片機(jī)U2的上述計(jì)時(shí)時(shí)間，也就是超聲波在傳輸過程中的時(shí)間，由于聲音傳輸速度和溫度有關(guān)，因此通常需要單片機(jī)在軟件中進(jìn)行算法處理以提高測量距離的精度以上僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了描述，并不將本發(fā)明的技術(shù)方案限制于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的主要技術(shù)構(gòu)思的基礎(chǔ)上所作的任何公知變形都屬于本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)范疇，如上所述本發(fā)明的技術(shù)發(fā)明點(diǎn)是于超聲波探頭輸出信號(hào)端和該信號(hào)的檢測電路間創(chuàng)造性的連接有模擬開關(guān)，該模擬開關(guān)具有單刀雙擲功能，在啟動(dòng)超聲波探頭時(shí)該模擬開關(guān)斷開對檢測電路的連接以避免驅(qū)動(dòng)脈沖傳輸至檢測電路引起自激振蕩，在啟動(dòng)結(jié)束后自動(dòng)接通檢測電路以實(shí)時(shí)檢測超聲波返回信號(hào)，盡管上述實(shí)施例對這種超聲波測距系統(tǒng)中的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體的限定，但本發(fā)明的技術(shù)方案并不限于這些具體的電路結(jié)構(gòu)，如推挽電路也可使用本領(lǐng)域熟知的其他驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)，這并不影響本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施，又如模擬開關(guān)也可選擇具有其他型號(hào)的數(shù)控、電控開關(guān)，而并不局限于上述型號(hào)，其開關(guān)電平控制信號(hào)也可與上述過程相異(如基于低電平而斷開模擬開關(guān))等，返回信號(hào)檢測電路中各電路模塊也可在本領(lǐng)域進(jìn)行靈活選擇，等等這些都屬于本發(fā)明的技術(shù)范疇，本發(fā)明具體的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書的記載為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種超聲波測距系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)電路、超聲波探頭、返回信號(hào)檢測電路和單片機(jī)，其中單片機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)輸出端連接于驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接于超聲波探頭，超聲波探頭的探測信號(hào)輸出至返回信號(hào)檢測電路，返回信號(hào)檢測電路的輸出端連接于單片機(jī)，其特征在于，在超聲波探頭的信號(hào)輸出端和返回信號(hào)檢測電路之間還連接有模擬開關(guān)，當(dāng)單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)從測距系統(tǒng)中斷開對返回信號(hào)檢測電路的連接，當(dāng)單片機(jī)停止向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)接通所述返回信號(hào)檢測電路在所述測距系統(tǒng)中的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，其中所述的驅(qū)動(dòng)電路包括推挽電路和脈沖變壓器，推挽電路的輸入端連接于單片機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)輸出端，推挽電路的輸出端連接有脈沖變壓器，該推挽電路基于單片機(jī)輸入的啟動(dòng)信號(hào)將電壓源VCC的電壓變?yōu)轵?qū)動(dòng)脈沖電壓而施加于脈沖變壓器上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波探頭的兩端同時(shí)連接于脈沖變壓器輸出級(jí)的兩端和模擬開關(guān)，所述模擬開關(guān)的控制端連接于推挽電路的輸出端，當(dāng)該推挽電路輸出第一信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)控制超聲波探頭的輸出端與返回信號(hào)檢測電路間相斷開，當(dāng)該推挽電路輸出第二信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)控制超聲波探頭的輸出端與返回信號(hào)檢測電路相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，只有當(dāng)所述單片機(jī)向所述推挽電路輸入啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述推挽電路才產(chǎn)生所述第一信號(hào)，當(dāng)所述單片機(jī)停止向所述推挽電路輸入啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述推挽電路產(chǎn)生所述第二信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述推挽電路、脈沖變壓器和超聲波探頭的一端接地，所述第一信號(hào)為高電平信號(hào)，所述第二信號(hào)為低電平信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波探頭的兩端同時(shí)連接于脈沖變壓器輸出級(jí)的兩端和模擬開關(guān)，所述模擬開關(guān)的控制端連接于單片機(jī)的控制信號(hào)端，當(dāng)單片機(jī)向推挽電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，該控制信號(hào)端同時(shí)向模擬開關(guān)的控制端輸出第一控制信號(hào)，使得此時(shí)模擬開關(guān)控制超聲波探頭的輸出端與返回信號(hào)檢測電路間相斷開，當(dāng)單片機(jī)停止向推挽電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，其控制信號(hào)端隨即向模擬開關(guān)的控制端輸出第二控制信號(hào)，使得此時(shí)模擬開關(guān)控制超聲波探頭的輸出端與返回信號(hào)檢測電路間相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6任一項(xiàng)所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，其中所述的推挽電路由PNP三極管 Q1-B、NPN 三極管 Ql-A 與 Q2 和電阻 R12、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22 組成，三極管Ql-B的發(fā)射極連接電壓源VCC，三極管Ql-B的集電極通過電阻R12連接于三極管Ql-A的集電極，且于三極管Ql-B的集電極和電阻R12間引出推挽電路的輸出端，電阻R18、R16、R17、R19依次串聯(lián)組成分壓電路，電阻R18 —個(gè)引腳接電壓源VCC，另一個(gè)引腳同時(shí)接電阻R16和三極管Ql-B的基極，三極管Ql-A的發(fā)射極接地，電阻R16的另一個(gè)引腳同時(shí)連接于電阻R17、三極管Q2的集電極和電阻R22，電阻R22的另一個(gè)引腳連接電壓源VCC，電阻R17的另一個(gè)引腳連接電阻R19和三極管Ql-A的基極，電阻R19另一個(gè)引腳接地，三極管Q2的發(fā)射極接地，三極管Q2的基極連接于電阻R20和R21，電阻R21的另一個(gè)引腳接地，電阻R20的另一個(gè)引腳作為推挽電路的輸入端，所述脈沖變壓器輸入級(jí)的一端連接于推挽電路的輸出端，另一端接地。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，在所述推挽電路的輸出端與脈沖變壓器之間連接有隔直電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述的超聲波探頭的兩端進(jìn)一步并聯(lián)有溫度補(bǔ)償電容和吸收二極管，所述超聲波探頭的一端接地，另一端作為其輸出端而連接于模擬開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述的模擬開關(guān)為MAX4541芯片，其第I腳是使能引腳、第3引腳接地、第4腳連接于返回信號(hào)檢測電路、第5腳連接于超聲波探頭的信號(hào)輸出端、第6腳懸空配置，當(dāng)對第I腳施加高電平時(shí)，第5腳便連接于懸空的第6腳使得此時(shí)模擬開關(guān)處于斷開狀態(tài)，當(dāng)對第I腳輸入非高電平時(shí)，第5腳便自動(dòng)連接于第4腳使得此時(shí)模擬開關(guān)處于閉合狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬開關(guān)的第I腳連接于推挽電路的輸出端，當(dāng)該推挽電路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖高電平時(shí)，模擬開關(guān)的第5腳連接于懸空的第6腳，使得超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)不能到達(dá)返回信號(hào)檢測電路；當(dāng)推挽電路輸出低電平信號(hào)時(shí)，模擬開關(guān)的第5腳連接于第4腳，使得超聲波探頭的探測信號(hào)到達(dá)返回信號(hào)檢測電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬開關(guān)的第I腳連接于單片機(jī)的控制信號(hào)端，當(dāng)單片機(jī)向推挽電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，該控制信號(hào)端同時(shí)向第I腳輸出高電平信號(hào)，使得模擬開關(guān)的第5腳連接于懸空的第6腳，當(dāng)單片機(jī)停止向推挽電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，其控制信號(hào)端隨即向第I腳輸出低電平信號(hào)，使得模擬開關(guān)的第5腳連接于第4腳。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述返回信號(hào)檢測電路包括帶通濾波器、二級(jí)放大電路和雙門限比較器，所述雙門限比較器將經(jīng)過濾、放大后的超聲波返回包絡(luò)信號(hào)處理為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，并輸出至所述單片機(jī)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述的單片機(jī)采用8位單片機(jī)，具有中斷加定時(shí)計(jì)數(shù)模式，通過計(jì)算超聲波發(fā)射信號(hào)和返回信號(hào)之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)距離測量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的測距系統(tǒng)，其特征在于，所述的單片機(jī)型號(hào)為MC9S08SG4，當(dāng)其停止向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)時(shí)立即開始計(jì)時(shí)，直到該單片機(jī)接收到返回信號(hào)檢測電路輸入的障礙物回波信號(hào)時(shí)停止記時(shí)，根據(jù)該時(shí)間間隔并結(jié)合超聲波的傳播速度來計(jì)算障礙物的距離。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超聲波測距系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)電路、超聲波探頭、返回信號(hào)檢測電路和單片機(jī)，其中單片機(jī)連接于驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路連接于超聲波探頭，超聲波探頭的探測信號(hào)輸出至返回信號(hào)檢測電路，返回信號(hào)檢測電路的輸出端連接于單片機(jī)，在超聲波探頭的信號(hào)輸出端和返回信號(hào)檢測電路之間還連接有模擬開關(guān)，當(dāng)單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)從測距系統(tǒng)中斷開對返回信號(hào)檢測電路的連接，當(dāng)單片機(jī)停止向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，所述模擬開關(guān)接通所述返回信號(hào)檢測電路在所述測距系統(tǒng)中的連接，通過利用這種具有單刀雙擲性能的模擬開關(guān)，使得在超聲波發(fā)射時(shí)斷開返回信號(hào)檢測電路，從而避免了驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到后續(xù)的放大電路中可能引起的自激振蕩，有效減小了超聲波探頭的探測盲區(qū)距離。
文檔編號(hào)G01S15/08GK102621552SQ201210065008
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者周勇, 朱得亞, 鄧飛賀 申請人:奇瑞汽車股份有限公司