專利名稱：超聲波測距傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及測量技術領域，具體涉及一種超聲波測距傳感器。
背景技術：
近幾年，超聲波傳感器技術已經廣泛應用于工業自動化測距、糾偏、測流量、測風速等。由于傳統的超聲波測距傳感器在惡劣的工作環境下精度低，穩定性及可靠性差，無法應用于高要求的自控領域。目前國外專用的超聲波測距芯片可以在惡劣的環境情況下工作，精度高，穩定性及可靠性高，但難以采購且成本過高，不易實現。
實用新型內容本實用新型的目的是為了克服現有技術中傳統的超聲波測距傳感器在惡劣的工作環境下精度低，穩定性及可靠性差，無法應用于高要求的自控領域。目前國外專用的超聲波測距芯片可以在惡劣的環境情況下工作，精度高，穩定性及可靠性高，但難以采購且成本過高，不易實現的問題。為了解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案是—種超聲波測距傳感器包括CPU模塊、信號處理模塊和收發一體超聲波換能器，所述CPU模塊包括CPU和第二電源電路，所述第二電源電路與CPU模塊中各電路相連接，其特征在于所述CPU模塊還包括施密特觸發電路、回波信號輸出驅動電路、超聲波發射驅動電路和自動增益控制驅動電路，外部測距系統主機的觸發信號輸出端與CPU模塊的施密特觸發電路的觸發信號輸入端相連接，所述施密特觸發電路的輸出端與CPU的第一外部中斷端口相連接，CPU的回波信號輸出端通過回波信號輸出驅動電路與外部測距系統主機的回波信號輸入端相連接，CPU的增益控制信號輸出端通過自動增益控制驅動電路與設置在信號處理模塊內的自動增益控制電路相連接，CPU的超聲波發射驅動信號輸出端通過超聲波發射驅動電路與設置在信號處理模塊內的換能器升壓驅動電路相連接。前述的超聲波測距傳感器，其特征在于所述信號處理模塊還包括阻抗匹配及前置放大電路、二級帶通濾波放大電路、有源全波整流濾波電路和波形整形比較器電路，所述收發一體超聲波換能器的接線端分別與阻抗匹配及前置放大電路的輸入端及換能器升壓驅動電路的輸出端相連接，阻抗匹配及前置放大電路的輸出端通過所述自動增益控制電路與二級帶通濾波放大電路的輸入端相連接，二級帶通濾波放大電路的輸出端與有源全波整流濾波電路的輸入端相連接，有源全波整流濾波電路的輸出端與波形整形比較器電路的輸入端相連接，波形整形比較器電路的輸出端與所述CPU的第二外部中斷端口相連接。前述的超聲波測距傳感器，其特征在于所述信號處理模塊還設有射極跟隨型中點電壓驅動電路，所述射極跟隨型中點電壓驅動電路分別與阻抗匹配及前置放大電路、二級帶通濾波放大電路和有源全波整流濾波電路中的運算放大器的同相輸入端相連接。前述的超聲波測距傳感器，其特征在于所述設置在信號處理模塊內的自動增益控制電路，位于所述阻抗匹配及前置放大電路和二級帶通濾波放大電路之間。[0009]前述的超聲波測距傳感器，其特征在于所述設置在信號處理模塊內的波形整形比較器電路設有比較器，所述比較器的觸發基準電壓端與二極管的正極相連接，所述二極管的負極與所述射極跟隨型中點電壓驅動電路的輸出端相連接。本實用新型的有益效果是本實用新型仍然采用通用器件，通過自主設計的信號處理模塊對超聲波測距信號進行放大、補償、濾波、整形等一系列的處理后，在不使用價格高的專用的超聲波測距芯片的情況下，可使超聲波探測精度達到毫米級、探測距離增大，還通過電路設計提高了產品的穩定性和可靠性，具有良好的應用前景。
圖I是本實用新型的超聲波測距傳感器的系統框圖。圖2是本實用新型的超聲波測距傳感器的軟件設計流程圖。圖3是本實用新型的超聲波測距傳感器與外部測距系統主機的接口圖。圖4是本實用新型的外部測距系統主機分析得到的信號時序圖。圖5是本實用新型的信號處理模塊的電路原理圖。圖6是本實用新型的CPU模塊的電路原理圖。
具體實施方式
下面將結合說明書附圖，對本實用新型作進一步的說明。如圖I所示，一種超聲波測距傳感器，包括CPU模塊、信號處理模塊和收發一體超聲波換能器，外部測距系統主機的觸發信號輸出端Clock端口與CPU模塊的施密特觸發電路的輸入端Clock端口相連接，所述施密特觸發電路的輸出端與CPU的第一外部中斷INTO端口相連接，CPU的回波信號輸出端out3端口與回波信號輸出驅動電路的輸入端相連接，回波信號輸出驅動電路輸出端Echo端口與外部測距系統主機的回波信號輸入端Echo端口相連接，CPU的增益控制信號輸出端out2端口與自動增益控制驅動電路的輸入端相連接，自動增益控制驅動電路的輸出端與信號處理模塊內的自動增益控制電路相連接，CPU的超聲波發射驅動信號輸出端OUtl端口與超聲波發射驅動電路的輸入端相連接,超聲波發射驅動電路的輸出端與信號處理模塊內的換能器升壓驅動電路相連接。所述收發一體超聲波換能器的接線端分別與信號處理模塊內的阻抗匹配及前置放大電路的輸入端及換能器升壓驅動電路的輸出端相連接，阻抗匹配及前置放大電路的輸出端與自動增益控制電路的輸入端相連接，自動增益控制電路的輸出端與二級帶通濾波放大電路的輸入端相連接，二級帶通濾波放大電路的輸出端與有源全波整流濾波電路的輸入端相連接，有源全波整流濾波電路的輸出端與波形整形比較器電路的輸入端相連接，波形整形比較器電路的輸出端與CPU的第二外部中斷INTl端口相連接。所述信號處理模塊還設有射極跟隨型中點電壓驅動電路和第一電源電路，所述射極跟隨型中點電壓驅動電路分別與阻抗匹配及前置放大電路、二級帶通濾波放大電路和有源全波整流濾波電路中的運算放大器的同相輸入端相連接，第一電源電路與信號處理模塊中的各電路相連接。所述設置在信號處理模塊內的自動增益控制電路，位于阻抗匹配及前置放大電路和二級帶通濾波放大電路之間。[0022]所述設置在信號處理模塊內的波形整形比較器電路設有比較器，所述比較器的觸發基準電壓端與二極管的正極相連接，所述二極管的負極與所述射極跟隨型中點電壓驅動電路的輸出端相連接。其中CPU模塊用于控制處理各種信號的輸入輸出；超聲波換能器用于發出超聲波信號和接收超聲波回波信號；第二電源電路用于超聲波測距傳感器各電路提供工作電壓；施密特觸發電路用于將外部測距系統主機發送的測距觸發信號進行整形，由于不同廠家的外部測距系統主機發出的測距觸發信號電平并不一致，故將施密特觸發器電路設計成寬邏輯電平的工作模式，即輸入電平高于2/3Ub為高電平,輸入電平低于1/3 Ub為低電平，Ub為本超聲波測距傳感器的供電電壓；施密特觸發器電路由精密比較器芯片構成，其相關電阻值是經過精密計算取得的；超聲波發射驅動電路采用三極管或mos管對CPU輸出的超聲波發射信號進行放大，用于驅動信號處理模塊內的超聲波換能器升壓驅動電路，確保收發一體超聲波換能器能發出超聲波信號；換能器升壓驅動電路采用微型變壓器將超聲波發射波信號升壓到幾百伏，驅動收發一體的超聲波換能器發出超聲波信號，微型變壓器初級端的供電電源需有良好的濾波處理，確保發射出去的超聲波穩定；自動增益控制驅動電路由CPU根據不同的時間域所對應的探測距離來控制自動增益控制驅動電路，根據探測距離越 近，信號衰減量越大，增益越低的原則來輸出不同的電平到信號處理模塊內的自動增益控制電路中的三極管的基極，從而控制回波信號的放大增益；考慮到CPU的驅動能力有限，以及回波輸出信號極性要符合外部測距系統主機的要求這兩點因素，回波信號輸出驅動電路中的驅動器件采用耐壓較高、輸出電流較大的三極管或mos管，將超聲波回波信號輸送給外部測距系統主機的Echo回波脈沖輸入端，提高產品的可靠性。所述信號處理模塊設有阻抗匹配及前置放大電路、自動增益控制電路、二級帶通濾波放大電路、有源全波整流濾波電路和波形整形比較器電路，所述阻抗匹配及前置放大電路、自動增益控制電路、二級帶通濾波放大電路和有源全波整流濾波電路、波形整形比較器電路依次連接。所述阻抗匹配及前置放大電路采用反相輸入形式的線性運放電路，其輸入信號由收發一體超聲波換能器給定，經放大后的信號輸出到自動增益控制電路。雖然此電路與收發一體超聲波換能器的阻抗匹配性稍差，但共模抑制比高，能有效的抑制電源電壓的波動，提高測量數據的精度，至于因阻抗匹配性差而造成的信號放大倍數的損失可在后續的電路中彌補，這里選用的運算放大器放選用低噪聲，寬帶寬的線性運放，運放的截止頻率十倍于工作頻率。所述自動增益控制電路由于整個超聲波測距傳感器信號處理模塊對回波信號的放大倍數很大，自動增益控制電路在整個信號處理電路中所處的位置顯得很重要，其直接影響到整個信號處理電路的信噪比和穩定性，自動增益控制電路放置于阻抗匹配及前置放大電路和二級帶通濾波放大電路之間效果最好。自動增益控制電路的輸入信號來自于阻抗匹配及前置放大電路的輸出端，電路采用三極管共發射極(或mos管共源極)電路對阻抗匹配及前置放大電路放大后的超聲波回波信號進行分壓處理，其對信號的衰減量由CPU進行控制，經自動增益控制電路處理后的信號輸出到二級帶通濾波放大電路進行選頻放大，自動增益控制電路能有效的減小測距的盲區。所述二級帶通濾波放大電路采用線性運放作為無限增益放大器的多重反饋有源濾波器，特點是濾波器頻點、帶寬及增益易調，并采用兩級可大大的提高整個信號處理電路在工作頻率點的信號放大增益，有效的提高電路對其它聲波的抗干擾能力及增大探測距離，其輸入信號來自于自動增益控制電路的輸出，輸出信號提供給有源全波整流濾波電路進行全波整流濾波信號處理。所述有源全波整流濾波電路由精密全波整流電路和型RC濾波電路組成，能夠使電路避免二極管死區電壓和指數特性對整流輸出的影響，實現了精密全波整流和高靈敏度。該電路的輸入信號來自于二級帶通濾波放大電路，輸出信號接后面的波形整形比較器電路的信號輸入端。所述波形整形比較器電路是在比較器的一端即觸發基準電壓采用自動跟蹤運放的中點電壓的方式，由一個二極管在正向導通時壓降的基本恒定特點來作為超聲波回波信號的觸發基準電壓，一旦運放的中點電壓因某種原因產生波動時比較器該端的觸發基準電壓也自動跟隨變動，從而使得對經過有源全波整流濾波電路的超聲波回波信號的電壓與觸發基準電壓的差值保持不變，提高了整個電路的測距精度。所述射極跟隨型中點電壓驅動電路由于本電路中單電源供電的運算放大器工作時同相輸入端需提供一個1/2VCC中點電壓才能正常工作(Vcc為線性運放的工作電壓)， 中點電壓的穩定與否至關重要，為了提高整個電路的穩定性和測距精度，對電阻分壓后的l/2Vcc再經過一道射極跟隨電路能夠提高其中點電壓的負載能力，從而保證了中點電壓的穩定性，提高了整個電路的穩定性和測距精度。結合圖2所示，本實用新型的超聲波測距傳感器的具體工程過程如下當外部測距系統主機給出一個起始的測距觸發信號到施密特觸發電路的Clock端口，經施密特觸發電路電平轉換后傳送給CPU模塊的CPU處理器的第一外部中斷INTO端口，CPU收到此信號后立刻控制超聲波發射驅動電路，驅動收發一體的超聲波換能器發出一串超聲波信號，同時CPU通過自動增益控制驅動電路來控制自動增益控制電路，根據不同的時間域所對應的探測距離來控制自動增益控制電路對回波信號進行衰減，探測距離越近，信號衰減量越大，增益越低。當超聲波碰到物體時產生回波，回波被收發一體的超聲波換能器所探測到，探測到的回波信號經信號處理模塊處理后觸發CPU模塊的CPU的第二外部中斷INTl端口，CPU即產生一固定脈寬的脈沖信號(即超聲波回波響應信號)，再通過回波信號輸出驅動電路的Echo端輸出到外部測距系統主機Echo輸入端，供外部測距系統主機使用。外部測距系統主機根據其自身發出的測距Clock觸發信號和由超聲波測距傳感器所返回的超聲波Echo回波信號的時間差來計算距離。上述的信號處理模塊處理的回波信號的工作原理如下由超聲波換能器所探測到的微弱信號首先經阻抗匹配及前置放大電路對回波信號進行放大，將微伏級的信號放大成毫伏級的信號，然后送入自動增益控制電路，自動增益控制電路實際是一個受CPU模塊中(PU控制的信號衰減器，具體控制方法為對信號的衰減量同所檢測到的超聲波的回波距離成反比，即超聲波回波信號距離越近衰減量越大。超聲波回波信號經過自動增益控制電路后到達二級帶通濾波放大電路，該電路對能夠對超聲波回波信號進行選頻放大，濾除雜波。經選頻放大后的超聲波回波信號再送入有源全波整流濾波電路提取出超聲波回波信號的包絡線信號，最后經過波形整形比較器電路傳送出一個CPU模塊中的CPU能夠識別的超聲波回波中斷觸發信號。具體過程如下波形整形比較器電路的比較器的一端接觸發基準電壓，當超聲波回波信號的強度超過這一觸發基準電壓時比較器翻轉，輸出一控制信號到(PU模塊中的CPU的外部中斷INTl端口，CPU即產生一固定脈寬的脈沖信號(即超聲波回波響應信號)，再通過回波信號輸出驅動電路的Echo端輸出到外部測距系統主機Echo輸入端，供外部測距系統主機使用。如圖3所示，本實用新型的超聲波測距傳感器與外部測距系統主機的接口，其中+ UB、-UB端口為本超聲波測距傳感器的供電電壓，Clock端口為外部測距系統主機發出的測距觸發信號，Echo端口為超聲波測距傳感器輸出的超聲波回波信號，其分析得到的信號時序圖如圖4所示，外部測距系統主機根據其自身發出Clock測距觸發信號和由超聲波測距傳感器所返回的Echo超聲波回波信號的時間差echo time來計算距離。圖5為本實用新型的信號處理模塊的具體實施的電路原理圖，圖6為CPU模塊的具體實施的電路原理圖。綜上所述，本實用新型仍然采用通用器件，通過自主設計的信號處理模塊對超聲波測距信號進行放大、補償、濾波、整形等一系列的處理后，在不使用價格高的國外專用的 超聲波測距芯片的情況下，可使超聲波探測精度達到毫米級(I毫米以下)、探測距離增大，還通過電路設計提高了產品的穩定性，具有良好的應用前景。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征及優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內。本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求1.超聲波測距傳感器包括CPU模塊、信號處理模塊和收發一體超聲波換能器，所述CPU模塊包括CPU和第二電源電路，所述第二電源電路與CPU模塊中各電路相連接，其特征在于所述CPU模塊還包括施密特觸發電路、回波信號輸出驅動電路、超聲波發射驅動電路和自動增益控制驅動電路，外部測距系統主機的觸發信號輸出端與CPU模塊的施密特觸發電路的觸發信號輸入端相連接，所述施密特觸發電路的輸出端與CPU的第一外部中斷端口相連接，CPU的回波信號輸出端通過回波信號輸出驅動電路與外部測距系統主機的回波信號輸入端相連接，CPU的增益控制信號輸出端通過自動增益控制驅動電路與設置在信號處理模塊內的自動增益控制電路相連接，CPU的超聲波發射驅動信號輸出端通過超聲波發射驅動電路與設置在信號處理模塊內的換能器升壓驅動電路相連接。
2.根據權利要求I所述的超聲波測距傳感器，其特征在于所述信號處理模塊還包括阻抗匹配及前置放大電路、二級帶通濾波放大電路、有源全波整流濾波電路和波形整形比較器電路，所述收發一體超聲波換能器的接線端分別與阻抗匹配及前置放大電路的輸入端及換能器升壓驅動電路的輸出端相連接，阻抗匹配及前置放大電路的輸出端通過所述自動增益控制電路與二級帶通濾波放大電路的輸入端相連接，二級帶通濾波放大電路的輸出端與有源全波整流濾波電路的輸入端相連接，有源全波整流濾波電路的輸出端與波形整形比較器電路的輸入端相連接，波形整形比較器電路的輸出端與所述CPU的第二外部中斷端口相連接。
3.根據權利要求I或2所述的超聲波測距傳感器，其特征在于所述信號處理模塊還設有射極跟隨型中點電壓驅動電路，所述射極跟隨型中點電壓驅動電路分別與阻抗匹配及前置放大電路、二級帶通濾波放大電路和有源全波整流濾波電路中的運算放大器的同相輸入端相連接。
4.根據權利要求I或2所述的超聲波測距傳感器，其特征在于所述設置在信號處理模塊內的自動增益控制電路，位于所述阻抗匹配及前置放大電路和二級帶通濾波放大電路之間。
5.根據權利要求3所述的超聲波測距傳感器，其特征在于所述設置在信號處理模塊內的波形整形比較器電路設有比較器，所述比較器的觸發基準電壓端與二極管的正極相連接，所述二極管的負極與所述射極跟隨型中點電壓驅動電路的輸出端相連接。
專利摘要本實用新型公開了一種超聲波測距傳感器，包括相互連接的CPU模塊、信號處理模塊和收發一體超聲波換能器。本實用新型采用通用器件，通過自主設計的信號處理模塊對超聲波測距信號進行放大、補償、濾波、整形等一系列的處理后，在不使用價格高的專用的超聲波測距芯片的情況下，可使超聲波探測精度達到毫米級、探測距離增大，還通過電路設計提高了產品的穩定性，具有良好的應用前景。
文檔編號G01S15/08GK202486313SQ20122010846
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者汪宇豪 申請人:南京銳電傳感器設備有限公司