專利名稱：一種超聲波定位傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及定位傳感器，特別是超聲波定位傳感器。
背景技術(shù)：
超聲波定位傳感器包括超聲波發(fā)射傳感器和超聲波接收傳感器，如圖8所示，超聲波定位傳感器的工作原理為超聲波發(fā)射傳感器同時向外發(fā)出超聲波信號、無線(或紅外)信號，超聲波接收傳感器接收發(fā)射傳感器外發(fā)出的信號，并輸入計算機，計算機根據(jù)超聲波接收傳感器接收兩信號的時間差，計算出超聲波發(fā)射傳感器和超聲波接收傳感器之間的距離。如果在移動物上設置一個超聲波發(fā)射傳感器(或超聲波接收傳感器)，在周圍環(huán)境中固定設置多個超聲波接收傳感器(或超聲波發(fā)射傳感器)，計算機就可以計算出移動物所在的空間位置。
現(xiàn)有的超聲波發(fā)射傳感器包括一個超聲波發(fā)射元件、一個無線(或紅外)信號發(fā)射元件、控制電路，控制電路控制超聲波發(fā)射頭和紅外發(fā)射頭向外發(fā)出信號。
現(xiàn)有的超聲波接收傳感器包括一個超聲波接收元件、一個無線(或紅外)信號接收元件、接收電路，接收電路將接收元件接收的信號經(jīng)放大、濾波后輸出給計算機。
現(xiàn)有的超聲波定位傳感器的缺陷在于由于超聲波信號具有方向性，單個元件(超聲波發(fā)射元件、超聲波接收元件)的覆蓋范圍有限，不能保證超聲波發(fā)射傳感器外發(fā)出的超聲波信號能準確地被超聲波接收傳感器接收，造成超聲波定位傳感器工作穩(wěn)定性差，精度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超聲波定位傳感器，該傳感器能保證超聲波發(fā)射傳感器向外發(fā)出的信號能準確地被超聲波接收傳感器接收。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種超聲波定位傳感器，它包括超聲波發(fā)射傳感器、超聲波接收傳感器；超聲波發(fā)射傳感器包括超聲波發(fā)射元件、無線信號發(fā)射元件、控制電路；超聲波發(fā)射元件、無線信號發(fā)射元件由電路部分控制；超聲波發(fā)射傳感器上至少包括兩個指向不同的超聲波發(fā)射元件。
上述方案中，超聲波接收傳感器包括超聲波接收元件、無線信號接收元件、接收電路；超聲波接收元件、無線信號接收元件通過接收電路輸出信號；超聲波接收傳感器上至少包括兩個指向不同的超聲波接收元件。
上述方案中，超聲波發(fā)射元件以插頭、插座的形式與控制電路連接。
上述方案中，超聲波發(fā)射元件為3～8個，各超聲波發(fā)射元件環(huán)形分布在超聲波發(fā)射傳感器上，各超聲波發(fā)射元件的指向360°均勻分布。
上述方案中，超聲波接收元件以插頭、插座的形式與接收電路連接。
上述方案中，超聲波接收元件為3～8個，各超聲波接收元件環(huán)形分布在超聲波接收傳感器上，各超聲波接收元件的指向360°均勻分布。
上述方案中，接收電路包括用于對接收超聲波信號的先、后進行比較的比較電路。
上述方案中，接收電路包括電源，電源為被動式接收信號開關(guān)電源。
上述方案中，電路為電路板，超聲波元件設置在電路板的正面，無線信號元件設置在電路板的背面。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、其超聲波發(fā)射傳感器上設有至少兩個指向不同的超聲波發(fā)射元件，提高了超聲波發(fā)射元件發(fā)射超聲波的覆蓋范圍，有利于超聲波接收傳感器的接收，有利于提高超聲波定位傳感器工作穩(wěn)定性和精度。
2、超聲波接收傳感器上設有至少兩個指向不同的超聲波接收元件，提高了超聲波接收元件的接收范圍，有利于超聲波接收傳感器的接收，有利于提高超聲波定位傳感器工作穩(wěn)定性和精度。
3、超聲波發(fā)射元件以插頭、插座的形式與控制電路連接，超聲波接收元件以插頭、插座的形式與接收電路連接，使得超聲波元件可以任意組合、增減。
4、超聲波發(fā)射元件、超聲波接收元件分別為3～8個，各元件環(huán)形分布，其指向360°均勻分布，結(jié)構(gòu)簡單合理，有利于提高元件的覆蓋范圍。
5、接收電路包括用于對接收超聲波信號的先、后進行比較的比較電路，接收電路可將最先接收到的超聲波和無線信號輸出，超聲波接收傳感器的抗干擾性能好。
6、接收電路的電源為被動式接收信號開關(guān)電源，可以減少功耗，延長了傳感器的使用壽命。
7、電路為電路板，超聲波元件設置在電路板的正面，無線信號元件設置在電路板背面。通過層疊結(jié)構(gòu)，利用立體空間，減小了設備的體積；同時，方便元件安裝、增減。


圖1為超聲波發(fā)射傳感器的結(jié)構(gòu)框2為超聲波接收傳感器的結(jié)構(gòu)框3、4、5為超聲波定位傳感器的結(jié)構(gòu)示意6、7為電路的電路8為現(xiàn)有超聲波傳感器的工作原理框圖具體實施方式
本發(fā)明超聲波定位傳感器實施例，它包括超聲波發(fā)射傳感器、超聲波定位傳感器。
如圖1所示，超聲波發(fā)射傳感器包括超聲波發(fā)射元件、無線信號發(fā)射元件、控制電路；超聲波發(fā)射元件、無線信號發(fā)射元件由電路部分控制；超聲波發(fā)射傳感器上設有8個指向不同的超聲波發(fā)射元件。
如圖3、4、5所示，電路——控制電路為電路板2上，電路板2上設有插座4，超聲波元件1——超聲波發(fā)射元件以插頭、插座的形式設置在電路板2上部，無線信號元件3——無線信號發(fā)射元件設置在電路板2的正面。
超聲波發(fā)射傳感器上的8個超聲波發(fā)射元件以環(huán)形分布的方式設置在電路板2上，各超聲波發(fā)射元件指向360°均勻分布。
如圖2所示，超聲波接收傳感器包括超聲波接收元件、無線信號接收元件、接收電路；超聲波接收元件、無線信號接收元件通過接收電路輸出信號；超聲波接收傳感器上設有8個指向不同的超聲波接收元件。
如圖3、4、5所示，電路——接收電路設置在電路板2上，電路板2上設有插座4，超聲波元件1——超聲波接收元件以插頭、插座的形式設置在電路板2上部，無線信號元件3——無線信號接收元件設置在電路板2背面。
超聲波接收傳感器上的8個超聲波接收元件以環(huán)形分布的方式設置在電路板2上，各超聲波接收元件指向360°均勻分布。
上述超聲波發(fā)射元件T40-16，超聲波接收元件為R40-160，它們的工作頻率在40KHZ；無線信號發(fā)射、接收元件均為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點模塊MICAz。
控制電路的電路圖如圖6、7所示?？刂齐娐凡捎脝纹瑱CAtmega128L單片機。電路上設計有8個插座，每一個插座有4個口，分別為VCC電源正，SIG1信號1，SIG2信號2，GND電源地。
控制電路包括一個總控制器和兩個控制單元(功能模塊)，兩控制單元分別由一個控制器、一個執(zhí)行器、兩個傳感器組成，總控制器通過四線制總線與控制器連接，四線制總線由兩根電源線、一根TXD信號線、一根RXD信號線組成?？偪刂破骺蔀閱纹瑱C，也可為計算機。
接收電路與控制電路相同，采用跳線方式選擇安裝發(fā)射元件還是接收器元件，即控制器底板支持發(fā)射元件與接收元件兩種傳感器模塊。接收電路包括用于對接收超聲波信號的先、后進行比較的比較電路。接收電路包括電源，電源為被動式接收信號開關(guān)電源?？刂瓢迳霞捎蠨S18S20溫度傳感器。在處理距離數(shù)據(jù)的時候，根據(jù)溫度調(diào)整參數(shù)使計算出來的距離精度保證＜1cm。底板上還帶有電源電壓測試功能，使超聲波傳感器板可以通過分析電源消耗模型自動選擇工作方式，在電池能量不足的時候及時發(fā)送信號通知監(jiān)測分析器。
本發(fā)明傳感器實施例可支持無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的定位，電路上裝配控制電路/接收電路，由電路負責信號調(diào)度與初級過濾。發(fā)射傳感器先發(fā)射無線傳感器網(wǎng)絡消息，通知周圍的節(jié)點準備接收超聲波信號，接著發(fā)送超聲波信號。接收器根據(jù)無線信號與超聲波信號的時間差計算與發(fā)射器的距離。最終接收器節(jié)點測得的距離值傳送給監(jiān)測分析的計算機，計算機分析數(shù)據(jù)并計算出發(fā)射器的位置。
接收電路的設計使用LM6032與LM311芯片，以及分立元件。電路完成的主要功能有信號接收，放大，過濾，比較和輸出。
控制電路的設計主要按照兩個原則設計，一是低能耗，越是精簡的電路設計所采用的分立元件越少，因此就可以減少功耗；二是高速度，因為超聲波傳感器元件的最大振幅對應的頻率是40kHZ，所以升壓電路必須保證能夠達到40kHZ的開關(guān)速度。使用一片SP232作為電壓放大器，將單片機的5V信號增幅到12V供給傳感器，可以增加信號的強度，使信號傳播距離更遠。如果不升壓則會大大減少信號的傳播距離。利用這個特性可以調(diào)節(jié)超聲波信號的覆蓋范圍，建立起無線信號與超聲波信號的映射關(guān)系。這樣做可以避免在小空間內(nèi)測試傳感器網(wǎng)絡時會碰到的空間問題，縮短了傳感器節(jié)點的工作距離，相當于將整個網(wǎng)絡縮小了。
本發(fā)明傳感器實施例為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位超聲波傳感器，能夠應用于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點基于定位的控制系統(tǒng)，它采用模塊化設計，工作性能穩(wěn)定、控制靈活。對比已有的超聲波傳感器，本發(fā)明傳感器實施例還具有以下優(yōu)點1、制作了各種具有獨立工作能力的傳感器、控制器元件模塊，元件模塊既可以組合功能模塊，又可以單獨與PC機相連在電腦上演示，構(gòu)造了一個可裁剪的試驗平臺。這種方式不僅隔離了硬件的差異，是用戶通過標準的接口操作，而且提高了傳感器精度和工作穩(wěn)定性，是單純的傳感器元件所不能比擬的。
2、可使用面向傳感器網(wǎng)絡的程序設計，達到大大降低節(jié)點功耗的目的，使傳感器網(wǎng)絡整體工作壽命延長。
3、可具有獨特的利用節(jié)點存儲信息的能力，可以應用在定位導航以及目標追蹤等需要位置信息的領域。
4、可用于實驗教學目的，實驗過程中可以根據(jù)控制需要選擇功能模塊，即可以用于無線網(wǎng)絡的研究，又可以用于超聲波測距的研究。
5、由于傳統(tǒng)的模擬元件精度和穩(wěn)定性有限，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展當前利用軟件算法來處理信號不僅可以提高精度而且控制性能更佳，結(jié)合無線超聲波信號的時間差分析可以使測量距離精度做到比單純的超聲波測距離更好的效果。
6、使用信號轉(zhuǎn)換電路來處理傳感器的信號，不僅使得外圍的硬件可以做到統(tǒng)一接口，而且也為使用數(shù)字信號分析算法。
7、結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點技術(shù)，可以用于機器人避障，環(huán)境探測等方面。
8、超聲波元件可以任意增減；因為超聲波傳感器發(fā)射的超聲波具有50°左右的方向性，控制器結(jié)構(gòu)設計成8正邊型，8個傳感器模塊接口分布面向8個方向，根據(jù)實際需要可以配置多個傳感器模塊以增加信號獲取的可靠度和靈敏度。接收模塊和發(fā)射模塊都帶有傳感器網(wǎng)絡節(jié)點接口，每一個模塊配帶一個節(jié)點。接收模塊作為待定位的節(jié)點在室內(nèi)環(huán)境下布置。
9、控制電路、節(jié)點、傳感器之間通過三線制總線連接，線路簡單，體積小。
10、可以通過軟件技術(shù)調(diào)整傳感器測量距離的闕值，使傳感器接收的距離值在10cm至350cm之間。超過闕值的距離測量值將被自動過濾掉。
本發(fā)明超聲波定位傳感器，超聲波發(fā)射傳感器和超聲波接收傳感器上的超聲波元件為2個即可達到本發(fā)明目的。超聲波元件為3～8個最佳，各超聲波元件環(huán)形分布在超聲波發(fā)射傳感器或超聲波接收傳感器上，其指向360°均勻分布，可獲得更大的覆蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種超聲波定位傳感器，它包括超聲波發(fā)射傳感器、超聲波接收傳感器；超聲波發(fā)射傳感器包括超聲波發(fā)射元件、無線信號發(fā)射元件、控制電路；超聲波發(fā)射元件、無線信號發(fā)射元件由電路部分控制；其特征在于超聲波發(fā)射傳感器上至少包括兩個指向不同的超聲波發(fā)射元件。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波定位傳感器，其特征在于超聲波接收傳感器包括超聲波接收元件、無線信號接收元件、接收電路；超聲波接收元件、無線信號接收元件通過接收電路輸出信號；超聲波接收傳感器上至少包括兩個指向不同的超聲波接收元件。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲波定位傳感器，其特征在于超聲波發(fā)射元件以插頭、插座的形式與控制電路連接。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲波定位傳感器，其特征在于超聲波發(fā)射元件為3～8個，各超聲波發(fā)射元件環(huán)形分布在超聲波發(fā)射傳感器上，各超聲波發(fā)射元件的指向360°均勻分布。
5.如權(quán)利要求2所述的超聲波定位傳感器，其特征在于超聲波接收元件以插頭、插座的形式與接收電路連接。
6.如權(quán)利要求2所述的超聲波定位傳感器，其特征在于超聲波接收元件為3～8個，各超聲波接收元件環(huán)形分布在超聲波接收傳感器上，各超聲波接收元件的指向360°均勻分布。
7.如權(quán)利要求2所述的超聲波定位傳感器，其特征在于接收電路包括用于對接收超聲波信號的先、后進行比較的比較電路。
8.如權(quán)利要求2所述的超聲波定位傳感器，其特征在于接收電路包括電源，電源為被動式接收信號開關(guān)電源。
9.如權(quán)利要求1或2所述的超聲波定位傳感器，其特征在于電路為電路板，超聲波元件設置在電路板的正面，無線信號元件設置在電路板的背面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波定位傳感器，它包括超聲波發(fā)射傳感器、超聲波接收傳感器；超聲波發(fā)射傳感器包括超聲波發(fā)射元件、無線信號發(fā)射元件、控制電路；超聲波發(fā)射元件、無線信號發(fā)射元件由電路部分控制；超聲波發(fā)射傳感器上至少包括兩個指向不同的超聲波發(fā)射元件。本發(fā)明的超聲波發(fā)射傳感器上設有至少兩個指向不同的超聲波發(fā)射元件，提高了超聲波發(fā)射元件發(fā)射超聲波的覆蓋范圍，有利于超聲波接收傳感器的接收，有利于提高超聲波定位傳感器工作穩(wěn)定性和精度。
文檔編號G01S7/521GK1996045SQ20061016652
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者李文鋒, 張帆 申請人:武漢理工大學