一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),包含微控制器模塊以及與其連接的超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、溫度測量模塊、顯示模塊和電源模塊,所述微控制器模塊包含計時單元、計算單元和控制單元,所述超聲波接收模塊包含依次連接的超聲波接收頭、放大電路、檢波電路、比較整形電路;其在硬件上增加了溫度傳感器測溫電路,采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量相結(jié)合的辦法對聲速進(jìn)行修正,降低了溫度變化對測距精度的影響。有力提高了超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。
【專利說明】一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波測距系統(tǒng),尤其涉及一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),屬于測距領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩,它是由與介質(zhì)相接觸的震蕩源所引起的,其頻率在20kHz以上。由于超聲波的速度相對于光速要小得多,其傳播時間就比較容易檢測,并且易于定向發(fā)射,方向性好,強(qiáng)度好控制,因而利用超聲波測距在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途,包括無損檢測、過程測量、機(jī)器人測量和定位,以及流體液面高度測且雄里寺。
[0003]在空氣中,常溫下超聲波的傳播速度是334m/s,但其傳播速度受空氣中溫度、濕度等因素的影響,其中受溫度影響較大,如溫度每升高l°c,聲速就會增加約0.6m/s。因此在相同的間隔測量距離,由于波的傳播時間是相同的,不同溫度下的聲速不同,所以最終造成測量出來的距離不相等,在距離測量精度要求很高的情況下,必須要對溫度進(jìn)行測量和補(bǔ)償,以避免溫度對測量精度的影響。制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn),并且測量精度高。
[0004]隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通運輸業(yè)日益繁榮,但由于道路狀態(tài)、交通管理等硬件難以跟上,加上駕駛超車、出車開小差、錯誤估計車距等主觀的原理,使相互碰撞的交通事故頻頻發(fā)生。解決這個問題的根本措施在于給行進(jìn)中的汽車安裝能自動跟蹤測距,在危險距離內(nèi)自動剎車的裝置。
[0005]例如申請?zhí)枮椤?01210126584.8”的一種超聲波測距方法,屬于電子測量【技術(shù)領(lǐng)域】,超聲波發(fā)射器與脈沖激光器處于發(fā)射端,發(fā)射端接收到測量命令后,脈沖激光器觸發(fā)一束脈沖激光,同時超聲波發(fā)射器觸發(fā)超聲波,將觸發(fā)的超聲波與外部時鐘源進(jìn)行鎖相;超聲波接收器與光電二極管處于接收端,光電二極管接收到脈沖激光后,啟動計時器,超聲波接收器獲取接收的超聲波后,計時器停止,獲取渡越時間;渡越時間乘以修正后的聲速獲取被測距離粗測值;獲取相位差,則精測部分為獲取實測距離本發(fā)明使得接收器不易受發(fā)射器干擾,測量盲區(qū)大大減小,提高了超聲測距的指向性,將測距精度提高到一個超聲波長以內(nèi),該發(fā)明雖然能夠通過超聲波進(jìn)行測距,但是尚未考慮溫度的影響且測量精度有待進(jìn)一步提聞。
[0006]又如申請?zhí)枮椤?01210169354.X”的一種壓電式超聲波測距系統(tǒng),采用單片機(jī)STC12C5202AD產(chǎn)生超聲波方波信號;采用六反相器⑶4069作為發(fā)射系統(tǒng)的前置驅(qū)動和整理電路;采用集成電路CX20106A作為接收系統(tǒng)的信號的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形電路;采用軟件分別控制超聲波發(fā)射器的開啟時間和超聲波接收器的開啟時間;超聲波頻率為40kHz,波長為34000/40000=0.85cm ;超聲波發(fā)生器和接收器的間隔距離在5cm以上,且平行于電路板放置。該發(fā)明測距系統(tǒng)雖然提高了壓電式超聲波測距系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力,并且,體積小,易于集成化。但是尚未考慮溫度的影響且測量精度有待進(jìn)一步提聞。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對【背景技術(shù)】的不足提供了一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),其具有低成本,高精度,且能夠有效避免降低了溫度變化對測距精度的影響,有力提高了超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),包含微控制器模塊以及與其連接的超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、溫度測量模塊、顯示單元和電源模塊,所述微控制器模塊包含計時單元、計算單元,所述超聲波接收模塊包含依次連接的超聲波接收頭、放大電路、檢波電路、比較整形電路;
其中,超聲波發(fā)射模塊,用于發(fā)射超聲波同時發(fā)送一個計時啟動信號至計時單元;
超聲波接收模塊,用于當(dāng)?shù)谝淮谓邮盏匠暡〞r同時發(fā)送一個計時停止信號至計時單元;
溫度測量模塊,用于實時采集環(huán)境溫度;
計時單元,用于計算在收到超聲波發(fā)射模塊發(fā)送的計時啟動信號和超聲波接收模塊發(fā)送的計時停止信號之間的時間差,進(jìn)而將時間上傳至計算單元;
計算單元,用于根據(jù)v=331.4+0.61T, s=vt/2計算出距離s,同時通過顯示單元實時顯示;
其中,t為超聲波發(fā)射模塊發(fā)送的計時啟動信號和超聲波接收模塊發(fā)送的計時停止信號之間的時間,T為實際環(huán)境溫度,v為當(dāng)前環(huán)境下聲速。
[0009]作為本發(fā)明一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選方案,所述微控制器模塊為AVR系列單片機(jī)。
[0010]作為本發(fā)明一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選方案,所述顯示單元為IXD顯示屏。
[0011]作為本發(fā)明一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選方案,所述溫度測量模塊采用DS18B20溫度傳感。
[0012]作為本發(fā)明一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選方案,所述電源模塊為可充電蓄電池。
[0013]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下技術(shù)效果:
1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、具有低成本,高精度,微型化數(shù)字顯示的特點;
2、本發(fā)明增加了溫度傳感器測溫裝置,采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量相結(jié)合的辦法對聲速進(jìn)行修正,降低了溫度變化對測距精度的影響。有力提高了超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
如圖1所示,一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),包含微控制器模塊以及與其連接的超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、溫度測量模塊、顯示單元塊和電源模塊,所述微控制器模塊包含計時單元、計算單元,所述超聲波接收模塊包含依次連接的超聲波接收頭、放大電路、檢波電路、比較整形電路;
其中,超聲波發(fā)射模塊,用于發(fā)射超聲波同時發(fā)送一個計時啟動信號至計時單元;
超聲波接收模塊,用于當(dāng)?shù)谝淮谓邮盏匠暡〞r同時發(fā)送一個計時停止信號至計時單元;
溫度測量模塊,用于實時采集環(huán)境溫度;
計時單元,用于計算在收到超聲波發(fā)射模塊發(fā)送的計時啟動信號和超聲波接收模塊發(fā)送的計時停止信號之間的時間差,進(jìn)而將時間上傳至計算單元;
計算單元,用于根據(jù)V=331.4+0.61T, s=vt/2計算出距離S,同時通過顯示單元實時顯示;
其中,t為超聲波發(fā)射模塊發(fā)送的計時啟動信號和超聲波接收模塊發(fā)送的計時停止信號之間的時間,T為實際環(huán)境溫度,V為當(dāng)前環(huán)境下聲速。
[0016]其中,所述微控制器模塊為AVR系列單片機(jī),所述顯示單元為IXD顯示屏,所述溫度測量模塊采用DS18B20溫度傳感,所述電源模塊為可充電蓄電池。
[0017]超聲波發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送,超聲波接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。單片機(jī)在TO時刻發(fā)射方波,同時啟動定時器開始計時,當(dāng)收到回波后,產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口,單片機(jī)響應(yīng)中斷程序,定時器停止計數(shù)。計算時間差即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t,由此便可計算出距離。
[0018]40kHz的方波由AVR單片機(jī)驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波,經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波,由于聲波在空氣中傳播時衰減,所以接收到的波形幅值較低,經(jīng)接收電路放大、整形,最后輸出一負(fù)跳變,輸入單片機(jī)。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為12M晶振,所以只能產(chǎn)生半周期為12 μ s或13 μ s的方波信號,頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時選用了后者。接收到的信號加到BG1、BG2組成的兩級放大器上進(jìn)行放大。每級放大器的放大倍數(shù)為70倍。放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號。這里使用的是IN4148檢波二極管,輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結(jié)構(gòu)簡單,性能較好,制作難度小。
[0019]AVR單片機(jī)具有預(yù)取指令功能,即在執(zhí)行一條指令時,預(yù)先把下一條指令取進(jìn)來,使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行;多累加器型,數(shù)據(jù)處理速度快;AVR單片機(jī)具有32個通用工作寄存器,相當(dāng)于有32條立交橋,可以快速通行;中斷響應(yīng)速度快。AVR單片機(jī)有多個固定中斷向量入口地址,可快速響應(yīng)中斷;AVR單片機(jī)耗能低。對于典型功耗情況,TOT關(guān)閉時為ΙΟΟηΑ,更適用于電池供電的應(yīng)用設(shè)備;有的器件最低1.8 V即可工作;AVR單片機(jī)保密性能好。
[0020]在空氣中,常溫下超聲波的傳播速度是334m/s,但其傳播速度受空氣中溫度、濕度等因素的影響,其中受溫度影響較大,如溫度每升高l°c,聲速就會增加約0.6m/s。因此在相同的間隔測量距離,由于波的傳播時間是相同的,不同溫度下的聲速不同,所以最終造成測量出來的距離不相等,在距離測量精度要求很高的情況下,必須要對溫度進(jìn)行測量和補(bǔ)償,以避免溫度對測量精度的影響。本系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器作為溫度測量、誤差補(bǔ)償裝置,與單片機(jī)交換信息僅需要一根I/O 口線,其供電電源可來源于單片機(jī)I/O 口數(shù)據(jù)線,而無需額外電源。不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系如下:v=331.4+0.61T式中,T為實際溫度(°C ),v為當(dāng)前環(huán)境下聲速,單位為m/s。
[0021]本發(fā)明涉及一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性,在硬件上增加了溫度傳感器測溫電路,采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量相結(jié)合的辦法對聲速進(jìn)行修正,降低了溫度變化對測距精度的影響。有力提高了超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。
[0022]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解的是,除非另外定義,這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是,諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義,并且除非像這里一樣定義,不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0023]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想,不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍,凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想,在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動,均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細(xì)說明,但是本發(fā)明并不限于上述實施方式,在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi),還可以再不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),其特征在于:包含微控制器模塊以及與其連接的超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、溫度測量模塊、顯示單元和電源模塊,所述微控制器模塊包含計時單元、計算單元,所述超聲波接收模塊包含依次連接的超聲波接收頭、放大電路、檢波電路、比較整形電路; 其中,超聲波發(fā)射模塊,用于發(fā)射超聲波同時發(fā)送一個計時啟動信號至計時單元; 超聲波接收模塊,用于當(dāng)?shù)谝淮谓邮盏匠暡〞r同時發(fā)送一個計時停止信號至計時單元; 溫度測量模塊,用于實時采集環(huán)境溫度; 計時單元,用于計算在收到超聲波發(fā)射模塊發(fā)送的計時啟動信號和超聲波接收模塊發(fā)送的計時停止信號之間的時間,進(jìn)而將時間上傳至計算單元; 計算單元,用于根據(jù)V=331.4+0.61T, s=vt/2計算出距離S,同時通過顯示單元實時顯示; 其中,t為超聲波發(fā)射模塊發(fā)送的計時啟動信號和超聲波接收模塊發(fā)送的計時停止信號之間的時間差,T為實際環(huán)境溫度,V為當(dāng)前環(huán)境下聲速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),其特征在于:所述微控制器t旲塊為AVR系列單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),其特征在于:所述顯示單元為IXD顯示屏。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),其特征在于:所述溫度測量模塊采用DS18B20溫度傳感。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng),其特征在于:所述電源模塊為可充電蓄電池。
【文檔編號】G01S15/08GK104459705SQ201410736420
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】謝敏富, 胡清華, 高娟 申請人:蘇州市歐博銳自動化科技有限公司