一种超声波测距系统及其精确测量回波到达时刻的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，本系统采用往返时间检测法进行测距，首先单片机发送信号驱动超声波传感器产生40Khz超声波，然后通过回波信号处理单元对反射回来的超声波信号进行放大、滤波整流以及微积分处理，从而设计一种不受回波幅度影响的信号到达时刻测试方法，计算得到发送和接收超声波的时间差。与现有技术相比，(1)采用性能优越的工业级AVR单片机作为主控芯片，实现了一种对于待测目标的精确测量，有效提高了系统的准确性和稳定性；(2)通过温度测量单元对速度误差修正，有效消除因为环境因素等对测距系统以及超声波传播速度的影响。

An ultrasonic ranging system and its accurate measurement of echo arrival time

The invention discloses a kind of ultrasonic distance measuring system, which mainly includes AVR main control unit, ultrasonic sensor, ultrasonic driving unit, echo signal processing unit and temperature measuring unit. The system uses round-trip time detection method to range the distance. First, the MCU sends the signal to drive the ultrasonic sensor to produce the 40Khz ultrasonic wave Then the echo signal processing unit is used to amplify, rectifying and processing the reflected ultrasonic signal, and then a method of testing the arrival time of the signal is designed, which is not affected by the echo amplitude, and the time difference between sending and receiving ultrasonic is calculated. Compared with the existing technology, (1) using the superior industrial level AVR MCU as the main control chip, the precision and stability of the system are improved effectively. (2) the speed error correction is corrected by the temperature measurement unit, and the range system and the super system are effectively eliminated because of the environmental factors and so on. The influence of the velocity of sound wave propagation.

【技术实现步骤摘要】
一种超声波测距系统及其精确测量回波到达时刻的方法
本专利技术涉及超声波测距
，尤其涉及的是一种基于AVR的高精度超声波测距系统以及一种不受回波幅度影响的到达时刻测定方法。
技术介绍
工业上常常需要对液体高度进行测量，例如水库、堰槽等，这些液位高度的测量需要实用、准确的测量工具，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于液位的测量。通过发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。超声波回波受反射物表面情况,传播过程的衰减情况等多个因素影响,使得超声波接收电路得到的回波信号幅度每次测量都有不同程度漂移.因此需要一种不受回波幅度影响的到达时刻测定方法。有效提高了对反射物体距离和液体高度测量的实用性、准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术超声波测距易受回波幅度影响导致测距不精确的不足，提供了一种超声波测距系统及其精确测量回波到达时刻的方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，其特征在于：所述的AVR主控单元，用于产生方波脉冲信号，同时对经过处理后的回波数据进行分析处理，得出发送和接收超声波的时间差，进而根据修正后的速度得出待测目标的距离；其中，所述AVR主控单元，用于控住整个系统的核心；所述超声波传感器，用于向空气中发射超声波信号，并接收超声波信号，所述的接收超声波信号包括经过待测目标反射回来的回波信号；所述超声波驱动单元，主要包括发送和接收子模块，用于根据AVR主控单元发送的方波脉冲信号，经过驱动单元驱动超声波传感器发送超声波信号；所述回波信号处理单元，用于对接收到的回波信号进行处理；所述温度测量单元，用于根据温度对超声波速度的影响，对超声波速度进行修正，提高测量精度。优选的，所述的AVR主控单元与超声波驱动单元相连接，所述的超声波驱动单元与超声波传感器相连接，所述的超声波传感器与回波信号处理单元之间相连接。作为优选，所述的回波信号处理单元包括分压式放大电路、40Khz多次比较带通滤波器电路、可变增益放大器电路、全波精密整流电路、以及包络检波积分、微分电路以及精密比较器电路；其中，超声波传感器收到的回波信号首先经过分压式放大电路，初级放大后信号经过多次比较带通滤波器电路处理，多次比较带通滤波器的输出端与可变增益放大器电路输入端相连，可变增益放大器信号的输出由AVR主控单元调节控制，可变增益放大器的输出信号与全波精密整流电路的输入相连，全波精密整流电路的输出与包络检波积分电路的输入相连，包络检波积分的输出与微分电路的输入相连，微分电路的输出与精密比较器输入相连，精密比较器电路输出与AVR主控单元输入捕捉功能脚相连。优选的，包括如下步骤：(1)由AVR主控单元发出信号给驱动电路单元驱动超声波传感器产生超声波信号，所述的超声波传感器向待测目标发射所述的超声波信号，并接收由待测目标反射回来的回波信号；(2)对所述的回波信号通过超声波传感器再传递给回波信号处理单元，经过相关处理后，输入单片机的输入捕捉中断，计算经历的往返时间；(3)由往返时间和速度计算可以得出距离。作为优选，上述步骤(1)中AVR主控单元发送的方波脉冲信号频率为40Khz。优选的，上述步骤(3)中的速度是温度测量单元对传播速度的修正后的实际速度，所述的温度测量单元通过公式V＝331.3+0.606*T对超声波传播速度加以修正，得到当前的实际声速。一种精确测量回波到达时刻的方法，其特征在于：采用积分与微分过零的检测技术，包括以下步骤：(1)首先对回波信号进行积分处理，得到包络信号，一般超声波回波信号出现时刻为第一个驱动脉冲反射后的到达时刻，随着后续驱动脉冲的到达,回拨幅度逐渐增大，此时包络信号幅度呈上升趋势，其变化率为正；(2)回波信号幅度最大值出现时刻为最后一个驱动脉冲反射后的到达时刻，此时包络信号幅度达到最大，随后,为超声波发射探头的余震产生的回波，幅度呈衰减形状，此时包络信号幅度开始下降，变化率变为负，包络信号最大值出现时刻，包络信号幅度达到峰值，此时，其幅度切线为水平直线，其幅度变化率为0；(3)通过微分电路对其幅度做微分处理，对微分值进行过零比较即可准确得到包络线的峰值时刻，从而计算得出传播时间。本专利技术提供了一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，本系统采用往返时间检测法进行测距，首先单片机发送信号驱动超声波传感器产生40Khz超声波，然后通过回波信号处理单元对反射回来的超声波信号进行放大、滤波整流以及微积分处理，从而设计一种不受回波幅度影响的信号到达时刻测试方法，计算得到发送和接收超声波的时间差。由于温度对超声波速度的影响，通过温度测量单元可以对超声波传播速度加以修正，得到当前的实际声速，减小误差，提高测量精度，最终得到精确的超声波回波距离。与现有技术相比，(1)本专利技术采用性能优越的工业级AVR单片机作为主控芯片，实现了一种对于待测目标的精确测量，有效提高了系统的准确性和稳定性；(2)本专利技术通过温度参数以及软件补偿对系统进行误差修正，有效消除因为环境因素等对测距系统以及超声波传播速度的影响。附图说明图1为本专利技术测距系统的工作原理示意图；图2为本专利技术的系统原理示意框图；图3为超声波的驱动单元结构示意图；图4为分压式放大电路的结构示意图；图5为40Khz多次比较带通滤波器的结构示意图；图6为可变增益放大器电路的结构示意图；图7为全波精密整流电路的结构示意图；图8为包络检波积分电路的结构示意图；图9为微分电路的结构示意图；图10为精密比较器电路的结构示意图；图11为本专利技术的软件系统的流程示意图；图12为包络检波积分电路的相关波形图；图13为微分电路的相关波形图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。参照附图1的超声波测距的工作原理：超声波传感器向外发射一定频率的超声波，利用超声波极佳的方向性和反射性，传感器会接受来自反射面的超声波，通过计算超声波的往返时间t，最后即可推算出探头平面到待测目标的垂直距离。参照附图2，一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，所述的AVR主控单元，用于产生方波脉冲信号，同时对经过处理后的回波数据进行分析处理，得出发送和接收超声波的时间差，进而根据修正后的速度得出待测目标的距离；其中，所述AVR主控单元，用于控住整个系统的核心；所述超声波传感器，用于向空气中发射超声波信号，并接收超声波信号，所述的接收超声波信号包括经过待测目标反射回来的回波信号；所述超声波驱动单元，主要包括发送和接收子模块，用于根据AVR主控单元发送的方波脉冲信号，经过驱动单元驱动超声波传感器发送超声波信号；所述回波信号处理单元，用于对接收到的回波信号进行处理；所述温度测量单元，用于根据温度对超声波速度的影响，对超声波速度进行修正，提高测量精度。需要说明的是，所述的超声波测距系统还包括外围基础电路单元、电源单元以及通信单元，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，其特征在于：所述的AVR主控单元，用于产生方波脉冲信号，同时对经过处理后的回波数据进行分析处理，得出发送和接收超声波的时间差，进而根据修正后的速度得出待测目标的距离；其中，所述AVR主控单元，用于控住整个系统的核心；所述超声波传感器，用于向空气中发射超声波信号，并接收超声波信号，所述的接收超声波信号包括经过待测目标反射回来的回波信号；所述超声波驱动单元，主要包括发送和接收子模块，用于根据AVR主控单元发送的方波脉冲信号，经过驱动单元驱动超声波检测单元发送超声波信号；所述回波信号处理单元，用于对接收到的回波信号进行处理；所述温度测量单元，用于根据温度对超声波速度的影响，对超声波速度进行修正，提高测量精度。

【技术特征摘要】
1.一种超声波测距系统，主要包括：AVR主控单元、超声波传感器、超声波驱动单元、回波信号处理单元以及温度测量单元，其特征在于：所述的AVR主控单元，用于产生方波脉冲信号，同时对经过处理后的回波数据进行分析处理，得出发送和接收超声波的时间差，进而根据修正后的速度得出待测目标的距离；其中，所述AVR主控单元，用于控住整个系统的核心；所述超声波传感器，用于向空气中发射超声波信号，并接收超声波信号，所述的接收超声波信号包括经过待测目标反射回来的回波信号；所述超声波驱动单元，主要包括发送和接收子模块，用于根据AVR主控单元发送的方波脉冲信号，经过驱动单元驱动超声波检测单元发送超声波信号；所述回波信号处理单元，用于对接收到的回波信号进行处理；所述温度测量单元，用于根据温度对超声波速度的影响，对超声波速度进行修正，提高测量精度。2.根据权利要求1所述的一种超声波测距系统，其特征在于：所述的AVR主控单元与超声波驱动单元相连接，所述的超声波驱动单元与超声波传感器相连接，所述的超声波传感器与回波信号处理单元之间相连接。3.根据权利要求1所述的一种超声波测距系统，其特征在于：所述的回波信号处理单元包括分压式放大电路、40Khz多次比较带通滤波器电路、可变增益放大器电路、全波精密整流电路、以及包络检波积分、微分电路以及精密比较器电路；其中，超声波传感器收到的回波信号首先经过分压式放大电路，初级放大后信号经过多次比较带通滤波器电路处理，多次比较带通滤波器的输出端与可变增益放大器电路输入端相连，可变增益放大器信号的输出由AVR主控单元调节控制，可变增益放大器的输出信号与全波精密整流电路的输入相连，全波精密整流电路的输出与包络检波积分电路的输入相连，包络检波积分的输出与微分电路的输入相连，微分电路的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：石蒙蒙，
申请(专利权)人：安徽英凯环境技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34