高精度的超声波测距模块的制作方法

1.本实用新型涉及超声波仪器设备技术领域，特别涉及一种高精度的超声波测距模块。


背景技术：

2.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距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
3.但是，超声波测距存在信号弱的问题，在一些领域使用时测量精度仍然不足，需要增强信号，提高测量精度，另外，在电子领域使用时需要进行小型化和集成化。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高精度的超声波测距模块，包括超声波发射模块、接收模块、阻抗匹配器和系统级芯片；所述接收模块与阻抗匹配器电性连接，所述超声波发射模块和阻抗匹配器都与系统级芯片电性连接。
5.可选的，所述超声波发射模块、接收模块、阻抗匹配器和系统级芯片采用封闭技术封装为一体。
6.可选的，所述超声波发射模块包括连续脉冲发射电路，所述连续脉冲发射电路包括电阻r1、放大器q1、变压器t1、电阻r2和超声换能器ts1；
7.所述系统级芯片与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与放大器q1的基极连接，所述放大器q1的发射极与直流电源连接，所述放大器q1的集电极与变压器t1的引脚1连接，所述变压器t1的引脚2接地；
8.所述变压器t1的引脚3与电阻r2的一端连接，所述变压器t1的引脚4、引脚5和电阻r2的另一端接地，所述超声换能器ts1与电阻r2并联。
9.可选的，所述接收模块包括接收电路，所述接收电路包括放大电路、滤波电路、增益电路和电压比较电路；
10.所述放大电路包括第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路，其中第一级放大电路和第三级放大电路采用固定增益放大，第二级放大电路采用具有调控功能的芯片。
11.可选的，所述第一级放大电路包括电容c1、电容c2、电阻r3、电阻r4、电阻r5和放大器q2；
12.所述电容c1的一端为输入端，所述电容c1的另一端与电阻r3的一端连接，所述电阻r3的另一端与放大器q2的输入引脚1连接，所述放大器q2的输入引脚2与电阻r4的一端及电阻r5的一端连接，所述电阻r4的另一端接地，所述电阻r5的另一端与放大器q2的输出引脚连接，所述放大器q2的输出引脚与电容c2的一端连接，所述电容c2的另一端为输出端。
13.可选的，所述第二级放大电路采用的具有调控功能的芯片包括8个管脚，其中管脚1为电压正相输入端，管脚2为电压反相输入端，管脚3为运放输入端，管脚4为运放接地，管脚5连接反馈网络，管脚6接直流电源负极，管脚7为运放输出端，管脚8接直流电源正极；其中，管脚5和管脚7之间连接有电阻。
14.可选的，所述第三级放大电路包括电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电容c3、二极管d1、二极管d2和放大器q3；
15.所述电阻r6的一端为输入端，所述电阻r6的另一端与电容c3的一端和二极管d1的阳极连接，所述电容c3的一另端与放大器q3的输入引脚2及电阻r7的一端连接，所述放大器q3的输入引脚1与电阻r8的一端和电阻r9的一端连接，所述电阻r7的另一端、电阻r8的另一端和二极管d2的阳极接地，所述二极管d1的阴极和二极管d2的阴极连接，所述电阻r9的另一端与电阻r10的一端连接，所述电阻r10的另一端与放大器q3的输出引脚连接并作为输出端。
16.可选的，所述滤波电路包括电容c4、电容c5、电容c6、电感l1、电感l2和电感l3；
17.所述电感l1的一端为输入端，所述电感l1的另一端与电容c4的一端连接，所述电容c4的一另端与电容c5的一端、电容c6的一端以及电感l2的一端连接，所述电容c5的另一端与电感l2的另一端连接且接地，所述电容c6的另一端与电感l3的一端连接，所述电感l3的另一端为输入端。
18.可选的，所述增益电路包括电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、二极管d3、二极管d4、电容c7、放大器q4、放大器q5和复位开关s1；
19.所述电阻r11的一端与放大器q4的输入引脚1连接作为输入端，所述放大器q4的输入引脚2与电阻r14的一端和二极管d3的阳极连接，所述放大器q4的输出引脚与二极管d3的阴极和二极管d4的阳极连接，所述二极管d4的阴极与电阻r12的一端连接，所述电阻r12的另一端与电阻r13的一端、复位开关s1的触点1和放大器q5的输入引脚1连接，所述电阻r13的另一端与电容c7的一端连接，所述电容c7的另一端与电阻r11的另一端和复位开关s1的触点3连接并接地，所述复位开关s1的触点2接复位信号，所述放大器q5的输入引脚2与电阻r14的另一端及放大器q5的输出引脚连接作为输出端。
20.可选的，所述电压比较电路包括电感l3、电感l4、二极管d5、二极管d6、稳压二极管d7、电容c8、电容c9和比较器m1；
21.所述电感l3的一端为输入端，所述电感l3的另一端与二极管d5的阴极、二极管d6的阳极以及比较器m1的输入引脚2连接，所述二极管d5的阳极与二极管d6的阴极以及比较器m1的输入引脚1连接并接地，所述比较器m1的引脚3与电容c9的一端以及直流电源正极v 连接，所述电容c9的另一端接地，所述比较器m1的引脚5与电容c8的一端以及直流电源负极v
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连接，所述比较器m1的引脚6与电容c8的另一端连接并接地，所述比较器m1的输出引脚与电感l4的一端连接，所述电感l4的另一端与稳压二极管d7的一端连接作为输出端，所述稳压二极管d7的另一端接地。
22.本实用新型的高精度的超声波测距模块包括超声波发射模块、接收模块、阻抗匹配器和系统级芯片；其中超声波发射模块用于发出超声波，接收模块用于接收超声回波，阻抗匹配器用于对接收的超声回波进行处理，在传输线上达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，而不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益，系统级芯片对接收到的超
声回波进行分析处理，以得到测距的数据信号；本实用新型通过采用阻抗匹配器和系统级芯片，可以提高超声波测距的精度，以满足较高精度的距离测量需要。
23.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
24.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
25.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
26.图1为本实用新型实施例中一种高精度的超声波测距模块示意图；
27.图2为本实用新型的高精度的超声波测距模块实施例采用的超声波发射模块示意图；
28.图3为本实用新型的高精度的超声波测距模块实施例采用的接收模块示意图；
29.图4为本实用新型的高精度的超声波测距模块实施例的接收模块采用的第一放大电路示意图；
30.图5为本实用新型的高精度的超声波测距模块实施例的接收模块采用的第二放大电路示意图；
31.图6为本实用新型的高精度的超声波测距模块实施例的接收模块采用的第三放大电路示意图；
32.图7为本实用新型的高精度的超声波测距模块实施例的接收模块采用的滤波电路示意图；
33.图8为本实用新型的高精度的超声波测距模块实施例的接收模块采用的增益电路示意图；
34.图9为本实用新型的高精度的超声波测距模块实施例的接收模块采用的电压比较电路示意图。
具体实施方式
35.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
36.如图1所示，本实用新型实施例提供了一种高精度的超声波测距模块，包括超声波发射模块100、接收模块200、阻抗匹配器300和系统级芯片400；所述接收模块200与阻抗匹配器300电性连接，所述超声波发射模块100和阻抗匹配器300都与系统级芯片400电性连接。
37.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本实用新型中超声波发射模块用于发出超声波，接收模块用于接收超声回波，阻抗匹配器用于对接收的超声回波进行处理，在传输线上达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，而不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益，系统级芯片对接收到的超声回波进行分析处理，以得到测距的数据信号；本实用新型通过采用阻抗匹配器和系统级芯片，可以提高超声波测距的精度，以满足较高精
度的距离测量需要。
38.在一个实施例中，所述超声波发射模块100、接收模块200、阻抗匹配器300和系统级芯片400采用封闭技术封装为一体。
39.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过采用封闭技术将超声波发射模块、接收模块、阻抗匹配器和系统级芯片封装为一体，使得结构更紧凑，体积小，使用方便。
40.在一个实施例中，如图2所示，所述超声波发射模块100包括连续脉冲发射电路，所述连续脉冲发射电路包括电阻r1、放大器q1、变压器t1、电阻r2和超声换能器ts1；
41.所述系统级芯片与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与放大器q1的基极连接，所述放大器q1的发射极与直流电源连接，所述放大器q1的集电极与变压器t1的引脚1连接，所述变压器t1的引脚2接地；
42.所述变压器t1的引脚3与电阻r2的一端连接，所述变压器t1的引脚4、引脚5和电阻r2的另一端接地，所述超声换能器ts1与电阻r2并联。
43.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的电阻r1的阻值可以为1k，电阻r2的阻值可以为10k，放大器q1的发射极与直流电源可以为5v，系统级芯片控制输送给电阻r1方波信号，方波信号经放大器q1放大，再经过变压器t1升压，达到足够功率后使得超声换能器ts1将电能转化为超声波发射出去；本方案超声波发射模块采用的连续脉冲发射电路中，使用了放大器q1进行信号放大，使得有利于变压器t1升压，从而激发产生超声换能器ts1发出超声波。
44.在一个实施例中，如图3所示，所述接收模块200包括接收电路，所述接收电路包括依次连接的放大电路210、滤波电路220、增益电路230和电压比较电路240；
45.所述放大电路210包括依次连接的第一级放大电路211、第二级放大电路212和第三级放大电路213，其中第一级放大电路211和第三级放大电路213采用固定增益放大，第二级放大电路212采用具有调控功能的芯片。
46.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案的接收模块采用的接收电路包括依次连接的放大电路、滤波电路、增益电路和电压比较电路，且放大电路包括三级放大，其中第二级放大电路采用具有调控功能的芯片，有利于对接收信号的强度进行调节，为后续信号处理提供高品质的信号。
47.在一个实施例中，如图4所示，所述第一级放大电路211包括电容c1、电容c2、电阻r3、电阻r4、电阻r5和放大器q2；
48.所述电容c1的一端为输入端，所述电容c1的另一端与电阻r3的一端连接，所述电阻r3的另一端与放大器q2的输入引脚1连接，所述放大器q2的输入引脚2与电阻r4的一端及电阻r5的一端连接，所述电阻r4的另一端接地，所述电阻r5的另一端与放大器q2的输出引脚连接，所述放大器q2的输出引脚与电容c2的一端连接，所述电容c2的另一端为输出端。
49.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的电阻r3和电阻r4的阻值可以为1k，电阻r5的阻值可以为10k，电容c1和电容c2的电容量为1000pf；第一级放大电路为固定增益的放大电路，可以将信号进行初步加强。
50.在一个实施例中，如图5所示，所述第二级放大电路212采用的具有调控功能的芯片包括8个管脚，其中管脚1为电压正相输入端，管脚2为电压反相输入端，管脚3为运放输入
端，管脚4为运放接地，管脚5连接反馈网络，管脚6接直流电源负极，管脚7为运放输出端，管脚8接直流电源正极；其中，管脚5和管脚7之间连接有电阻。
51.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的第二级放大电路采用的具有调控功能的芯片型号可以为ad603，管脚5和管脚7之间连接的电阻阻值为2.15kω，第二级放大电路为可调节增益设置，采用芯片进行控制和调节，有利于跟其他智能控制的融合，提高的控制精度和智能化水平。
52.在一个实施例中，如图6所示，所述第三级放大电路213包括电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电容c3、二极管d1、二极管d2和放大器q3；
53.所述电阻r6的一端为输入端，所述电阻r6的另一端与电容c3的一端和二极管d1的阳极连接，所述电容c3的一另端与放大器q3的输入引脚2及电阻r7的一端连接，所述放大器q3的输入引脚1与电阻r8的一端和电阻r9的一端连接，所述电阻r7的另一端、电阻r8的另一端和二极管d2的阳极接地，所述二极管d1的阴极和二极管d2的阴极连接，所述电阻r9的另一端与电阻r10的一端连接，所述电阻r10的另一端与放大器q3的输出引脚连接并作为输出端。
54.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的电阻r6、电阻r7和电阻r8的阻值可以为1k，电阻r9的阻值可以为20k，电阻r10的阻值可以为50k，第三级放大电路也是固定增益的，用于对信号进行再一次的增强。
55.在一个实施例中，如图7所示，所述滤波电路220包括电容c4、电容c5、电容c6、电感l1、电感l2和电感l3；
56.所述电感l1的一端为输入端，所述电感l1的另一端与电容c4的一端连接，所述电容c4的一另端与电容c5的一端、电容c6的一端以及电感l2的一端连接，所述电容c5的另一端与电感l2的另一端连接且接地，所述电容c6的另一端与电感l3的一端连接，所述电感l3的另一端为输入端。
57.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中滤波电路采用了由电感与电容组合成的lc滤波器，形成并联谐振，谐振频率可以设置为1.5mhz，本方案设置滤波电路，对接收到的超声回波信号进行滤波处理，以排队干扰，提高测量精度。
58.在一个实施例中，如图8所示，所述增益电路230包括电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、二极管d3、二极管d4、电容c7、放大器q4、放大器q5和复位开关s1；
59.所述电阻r11的一端与放大器q4的输入引脚1连接作为输入端，所述放大器q4的输入引脚2与电阻r14的一端和二极管d3的阳极连接，所述放大器q4的输出引脚与二极管d3的阴极和二极管d4的阳极连接，所述二极管d4的阴极与电阻r12的一端连接，所述电阻r12的另一端与电阻r13的一端、复位开关s1的触点1和放大器q5的输入引脚1连接，所述电阻r13的另一端与电容c7的一端连接，所述电容c7的另一端与电阻r11的另一端和复位开关s1的触点3连接并接地，所述复位开关s1的触点2接复位信号，所述放大器q5的输入引脚2与电阻r14的另一端及放大器q5的输出引脚连接作为输出端。
60.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中电阻r11的阻值可以为100k，电阻r12和电阻r13阻值可以为1k，电阻r14阻值可以为10k，增益电路设置在滤波电路之后，用于对滤波后的信号进行加强，防止由于滤波处理过程对信号的削弱而影响测量结果。
61.在一个实施例中，如图9所示，所述电压比较电路240包括电感l3、电感l4、二极管
d5、二极管d6、稳压二极管d7、电容c8、电容c9和比较器m1；
62.所述电感l3的一端为输入端，所述电感l3的另一端与二极管d5的阴极、二极管d6的阳极以及比较器m1的输入引脚2连接，所述二极管d5的阳极与二极管d6的阴极以及比较器m1的输入引脚1连接并接地，所述比较器m1的引脚3与电容c9的一端以及直流电源正极v 连接，所述电容c9的另一端接地，所述比较器m1的引脚5与电容c8的一端以及直流电源负极v
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连接，所述比较器m1的引脚6与电容c8的另一端连接并接地，所述比较器m1的输出引脚与电感l4的一端连接，所述电感l4的另一端与稳压二极管d7的一端连接作为输出端，所述稳压二极管d7的另一端接地。
63.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的电容c8和电容c9的容量为0.1μf，比较器m1可以采用max913型号的过零点比较器，电压比较电路对测量精度有直接影响，本方案采用的电压比较电路利用设置一个有效信号检测门槛对信号的过零点处进行检测，得到的三个输出信号用于系统级芯片进行逻辑处理和控制。
64.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。