技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种数学用测距仪，属于数学技术领域。
背景技术
[0002] 测距在数学中应用广泛，常用的非
接触式测距手段主要有：激光、CCD视觉
传感器、毫米波雷达、
超声波等。其中激光测距
精度高、计算快、量程大，可是对测量环境要求极高，
信号包含的信息也少。CCD视觉传感器能够获取丰富的周边环境内容，测距精度也很高，但在提取距离特征量时运算量过大，对
信号处理器性能要求很高，且在夜晚或光线较差时无法正常工作。毫米波雷达测距范围很大，并有极强的抗干扰能
力，可在大雨、大雾、
风沙等极端恶劣环境中正常工作，但测距精度受
波长限制，测距精度一般，且设备价格昂贵。
超声波测距量程较大，对于中短距离测距精度高，
数据处理简单，实时性强，价格低廉，且能适应恶劣环境，已被广泛应用在
机器人避障和
汽车倒车防撞上
[0003] 而超声波测距以其可靠性高、性价比高等优点被广泛应用于工业生产、智能小车，智能机器人、汽车倒车雷达等各个领域的距离测量和检测中。
[0004] 但是目前的超声波测距仪存在体积大，便携性差且测距范围窄。实用新型内容
[0005] 有鉴于此，本实用新型提供了一种数学用测距仪，方便携带，测距范围宽、精度高、抗干扰能力强。
[0006] 本实用新型通过以下技术手段解决上述技术问题：
[0007] 本实用新型的一种数学用测距仪，其包括超声波发射装置、超声波接收处理装置、微
控制器和外围
电路，超声波发射装置由脉冲
变压器、控制电路和超
声换能器组成，超声波接收处理装置由
带通滤波电路和放大电路组成，外围电路由电源模
块、
温度采集模块、串口通信模块和晶振电路，所述脉冲变压器驱动超声换能器工作，超声波发射装置、超声波接收处理装置和外围电路依次连接，
微控制器控制超声波发射装置、超声波接收处理装置和外围电路，控制电路控制脉冲变压器运行。
[0008] 所述脉冲变压器为EE19型脉冲变压器，其磁芯为EE基本型的
铁氧体磁芯，工作
频率为20KHz～50KHz，额定输出功率最大为25W，
工作温度为-40℃～125℃。
[0009] 所述控制电路上设置有NTP18N06高速
开关和栅极限流
电阻，NTP18N06高速开关的最大工作
电压为60V，最大工作
电流为15A，导通时的正向压降为1.1V，电阻为76mΩ。
[0010] 所述带通滤波电路为多路
负反馈二阶有源带通
滤波器，放大电路上设置有AD8310型对数
放大器，其含有六个
串联的放大器/
限幅器，每个放大器/限幅器的
小信号增益均为14.3dB，检波范围为-91dBV～+4dBV，对数斜率为25mV/dB，截止电压为-108dBV。
[0011] 所述超声换能器为DYA-25-20C收发一体型超声换能器，谐振频率为25KHz，最高耐压为1500Vpp，工作温度-40℃～80℃，灵敏度为600Vpp-0.6m，回波幅度300mV。
[0012] 所述微控制器采用STM32F407ZGT6芯片，其具有192KB的SRAM、1024KB的FLASH、12个16位
定时器、2个32位定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个全双工I2S、3个IIC、6个串口、2个USB、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC、1个SDIO
接口、1个FSMC接口、1个10/100M以太网MAC控制器、1个摄像头接口、1个
硬件随机数生成器以及112个通用I/O口。
[0013] 所述3个12位ADC最大的转换速率为2.4MHz，最大时钟为36MHz，最大
采样频率为2.38MHz。
[0015] 所述串口通信模块上设置有一个USB串口，USB串口上设置有CH340G芯片，CH340G芯片外加电平转换器，提供RS232、RS485和RS422接口；所述电源模块为24V电源，其中包括24V稳压电路、5V稳压电路和3.3V稳压电路，24V稳压电路驱动超声换能器，5V稳压电路对带通滤波电路和放大电路供电，3.3V稳压电路对微控制器和温度采集模块供电，5V稳压电路采用LM2596T5.0开关电压调节器，3.3V稳压电路采用LM1117-3.3芯片。
[0016] 所述温度采集模块采用MF58玻壳测温型NTC热敏
电阻器，阻值允差1％，25℃时的零功率电阻值为5千欧，耐电压为1500V/AC-1min，测温范围为-40℃～250℃。
[0017] 微控制器发送PWM驱动信号，通过控制电路控制脉冲变压器通断从而驱动超声换能器发送对应频率的超声波，超声波遇到障碍物反射，经由换能器接收并转换为
电信号，回波信号经过滤波电路和对数放大电路调理，送入微控制器进行采集和储存，微控制器采集温度信号并修正声速参数，最后结合相应
算法完成距离计算并显示。
[0018] 超声测距系统能发射对应频率的超声波，并具有接收超声回波和处理微弱信号的能力，使用一个超声换能器，具有单发单收的能力。
[0019] 超声测距系统使用高性能微控制器实现超声换能器驱动信号的发送，超声回波信号的采集、处理和储存以及测距算法的实现。
[0020] 超声测距系统使用24V直流电源供电，并具有电源调理和
升压电路，可以驱动大功率超声换能器，提高测距范围。
[0021] 超声测距系统可以实现对测距
环境温度的实时监测，并修正系统的声速参数，提高测距精度。
[0022] 超声测距系统具有串口通信功能，可以实现数据上传，方便在上位机上完成测距算法验证和系统工作性能调试。
[0023] 硬件电路方面，选用STM32F407ZGT6作为微控制器，使用DYA-25-20C单发单收超声换能器和24V电源供电；超声换能器驱动电路使用脉冲变压器提升驱动电压，超声信号调理部分包含带通滤波和对数放大两个模块。此外，电路使用MF58
热敏电阻器测量环境温度，用于辅助修正声速，电路的串口通信功能负责数据上传和程序下载。
[0024] 脉冲变压器。脉冲变压器是是一种宽频变压器，广泛用于雷达、变换技术；负载电阻与
馈线特性阻抗的匹配；升高或降低脉冲电压。本
专利采用的脉冲变压器是实现小型电源驱动大功率的超声换能器的关键器件。控制电路。控制电路的作用是把
微处理器输出的PWM信号转化为同频率的24V大功率PWM波，并输入到脉冲变压器一次侧做升压处理。
[0025] STM32F407ZGT6是一款高性能、低功耗、
低电压、新
内核的32位MCU。
[0026] 本实用新型的有益效果：方便携带，测距范围宽、精度高、抗干扰能力强。
附图说明
[0027] 下面结合附图和
实施例对本实用新型作进一步描述。
[0028] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0030] 图3为本实用新型晶振电路图。
[0031] 图4为本实用新型串口通信模块电路图。
[0032] 图5为本实用新型超声波发射装置电路图。
[0033] 图6为本实用新型带通滤波电路的电路图。
[0034] 图7为本实用新型温度采集模块电路图。
[0035] 图8为本实用新型流程图。
具体实施方式
[0036] 以下将结合附图对本实用新型进行详细说明，如图1、2、3、4和5所示：本实施例的一种数学用测距仪，其包括超声波发射装置1、超声波接收处理装置2、微控制器3和外围电路4，超声波发射装置1由脉冲变压器5、控制电路6和超声换能器12组成，超声波接收处理装置2由带通滤波电路7和放大电路8组成，外围电路4由电源模块9、温度采集模块10、串口通信模块11和晶振电路13，所述脉冲变压器5驱动超声换能器12工作，超声波发射装置1、超声波接收处理装置2和外围电路4依次连接，微控制器3控制超声波发射装置1、超声波接收处理装置2和外围电路4，控制电路6控制脉冲变压器5运行。
[0037] 所述脉冲变压器5为EE19型脉冲变压器，其磁芯为EE基本型的铁氧体磁芯，工作频率为20KHz～50KHz，额定输出功率最大为25W，工作温度为-40℃～125℃。
[0038] 所述控制电路6上设置有NTP18N06高速开关和栅极限流电阻，NTP18N06高速开关的最大工作电压为60V，最大工作电流为15A，导通时的正向压降为1.1V，电阻为76mΩ。
[0039] 所述带通滤波电路7为多路负反馈二阶有源
带通滤波器，放大电路8上设置有AD8310型对数放大器，其含有六个串联的放大器/限幅器，每个放大器/限幅器的小信号增益均为14.3dB，检波范围为-91dBV～+4dBV，对数斜率为25mV/dB，截止电压为-108dBV。
[0040] 所述超声换能器12为DYA-25-20C收发一体型超声换能器，谐振频率为25KHz，最高耐压为1500Vpp，工作温度-40℃～80℃，灵敏度为600Vpp-0.6m，回波幅度300mV。
[0041] 所述微控制器3采用STM32F407ZGT6芯片，其具有192KB的SRAM、1024KB的FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个全双工I2S、3个IIC、6个串口、2个USB、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个10/100M以太网MAC控制器、1个摄像头接口、1个硬件随机数生成器、以及112个通用I/O口。
[0042] 所述3个12位ADC最大的转换速率为2.4MHz，最大时钟为36MHz，最大
采样频率为2.38MHz。
[0043] 所述晶振电路13外接8M石英晶振。
[0044] 所述串口通信模块11上设置有一个USB串口，USB串口上设置有CH340G芯片，CH340G芯片外加电平转换器，提供RS232、RS485和RS422接口；所述电源模块9为24V电源，其中包括24V稳压电路、5V稳压电路和3.3V稳压电路，24V稳压电路驱动超声换能器12，5V稳压电路对带通滤波电路7和放大电路8供电，3.3V稳压电路对微控制器3和温度采集模块10供电，5V稳压电路采用LM2596T5.0开关电压调节器，3.3V稳压电路采用LM1117-3.3芯片。
[0045] 所述温度采集模块10采用MF58玻壳测温型NTC热敏电阻器，阻值允差1％，25℃时的零功率电阻值为5千欧，耐电压为1500V/AC-1min，测温范围为-40℃～250℃。
[0046] 选用外设功能强大、计算能力强的STM32F4芯片作为核心控制器，选用[0047] DYA-25-20C收发一体型超声换能器发送并接收超声波，选用IEE19型脉冲变压器提高驱动电压，设计了25KHz的带通滤波电路和对数放大电路用于处理超声回波信号，选用USB串口用于数据上传，选用MF58温敏电阻器测量环境用于声速的温度补偿。使用单发单收的超声换能器代替一发一收的换能器，降低了设备成本，提高设备的便携性。采用脉冲变压器提升超声换能器驱动电压，大大降低了测距系统对
电源电压的要求。使用高性能微控制器芯片替代上位机完成
数据采集和距离计算功能，极大地提高了设备的便携性。
[0048] 如图6，该电路使用单个通用
运算放大器接成单电源供电模式，电路简单易于实现。单电源供电运放的电源脚连接到正电源和地，通过R4、R5将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上，这时运放的
输出电压也以虚地为中心，C3为隔直电容，用来隔离虚地和地之间的直流电压。它的上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有很强的频率选择性。
[0049] 放大电路8上设置有AD8310型对数放大器，AD8310是AD公司生产的一个高速电压输出、解调
频率范围为DC～440MHz的对数放大器。它内含六个串联的放大器/限幅器，且每个放大器/限幅器的小信号增益均为14.3dB，它共使用了9个检测器，检波范围从－91dBV～+4dBV(定义RMS为1V的
正弦波的幅值为0dB)，即±40μV～±2.2V,对数斜率为25mV/dB，截止电压为-108dBV。AD8310集低成本、小体积、低功耗、高精度、高
稳定性、宽动态范围等诸多优点于一身，其频率范围可从音频到超高频。另外，它还具有响应时间快、负载驱
动能力强等特点。
[0050] 如图7所示，使用的是MF58玻壳测温型NTC热敏电阻器，阻值允差1％，25℃时的零功率电阻值为5千欧，耐电压为1500V/AC-1min，测温范围为-40℃～250℃，测温精度在25℃附近时最高。MF58与高精度电阻R62串联，微控制器采集MF58两端电压，根据分压原理计算MF58当前电阻并转换为温度值。电路中的R46、R51为限流电阻，用于保护微控制器。
[0051] 如图8所示，流程包括：发送超声换能器的驱动信号，硬件电路已经完成了对驱动信号电压与功率的放大，在系统
软件端则需要实现PWM脉冲信号的发送，发送脉冲的频率根据超声换能器谐振频率确定为25KHz；超声信号与温度的采集，系统在计算距离前需要采集固定时间段内超声换能器接收的信号和环境温度，并储存在RAM中，采集方法需要根据超声换能器和温度传感器的特性确定；数据传输，在对测距算法进行仿真调试时，需要微控制器将采集到的超声回波信号上传至计算机；信号处理。根据所测的现场
温度计算超声波的传播速度，使用调试好的优化测距算法计算超声波的传播时间，综合声
波速度和传播时间计算障碍物距离。
[0052] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的
权利要求范围当中。
