專利名稱：一種超聲波定位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(shí)向外發(fā)出超聲波信號(hào)、無線(或紅外)信號(hào)，超聲波接收傳感器接收發(fā)射傳感器外發(fā)出的信號(hào)，并輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)超聲波接收傳感器接收兩信號(hào)的時(shí)間差，計(jì)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(dòng)物上設(shè)置一個(gè)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(shè)置多個(gè)超聲波接收傳感器(或超聲波發(fā)射傳感器)，計(jì)算機(jī)就可以計(jì)算出移動(dòng)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(gè)超聲波發(fā)射元件、一個(gè)無線(或紅外)信號(hào)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(hào)。
現(xiàn)有的超聲波接收傳感器包括一個(gè)超聲波接收元件、一個(gè)無線(或紅外)信號(hào)接收元件、接收電路，接收電路將接收元件接收的信號(hào)經(jīng)放大、濾波后輸出給計(jì)算機(jī)。
現(xiàn)有的超聲波定位傳感器的缺陷在于由于超聲波信號(hào)具有方向性，單個(gè)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(hào)能準(zhǔn)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(hào)能準(zhǔn)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(hào)發(fā)射元件、控制電路；超聲波發(fā)射元件、無線信號(hào)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(gè)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(hào)接收元件、接收電路；超聲波接收元件、無線信號(hào)接收元件通過接收電路輸出信號(hào)；超聲波接收傳感器上至少包括兩個(gè)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(gè)，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(gè)，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(duì)接收超聲波信號(hào)的先、后進(jìn)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(dòng)式接收信號(hào)開關(guān)電源。
上述方案中，電路為電路板，超聲波元件設(shè)置在電路板的正面，無線信號(hào)元件設(shè)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(diǎn)在于1、其超聲波發(fā)射傳感器上設(shè)有至少兩個(gè)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(shè)有至少兩個(gè)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(gè)，各元件環(huán)形分布，其指向360°均勻分布，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)接收超聲波信號(hào)的先、后進(jìn)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(hào)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(dòng)式接收信號(hào)開關(guān)電源，可以減少功耗，延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。
7、電路為電路板，超聲波元件設(shè)置在電路板的正面，無線信號(hào)元件設(shè)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(shè)備的體積；同時(shí)，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(shí)施方式
本發(fā)明超聲波定位傳感器實(shí)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(hào)發(fā)射元件、控制電路；超聲波發(fā)射元件、無線信號(hào)發(fā)射元件由電路部分控制；超聲波發(fā)射傳感器上設(shè)有8個(gè)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(shè)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(shè)置在電路板2上部，無線信號(hào)元件3——無線信號(hào)發(fā)射元件設(shè)置在電路板2的正面。
超聲波發(fā)射傳感器上的8個(gè)超聲波發(fā)射元件以環(huán)形分布的方式設(shè)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(hào)接收元件、接收電路；超聲波接收元件、無線信號(hào)接收元件通過接收電路輸出信號(hào)；超聲波接收傳感器上設(shè)有8個(gè)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(shè)置在電路板2上，電路板2上設(shè)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(shè)置在電路板2上部，無線信號(hào)元件3——無線信號(hào)接收元件設(shè)置在電路板2背面。
超聲波接收傳感器上的8個(gè)超聲波接收元件以環(huán)形分布的方式設(shè)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(hào)發(fā)射、接收元件均為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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C(jī)Atmega128L單片機(jī)。電路上設(shè)計(jì)有8個(gè)插座，每一個(gè)插座有4個(gè)口，分別為VCC電源正，SIG1信號(hào)1，SIG2信號(hào)2，GND電源地。
控制電路包括一個(gè)總控制器和兩個(gè)控制單元(功能模塊)，兩控制單元分別由一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行器、兩個(gè)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(hào)線、一根RXD信號(hào)線組成?？偪刂破骺蔀閱纹瑱C(jī)，也可為計(jì)算機(jī)。
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(duì)接收超聲波信號(hào)的先、后進(jìn)行比較的比較電路。接收電路包括電源，電源為被動(dòng)式接收信號(hào)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(shí)候，根據(jù)溫度調(diào)整參數(shù)使計(jì)算出來的距離精度保證＜1cm。底板上還帶有電源電壓測(cè)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(dòng)選擇工作方式，在電池能量不足的時(shí)候及時(shí)發(fā)送信號(hào)通知監(jiān)測(cè)分析器。
本發(fā)明傳感器實(shí)施例可支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位，電路上裝配控制電路/接收電路，由電路負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)度與初級(jí)過濾。發(fā)射傳感器先發(fā)射無線傳感器網(wǎng)絡(luò)消息，通知周圍的節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收超聲波信號(hào)，接著發(fā)送超聲波信號(hào)。接收器根據(jù)無線信號(hào)與超聲波信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算與發(fā)射器的距離。最終接收器節(jié)點(diǎn)測(cè)得的距離值傳送給監(jiān)測(cè)分析的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)并計(jì)算出發(fā)射器的位置。
接收電路的設(shè)計(jì)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(hào)接收，放大，過濾，比較和輸出。
控制電路的設(shè)計(jì)主要按照兩個(gè)原則設(shè)計(jì)，一是低能耗，越是精簡(jiǎn)的電路設(shè)計(jì)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?yàn)槌暡▊鞲衅髟淖畲笳穹鶎?duì)應(yīng)的頻率是40kHZ，所以升壓電路必須保證能夠達(dá)到40kHZ的開關(guān)速度。使用一片SP232作為電壓放大器，將單片機(jī)的5V信號(hào)增幅到12V供給傳感器，可以增加信號(hào)的強(qiáng)度，使信號(hào)傳播距離更遠(yuǎn)。如果不升壓則會(huì)大大減少信號(hào)的傳播距離。利用這個(gè)特性可以調(diào)節(jié)超聲波信號(hào)的覆蓋范圍，建立起無線信號(hào)與超聲波信號(hào)的映射關(guān)系。這樣做可以避免在小空間內(nèi)測(cè)試傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)碰到的空間問題，縮短了傳感器節(jié)點(diǎn)的工作距離，相當(dāng)于將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)縮小了。
本發(fā)明傳感器實(shí)施例為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位超聲波傳感器，能夠應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于定位的控制系統(tǒng)，它采用模塊化設(shè)計(jì)，工作性能穩(wěn)定、控制靈活。對(duì)比已有的超聲波傳感器，本發(fā)明傳感器實(shí)施例還具有以下優(yōu)點(diǎn)1、制作了各種具有獨(dú)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(dú)與PC機(jī)相連在電腦上演示，構(gòu)造了一個(gè)可裁剪的試驗(yàn)平臺(tái)。這種方式不僅隔離了硬件的差異，是用戶通過標(biāo)準(zhǔn)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(luò)的程序設(shè)計(jì)，達(dá)到大大降低節(jié)點(diǎn)功耗的目的，使傳感器網(wǎng)絡(luò)整體工作壽命延長(zhǎng)。
3、可具有獨(dú)特的利用節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)信息的能力，可以應(yīng)用在定位導(dǎo)航以及目標(biāo)追蹤等需要位置信息的領(lǐng)域。
4、可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，實(shí)驗(yàn)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(luò)的研究，又可以用于超聲波測(cè)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(hào)處理技術(shù)的發(fā)展當(dāng)前利用軟件算法來處理信號(hào)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(hào)的時(shí)間差分析可以使測(cè)量距離精度做到比單純的超聲波測(cè)距離更好的效果。
6、使用信號(hào)轉(zhuǎn)換電路來處理傳感器的信號(hào)，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(hào)分析算法。
7、結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)技術(shù)，可以用于機(jī)器人避障，環(huán)境探測(cè)等方面。
8、超聲波元件可以任意增減；因?yàn)槌暡▊鞲衅靼l(fā)射的超聲波具有50°左右的方向性，控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成8正邊型，8個(gè)傳感器模塊接口分布面向8個(gè)方向，根據(jù)實(shí)際需要可以配置多個(gè)傳感器模塊以增加信號(hào)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(luò)節(jié)點(diǎn)接口，每一個(gè)模塊配帶一個(gè)節(jié)點(diǎn)。接收模塊作為待定位的節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)環(huán)境下布置。
9、控制電路、節(jié)點(diǎn)、傳感器之間通過三線制總線連接，線路簡(jiǎn)單，體積小。
10、可以通過軟件技術(shù)調(diào)整傳感器測(cè)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(cè)量值將被自動(dòng)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(gè)即可達(dá)到本發(fā)明目的。超聲波元件為3～8個(gè)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(hào)發(fā)射元件、控制電路；超聲波發(fā)射元件、無線信號(hào)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(gè)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(hào)接收元件、接收電路；超聲波接收元件、無線信號(hào)接收元件通過接收電路輸出信號(hào)；超聲波接收傳感器上至少包括兩個(gè)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(gè)，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(gè)，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(duì)接收超聲波信號(hào)的先、后進(jìn)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(dòng)式接收信號(hào)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(shè)置在電路板的正面，無線信號(hào)元件設(shè)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(hào)發(fā)射元件、控制電路；超聲波發(fā)射元件、無線信號(hào)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(gè)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(shè)有至少兩個(gè)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(hào)G01S7/521GK1996045SQ20061016652
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)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(qǐng)人:武漢理工大學(xué)