高精度低成本車用超聲波傳感器的研制

引言

　　超聲波測距主要應用于非接觸測量領域。目前測距專用超聲波系統(tǒng)由于成本高等的原因,在一些中小規(guī)模的應用領域中難以廣泛應用。隨著汽車智能化的發(fā)展,需要研制出能夠以更高的精度測距的新式傳感器,且成本低廉。但是以往的超聲波傳感器由于高精度的要求,結構復雜,且不能夠根據不同的環(huán)境自動調節(jié),成本高,適應性差。本文介紹一種以AT89C2051 單片機為核心的低成本、高精度的數字顯示超聲波測距儀的研制。由于這種超聲波傳感器可以測試周圍環(huán)境溫度并可自我調節(jié),性價比要好于現有的一些同類產品。這種傳感器能夠在0℃~ 40℃的溫度范圍內,測距范圍為0.1m~0.3m,精度為1mm,因此能夠應用于一些特殊的場合,如自助式停車,智能懸架和車前燈調節(jié)等。

　　測距系統(tǒng)的硬件設計

　　超聲波測距系統(tǒng)工作原理如圖1。本系統(tǒng)由AT89C2051 單片機、超聲波發(fā)射、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路及顯示電路組成。AT89C205l單片機是整個系統(tǒng)的核心部件,協調各部件的工作。單片機控制的振蕩源產生40kHz 的頻率信號來驅動超聲波傳感器,每次發(fā)射包含l0 個脈沖,當第一個超聲波脈沖發(fā)射后,計數器開始計數,在檢測到第一個回波脈沖的瞬間,計數器停止計數,這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時間△t;溫度采集電路也將現場環(huán)境溫度數據采集送到單片機中,提供計算距離時對超聲波傳播速度的修正。最終單片機利用公式計算出被測距離,由顯示器顯示出來。單片機的串行口 RXD、TXD 分別與顯示電路的RXD 和TXD 相連,構成串行靜態(tài)顯示電路;定時／記數器T0,與V/F 轉換器的輸出端相連,實現頻率采集功能;P1.7 與CMOS 多諧振蕩器的控制端相連,通過軟件使P1.7 口輸出高或低電平,從而控制超聲波的發(fā)射;P1.6 通過一個開關二極管IN4l48 與比較器LM324的基準電壓產生電路控制端連接,發(fā)射超聲波時置P1.6 為“1”,輸出的電平可以抑制比較器的翻轉,從而能有效地抑制發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導致錯誤的檢測;發(fā)射結束后,P1.6 置為“0”,此時通過掃描與比較器輸出端連接的P1.2 121,根據P1.2 口的輸入狀態(tài)判斷是否接收到回波。

　　超聲波發(fā)射及驅動電路由CD4011組成的RC振蕩器產生,溫度傳感器采用AD590。

　　檢測法及補償原理

　　超聲波測距通過下列公式計算：

　　式中,Tf —超聲波傳播時間;
Vs—空氣中的聲速;
k—系數,近似為0.5。

　　超聲波脈沖由一個壓電式傳感器發(fā)出,它的地面反射波由另一個壓電式傳感器接收。這兩個壓電式傳感器緊密地并排在一起組成了探測頭。由k 引起的誤差通過一個校準器的校準后可以忽略不計。Tf 和Vs 可以認為是不相關的,所以被測距離的標準誤差u(D)可以從下列公式得到：

　　這里u(Vs)和u(Tf)是聲速和傳播時間的系統(tǒng)誤差?？諝庵械穆曀偈艿綔囟?theta;和濕度h 的影響,即：

　　因此,式（2）變?yōu)椋?/p>

　　如果濕度在10%RH~90%RH 內變化,它對聲速的影響在20℃時為0.15%左右。在0.3m 的范圍內導致的系統(tǒng)誤差僅為0.3mm 左右,所以沒有必要安裝濕度傳感器。