高精度低成本車用超聲波傳感器的研制

引言

　　超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于非接觸測(cè)量領(lǐng)域。目前測(cè)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(yīng)用領(lǐng)域中難以廣泛應(yīng)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(cè)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,且不能夠根據(jù)不同的環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié),成本高,適應(yīng)性差。本文介紹一種以AT89C2051 單片機(jī)為核心的低成本、高精度的數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的研制。由于這種超聲波傳感器可以測(cè)試周圍環(huán)境溫度并可自我調(diào)節(jié),性價(jià)比要好于現(xiàn)有的一些同類產(chǎn)品。這種傳感器能夠在0℃~ 40℃的溫度范圍內(nèi),測(cè)距范圍為0.1m~0.3m,精度為1mm,因此能夠應(yīng)用于一些特殊的場(chǎng)合,如自助式停車,智能懸架和車前燈調(diào)節(jié)等。

　　測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)工作原理如圖1。本系統(tǒng)由AT89C2051 單片機(jī)、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(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件,協(xié)調(diào)各部件的工作。單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生40kHz 的頻率信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器,每次發(fā)射包含l0 個(gè)脈沖,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后,計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時(shí)間△t;溫度采集電路也將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集送到單片機(jī)中,提供計(jì)算距離時(shí)對(duì)超聲波傳播速度的修正。最終單片機(jī)利用公式計(jì)算出被測(cè)距離,由顯示器顯示出來(lái)。單片機(jī)的串行口 RXD、TXD 分別與顯示電路的RXD 和TXD 相連,構(gòu)成串行靜態(tài)顯示電路;定時(shí)／記數(shù)器T0,與V/F 轉(zhuǎn)換器的輸出端相連,實(shí)現(xiàn)頻率采集功能;P1.7 與CMOS 多諧振蕩器的控制端相連,通過(guò)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(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)二極管IN4l48 與比較器LM324的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路控制端連接,發(fā)射超聲波時(shí)置P1.6 為“1”,輸出的電平可以抑制比較器的翻轉(zhuǎn),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(dǎo)致錯(cuò)誤的檢測(cè);發(fā)射結(jié)束后,P1.6 置為“0”,此時(shí)通過(guò)掃描與比較器輸出端連接的P1.2 121,根據(jù)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(qū)動(dòng)電路由CD4011組成的RC振蕩器產(chǎn)生,溫度傳感器采用AD590。

　　檢測(cè)法及補(bǔ)償原理

　　超聲波測(cè)距通過(guò)下列公式計(jì)算：

　　式中,Tf —超聲波傳播時(shí)間;
Vs—空氣中的聲速;
k—系數(shù),近似為0.5。

　　超聲波脈沖由一個(gè)壓電式傳感器發(fā)出,它的地面反射波由另一個(gè)壓電式傳感器接收。這兩個(gè)壓電式傳感器緊密地并排在一起組成了探測(cè)頭。由k 引起的誤差通過(guò)一個(gè)校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)后可以忽略不計(jì)。Tf 和Vs 可以認(rèn)為是不相關(guān)的,所以被測(cè)距離的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間的系統(tǒng)誤差。空氣中的聲速受到溫度θ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(nèi)變化,它對(duì)聲速的影響在20℃時(shí)為0.15%左右。在0.3m 的范圍內(nèi)導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差僅為0.3mm 左右,所以沒(méi)有必要安裝濕度傳感器。