高精度低成本車用超聲波傳感器的研制 - 全文

????? 本文介紹了利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式測(cè)距。系統(tǒng)由AT89C2051 單片機(jī)、超聲波電路、環(huán)境溫度電路及顯示電路組成。該測(cè)距儀具有高精度（±1mm）、低成本的特點(diǎn)。

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。

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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(gè)開關(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)距通過下列公式計(jì)算：

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　　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：

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　　這里u(Vs)和u(Tf)是聲速和傳播時(shí)間的系統(tǒng)誤差?？諝庵械穆曀偈艿綔囟圈群蜐穸萮 的影響，即：

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　　因此，式（2）變?yōu)椋?br />
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　　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，所以沒有必要安裝濕度傳感器。

　　空氣中的聲速可以根據(jù)下式得到：

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　　其中：T—絕對(duì)溫度。

　　聲速在330m/s 到360m/s 范圍內(nèi)變化時(shí)應(yīng)考慮到0℃到40℃范圍內(nèi)的溫度變化。在測(cè)距中必須考慮到這種影響，因此需要一個(gè)溫度傳感器。如果應(yīng)用于汽車上，另一個(gè)影響測(cè)距精度的因素是車速，這種影響隨著超聲波傳播距離的增加而增加。如果最大車速相當(dāng)于聲速的10%，則測(cè)量相對(duì)誤差可由下式估算：

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　　對(duì)于車速在33m/s（約120km/h），在0℃時(shí)（Vs=330m/s）誤差約為0.5%，因此一般也可以忽略這一因素帶來(lái)得誤差。

智能化實(shí)現(xiàn)

本傳感器在電路上可分為兩大部分，其一為時(shí)間測(cè)量（見圖2），其二為溫度傳感器與誤差的自動(dòng)補(bǔ)償（見圖3）。其中圖2 輸出的Ni 即為圖3 輸入的Ni。

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時(shí)間測(cè)量

　　時(shí)間測(cè)量中采用的超聲波信號(hào)周期為25μs，卻需要一個(gè)相當(dāng)于在20°C 時(shí)約9mm 波長(zhǎng)的超聲波信號(hào)源。為了確保精度，需要一個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)器。超聲波信號(hào)源由一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)過零檢測(cè)器的電路組成。任意信號(hào)發(fā)生器由一個(gè)可存放任意波形的16Kbyte EPROM，一個(gè)用來(lái)掃描EPROM的16 位計(jì)數(shù)器和一個(gè)DAC 組成。過零檢測(cè)器由臨界值檢測(cè)器組成。檢測(cè)器的臨界值是接收到的信號(hào)峰值的一部分，使檢測(cè)器可以根據(jù)參考零電位比較接收到的信號(hào)。這就使得在信號(hào)區(qū)的信號(hào)能最大范圍地被檢測(cè)到，從而使噪聲干擾最小。

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　　存儲(chǔ)在EPROM 中的激勵(lì)信號(hào)必須設(shè)計(jì)成可以接收那些低到足以防止第一個(gè)臨界值接收器干擾不同周期的回聲。這些特殊的信號(hào)由一個(gè)約束最優(yōu)化程序處理，這種程序主要是為了使回波的能量最小從而把回波的峰值限定位一個(gè)固定值。最合適的允許接收由固定振幅的最低回波Y(f)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)X(f)可以由解下列方程得到：

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最優(yōu)的結(jié)果主要取決于被選回聲的振幅，回聲越低，振幅越低，那么被一個(gè)有關(guān)的噪聲振幅干擾的可能性也越低。在任何條件下使用最好的信號(hào)取決于噪聲的實(shí)際量。傳感器還有一個(gè)簡(jiǎn)單的噪聲測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過在無(wú)回波階段監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)來(lái)估計(jì)實(shí)際噪聲。這個(gè)噪聲測(cè)量系統(tǒng)的輸出可以在低、中、高噪聲條件下轉(zhuǎn)換。

　　另外，回波的振幅主要取決于地面的反射性和距離。這些影響可以由接收電路中的一個(gè)自動(dòng)增益控制放大器來(lái)使其最小化。因此回聲振幅可以保持在一個(gè)固定值。這就用到了第一個(gè)檢測(cè)器中的固定臨界值。越零檢測(cè)器的輸出可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)緩沖器（可以在回聲到達(dá)的時(shí)間內(nèi)鎖存計(jì)數(shù)器輸出）。如果一個(gè)新的回波未被檢測(cè)到，則緩沖器的輸出不被更新。這就避免了無(wú)意義的測(cè)量。被緩沖的值是根據(jù)傳播時(shí)間和一個(gè)已知的固定值Na（該值由它在EPROM 中的存儲(chǔ)方式及第一個(gè)檢測(cè)器的臨界值水平?jīng)Q定）來(lái)定。系統(tǒng)時(shí)鐘為8MHz，因此周期為125ns，當(dāng)一個(gè)距離超過1m，最大的測(cè)量時(shí)間約8ms。一個(gè)50Hz 的多諧波振蕩器每20ms 提供計(jì)數(shù)器一個(gè)讀數(shù)。

溫度傳感器與誤差的自動(dòng)補(bǔ)償

　　空氣溫度由一個(gè)溫度傳感器檢測(cè)并經(jīng)電路處理得出。它裝在探頭中，誤差不超過1℃。誤差的自動(dòng)補(bǔ)償可以由圖2 所示的簡(jiǎn)單模擬電路得出。V 與所測(cè)距離成正比。

軟件設(shè)計(jì)思想

　　由于超聲發(fā)射傳感器與超聲接收傳感器相隔很近，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，接收傳感器會(huì)收到很強(qiáng)的干擾信號(hào)。為防止系統(tǒng)的誤測(cè)，在軟件上采用延遲接收技術(shù)，以此提高系統(tǒng)的抗干擾能力。當(dāng)起始鍵按下，即發(fā)送發(fā)射超聲波的指令，控制系統(tǒng)開始執(zhí)行程序，完成對(duì)溫度的采集；發(fā)送、接收超聲波的時(shí)間間隔的測(cè)量；最后通過數(shù)值處理程序計(jì)算出被測(cè)距離，送顯示器顯示。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、測(cè)距子程序、測(cè)溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。主程序框圖如圖4所示。

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測(cè)試結(jié)果

　　本系統(tǒng)應(yīng)用于非接觸式測(cè)距。對(duì)相距0.1m"0.3m的兩物體、環(huán)境溫度從0℃ "40℃之間變化時(shí)，進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，由于系統(tǒng)增加了溫度修正系統(tǒng)及軟件補(bǔ)償技術(shù)，大大提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)際測(cè)試證明，經(jīng)修正后該系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.01m。

結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出的基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，具有成本低、精度高、誤差小、顯示直觀、電路簡(jiǎn)單以及抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足一些中小規(guī)模系統(tǒng)的測(cè)量要求。尤其能夠應(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。