Jak navrhnout systém měření vzdálenosti ultrazvukového senzoru

Ultrazvukový rozsahový snímač se používá především v oblasti bezkontaktního měření. V současné době je v některých malých a středně velkých aplikacích vzhledem k vysokým nákladům obtížné široce používat speciální ultrazvukový systém pro měření vzdálenosti. S rozvojem automobilové inteligence je nutné vyvinout nové ultrazvukové senzory, které dokážou měřit vzdálenost s vyšší přesností a náklady jsou nízké. Avšak kvůli požadavku na vysokou přesnost má konvenční ultrazvukový senzor komplikovanou strukturu a nelze jej automaticky nastavit podle různých prostředí, což má vysoké náklady a špatnou přizpůsobivost. Tento článek představuje vývoj levného, ​​vysoce přesného digitálního zobrazovacího ultrazvukového snímače dálkoměru s jednočipovým mikropočítačem at89c2051 jako jádrem. Protože tento ultrazvukový senzor dokáže testovat okolní teplotu a sám se přizpůsobovat, je nákladová výkonnost lepší než u některých stávajících podobných produktů. Tento ultrazvukový senzor lze použít v teplotním rozsahu 0 ℃ ~ 40 ℃, v rozmezí od 0,1 m do 0,3 m, s přesností 1 mm, takže jej lze použít při některých zvláštních příležitostech, jako je samoobslužné parkování, inteligentní odpružení a nastavení světlometů atd.

Hardwarový návrh ultrazvukového převodníku pro měření vzdálenosti

Princip činnosti ultrazvukového snímače z nerezové oceli je znázorněn na obrázku 1. Systém se skládá z jednočipového mikropočítače AT89C2051, ultrazvukového přenosu, obvodu přijímacího zesilovače, obvodu snímání okolní teploty a obvodu displeje. AT89C205l MCU je základní komponentou celého systému, koordinuje práci každé komponenty. Zdroj kmitů řízený jednočipovým mikropočítačem generuje frekvenční signál 40 kHz pro pohon ultrazvukového senzoru. Každý přenos obsahuje 10 impulsů. Po vyslání prvního ultrazvukového impulsu začne čítač počítat. V okamžiku, kdy je detekován první impuls ozvěny, čítač přestane počítat, takže lze získat čas △ t od přenosu k příjmu; obvod sběru teploty také posílá shromážděná data o okolní teplotě do jednočipového mikropočítače, aby poskytl korekci rychlosti šíření ultrazvuku při výpočtu vzdálenosti. Nakonec jednočipový počítač pomocí vzorce vypočítá měřicí vzdálenost, která se zobrazí na displeji. Sériové porty RXD a TXD jednočipového mikropočítače jsou příslušně připojeny k RXD a TXD obvodu displeje, aby vytvořily sériový statický obvod displeje; časovač / čítač T0 je připojen k výstupu U/F převodníku pro realizaci funkce získávání frekvence; P1. 7 Připojeno k řídicímu konci multivibrátoru CMOS prostřednictvím softwaru pro zvýšení nebo snížení úrovně výstupu portu P1.7, čímž se řídí přenos ultrazvukových vln; P1.6 je řízen spínací diodou IN4l48 a je připojen obvod generování referenčního napětí komparátoru LM324 Terminal, při vysílání ultrazvukových vln nastavte P1.6 na '1', výstupní úroveň může potlačit překlápění komparátoru, což může účinně potlačit, aby ultrazvukové vlny vyzařované vysílačem přímo vyzařovaly do přijímače a způsobovaly; po ukončení přenosu se P1.6 nastaví na '0', v tomto okamžiku skenováním P1.2 121 připojeného k výstupu komparátoru podle vstupního stavu portu P1.2, aby se zjistilo, zda je ozvěna přijímána. Ultrazvukový emisní a budící obvod jsou vytvářeny RC oscilátorem složeným z CD4011 a teplotní senzor využívá AD590.

Měření času

Perioda ultrazvukového signálu použitého při měření času je 25 μs, ale je zapotřebí zdroj ultrazvukového signálu ekvivalentní vlnové délce asi 9 mm při 20 °C. Pro zajištění přesnosti je vyžadován detektor vlnové délky. Zdroj ultrazvukového signálu se skládá z generátoru signálu a obvodu detektoru průchodu nulou. Generátor libovolného signálu se skládá z 16Kbyte EPROM, která může ukládat libovolné průběhy, 16bitového čítače pro skenování EPROM a DAC. Detektor průchodu nulou se skládá z detektoru prahové hodnoty. Prahová hodnota detektoru je součástí špičkové hodnoty přijímaného signálu, takže detektor může porovnávat přijímaný signál podle referenčního nulového potenciálu. To umožňuje v maximální míře detekovat signál v oblasti signálu, čímž se minimalizuje rušení šumem.

Optimální výsledek závisí především na amplitudě zvoleného echa. Čím nižší je echo, tím nižší je amplituda a tím nižší je možnost rušení související amplitudou šumu. Nejlepší signál pro použití za jakýchkoli podmínek závisí na skutečném množství šumu. Ultrazvukový senzor má také jednoduchý systém měření hluku. Systém dokáže odhadnout skutečný šum monitorováním vstupního signálu během fáze bez echa. Výstup tohoto systému měření hluku lze převádět za podmínek nízké, střední a vysoké hlučnosti.

Teplotní senzor a automatická kompenzace chyb

Teplota vzduchu je detekována teplotním čidlem a zpracována obvodem. Je instalován v sondě, chyba nepřesahuje 1 ℃. Automatickou kompenzaci chyby lze odvodit z jednoduchého analogového obvodu znázorněného na obrázku 2. V je úměrné měřené vzdálenosti.

Nápady na návrh softwaru
Protože ultrazvukový vysílací senzor je velmi blízko ultrazvukovému přijímacímu senzoru, při vysílání ultrazvukových vln bude přijímací ultrazvukový senzor přijímat silný rušivý signál. Aby se zabránilo chybné detekci systému, je v softwaru přijata technologie zpožděného příjmu, aby se zlepšila odolnost systému proti rušení. Po stisknutí tlačítka start je odeslán příkaz k vysílání ultrazvukových vln a řídicí systém začne provádět program pro dokončení sběru teploty; měří se časový interval vysílání a příjmu ultrazvukových vln; nakonec je naměřená vzdálenost vypočítána numerickým programem a odeslána na displej k zobrazení. Systémový software má modulární design, který se skládá z hlavních modulů, jako je hlavní program, podprogram pro měření vzdálenosti, podprogram pro měření teploty a podprogram pro zobrazení. Hlavní blokové schéma programu je zobrazeno v .