Notizia

Sei qui: Casa / Notizia / Informazioni sul trasduttore a ultrasuoni / Come progettare il sistema di rilevamento dei sensori a ultrasuoni

Come progettare il sistema di rilevamento del sensore a ultrasuoni

Visualizzazioni: 1 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 29/05/2020 Origine: Sito

Informarsi

Il trasduttore a ultrasuoni viene utilizzato principalmente nel campo della misurazione senza contatto. Allo stato attuale, lo speciale sistema ad ultrasuoni per la misurazione della distanza difficilmente può essere ampiamente utilizzato in alcune applicazioni di piccole e medie dimensioni a causa del costo elevato. Con lo sviluppo dell’intelligenza automobilistica, è necessario sviluppare nuovi sensori a ultrasuoni in grado di misurare la distanza con maggiore precisione e il costo è basso. Tuttavia, a causa dei requisiti di alta precisione, il sensore a ultrasuoni convenzionale ha una struttura complicata e non può essere regolato automaticamente in base ai diversi ambienti, il che presenta costi elevati e scarsa adattabilità. Questo articolo introduce lo sviluppo di un trasduttore a telemetro ultrasonico con display digitale a basso costo e ad alta precisione con microcomputer a chip singolo at89c2051 come nucleo. Poiché questo sensore a ultrasuoni può testare la temperatura ambiente e adattarsi, il rapporto costo-prestazioni è migliore rispetto ad alcuni prodotti simili esistenti. Questo sensore a ultrasuoni può essere utilizzato nell'intervallo di temperatura compreso tra 0 ℃ ~ 40 ℃, compreso tra 0,1 ma 0,3 m, con una precisione di 1 mm, quindi può essere utilizzato in alcune occasioni speciali, come parcheggio self-service, sospensioni intelligenti e regolazione dei fari, ecc.

Progettazione hardware del trasduttore di misura della distanza ad ultrasuoni

Il principio di funzionamento del trasduttore ultrasonico in acciaio inossidabile è mostrato nella Figura 1. Il sistema è costituito da un microcomputer a chip singolo AT89C2051, trasmissione ad ultrasuoni, circuito amplificatore di ricezione, circuito di acquisizione della temperatura ambiente e circuito di visualizzazione. L'MCU AT89C205l è il componente principale dell'intero sistema, coordinando il lavoro di ciascun componente. La sorgente di oscillazione controllata dal microcomputer a chip singolo genera un segnale di frequenza di 40 kHz per pilotare il sensore a ultrasuoni. Ogni trasmissione contiene 10 impulsi. Dopo la trasmissione del primo impulso ultrasonico, il contatore inizia a contare. Nel momento in cui viene rilevato il primo impulso di eco, il contatore interrompe il conteggio, in modo da poter ottenere il tempo △ t dalla trasmissione alla ricezione; il circuito di acquisizione della temperatura invia inoltre la raccolta dei dati della temperatura ambiente al microcomputer a chip singolo per fornire la correzione della velocità di propagazione degli ultrasuoni durante il calcolo della distanza. Infine, il computer a chip singolo utilizza la formula per calcolare la distanza di misurazione, che viene visualizzata sul display. Le porte seriali RXD e TXD del microcomputer a chip singolo sono rispettivamente collegate a RXD e TXD del circuito di visualizzazione per formare un circuito di visualizzazione statico seriale; il timer/contatore T0 è collegato all'uscita del convertitore V/F per realizzare la funzione di acquisizione della frequenza; P1. 7 Collegato all'estremità di controllo del multivibratore CMOS, tramite software per rendere l'uscita della porta P1.7 di livello alto o basso, controllando così la trasmissione delle onde ultrasoniche; P1.6 è controllato da un diodo di commutazione IN4l48 e il circuito di generazione della tensione di riferimento del terminale comparatore LM324 è collegato, impostare P1.6 su '1' durante la trasmissione di onde ultrasoniche, il livello di uscita può sopprimere l'inversione del comparatore, che può effettivamente sopprimere le onde ultrasoniche emesse dal trasmettitore per irradiarsi direttamente al ricevitore e causare rilevamenti errati; dopo la fine della trasmissione, P1.6 viene impostato su '0', in questo momento, scansionando il P1.2 121 collegato all'uscita del comparatore, in base allo stato di ingresso della porta P1.2 per determinare se l'eco viene ricevuto. L'emissione ultrasonica e il circuito di pilotaggio sono prodotti dall'oscillatore RC composto da CD4011 e il sensore di temperatura adotta AD590.

Misurazione del tempo

Il periodo del segnale ultrasonico utilizzato nella misurazione del tempo è di 25 μs, ma è necessaria una sorgente di segnale ultrasonico equivalente ad una lunghezza d'onda di circa 9 mm a 20°C. Per garantire la precisione, è necessario un rilevatore di lunghezza d'onda. La sorgente del segnale ultrasonico è composta da un generatore di segnale e un circuito rilevatore di passaggio per lo zero. Il generatore di segnali arbitrari è costituito da una EPROM da 16 Kbyte in grado di memorizzare forme d'onda arbitrarie, un contatore da 16 bit per la scansione della EPROM e un DAC. Il rilevatore di passaggio per lo zero è costituito da un rilevatore del valore di soglia. Il valore di soglia del rilevatore è una parte del valore di picco del segnale ricevuto, in modo che il rilevatore possa confrontare il segnale ricevuto in base al potenziale zero di riferimento. Ciò consente il massimo rilevamento del segnale nell'area del segnale, riducendo così al minimo le interferenze di rumore.

Il segnale di eccitazione memorizzato nella EPROM deve essere progettato per ricevere echi sufficientemente bassi da evitare che il ricevitore di prima soglia interferisca con cicli diversi. Questi segnali speciali vengono elaborati da un programma di ottimizzazione vincolata, che consiste principalmente nel minimizzare l'energia dell'eco in modo da limitare il valore di picco dell'eco ad un valore fisso. Il segnale di pilotaggio X (f) più appropriato che consente di ricevere l'eco più basso Y (f) di ampiezza fissa può essere ottenuto risolvendo la seguente equazione.

Il risultato ottimale dipende principalmente dall'ampiezza dell'eco selezionato. Minore è l'eco, minore è l'ampiezza e minore è la possibilità di interferenza da parte dell'ampiezza del rumore correlato. Il miglior segnale da utilizzare in qualsiasi condizione dipende dalla quantità effettiva di rumore. Il sensore a ultrasuoni dispone anche di un semplice sistema di misurazione del rumore. Il sistema può stimare il rumore effettivo monitorando il segnale di ingresso durante la fase priva di eco. L'uscita di questo sistema di misurazione del rumore può essere convertita in condizioni di rumore basso, medio e alto.

Inoltre, l'ampiezza del trasduttore ultrasonico a corto raggio dipende principalmente dalla riflettività e dalla distanza del terreno. Questi effetti possono essere minimizzati da un amplificatore di controllo automatico del guadagno nel circuito di ricezione. Pertanto, l'ampiezza dell'eco può essere mantenuta ad un valore fisso. Questo utilizza la soglia fissa nel primo rilevatore. L'uscita del rilevatore di passaggio per lo zero può essere utilizzata per pilotare un buffer (l'uscita del contatore può essere bloccata entro il tempo in cui arriva l'eco). Se non viene rilevata una nuova eco, l'uscita del buffer non viene aggiornata. In questo modo si evitano misurazioni prive di significato. Il valore tamponato si basa sul tempo di propagazione e su un valore fisso noto Na (questo valore è determinato dalla sua memorizzazione nella EPROM e dal livello di soglia del primo rilevatore). Il clock di sistema è 8 MHz, quindi il periodo è 125 ns. Quando una distanza supera 1 m, il tempo massimo di misurazione è di circa 8 ms. Un oscillatore multiarmonico a 50 Hz fornisce una lettura del contatore ogni 20 ms.

Sensore di temperatura e compensazione automatica degli errori

La temperatura dell'aria viene rilevata da un sensore termico ed elaborata dal circuito. È installato nella sonda, l'errore non supera 1 ℃. La compensazione automatica dell'errore può essere derivata dal semplice circuito analogico mostrato in Figura 2. V è proporzionale alla distanza misurata.

Idee per la progettazione del software
Poiché il sensore di trasmissione a ultrasuoni è molto vicino al sensore di ricezione a ultrasuoni, durante la trasmissione di onde ultrasoniche, il sensore a ultrasuoni ricevente riceverà un forte segnale di interferenza. Per impedire il rilevamento errato del sistema, nel software viene adottata la tecnologia di ricezione ritardata per migliorare la capacità anti-interferenza del sistema. Quando si preme il pulsante di avvio, viene inviato il comando di trasmissione delle onde ultrasoniche e il sistema di controllo inizia ad eseguire il programma per completare la raccolta della temperatura; viene misurato l'intervallo di tempo tra l'invio e la ricezione delle onde ultrasoniche; infine la distanza misurata viene calcolata dal programma di elaborazione numerica ed inviata al display per la visualizzazione. Il software di sistema adotta un design modulare, composto da moduli principali come programma principale, sottoprogramma di misurazione della distanza, sottoprogramma di misurazione della temperatura e sottoprogramma di visualizzazione. Lo schema a blocchi del programma principale è mostrato in .

Risultati del test
Questo sistema viene utilizzato per la misurazione della distanza senza contatto con il trasduttore a ultrasuoni. Quando due oggetti erano distanti 0,1 m ~ 0,3 m e la temperatura ambiente cambiava da 0 ℃ ~ 40 ℃, è stato eseguito il test vero e proprio. Poiché il sistema ha aggiunto un sistema di correzione della temperatura e una tecnologia di compensazione software, la precisione di misurazione del sistema è stata notevolmente migliorata. Il test vero e proprio dimostra che la precisione di misurazione del sistema può raggiungere ± 0,01 m dopo la correzione.