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超音波測距トランスデューサは主に非接触測定の分野で使用されます。現在のところ、距離測定用の特殊な超音波システムは、コストが高いため、一部の中小規模の用途で広く使用することが困難です。自動車の知能化に伴い、より高精度で低コストで距離を計測できる新たな超音波センサーの開発が必要となっている。しかし、従来の超音波センサーは高精度が要求されるため、構造が複雑であり、環境に応じて自動的に調整することができず、コストが高く、適応性が低いという問題があった。本稿では、シングルチップマイコン「at89c2051」を核とした、低コスト・高精度デジタル表示超音波距離計トランスデューサの開発について紹介します。この超音波センサーは周囲温度を測定し、自動的に調整できるため、既存の類似製品に比べてコストパフォーマンスが優れています。この超音波センサーは、0℃～40℃の温度範囲、0.1m～0.3mの範囲で1mmの精度で使用できるため、セルフサービス駐車場、スマートサスペンション、ヘッドライト調整などの特別な用途に使用できます。
超音波距離測定トランスデューサのハードウェア設計
ステンレス鋼製超音波トランスデューサの動作原理を図 1 に示します。このシステムは、AT89C2051 シングルチップマイクロコンピュータ、超音波送信、受信アンプ回路、周囲温度取得回路、表示回路で構成されています。 AT89C205l MCU はシステム全体の中核となるコンポーネントであり、各コンポーネントの動作を調整します。ワンチップマイコンで制御された発振源から40kHzの周波数信号を発生し、超音波センサーを駆動します。各送信には 10 個のパルスが含まれます。最初の超音波パルスが送信された後、カウンターはカウントを開始します。最初のエコーパルスが検出された瞬間にカウンタはカウントを停止し、送信から受信までの時間△ t が得られます。また、温度取得回路は、距離を計算するときに超音波の伝播速度を補正するために、収集した周囲温度データをシングルチップ マイクロコンピュータに送信します。最後に、シングルチップ コンピューターが式を使用して測定距離を計算し、ディスプレイに表示されます。シングルチップマイクロコンピュータのシリアルポート RXD と TXD はそれぞれ表示回路の RXD と TXD に接続され、シリアルスタティック表示回路を形成します。タイマー/カウンター T0 は V/F コンバーターの出力に接続され、周波数取得機能を実現します。 P1. 7 ソフトウェアを介して CMOS マルチバイブレータの制御端に接続され、P1.7 ポートの出力をハイレベルまたはローレベルにし、超音波の送信を制御します。 P1.6はスイッチングダイオードIN4l48によって制御され、コンパレータLM324端子の基準電圧生成回路が接続されており、超音波を送信するときにP1.6を「1」に設定すると、出力レベルがコンパレータの反転を抑制でき、送信機から発せられた超音波が受信機に直接放射され、誤検出を引き起こすことを効果的に抑制できます。送信終了後、P1.6 は「0」に設定されます。このとき、P1.2 ポートの入力状態に従ってコンパレータの出力に接続された P1.2 121 をスキャンしてエコーが受信されたかどうかを判断します。超音波放射および駆動回路はCD4011で構成されたRC発振器によって生成され、温度センサーはAD590を採用しています。
時間測定
時間計測に使用する超音波信号の周期は25μsですが、20℃で波長約9mmに相当する超音波信号源が必要です。精度を確保するには、波長検出器が必要です。超音波信号源は信号発生器とゼロクロス検出回路で構成されます。任意信号発生器は、任意波形を保存できる 16K バイトの EPROM、EPROM をスキャンするための 16 ビット カウンタ、および DAC で構成されます。ゼロクロス検出器は、しきい値検出器で構成されます。検出器の閾値は受信信号のピーク値の一部であるため、検出器は基準ゼロ電位に従って受信信号を比較できます。これにより、信号領域の信号を最大限に検出できるようになり、ノイズの干渉を最小限に抑えることができます。
最適な結果は主に、選択したエコーの振幅によって決まります。エコーが低いほど振幅が低くなり、関連するノイズ振幅による干渉の可能性が低くなります。どのような条件下でも使用するのに最適な信号は、実際のノイズの量によって異なります。超音波センサーには簡易ノイズ測定システムも搭載されています。システムは、エコーのない段階で入力信号を監視することにより、実際のノイズを推定できます。この騒音測定システムの出力は、低、中、高の騒音条件下で変換できます。
温度センサーと自動誤差補正
気温は温度センサーで検出され、回路で処理されます。プローブに取り付けられており、誤差は1℃を超えません。誤差の自動補償は、図 2 に示す単純なアナログ回路から得ることができます。V は測定された距離に比例します。
ソフトウェア設計のアイデア
超音波送信センサーは超音波受信センサーに非常に近いため、超音波を送信すると、受信超音波センサーは強い干渉信号を受信します。システムの誤検出を防ぐため、ソフトウェアに遅延受信技術を採用し、システムの耐干渉能力を向上させています。スタートボタンが押されると、超音波を送信するコマンドが送信され、制御システムがプログラムの実行を開始して温度収集を完了します。超音波の送受信の時間間隔を測定します。最後に、測定された距離は数値処理プログラムによって計算され、表示のためにディスプレイに送信されます。システムソフトウェアはモジュール設計を採用しており、メインプログラム、距離測定サブプログラム、温度測定サブプログラム、表示サブプログラムなどの主要モジュールで構成されています。メインプログラムのブロック図を に示します。
