Jak zaprojektować system pomiaru odległości za pomocą czujnika ultradźwiękowego

Przetwornik ultradźwiękowy stosowany jest głównie w pomiarach bezdotykowych. Obecnie specjalny ultradźwiękowy system pomiaru odległości jest trudny do szerokiego zastosowania w niektórych małych i średnich zastosowaniach ze względu na wysoki koszt. Wraz z rozwojem inteligencji samochodowej konieczne jest opracowanie nowych czujników ultradźwiękowych, które mogą mierzyć odległość z większą dokładnością, a koszt jest niski. Jednak ze względu na wymagania dużej precyzji konwencjonalny czujnik ultradźwiękowy ma skomplikowaną konstrukcję i nie można go automatycznie dostosować do różnych środowisk, co wiąże się z wysokimi kosztami i słabą zdolnością adaptacji. W artykule przedstawiono rozwój niedrogiego, precyzyjnego przetwornika ultradźwiękowego z wyświetlaczem cyfrowym, którego rdzeniem jest jednoukładowy mikrokomputer at89c2051. Ponieważ ten czujnik ultradźwiękowy może testować temperaturę otoczenia i sam się dostosowywać, wydajność kosztowa jest lepsza niż w przypadku niektórych istniejących podobnych produktów. Ten czujnik ultradźwiękowy może być używany w zakresie temperatur 0 ℃ ~ 40 ℃, w zakresie od 0,1 m do 0,3 m, z dokładnością do 1 mm, dzięki czemu można go używać w specjalnych sytuacjach, takich jak parkowanie samoobsługowe, inteligentne zawieszenie i regulacja reflektorów itp.

Projekt sprzętowy ultradźwiękowego przetwornika odległości

Zasadę działania przetwornika ultradźwiękowego ze stali nierdzewnej pokazano na rysunku 1. System składa się z jednoukładowego mikrokomputera AT89C2051, transmisji ultradźwiękowej, obwodu wzmacniacza odbiorczego, obwodu pomiaru temperatury otoczenia i obwodu wyświetlacza. MCU AT89C205l jest podstawowym elementem całego systemu, koordynującym pracę każdego elementu. Źródło oscylacji kontrolowane przez jednoukładowy mikrokomputer generuje sygnał o częstotliwości 40 kHz do napędzania czujnika ultradźwiękowego. Każda transmisja zawiera 10 impulsów. Po przesłaniu pierwszego impulsu ultradźwiękowego licznik rozpoczyna zliczanie. W momencie wykrycia pierwszego impulsu echa licznik przestaje liczyć, tak aby można było obliczyć czas △ t od transmisji do odbioru; obwód pomiaru temperatury wysyła również dane dotyczące temperatury otoczenia do jednoukładowego mikrokomputera, aby zapewnić korekcję prędkości propagacji ultradźwięków podczas obliczania odległości. Wreszcie komputer jednoukładowy wykorzystuje wzór do obliczenia odległości pomiarowej, która jest wyświetlana na wyświetlaczu. Porty szeregowe RXD i TXD mikrokomputera jednoukładowego są odpowiednio połączone z portami RXD i TXD obwodu wyświetlacza, tworząc szeregowy statyczny obwód wyświetlacza; timer/licznik T0 jest podłączony do wyjścia przetwornika V/F w celu realizacji funkcji akwizycji częstotliwości; P1. 7 Podłączony do strony sterującej multiwibratora CMOS za pomocą oprogramowania, aby ustawić wysoki lub niski poziom wyjściowy portu P1.7, kontrolując w ten sposób transmisję fal ultradźwiękowych; P1.6 jest sterowany przez diodę przełączającą IN4l48 i podłączony jest obwód generowania napięcia odniesienia komparatora LM324. Zacisk jest podłączony. Ustaw P1.6 na „1” podczas przesyłania fal ultradźwiękowych, poziom wyjściowy może stłumić przerzucanie komparatora, co może skutecznie tłumić fale ultradźwiękowe emitowane przez nadajnik, aby bezpośrednio promieniowały do ​​odbiornika i powodowały błędne wykrywanie; po zakończeniu transmisji, P1.6 jest ustawiany na „0”, w tym momencie poprzez skanowanie P1.2 121 podłączonego do wyjścia komparatora, zgodnie ze stanem wejściowym portu P1.2 w celu ustalenia, czy echo zostało odebrane. Emisja ultradźwiękowa i obwód napędowy są wytwarzane przez oscylator RC złożony z CD4011, a czujnik temperatury przyjmuje AD590.

Pomiar czasu

Okres sygnału ultradźwiękowego stosowany w pomiarze czasu wynosi 25 μs, ale wymagane jest źródło sygnału ultradźwiękowego odpowiadające długości fali około 9 mm w temperaturze 20°C. Aby zapewnić dokładność, wymagany jest detektor długości fali. Źródło sygnału ultradźwiękowego składa się z generatora sygnału i obwodu detektora przejścia przez zero. Generator sygnałów arbitralnych składa się z 16 KB pamięci EPROM, w której można przechowywać dowolne przebiegi, 16-bitowego licznika do skanowania pamięci EPROM oraz przetwornika cyfrowo-analogowego. Detektor przejścia przez zero składa się z detektora wartości progowej. Wartość progowa detektora jest częścią wartości szczytowej odebranego sygnału, dzięki czemu detektor może porównać odebrany sygnał zgodnie z potencjałem zerowym odniesienia. Pozwala to na maksymalne wykrycie sygnału w obszarze sygnału, minimalizując w ten sposób zakłócenia szumowe.

Optymalny wynik zależy głównie od amplitudy wybranego echa. Im niższe echo, tym niższa amplituda i tym mniejsza możliwość zakłóceń przez powiązaną amplitudę hałasu. Najlepszy sygnał do wykorzystania w każdych warunkach zależy od rzeczywistej ilości szumu. Czujnik ultradźwiękowy posiada również prosty układ pomiaru hałasu. System może oszacować rzeczywisty szum poprzez monitorowanie sygnału wejściowego w fazie wolnej od echa. Sygnał wyjściowy tego systemu pomiaru hałasu można konwertować w warunkach niskiego, średniego i wysokiego poziomu hałasu.

Czujnik temperatury i automatyczna kompensacja błędów

Temperatura powietrza jest wykrywana przez czujnik temperatury i przetwarzana przez obwód. Jest zainstalowany w sondzie, błąd nie przekracza 1 ℃. Automatyczną kompensację błędu można uzyskać za pomocą prostego obwodu analogowego pokazanego na rysunku 2. V jest proporcjonalne do zmierzonej odległości.

Pomysły na projekt oprogramowania
Ponieważ ultradźwiękowy czujnik nadawczy znajduje się bardzo blisko ultradźwiękowego czujnika odbiorczego, podczas przesyłania fal ultradźwiękowych odbierający czujnik ultradźwiękowy otrzyma silny sygnał zakłócający. Aby zapobiec błędnemu wykryciu systemu, w oprogramowaniu zastosowano technologię odbioru opóźnienia, aby poprawić zdolność systemu do zwalczania zakłóceń. Po naciśnięciu przycisku start zostaje wysłana komenda transmisji fal ultradźwiękowych, a układ sterowania rozpoczyna realizację programu mającego na celu dokończenie pomiaru temperatury; mierzony jest odstęp czasowy wysyłania i odbierania fal ultradźwiękowych; na koniec zmierzona odległość jest obliczana przez program do przetwarzania numerycznego i wysyłana do wyświetlacza w celu wyświetlenia. Oprogramowanie systemu ma budowę modułową i składa się z głównych modułów, takich jak program główny, podprogram pomiaru odległości, podprogram pomiaru temperatury i podprogram wyświetlania. Główny schemat blokowy programu pokazano w .