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高精度低成本车用超声波传感器的研制

引言

超声波测距主要应用于非接触测量领域。目前测距专用超声波系统由于成

本高等的原因,在一些中小规模的应用领域中难以广泛应用。随着汽车智能化的

发展,需要研制出能够以更高的精度测距的新式传感器,且成本低廉。但是以往

的超声波传感器由于高精度的要求,结构复杂,且不能够根据不同的环境自动调

节,成本高,适应性差。本文介绍一种以AT89C2051单片机为核心的低成本、高

精度的数字显示超声波测距仪的研制。由于这种超声波传感器可以测试周围环

境温度并可自我调节,性价比要好于现有的一些同类产品。这种传感器能够在

0℃~40℃的温度范围内,测距范围为0.1m~0.3m,精度为1mm,因此能够应用于一

些特殊的场合,如自助式停车,智能悬架和车前灯调节等。

测距系统的硬件设计

超声波测距系统工作原理如图1。本系统由AT89C2051单片机、超声波发

射、接收放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成。AT89C205l单片机是

整个系统的核心部件,协调各部件的工作。单片机控制的振荡源产生40kHz的

频率信号来驱动超声波传感器,每次发射包含l0个脉冲,当第一个超声波脉冲

发射后,计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数,这

样就能够得到从发射到接收的时间△t;温度采集电路也将现场环境温度数据采

集送到单片机中,提供计算距离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用公

式计算出被测距离,由显示器显示出来。单片机的串行口RXD、TXD分别与显示

电路的RXD和TXD相连,构成串行静态显示电路;定时／记数器T0,与V/F转换

器的输出端相连,实现频率采集功能;P1.7与CMOS多谐振荡器的控制端相连,

通过软件使P1.7口输出高或低电平,从而控制超声波的发射;P1.6通过一个开

关二极管IN4l48与比较器LM324的基准电压产生电路控制端连接,发射超声波

时置P1.6为“1”,输出的电平可以抑制比较器的翻转,从而能有效地抑制发射

器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误的检测;发射结束后,P1.6置为

“0”,此时通过扫描与比较器输出端连接的P1.2121,根据P1.2口的输入状态

判断是否接收到回波。

超声波发射及驱动电路由CD4011组成的RC振荡器产生,温度传感器采用

AD590。

检测法及补偿原理

超声波测距通过下列公式计算：

式中,Tf—超声波传播时间;

Vs—空气中的声速;

k—系数,近似为0.5。

超声波脉冲由一个压电式传感器发出,它的地面反射波由另一个压电式传感

器接收。这两个压电式传感器紧密地并排在一起组成了探测头。由k引起的误

差通过一个校准器的校准后可以忽略不计。Tf和Vs可以认为是不相关的,所

以被测距离的标准误差u(D)可以从下列公式得到：

这里u(Vs)和u(Tf)是声速和传播时间的系统误差。空气中的声速受到温度

θ和湿度h的影响,即：

因此,式（2）变为：

如果湿度在10%RH~90%RH内变化,它对声速的影响在20℃时为0.15%左

右。在0.3m的范围内导致的系统误差仅为0.3mm左右,所以没有必要安装湿度

传感器。