王群

（湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

基于AD590在超聲波測(cè)距儀的溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

王群

（湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

論文以單片機(jī)AT89S51作為主控制器超聲波測(cè)距儀的基本原理。分析測(cè)量的誤差原因，找出其主要誤差原因—溫度，設(shè)計(jì)了基于溫度傳感器AD590檢測(cè)環(huán)境溫度的電路，對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了溫度采集與補(bǔ)償?shù)乃悸罚岣吡藴y(cè)量的精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，誤差大大減小，誤差一般在毫米級(jí)，最多也控制在厘米級(jí)，測(cè)量精度得以大大提高，完全滿(mǎn)足測(cè)量要求。

超聲波；測(cè)量誤差；AD590；溫度補(bǔ)償

0 引言

目前用于測(cè)距的儀器主要有：微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距三種。微波雷達(dá)測(cè)距和激光測(cè)距致命的缺陷是技術(shù)難度大，成本高，所以應(yīng)用受到一定的限制而超聲波測(cè)距則相對(duì)技術(shù)難度小，成本低，應(yīng)用的范圍較廣，不僅適于工業(yè)，還可推廣到民用。超聲波傳播過(guò)程中能量消耗慢，指向強(qiáng)，傳播遠(yuǎn)，所以尤其適合遠(yuǎn)距離的測(cè)量。而且超聲波檢測(cè)較快、方便、簡(jiǎn)單、可實(shí)時(shí)控制，尤其在空氣測(cè)距的應(yīng)用中，傳送速度慢，信息易檢測(cè)，分辨率高，所以精度也較高，因此超聲波測(cè)距的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。影響超聲波測(cè)距的儀器的測(cè)量精度主要有：因?yàn)槌暡y(cè)距是非接觸式的檢測(cè)，相對(duì)電磁的或光學(xué)等方法而言，受光線、測(cè)量物顏色等的影響較小。所以即使被測(cè)物在光線黑暗、煙霧濃、電磁強(qiáng)、灰塵多等環(huán)境惡劣的情況下精度可以保證。超聲波測(cè)距方法主要有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法、渡越時(shí)間法三種方式。其中，渡越時(shí)間法因其原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，而被廣泛采用。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（timeofflight）。

1 超聲波測(cè)量距離的誤差原因

超聲波測(cè)量距離基本原理：通過(guò)測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離?；谶@個(gè)基本原理可知引起測(cè)量距離的誤差原因主要有：

（1）工作頻率的影響。超聲波傳送中能量的損耗與頻率的平方成正比。頻率太高，超聲波傳送距離受到一定限制，但是頻率越高，傳感器尺寸要求就越小，易于制造；而且頻率越高，波長(zhǎng)越短，對(duì)被測(cè)物的分辨率越高。綜合以上各個(gè)因素，系統(tǒng)工作頻率取40kHz。

（2）指向角的影響。指向角是影響測(cè)量分辨率的一個(gè)重要因素，它與工作波長(zhǎng)，傳感器半徑的關(guān)系為：（720°/λ）×r×sin（θ/2）=1.615。如果取f0=40kHz，λ=C/f0=8.5mm。指向角θ越小，分辨率越高，但要求傳感器半徑r越大，制造越難，為降低成本，又考慮分辨率的情況下選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=6.3mm，故θ=2× arcsin（1.615λ/720°×r）=75°［3］。

（3）溫度的影響。超音波的測(cè)量距離s=Vt/2，其中t由系統(tǒng)單片機(jī)計(jì)時(shí)，精度很高，但超音波在空氣傳播的速度V會(huì)受到溫度、濕度、粉塵、氣流等很多因素的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較分析發(fā)現(xiàn)：溫度對(duì)超音波的傳播速度影響最嚴(yán)重，從表1的聲音與溫度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)超音波在空氣傳播的速度與溫度的關(guān)系為：C=331.5+0.607Tm/s，其中T就是空氣溫度，考慮環(huán)境溫度一般-40℃～40℃，代入公式可得速度為307.17～345.85，當(dāng)空氣溫度從-40℃變到40℃，速度變大38.68m/s，相對(duì)基本速度331.4m/s，變化率達(dá)到11.67%，可見(jiàn)溫度引起的測(cè)量誤差十分大，不可忽視，必須采取措施來(lái)改善，正因?yàn)槿绱吮疚脑O(shè)計(jì)了基于AD590在超聲波測(cè)距儀的溫度補(bǔ)償電路，改善了溫度引起的測(cè)量誤差，保證了測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度。

表1　聲音與溫度的關(guān)系Tab.1 Relationship between sound and temperature

2 AD590的特性及應(yīng)用

本設(shè)計(jì)中采用美國(guó)生產(chǎn)的AD590的感溫器，利用了它輸出電流與絕對(duì)溫度成比例的特性，而且精度很高（僅為±0.3℃），它的高阻抗特性保證了它受負(fù)載的影響很小，同時(shí)AD590可以通過(guò)CMOS多路切換實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。AD590適用溫度范圍廣（-55℃～150℃），工作電壓范圍也廣（4～30 V），它是一個(gè)低成本單片集成兩端感溫恒流源，應(yīng)用中不要再附加線性處理電路，放大電路等其它支持電路，總之基于AD590線性好，精度高，價(jià)格低等突出特性我們選擇了它。

AD590的引腳及使用方法：AD590有3個(gè)的引腳，一般只用兩個(gè)（+-兩引腳）第三個(gè)引腳一般接外殼起到屏蔽作用來(lái)。在下面AD590的使用連接圖中，AD590的輸出電壓值與溫度的關(guān)系分析：由于AD590輸出電流隨環(huán)境溫度每增加1每增加1℃，它會(huì)增加1μA就增加1μA（以絕對(duì)溫度零度-273℃為基準(zhǔn)），所以當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時(shí)，其輸出電流是273μA。如圖所示AD590下面接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的10K電阻，那么輸出電壓Vo就為2.73V。如果環(huán)境溫度為T(mén)攝氏度，則電流I為（273+T）μA，輸出電壓V為（273+ T）μA×10K=（2.73+T/100）V。

圖1　AD590使用連接Fig.1 AD590 using the connection

3 溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

基于此我們?cè)O(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路如圖2所示：電路基本設(shè)計(jì)思路：為了保證I的線性度好，在檢測(cè)電壓時(shí)不能分流，因此使用電壓跟隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V，即AD590的輸出電壓。考慮到電路中發(fā)布電抗對(duì)電源的影響，電源會(huì)帶有雜波，從而影響AD590的輸出電壓，因此使用齊納穩(wěn)壓二極管取得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電壓，通過(guò)可變電阻分壓取出一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓2.73V。

圖2　溫度補(bǔ)償電路Fig.2 Temperature compensation circuit

我們把來(lái)自AD590的輸出電壓與穩(wěn)定的參考電壓2.73V分別通過(guò)差動(dòng)放大器的+-端輸入，差動(dòng)放大器輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，假設(shè)環(huán)境溫度為攝氏20℃，輸出電壓就為2V，就得到一個(gè)隨溫度變化而線性變化的電壓。輸出電壓接AD轉(zhuǎn)換器，那么AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關(guān)系。

系統(tǒng)溫度采集流程為：初始化→數(shù)據(jù)操作→讀溫度→輸出，基本流程如下溫度采集子程序見(jiàn)圖3。在計(jì)算距離時(shí)進(jìn)行了溫度的補(bǔ)償設(shè)計(jì)，基本流程如下溫度補(bǔ)償距離計(jì)算子程序見(jiàn)圖4。

圖3　溫度采集子程序Fig.3 Temperature acquisition subprogram

圖4　溫度補(bǔ)償距離計(jì)算子程序Fig.4 Temperature compensated distance calculation subroutine

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如果系統(tǒng)沒(méi)有采用溫度補(bǔ)償措施，測(cè)量的結(jié)果誤差很大，如果采用了本設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路，則測(cè)量的結(jié)果誤差大大的減少，完全達(dá)到實(shí)際測(cè)量的精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式空氣測(cè)距，如果不考慮環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳遞速度的影響，測(cè)試的結(jié)果誤差非常大，誤差最大10%，誤差一般在厘米級(jí)，有時(shí)達(dá)到分米級(jí)，幾乎不能滿(mǎn)足測(cè)量要求；如果采用了基于AD590在超聲波測(cè)距儀的溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，誤差大大減小，誤差最大2.5%，誤差一般在毫米級(jí)，最多也控制在厘米級(jí)，測(cè)量精度得以大大提高，，基本上可以滿(mǎn)足測(cè)量要求。本系統(tǒng)常溫下測(cè)量精度較高、反應(yīng)速度快、同時(shí)有強(qiáng)的抗干擾能力。還可推廣應(yīng)用于各種水文液位測(cè)量、障礙物的識(shí)別以及車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航等領(lǐng)域，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

表2　采用溫度補(bǔ)償措施前后測(cè)量結(jié)果與誤差比較Tab.2 Compared with the error table 2 before and after temperature compensation of measurement results

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圖1　測(cè)試模板生成流程

通過(guò)以上各步驟完成通用測(cè)試模板的配置。

4 應(yīng)用實(shí)例

該通用測(cè)試接口的具體應(yīng)用流程如下：①測(cè)試配置：由SCD文件導(dǎo)入設(shè)備的測(cè)試模型，設(shè)置測(cè)試參數(shù)，包括保護(hù)裝置IP地址、定值信息、各測(cè)試點(diǎn)參數(shù)等；②生成測(cè)試模板：根據(jù)選擇的測(cè)試目標(biāo)選取并組合測(cè)試模塊，從而形成測(cè)試模板。圖2為生成的測(cè)試模板源代碼截圖；③測(cè)試流程：根據(jù)測(cè)試模板進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。試驗(yàn)中只需要進(jìn)行一次鼠標(biāo)點(diǎn)擊就可按照配置自動(dòng)完成軟壓板控制、定值讀取、測(cè)試流程、報(bào)告生成等工作，極大的提高了測(cè)試效率；④生成測(cè)試報(bào)告：全部測(cè)試完成后，統(tǒng)一形成全站測(cè)試報(bào)告。

5 結(jié)論

隨著智能變電站的發(fā)展，探索新的數(shù)字化繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試技術(shù)，可有效提高數(shù)字化繼電保護(hù)裝置檢驗(yàn)的工作效率和質(zhì)量。為了適應(yīng)綜合測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試的要求，本文建立了一種基于XML語(yǔ)言的數(shù)字化繼電保護(hù)裝置通用測(cè)試接口，分析了通用測(cè)試接口的具體組成內(nèi)容，并給出了測(cè)試模板的生成方法。目前，該基于XML語(yǔ)言的繼電保護(hù)通用測(cè)試接口已在實(shí)際的繼電保護(hù)測(cè)試儀中得到應(yīng)用，測(cè)試結(jié)果良好，在降低人工成本、提高檢驗(yàn)效率以及規(guī)范化管理方面有著積極的作用。

圖2　測(cè)試模板源代碼截圖

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AD590 in the Temperature Compensation Circuit for Ultrasonic Range Finder Based Design

WANG Qun
（Hunan Automotive Engineering Career Academy，Zhuzhou Hunan 412001，China）

This paper introduces a AT89S51 single-chip microcomputer as the main controller of the basic principle of the ultrasonic range finder.Measurement error analysis of reasons，to find out the main reasons of error is put forward to design the circuit of temperature，the temperature sensor AD590 detection based on environmental temperature，temperature compensation for the ultrasonic propagation speed，temperature acquisition andcompensation design idea，improves the precision of measurement.It is proved by experiments that the temperature compensation circuit design，error is greatly reduced，errorin the mm level，most also control at the centimeter level，measurement accuracy can begreatly improved，fully meet the requirements of measurement.

ultrasonic；measurement error；AD590；temperature compensation

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.041

1002-6673（2015）02-107-03

2015-02-13

王群（1974-），湖南邵陽(yáng)人，男，碩士，講師。研究方向：電子產(chǎn)品研制。已公開(kāi)發(fā)表論文八篇。