基于AD590在超聲波測距儀的溫度補償電路設計

王群

（湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412001）

基于AD590在超聲波測距儀的溫度補償電路設計

王群

（湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412001）

論文以單片機AT89S51作為主控制器超聲波測距儀的基本原理。分析測量的誤差原因，找出其主要誤差原因—溫度，設計了基于溫度傳感器AD590檢測環境溫度的電路，對超聲波的傳播速度進行溫度補償，設計了溫度采集與補償的思路，提高了測量的精度。通過實驗證明溫度補償電路設計，誤差大大減小，誤差一般在毫米級，最多也控制在厘米級，測量精度得以大大提高，完全滿足測量要求。

超聲波；測量誤差；AD590；溫度補償

0 引言

目前用于測距的儀器主要有：微波雷達測距、激光測距及超聲波測距三種。微波雷達測距和激光測距致命的缺陷是技術難度大，成本高，所以應用受到一定的限制而超聲波測距則相對技術難度小，成本低，應用的范圍較廣，不僅適于工業，還可推廣到民用。超聲波傳播過程中能量消耗慢，指向強，傳播遠，所以尤其適合遠距離的測量。而且超聲波檢測較快、方便、簡單、可實時控制，尤其在空氣測距的應用中，傳送速度慢，信息易檢測，分辨率高，所以精度也較高，因此超聲波測距的應用越來越廣泛。影響超聲波測距的儀器的測量精度主要有：因為超聲波測距是非接觸式的檢測，相對電磁的或光學等方法而言，受光線、測量物顏色等的影響較小。所以即使被測物在光線黑暗、煙霧濃、電磁強、灰塵多等環境惡劣的情況下精度可以保證。超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法、渡越時間法三種方式。其中，渡越時間法因其原理簡單，實現方便，而被廣泛采用。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（timeofflight）。

1 超聲波測量距離的誤差原因

超聲波測量距離基本原理：通過測出超聲波從發射到遇到障礙物返回所經歷的時間，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。基于這個基本原理可知引起測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，波長越短，對被測物的分辨率越高。綜合以上各個因素，系統工作頻率取40kHz。

（2）指向角的影響。指向角是影響測量分辨率的一個重要因素，它與工作波長，傳感器半徑的關系為：（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產現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。超音波的測量距離s=Vt/2，其中t由系統單片機計時，精度很高，但超音波在空氣傳播的速度V會受到溫度、濕度、粉塵、氣流等很多因素的影響，通過實驗比較分析發現：溫度對超音波的傳播速度影響最嚴重，從表1的聲音與溫度的關系可以發現超音波在空氣傳播的速度與溫度的關系為：C=331.5+0.607Tm/s，其中T就是空氣溫度，考慮環境溫度一般-40℃～40℃，代入公式可得速度為307.17～345.85，當空氣溫度從-40℃變到40℃，速度變大38.68m/s，相對基本速度331.4m/s，變化率達到11.67%，可見溫度引起的測量誤差十分大，不可忽視，必須采取措施來改善，正因為如此本文設計了基于AD590在超聲波測距儀的溫度補償電路，改善了溫度引起的測量誤差，保證了測量儀的測量精度。

表1　聲音與溫度的關系Tab.1 Relationship between sound and temperature

2 AD590的特性及應用

本設計中采用美國生產的AD590的感溫器，利用了它輸出電流與絕對溫度成比例的特性，而且精度很高（僅為±0.3℃），它的高阻抗特性保證了它受負載的影響很小，同時AD590可以通過CMOS多路切換實現多路復用。AD590適用溫度范圍廣（-55℃～150℃），工作電壓范圍也廣（4～30 V），它是一個低成本單片集成兩端感溫恒流源，應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個的引腳，一般只用兩個（+-兩引腳）第三個引腳一般接外殼起到屏蔽作用來。在下面AD590的使用連接圖中，AD590的輸出電壓值與溫度的關系分析：由于AD590輸出電流隨環境溫度每增加1每增加1℃，它會增加1μA就增加1μA（以絕對溫度零度-273℃為基準），所以當環境溫度為0℃時，其輸出電流是273μA。如圖所示AD590下面接一個標準的10K電阻，那么輸出電壓Vo就為2.73V。如果環境溫度為T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 溫度補償電路的設計

基于此我們設計的溫度補償電路如圖2所示：電路基本設計思路：為了保證I的線性度好，在檢測電壓時不能分流，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。考慮到電路中發布電抗對電源的影響，電源會帶有雜波，從而影響AD590的輸出電壓，因此使用齊納穩壓二極管取得一個相對穩定的電壓，通過可變電阻分壓取出一個穩定的參考電壓2.73V。

圖2　溫度補償電路Fig.2 Temperature compensation circuit

我們把來自AD590的輸出電壓與穩定的參考電壓2.73V分別通過差動放大器的+-端輸入，差動放大器輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，假設環境溫度為攝氏20℃，輸出電壓就為2V，就得到一個隨溫度變化而線性變化的電壓。輸出電壓接AD轉換器，那么AD轉換輸出的數字量就和攝氏溫度成線形比例關系。

系統溫度采集流程為：初始化→數據操作→讀溫度→輸出，基本流程如下溫度采集子程序見圖3。在計算距離時進行了溫度的補償設計，基本流程如下溫度補償距離計算子程序見圖4。

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

圖4　溫度補償距離計算子程序Fig.4 Temperature compensated distance calculation subroutine

4 實驗結果

如果系統沒有采用溫度補償措施，測量的結果誤差很大，如果采用了本設計的溫度補償電路，則測量的結果誤差大大的減少，完全達到實際測量的精度要求。

5 結束語

利用超聲波傳感器實現無接觸式空氣測距，如果不考慮環境溫度對超聲波傳遞速度的影響，測試的結果誤差非常大，誤差最大10%，誤差一般在厘米級，有時達到分米級，幾乎不能滿足測量要求；如果采用了基于AD590在超聲波測距儀的溫度補償電路設計，誤差大大減小，誤差最大2.5%，誤差一般在毫米級，最多也控制在厘米級，測量精度得以大大提高，，基本上可以滿足測量要求。本系統常溫下測量精度較高、反應速度快、同時有強的抗干擾能力。還可推廣應用于各種水文液位測量、障礙物的識別以及車輛自動導航等領域，因此具有廣闊的應用前景。

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

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圖1　測試模板生成流程

通過以上各步驟完成通用測試模板的配置。

4 應用實例

該通用測試接口的具體應用流程如下：①測試配置：由SCD文件導入設備的測試模型，設置測試參數，包括保護裝置IP地址、定值信息、各測試點參數等；②生成測試模板：根據選擇的測試目標選取并組合測試模塊，從而形成測試模板。圖2為生成的測試模板源代碼截圖；③測試流程：根據測試模板進行自動測試。試驗中只需要進行一次鼠標點擊就可按照配置自動完成軟壓板控制、定值讀取、測試流程、報告生成等工作，極大的提高了測試效率；④生成測試報告：全部測試完成后，統一形成全站測試報告。

5 結論

隨著智能變電站的發展，探索新的數字化繼電保護裝置自動測試技術，可有效提高數字化繼電保護裝置檢驗的工作效率和質量。為了適應綜合測試系統自動化測試的要求，本文建立了一種基于XML語言的數字化繼電保護裝置通用測試接口，分析了通用測試接口的具體組成內容，并給出了測試模板的生成方法。目前，該基于XML語言的繼電保護通用測試接口已在實際的繼電保護測試儀中得到應用，測試結果良好，在降低人工成本、提高檢驗效率以及規范化管理方面有著積極的作用。

圖2　測試模板源代碼截圖

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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-），湖南邵陽人，男，碩士，講師。研究方向：電子產品研制。已公開發表論文八篇。