基于AD590在超声波测距仪的温度补偿电路设计

王群

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

基于AD590在超声波测距仪的温度补偿电路设计

王群

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

论文以单片机AT89S51作为主控制器超声波测距仪的基本原理。分析测量的误差原因，找出其主要误差原因—温度，设计了基于温度传感器AD590检测环境温度的电路，对超声波的传播速度进行温度补偿，设计了温度采集与补偿的思路，提高了测量的精度。通过实验证明温度补偿电路设计，误差大大减小，误差一般在毫米级，最多也控制在厘米级，测量精度得以大大提高，完全满足测量要求。

超声波；测量误差；AD590；温度补偿

0 引言

目前用于测距的仪器主要有：微波雷达测距、激光测距及超声波测距三种。微波雷达测距和激光测距致命的缺陷是技术难度大，成本高，所以应用受到一定的限制而超声波测距则相对技术难度小，成本低，应用的范围较广，不仅适于工业，还可推广到民用。超声波传播过程中能量消耗慢，指向强，传播远，所以尤其适合远距离的测量。而且超声波检测较快、方便、简单、可实时控制，尤其在空气测距的应用中，传送速度慢，信息易检测，分辨率高，所以精度也较高，因此超声波测距的应用越来越广泛。影响超声波测距的仪器的测量精度主要有：因为超声波测距是非接触式的检测，相对电磁的或光学等方法而言，受光线、测量物颜色等的影响较小。所以即使被测物在光线黑暗、烟雾浓、电磁强、灰尘多等环境恶劣的情况下精度可以保证。超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间法三种方式。其中，渡越时间法因其原理简单，实现方便，而被广泛采用。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

1 超声波测量距离的误差原因

超声波测量距离基本原理：通过测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。基于这个基本原理可知引起测量距离的误差原因主要有：

（1）工作频率的影响。超声波传送中能量的损耗与频率的平方成正比。频率太高，超声波传送距离受到一定限制，但是频率越高，传感器尺寸要求就越小，易于制造；而且频率越高，波长越短，对被测物的分辨率越高。综合以上各个因素，系统工作频率取40kHz。

（2）指向角的影响。指向角是影响测量分辨率的一个重要因素，它与工作波长，传感器半径的关系为：（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，但要求传感器半径r越大，制造越难，为降低成本，又考虑分辨率的情况下选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm，故θ=2× arcsin（1.615λ/720°×r）=75°［3］。

（3）温度的影响。超音波的测量距离s=Vt/2，其中t由系统单片机计时，精度很高，但超音波在空气传播的速度V会受到温度、湿度、粉尘、气流等很多因素的影响，通过实验比较分析发现：温度对超音波的传播速度影响最严重，从表1的声音与温度的关系可以发现超音波在空气传播的速度与温度的关系为：C=331.5+0.607Tm/s，其中T就是空气温度，考虑环境温度一般-40℃～40℃，代入公式可得速度为307.17～345.85，当空气温度从-40℃变到40℃，速度变大38.68m/s，相对基本速度331.4m/s，变化率达到11.67%，可见温度引起的测量误差十分大，不可忽视，必须采取措施来改善，正因为如此本文设计了基于AD590在超声波测距仪的温度补偿电路，改善了温度引起的测量误差，保证了测量仪的测量精度。

表1　声音与温度的关系Tab.1 Relationship between sound and temperature

2 AD590的特性及应用

本设计中采用美国生产的AD590的感温器，利用了它输出电流与绝对温度成比例的特性，而且精度很高（仅为±0.3℃），它的高阻抗特性保证了它受负载的影响很小，同时AD590可以通过CMOS多路切换实现多路复用。AD590适用温度范围广（-55℃～150℃），工作电压范围也广（4～30 V），它是一个低成本单片集成两端感温恒流源，应用中不要再附加线性处理电路，放大电路等其它支持电路，总之基于AD590线性好，精度高，价格低等突出特性我们选择了它。

AD590的引脚及使用方法：AD590有3个的引脚，一般只用两个（+-两引脚）第三个引脚一般接外壳起到屏蔽作用来。在下面AD590的使用连接图中，AD590的输出电压值与温度的关系分析：由于AD590输出电流随环境温度每增加1每增加1℃，它会增加1μA就增加1μA（以绝对温度零度-273℃为基准），所以当环境温度为0℃时，其输出电流是273μA。如图所示AD590下面接一个标准的10K电阻，那么输出电压Vo就为2.73V。如果环境温度为T摄氏度，则电流I为（273+T）μA，输出电压V为（273+ T）μA×10K=（2.73+T/100）V。

图1　AD590使用连接Fig.1 AD590 using the connection

3 温度补偿电路的设计

基于此我们设计的温度补偿电路如图2所示：电路基本设计思路：为了保证I的线性度好，在检测电压时不能分流，因此使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V，即AD590的输出电压。考虑到电路中发布电抗对电源的影响，电源会带有杂波，从而影响AD590的输出电压，因此使用齐纳稳压二极管取得一个相对稳定的电压，通过可变电阻分压取出一个稳定的参考电压2.73V。

图2　温度补偿电路Fig.2 Temperature compensation circuit

我们把来自AD590的输出电压与稳定的参考电压2.73V分别通过差动放大器的+-端输入，差动放大器输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，假设环境温度为摄氏20℃，输出电压就为2V，就得到一个随温度变化而线性变化的电压。输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。

系统温度采集流程为：初始化→数据操作→读温度→输出，基本流程如下温度采集子程序见图3。在计算距离时进行了温度的补偿设计，基本流程如下温度补偿距离计算子程序见图4。

图3　温度采集子程序Fig.3 Temperature acquisition subprogram

图4　温度补偿距离计算子程序Fig.4 Temperature compensated distance calculation subroutine

4 实验结果

如果系统没有采用温度补偿措施，测量的结果误差很大，如果采用了本设计的温度补偿电路，则测量的结果误差大大的减少，完全达到实际测量的精度要求。

5 结束语

利用超声波传感器实现无接触式空气测距，如果不考虑环境温度对超声波传递速度的影响，测试的结果误差非常大，误差最大10%，误差一般在厘米级，有时达到分米级，几乎不能满足测量要求；如果采用了基于AD590在超声波测距仪的温度补偿电路设计，误差大大减小，误差最大2.5%，误差一般在毫米级，最多也控制在厘米级，测量精度得以大大提高，，基本上可以满足测量要求。本系统常温下测量精度较高、反应速度快、同时有强的抗干扰能力。还可推广应用于各种水文液位测量、障碍物的识别以及车辆自动导航等领域，因此具有广阔的应用前景。

表2　采用温度补偿措施前后测量结果与误差比较Tab.2 Compared with the error table 2 before and after temperature compensation of measurement results

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图1　测试模板生成流程

通过以上各步骤完成通用测试模板的配置。

4 应用实例

该通用测试接口的具体应用流程如下：①测试配置：由SCD文件导入设备的测试模型，设置测试参数，包括保护装置IP地址、定值信息、各测试点参数等；②生成测试模板：根据选择的测试目标选取并组合测试模块，从而形成测试模板。图2为生成的测试模板源代码截图；③测试流程：根据测试模板进行自动测试。试验中只需要进行一次鼠标点击就可按照配置自动完成软压板控制、定值读取、测试流程、报告生成等工作，极大的提高了测试效率；④生成测试报告：全部测试完成后，统一形成全站测试报告。

5 结论

随着智能变电站的发展，探索新的数字化继电保护装置自动测试技术，可有效提高数字化继电保护装置检验的工作效率和质量。为了适应综合测试系统自动化测试的要求，本文建立了一种基于XML语言的数字化继电保护装置通用测试接口，分析了通用测试接口的具体组成内容，并给出了测试模板的生成方法。目前，该基于XML语言的继电保护通用测试接口已在实际的继电保护测试仪中得到应用，测试结果良好，在降低人工成本、提高检验效率以及规范化管理方面有着积极的作用。

图2　测试模板源代码截图

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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-），湖南邵阳人，男，硕士，讲师。研究方向：电子产品研制。已公开发表论文八篇。