智能化超声测距探头的研究与开发

    本文结合一个智能化超声测距探头的研究与开发,阐述其中的设计思想与设计方法,介绍该系统的误差分析方法及干扰抑制等技术措施.

    1　基本要求

    本系统用于测试图1所示的容器中的液面高度,液面高度随着液体的流入和流出而变化,液面高度的变化速度小于10 mm/s.要求连续测量容器中液面的变化情况,并将测量数据实时送往监测中心处理.系统的基本技术要求如下:

    (1)探头与监测中心的最大距离为1 000mm,按1 200 bps的速率传送数据.

    (2)为方便用电池长时间供电,要求探头总耗电不得大于50 mA.

    (3)液面高度的变化范围为0.3～0.5m,要求测量精度为:±10 mm.

    2　设计思想[1]

    根据本课题的要求,拟采用超声测距的原理进行设计.具体地说,就是在容器的上方架设超声换能器,就近用电路处理数据,然后将处理过的数据传送给监测中心,如图2所示.

    声音在空气中的传播速度依据下式计算:

V= 331.5 + 0.607t(m/s)

    其中,t为摄氏温度.在图2所示的超声换能器边上,还加装了一个温度传感器,用来进行温度补偿.探头电路的逻辑框图如图3所示.图中的PIC16C73为CPU,其RC1输出信号为超声发射的调制信号, RC2设置PIC16C73内捕捉器1的外触发信号,PIC16C73的A口设置为模拟信号端口,RA0和RA1设置为PIC16C73内的A/D变换输入端,RA3设置为参考信号输出端.图中的温度采集放大及电平调整电路如图4所示,其输出电平为

    3　误差分析[2]

    选择R2=2R1后,考虑运放的电压输出范围,适当选择Vref,可使A/D采样的量化误差折算到温度值为$t≤0.65℃(PIC16C73中的A/D采样为8位).图3中将RA1与RA3联接,是为了对RA3输出的Vref进行采样,进一步校准Vref.由此可见,温度测量的最大误差为0.65℃.

    假设从发射超声波到RC2上收到回波信号的时间中扣除固定延时后的时间为T(T就是测得的超声波从发射探头到液面,再返回到接收探头的真实时间),则T的误差$T由两项构成:

—

    其中　ΔT1波形恢复电路的误差

　  ΔT2—PIC1673中的捕捉器误差

    当采用35 kHz的超声波时:

     当PIC16C73的振荡频率为16 MHz时:

    由声速测距原理,有:

    按极限情况选取,取t=80℃,5 m距离时,T≤0.032 s,则:

    由以上分析可知,系统设计满足误差要求.

    4　器材选择

    电路中的运放、比较强、MODEM芯片、振荡器等,均要在符合电路功能的前提下,力求满足低功耗的要求.本探头中所选择的微处理芯片为MICROCHIP公司生产的PIC16C73,作为CPU,它具有以下几方面的优点: