摘要：主要介紹用超聲波傳感器系統(tǒng)與Microchip的PIC l8F8490微控制器解決汽車倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)方案,并對(duì)發(fā)送與接收超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)成與方式及提高檢測(cè)系統(tǒng)性能作分析說明。
關(guān)鍵詞：   盲區(qū)  微控制器   超聲波傳感器  換能器

倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)盲區(qū)內(nèi)障礙物的探測(cè)

    倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)所采用的超聲波傳感器技術(shù)可以探測(cè)到附近的障礙物,為駕駛員提供倒車警告和輔助泊車功能,其原理是利用超聲波探測(cè)倒車路徑上或附近存在的任何障礙物,并及時(shí)發(fā)出警告。所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)提供聲光并茂的聽覺和視覺警告,其警告表示是探測(cè)到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會(huì)減少，并可以游刃有余地采取必要的動(dòng)作。而這種PIC l8F8490微控制器與超聲波傳感器很便宜，并且可以用在眾多車型上。

    那末什么是基于超聲波傳感器的倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)呢？為此應(yīng)先了解超聲波傳感器的有關(guān)技術(shù)問題

超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)成與工作程式(見圖1所示) 
 
    由發(fā)送傳感器(或稱超聲波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱超聲波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成,換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超聲波能量并向空中幅射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成, 換能器接收超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對(duì)發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測(cè).而實(shí)際使用中,用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子.控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制.超聲波傳感器的電源(或稱信號(hào)源)可用DC12V±10%或 24V±10%.

 

    若對(duì)發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓,則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短,于是發(fā)送 40KHz頻率的超聲波,其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制),其超聲波波形見圖1所示,并傳給超聲波接收器.接收器是利用壓電效應(yīng)的原理,即在壓電元件上施加壓力,使壓電元件發(fā)生應(yīng)變,則產(chǎn)生一面為”+”極,另一面為”-“極的40KHz正弦電壓.因該高頻電壓幅值較小,故必須進(jìn)行放大.

    根據(jù)超聲波傳感器等效電路與阻抗特性可知,對(duì)發(fā)送傳感器而言,工作于串聯(lián)諧振,即諧振頻率fr處阻抗Zr最低,故能供給最大功率,能用較大振動(dòng)傳感器;而對(duì)接收傳感器而言,工作于并聯(lián)諧振,即諧振頻率fα處阻抗Zα最高,難供大功率,但阻抗Zα高就能得到較大振幅信號(hào),所以fα 處用作傳感器其靈敏度高. 

    倒車撿測(cè)障礙糸統(tǒng)超聲換能器的工作方式為反射式,,即發(fā)送傳感器換能器發(fā)射40KHz頻率的超聲波,迂到障礙后反射被接收傳感器的換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),見圖2所示.
其傳播介質(zhì)為空氣.

 
 
基于超聲波微控制器技術(shù)的倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

    圖3為汽車倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖,

    設(shè)計(jì)方案包括:IC1主控器-為用Microchip的 PIC l8F8490微控制器作為汽車倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)的主控器;發(fā)送部份(即發(fā)送超聲波傳感器)與接收部份(即接收超聲波傳感器);溫度傳感器(TC1047A)、通信接口RS-232驅(qū)動(dòng)器以及與LCD或LED顯示器等外圍電路組成。

 
用微控制器作為檢測(cè)系統(tǒng)的主控器

    微控制器是倒車檢測(cè)系統(tǒng)的核心。而Microchip的PIC l8F8490微控制器它非常適合于汽車車身控制這類應(yīng)用。因它是一種有片上LCD驅(qū)動(dòng)控制模塊功能的閃存、電源管理的單片機(jī),即運(yùn)行速率為10MIPS-10百萬指令每秒(MIPS),16KB閃存存儲(chǔ)器、768字節(jié)RAM,具有一個(gè)LCD控制器、兩個(gè)PWM、兩個(gè)比較器和四個(gè)定時(shí)器,見圖3中間IC1所示。因此它是倒車檢測(cè)超聲波傳感器應(yīng)用的高集成解決方案的主控部分。該微控制器采用納瓦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源管理功能，可以顯著提高功效和系統(tǒng)可靠性,可滿足包括在休眠模式下驅(qū)動(dòng)LCD顯示在內(nèi)的低功耗設(shè)計(jì)要求。其系列產(chǎn)品可針對(duì)不同的嵌入式控制應(yīng)用提供高達(dá)192段LCD的驅(qū)動(dòng)，備有各種封裝尺寸和集成特性。

發(fā)送器部分的控制

    發(fā)送器是以每秒4-5次比率,在1mS期間發(fā)送40KHz脈沖方波,為了產(chǎn)生發(fā)射脈沖鏈，可以采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)超聲換能器,其驅(qū)動(dòng)器是 Microchip的TCl428 MOSFET驅(qū)動(dòng)器見圖3左側(cè)所示。因?qū)嶋H超聲波傳感器特性的標(biāo)準(zhǔn)頻率均為40KHz,這樣發(fā)送器發(fā)送的40KHz脈沖方波鏈盡管是一個(gè)通用發(fā)送頻率，但并非超聲頻率固定不變,可以根據(jù)盲區(qū)范圍及障礙物遠(yuǎn)近作出選擇, 標(biāo)準(zhǔn)頻率(或稱中心頻率)愈高測(cè)距越短,而分辯率越高,常見超波傳感器標(biāo)準(zhǔn)頻率有30KHz、4KHz、75KHz等.

    當(dāng)發(fā)送器發(fā)送第一個(gè)脈沖的上升沿時(shí)刻定時(shí)器1開始計(jì)數(shù).由于要求脈沖鏈的電壓振幅比系統(tǒng)電壓(+5V)高(這是由換能器所需信號(hào)源決定的)，所以這個(gè)發(fā)送器部分應(yīng)含有一個(gè)升壓電路。這兒采用一種簡(jiǎn)單的有效升高電壓的方式,即使用Microchip的MCPl650升壓 DC/DC控制器，它只需要一個(gè)電容、一個(gè)電感和兩個(gè)電阻就可以輕松選擇需要的輸出電壓。主控器 IC1中PWM1(脈寬調(diào)制器)的作用是調(diào)節(jié)升壓電路的輸出電壓為一恒定值。

接收器部分的控制

    接收器部分包括一個(gè)超聲波接收換能器、放大器、濾波器和一個(gè)比較器見圖3左側(cè)下所示。接收換能器的輸出是一個(gè)低振幅正弦波，其頻率與發(fā)射脈沖鏈頻率相同。為了對(duì)換能器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，可采用Microchip的MCP6293運(yùn)算放大器。這個(gè)運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是，雖然封裝較小，但卻擁有10MHz的帶寬和引腳可選的低功耗模式?？蓪⑤敵鲂盘?hào)傳送LC帶通濾波器電路(又稱振幅探測(cè)電路),該帶通濾波器的中心頻率(標(biāo)準(zhǔn)頻率)與接收器的標(biāo)準(zhǔn)頻率40KHz相同.這個(gè)振幅探測(cè)電路的作用是將接收到的脈沖轉(zhuǎn)換為一個(gè)平滑、完整的波形,其高頻噪聲被過濾掉，這樣一個(gè)被探測(cè)到的信號(hào)就形成了。然后這個(gè)信號(hào)被傳送到比較器與衰減電壓進(jìn)行比較.需要說明的是,該比較器的參考電壓是一個(gè)衰減電壓(由RC阻容電路產(chǎn)生)，這樣該衰減參考就會(huì)隨時(shí)間不斷衰減接收到的信號(hào).直至小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的距離值時(shí),則定時(shí)器1仃止計(jì)數(shù).

超聲波傳感器的選擇與參數(shù)

    可選用國(guó)產(chǎn)TC40-167R系列或MA40S2S(發(fā)送傳感器)、MA40S2R(接收傳感器)超聲波傳感器.其主要參數(shù)為(以TC40-167R為例):標(biāo)準(zhǔn)頻率40±0.1KHz;靈敏度(dB)≥-68;聲壓(dB)≥114;方向角(度)60;靜電容量/pf-2500;工作溫度(℃)- 20℃--+70℃;有效距離≥15M,反射接收有效距離為4M-7M.

關(guān)于對(duì)倒車障礙物的探測(cè)距離計(jì)算顯示

    撿測(cè)系統(tǒng)在探測(cè)到障礙物時(shí)向駕駛員發(fā)出警告,而新型汽車倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境采用多套發(fā)送與接收超聲波傳感器來擴(kuò)大探測(cè)范圍，從而提高對(duì)障礙物的正確度,即將距離最近的障礙物探測(cè)到并作出顯示,故該倒車障礙物撿測(cè)系統(tǒng)的LCD或LED顯示器顯示出的數(shù)字是最近障礙物的距離。
 
超聲波測(cè)量距離的計(jì)算方法
    超聲波是以脈沖串的形式向外發(fā)送的，脈沖頻率即中心頻率(或稱標(biāo)準(zhǔn)頻率)。PIC l8F8490主控器的定時(shí)器1(見圖3的 IC1內(nèi)所示)從發(fā)射第一個(gè)脈沖的上升沿時(shí)刻開始計(jì)數(shù)，直到主控器收到不斷衰減的接收信號(hào)小于設(shè)定值(即當(dāng)距離小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定值)時(shí)定時(shí)器1停止計(jì)數(shù)。因此，所測(cè)量出的時(shí)間間隔 (發(fā)射信號(hào)和接收到的反射信號(hào)之間的時(shí)間差) △t 乘以聲速就等于被測(cè)距離L的兩倍(2△L)。若超聲波在溫度T時(shí)的傳播速度為V，則微控制器就可以計(jì)算出汽車和障礙物之間的距離,其計(jì)算被測(cè)距離的公式為：

 
    為此，只要當(dāng)距離小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定值時(shí)，非但有顯示而且就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

有關(guān)提高倒車檢測(cè)系統(tǒng)性能與精度的解決

換能器選擇與安裝

    根據(jù)所需要的精度、距離和系統(tǒng)成本，有幾種不同的實(shí)施方案可供選擇。換能器的頻率和功率越大，精度就越高。換能器頻率越高，其體積越小，也就使得系統(tǒng)可以更簡(jiǎn)便地安裝到汽車上。頻率低的換能器也有好處，其探測(cè)范圍更大，更容易探測(cè)到換能器周圍的物體。一種可降低干擾的廉價(jià)技術(shù)是，在接收換能器周圍加一根3厘米的管子，這樣就可以集中接收有效信號(hào),并增加方向性。

    影響系統(tǒng)性能下降的一個(gè)重要因素是，在發(fā)射器和揚(yáng)聲器之間的串?dāng)_。只有發(fā)射脈沖在接收換能器中的作用徹底消失，接收信號(hào)才能被探測(cè)到。在這兩個(gè)組件之間盡可能減少機(jī)械耦合很重要?？刹捎玫募夹g(shù)是，將每個(gè)換能器安裝在不同的PCB上。如果它們共用一個(gè)基板，可以在換能器后面放一塊薄的泡沫塑料。如果發(fā)射-接收運(yùn)用單換能器解決方案，那么應(yīng)該通過軟件在發(fā)射之后和啟用接收部分之前設(shè)置一個(gè)足夠長(zhǎng)的延遲。應(yīng)該避免給換能器增加任何保護(hù)涂層。所有這些技術(shù)都能改進(jìn)超聲系統(tǒng)的性能

關(guān)于系統(tǒng)精度的提高 

溫度傳感器消除該項(xiàng)誤差
    由于當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)超聲波的傳播速度也隨之改變，這將會(huì)引起測(cè)距誤差。利用溫度傳感器TCl047A測(cè)量空氣溫度再送主控器中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即可消除該項(xiàng)誤差。

    改善接收器LC帶通濾波器效果，可以增加信號(hào)保真度和系統(tǒng)精度。反射信號(hào)的額外增益級(jí)對(duì)增加探測(cè)范圍和提高精度也有幫助。
 
結(jié)束語

    上述類型的汽車倒車障礙檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是微控制器和超聲波傳感器相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù),是提高駕駛安全與體驗(yàn)的一個(gè)解決方案。由于系統(tǒng)可以識(shí)別駕駛盲區(qū)內(nèi)的障礙物，司機(jī)駕駛起來會(huì)更加得心應(yīng)手。

    通過方案比較,該基于微控制器技術(shù)倒車障礙物撿測(cè)系統(tǒng)比單純用硬件電路系統(tǒng)(例內(nèi)置有發(fā)送接收電路的LM1812芯片及外圍電路組成的撿測(cè)系統(tǒng))要方便靈活得多,因?yàn)榭捎贸浞职l(fā)揮軟件技術(shù)的優(yōu)勢(shì),既可根據(jù)運(yùn)行與泊車環(huán)境需要增加功能又替代很多硬件電路,使倒車障礙物撿測(cè)系統(tǒng)更可靠準(zhǔn)確.

參考文獻(xiàn):
1、    MicrochipTechnology Incorporated  2004年產(chǎn)品目錄.
2、何希才主編 傳感器技術(shù)及其應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社 2005年4月出版