汽車倒車障礙檢測系統的解決方案

時間：2006-09-04 22:29:00

關鍵字：汽車倒車 BSP 超聲波傳感器 KHZ

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[導讀]主要介紹用超聲波傳感器系統與Microchip的PIC l8F8490微控制器解決汽車倒車障礙檢測系統方案,并對發(fā)送與接收超聲波傳感器系統構成與方式及提高檢測系統性能作分析說明。

摘要：主要介紹用超聲波傳感器系統與Microchip的PIC l8F8490微控制器解決汽車倒車障礙檢測系統方案,并對發(fā)送與接收超聲波傳感器系統構成與方式及提高檢測系統性能作分析說明。
關鍵詞：盲區(qū) 微控制器超聲波傳感器換能器

倒車障礙檢測系統對盲區(qū)內障礙物的探測

    倒車障礙檢測系統所采用的超聲波傳感器技術可以探測到附近的障礙物,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倒車路徑上或附近存在的任何障礙物,并及時發(fā)出警告。所設計的檢測系統可以同時提供聲光并茂的聽覺和視覺警告,其警告表示是探測到了在盲區(qū)內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，借助倒車障礙報警檢測系統，駕駛員心理壓力就會減少，并可以游刃有余地采取必要的動作。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系統呢？為此應先了解超聲波傳感器的有關技術問題

超聲波傳感器系統構成與工作程式(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能量轉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生機械振動,將其變換成電能量,作為傳感器接收器的輸出,從而對發(fā)送的超聲波進行檢測.而實際使用中,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.控制部分主要對發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制.超聲波傳感器的電源(或稱信號源)可用DC12V±10%或 24V±10%.

    若對發(fā)送傳感器內諧振頻率為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所加高頻電壓極性伸長與縮短,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的原理,即在壓電元件上施加壓力,使壓電元件發(fā)生應變,則產生一面為”+”極,另一面為”-“極的40KHz正弦電壓.因該高頻電壓幅值較小,故必須進行放大.

    根據超聲波傳感器等效電路與阻抗特性可知,對發(fā)送傳感器而言,工作于串聯諧振,即諧振頻率fr處阻抗Zr最低,故能供給最大功率,能用較大振動傳感器;而對接收傳感器而言,工作于并聯諧振,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,所以fα 處用作傳感器其靈敏度高.

    倒車撿測障礙糸統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換成電信號,見圖2所示.
其傳播介質為空氣.

基于超聲波微控制器技術的倒車障礙檢測系統設計方案

圖3為汽車倒車障礙檢測系統設計方案框圖,

設計方案包括:IC1主控器-為用Microchip的 PIC l8F8490微控制器作為汽車倒車障礙檢測系統的主控器;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驅動器以及與LCD或LED顯示器等外圍電路組成。

用微控制器作為檢測系統的主控器

    微控制器是倒車檢測系統的核心。而Microchip的PIC l8F8490微控制器它非常適合于汽車車身控制這類應用。因它是一種有片上LCD驅動控制模塊功能的閃存、電源管理的單片機,即運行速率為10MIPS-10百萬指令每秒(MIPS),16KB閃存存儲器、768字節(jié)RAM,具有一個LCD控制器、兩個PWM、兩個比較器和四個定時器,見圖3中間IC1所示。因此它是倒車檢測超聲波傳感器應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，實現電源管理功能，可以顯著提高功效和系統可靠性,可滿足包括在休眠模式下驅動LCD顯示在內的低功耗設計要求。其系列產品可針對不同的嵌入式控制應用提供高達192段LCD的驅動，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,為了產生發(fā)射脈沖鏈，可以采用一個驅動器，以驅動超聲換能器,其驅動器是 Microchip的TCl428 MOSFET驅動器見圖3左側所示。因實際超聲波傳感器特性的標準頻率均為40KHz,這樣發(fā)送器發(fā)送的40KHz脈沖方波鏈盡管是一個通用發(fā)送頻率，但并非超聲頻率固定不變,可以根據盲區(qū)范圍及障礙物遠近作出選擇, 標準頻率(或稱中心頻率)愈高測距越短,而分辯率越高,常見超波傳感器標準頻率有30KHz、4KHz、75KHz等.

    當發(fā)送器發(fā)送第一個脈沖的上升沿時刻定時器1開始計數.由于要求脈沖鏈的電壓振幅比系統電壓(+5V)高(這是由換能器所需信號源決定的)，所以這個發(fā)送器部分應含有一個升壓電路。這兒采用一種簡單的有效升高電壓的方式,即使用Microchip的MCPl650升壓 DC/DC控制器，它只需要一個電容、一個電感和兩個電阻就可以輕松選擇需要的輸出電壓。主控器 IC1中PWM1(脈寬調制器)的作用是調節(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超聲波接收換能器、放大器、濾波器和一個比較器見圖3左側下所示。接收換能器的輸出是一個低振幅正弦波，其頻率與發(fā)射脈沖鏈頻率相同。為了對換能器輸出的信號進行放大，可采用Microchip的MCP6293運算放大器。這個運算放大器的特點是，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敵鲂盘杺魉蚅C帶通濾波器電路(又稱振幅探測電路),該帶通濾波器的中心頻率(標準頻率)與接收器的標準頻率40KHz相同.這個振幅探測電路的作用是將接收到的脈沖轉換為一個平滑、完整的波形,其高頻噪聲被過濾掉，這樣一個被探測到的信號就形成了。然后這個信號被傳送到比較器與衰減電壓進行比較.需要說明的是,該比較器的參考電壓是一個衰減電壓(由RC阻容電路產生)，這樣該衰減參考就會隨時間不斷衰減接收到的信號.直至小于一個預先設定的距離值時,則定時器1仃止計數.

超聲波傳感器的選擇與參數

    可選用國產TC40-167R系列或MA40S2S(發(fā)送傳感器)、MA40S2R(接收傳感器)超聲波傳感器.其主要參數為(以TC40-167R為例):標準頻率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.

關于對倒車障礙物的探測距離計算顯示

    撿測系統在探測到障礙物時向駕駛員發(fā)出警告,而新型汽車倒車障礙檢測系統可以根據實際使用環(huán)境采用多套發(fā)送與接收超聲波傳感器來擴大探測范圍，從而提高對障礙物的正確度,即將距離最近的障礙物探測到并作出顯示,故該倒車障礙物撿測系統的LCD或LED顯示器顯示出的數字是最近障礙物的距離。

超聲波測量距離的計算方法
    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(或稱標準頻率)。PIC l8F8490主控器的定時器1(見圖3的 IC1內所示)從發(fā)射第一個脈沖的上升沿時刻開始計數，直到主控器收到不斷衰減的接收信號小于設定值(即當距離小于一個預先設定值)時定時器1停止計數。因此，所測量出的時間間隔 (發(fā)射信號和接收到的反射信號之間的時間差) △t 乘以聲速就等于被測距離L的兩倍(2△L)。若超聲波在溫度T時的傳播速度為V，則微控制器就可以計算出汽車和障礙物之間的距離,其計算被測距離的公式為：

    為此，只要當距離小于一個預先設定值時，非但有顯示而且就會發(fā)出聲光報警信號。

有關提高倒車檢測系統性能與精度的解決

換能器選擇與安裝

    根據所需要的精度、距離和系統成本，有幾種不同的實施方案可供選擇。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，也就使得系統可以更簡便地安裝到汽車上。頻率低的換能器也有好處，其探測范圍更大，更容易探測到換能器周圍的物體。一種可降低干擾的廉價技術是，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,并增加方向性。

    影響系統性能下降的一個重要因素是，在發(fā)射器和揚聲器之間的串擾。只有發(fā)射脈沖在接收換能器中的作用徹底消失，接收信號才能被探測到。在這兩個組件之間盡可能減少機械耦合很重要。可采用的技術是，將每個換能器安裝在不同的PCB上。如果它們共用一個基板，可以在換能器后面放一塊薄的泡沫塑料。如果發(fā)射-接收運用單換能器解決方案，那么應該通過軟件在發(fā)射之后和啟用接收部分之前設置一個足夠長的延遲。應該避免給換能器增加任何保護涂層。所有這些技術都能改進超聲系統的性能

關于系統精度的提高

溫度傳感器消除該項誤差
    由于當環(huán)境溫度發(fā)生變化時超聲波的傳播速度也隨之改變，這將會引起測距誤差。利用溫度傳感器TCl047A測量空氣溫度再送主控器中的A/D轉換器進行溫度補償，即可消除該項誤差。

    改善接收器LC帶通濾波器效果，可以增加信號保真度和系統精度。反射信號的額外增益級對增加探測范圍和提高精度也有幫助。

結束語

    上述類型的汽車倒車障礙檢測系統設計方案是微控制器和超聲波傳感器相結合的應用技術,是提高駕駛安全與體驗的一個解決方案。由于系統可以識別駕駛盲區(qū)內的障礙物，司機駕駛起來會更加得心應手。

    通過方案比較,該基于微控制器技術倒車障礙物撿測系統比單純用硬件電路系統(例內置有發(fā)送接收電路的LM1812芯片及外圍電路組成的撿測系統)要方便靈活得多,因為可用充分發(fā)揮軟件技術的優(yōu)勢,既可根據運行與泊車環(huán)境需要增加功能又替代很多硬件電路,使倒車障礙物撿測系統更可靠準確.