微控制器和超聲波技術(shù)在汽車倒車檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用
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用微控制器作為檢測系統(tǒng)的主控器
微控制器是倒車檢測系統(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(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LCD顯示在內(nèi)的低功耗設(shè)計要求。其系列產(chǎn)品可針對不同的嵌入式控制應(yīng)用提供高達(dá)192段LCD的驅(qū)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(chǎn)生發(fā)射脈沖鏈,可以采用一個驅(qū)動器,以驅(qū)動超聲換能器,其驅(qū)動器是Microchip的TCl428MOSFET驅(qū)動器見圖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)送第一個脈沖的上升沿時刻定時器1開始計數(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源決定的),所以這個發(fā)送器部分應(yīng)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(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(cè)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(jìn)行放大,可采用Microchip的MCP6293運(yùn)算放大器。這個運(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(biāo)準(zhǔn)頻率)與接收器的標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(jìn)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(chǎn)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(yù)先設(shè)定的距離值時,則定時器1仃止計數(shù).
超聲波傳感器的選擇與參數(shù)
可選用國產(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)于對倒車障礙物的探測距離計算顯示
撿測系統(tǒng)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(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(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(biāo)準(zhǔn)頻率)。PIC l8F8490主控器的定時器1(見圖3的 IC1內(nèi)所示)從發(fā)射第一個脈沖的上升沿時刻開始計數(shù),直到主控器收到不斷衰減的接收信號小于設(shè)定值(即當(dāng)距離小于一個預(yù)先設(shè)定值)時定時器1停止計數(shù)。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(dāng)距離小于一個預(yù)先設(shè)定值時,非但有顯示而且就會發(fā)出聲光報警信號。
關(guān)于提高倒車檢測系統(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(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,并增加方向性。
影響系統(tǒng)性能下降的一個重
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,接收信號才能被探測到。在這兩個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(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)置一個足夠長的延遲。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(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,可以增加信號保真度和系統(tǒng)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(jié)束語
上述類型的汽車倒車障礙檢測系統(tǒng)設(shè)計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)的一個解決方案。由于系統(tǒng)可以識別駕駛盲區(qū)內(nèi)的障礙物,司機(jī)駕駛起來會更加得心應(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,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,使倒車障礙物撿測系統(tǒng)更可靠準(zhǔn)確.
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