微控制器和超聲波技術在汽車倒車檢測系統中的應用
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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。
發送器部分的控制
; 發送器是以每秒4-5次比率,在1mS期間發送40KHz脈沖方波,為了產生發射脈沖鏈,可以采用一個驅動器,以驅動超聲換能器,其驅動器是Microchip的TCl428MOSFET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,這樣發送器發送的40KHz脈沖方波鏈盡管是一個通用發送頻率,但并非超聲頻率固定不變,可以根據盲區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.
當發送器發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境采用多套發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出聲光報警信號。
關于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,在發射器和揚聲器之間的串擾。只有發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?？刹捎玫募夹g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。如果發射-接收運用單換能器解決方案,那么應該通過軟件在發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 由于當環境溫度發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,因為可用充分發揮軟件技術的優勢,既可根據運行與泊車環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.
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