高精度低成本車(chē)用超聲波傳感器的研制

時(shí)間測(cè)量

　　時(shí)間測(cè)量中采用的超聲波信號(hào)周期為25μs,卻需要一個(gè)相當(dāng)于在20°C 時(shí)約9mm 波長(zhǎng)的超聲波信號(hào)源。為了確保精度,需要一個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)器。超聲波信號(hào)源由一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)過(guò)零檢測(cè)器的電路組成。任意信號(hào)發(fā)生器由一個(gè)可存放任意波形的16Kbyte EPROM,一個(gè)用來(lái)掃描EPROM的16 位計(jì)數(shù)器和一個(gè)DAC 組成。過(guò)零檢測(cè)器由臨界值檢測(cè)器組成。檢測(cè)器的臨界值是接收到的信號(hào)峰值的一部分,使檢測(cè)器可以根據(jù)參考零電位比較接收到的信號(hào)。這就使得在信號(hào)區(qū)的信號(hào)能最大范圍地被檢測(cè)到,從而使噪聲干擾最小。

　　存儲(chǔ)在EPROM 中的激勵(lì)信號(hào)必須設(shè)計(jì)成可以接收那些低到足以防止第一個(gè)臨界值接收器干擾不同周期的回聲。這些特殊的信號(hào)由一個(gè)約束最優(yōu)化程序處理,這種程序主要是為了使回波的能量最小從而把回波的峰值限定位一個(gè)固定值。最合適的允許接收由固定振幅的最低回波Y(f)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)X(f)可以由解下列方程得到：

　　最優(yōu)的結(jié)果主要取決于被選回聲的振幅,回聲越低,振幅越低,那么被一個(gè)有關(guān)的噪聲振幅干擾的可能性也越低。在任何條件下使用最好的信號(hào)取決于噪聲的實(shí)際量。傳感器還有一個(gè)簡(jiǎn)單的噪聲測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過(guò)在無(wú)回波階段監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)來(lái)估計(jì)實(shí)際噪聲。這個(gè)噪聲測(cè)量系統(tǒng)的輸出可以在低、中、高噪聲條件下轉(zhuǎn)換。

　　另外,回波的振幅主要取決于地面的反射性和距離。這些影響可以由接收電路中的一個(gè)自動(dòng)增益控制放大器來(lái)使其最小化。因此回聲振幅可以保持在一個(gè)固定值。這就用到了第一個(gè)檢測(cè)器中的固定臨界值。越零檢測(cè)器的輸出可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)緩沖器（可以在回聲到達(dá)的時(shí)間內(nèi)鎖存計(jì)數(shù)器輸出）。如果一個(gè)新的回波未被檢測(cè)到,則緩沖器的輸出不被更新。這就避免了無(wú)意義的測(cè)量。被緩沖的值是根據(jù)傳播時(shí)間和一個(gè)已知的固定值Na（該值由它在EPROM 中的存儲(chǔ)方式及第一個(gè)檢測(cè)器的臨界值水平?jīng)Q定）來(lái)定。系統(tǒng)時(shí)鐘為8MHz,因此周期為125ns,當(dāng)一個(gè)距離超過(guò)1m,最大的測(cè)量時(shí)間約8ms。一個(gè) 50Hz 的多諧波振蕩器每20ms 提供計(jì)數(shù)器一個(gè)讀數(shù)。

　　溫度傳感器與誤差的自動(dòng)補(bǔ)償

　　空氣溫度由一個(gè)溫度傳感器檢測(cè)并經(jīng)電路處理得出。它裝在探頭中,誤差不超過(guò)1℃。誤差的自動(dòng)補(bǔ)償可以由圖2 所示的簡(jiǎn)單模擬電路得出。V 與所測(cè)距離成正比。

　　軟件設(shè)計(jì)思想

　　由于超聲發(fā)射傳感器與超聲接收傳感器相隔很近,當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí),接收傳感器會(huì)收到很強(qiáng)的干擾信號(hào)。為防止系統(tǒng)的誤測(cè),在軟件上采用延遲接收技術(shù),以此提高系統(tǒng)的抗干擾能力。當(dāng)起始鍵按下,即發(fā)送發(fā)射超聲波的指令,控制系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行程序,完成對(duì)溫度的采集;發(fā)送、接收超聲波的時(shí)間間隔的測(cè)量;最后通過(guò)數(shù)值處理程序計(jì)算出被測(cè)距離,送顯示器顯示。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),由主程序、測(cè)距子程序、測(cè)溫子程序、顯示子程序等主要模塊組成。主程序框圖如圖4所示。

　　測(cè)試結(jié)果

　　本系統(tǒng)應(yīng)用于非接觸式測(cè)距。對(duì)相距0.1m~0.3m的兩物體、環(huán)境溫度從0℃ ~40℃之間變化時(shí),進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,由于系統(tǒng)增加了溫度修正系統(tǒng)及軟件補(bǔ)償技術(shù),大大提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)際測(cè)試證明,經(jīng)修正后該系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.01m。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出的基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng),具有成本低、精度高、誤差小、顯示直觀、電路簡(jiǎn)單以及抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn),能夠滿(mǎn)足一些中小規(guī)模系統(tǒng)的測(cè)量要求。尤其能夠應(yīng)用于一些特殊的場(chǎng)合,如自助式停車(chē),智能懸架和車(chē)前燈調(diào)節(jié)等。