高精度低成本车用超声波传感器的研制

时间测量

　　时间测量中采用的超声波信号周期为25μs,却需要一个相当于在20°C 时约9mm 波长的超声波信号源。为了确保精度,需要一个波长检测器。超声波信号源由一个信号发生器和一个过零检测器的电路组成。任意信号发生器由一个可存放任意波形的16Kbyte EPROM,一个用来扫描EPROM的16 位计数器和一个DAC 组成。过零检测器由临界值检测器组成。检测器的临界值是接收到的信号峰值的一部分,使检测器可以根据参考零电位比较接收到的信号。这就使得在信号区的信号能最大范围地被检测到,从而使噪声干扰最小。

　　存储在EPROM 中的激励信号必须设计成可以接收那些低到足以防止第一个临界值接收器干扰不同周期的回声。这些特殊的信号由一个约束最优化程序处理,这种程序主要是为了使回波的能量最小从而把回波的峰值限定位一个固定值。最合适的允许接收由固定振幅的最低回波Y(f)的驱动信号X(f)可以由解下列方程得到：

　　最优的结果主要取决于被选回声的振幅,回声越低,振幅越低,那么被一个有关的噪声振幅干扰的可能性也越低。在任何条件下使用最好的信号取决于噪声的实际量。传感器还有一个简单的噪声测量系统。该系统可以通过在无回波阶段监测输入信号来估计实际噪声。这个噪声测量系统的输出可以在低、中、高噪声条件下转换。

　　另外,回波的振幅主要取决于地面的反射性和距离。这些影响可以由接收电路中的一个自动增益控制放大器来使其最小化。因此回声振幅可以保持在一个固定值。这就用到了第一个检测器中的固定临界值。越零检测器的输出可以用来驱动一个缓冲器（可以在回声到达的时间内锁存计数器输出）。如果一个新的回波未被检测到,则缓冲器的输出不被更新。这就避免了无意义的测量。被缓冲的值是根据传播时间和一个已知的固定值Na（该值由它在EPROM 中的存储方式及第一个检测器的临界值水平决定）来定。系统时钟为8MHz,因此周期为125ns,当一个距离超过1m,最大的测量时间约8ms。一个 50Hz 的多谐波振荡器每20ms 提供计数器一个读数。

　　温度传感器与误差的自动补偿

　　空气温度由一个温度传感器检测并经电路处理得出。它装在探头中,误差不超过1℃。误差的自动补偿可以由图2 所示的简单模拟电路得出。V 与所测距离成正比。

　　软件设计思想

　　由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很近,当发射超声波时,接收传感器会收到很强的干扰信号。为防止系统的误测,在软件上采用延迟接收技术,以此提高系统的抗干扰能力。当起始键按下,即发送发射超声波的指令,控制系统开始执行程序,完成对温度的采集;发送、接收超声波的时间间隔的测量;最后通过数值处理程序计算出被测距离,送显示器显示。本系统软件采用模块化设计,由主程序、测距子程序、测温子程序、显示子程序等主要模块组成。主程序框图如图4所示。

　　测试结果

　　本系统应用于非接触式测距。对相距0.1m~0.3m的两物体、环境温度从0℃ ~40℃之间变化时,进行了实际测试,由于系统增加了温度修正系统及软件补偿技术,大大提高系统的测量准确度。实际测试证明,经修正后该系统的测量准确度可达到±0.01m。

　　结束语

　　本文提出的基于单片机的超声波测距系统,具有成本低、精度高、误差小、显示直观、电路简单以及抗干扰性好等优点,能够满足一些中小规模系统的测量要求。尤其能够应用于一些特殊的场合,如自助式停车,智能悬架和车前灯调节等。