那么，什么是基于超聲波傳感器的倒車障礙檢測系統(tǒng)呢？為此應(yīng)先了解超聲波傳感器的有關(guān)技術(shù)問題。
　　超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)成與工作程式
　　傳感器系統(tǒng)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，換能器的作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超聲波能量并向空中輻射；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(chǎn)生機(jī)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(jìn)行檢測。而實(shí)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(diào)制和計(jì)數(shù)及探測距離等進(jìn)行控制。超聲波傳感器的電源(或稱信號源)可用DC12V±10%或24V±10%。


圖3：為用微控制器PIC18F8490作為主控制器（IC1）與發(fā)送超聲傳感器和接收超聲傳感器及LED 顯示器等組成倒車障礙檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框示意圖

　　若對發(fā)送傳感器內(nèi)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(jù)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(diào)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(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)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(jìn)行放大。
　　根據(jù)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(lián)諧振，即諧振頻率fr處阻抗Zr最低，故能供給最大功率，可以用較大振動傳感器；而對接收傳感器而言，工作于并聯(lián)諧振，即諧振頻率fα處阻抗Zα最高，難以提供大功率，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。
　　倒車檢測障礙系統(tǒng)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，遇到障礙后反射被接收傳感器的換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號，見圖2所示。其傳播介質(zhì)為空氣。
　　基于單片機(jī)技術(shù)的倒車障礙檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
　　圖3為汽車倒車障礙檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖。
　　設(shè)計(jì)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(tǒng)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(qū)動器以及與LCD或LED顯示器等外圍電路組成。
　　微控制器是倒車檢測系統(tǒng)的核心。而Microchip的PIC l8F8490單片機(jī)非常適合于汽車車身控制。因它是一種有LCD驅(qū)動控制模塊功能的閃存和電源管理的單片機(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(gè)LCD控制器、兩個(gè)PWM、兩個(gè)比較器和四個(gè)定時(shí)器，見圖3中間IC1所示。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(jì)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)送器可以在1mS期間發(fā)送40KHz的脈沖方波。為了產(chǎn)生發(fā)射脈沖鏈，可以采用一個(gè)驅(qū)動器，以驅(qū)動超聲換能器。其驅(qū)動器是Microchip的TCl428 MOSFET驅(qū)動器（圖3左側(cè)所示）。因?yàn)閷?shí)際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(gè)通用發(fā)送頻率，但并非超聲頻率固定不變，而是可以根據(jù)盲區(qū)范圍及障礙物遠(yuǎn)近做出選擇，標(biāo)準(zhǔn)頻率(或稱中心頻率)愈高測距越短，而分辨率越高，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(gè)脈沖定時(shí)器1開始計(jì)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(gè)發(fā)送器部分應(yīng)含有一個(gè)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(gè)電容、一個(gè)電感和兩個(gè)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。
　　接收器部分包括一個(gè)超聲波接收換能器、放大器、濾波器和一個(gè)比較器，見圖3左側(cè)下所示。接收換能器的輸出是一個(gè)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(gè)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。可將輸出信號傳送LC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(gè)振幅探測電路的作用是將接收到的脈沖轉(zhuǎn)換為一個(gè)平滑、完整的波形，其高頻噪聲被過濾掉，這樣一個(gè)被探測到的信號就形成了。然后這個(gè)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(gè)衰減電壓(由RC阻容電路產(chǎn)生)，這樣該衰減參考就會隨時(shí)間不斷衰減接收到的信號。直至小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的距離值時(shí)，則定時(shí)器1停止計(jì)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。
　　倒車障礙物距離計(jì)算
　　檢測系統(tǒng)在探測到障礙物時(shí)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做出顯示，故該倒車障礙物檢測系統(tǒng)的LCD或LED顯示器顯示出的數(shù)字是最近障礙物的距離。
　　超聲波是以脈沖的形式向外發(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(shí)器1(見圖3的IC1內(nèi)所示)從發(fā)射第一個(gè)脈沖的上升沿時(shí)刻開始計(jì)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(gè)預(yù)先設(shè)定值)時(shí)定時(shí)器1停止計(jì)數(shù)。因此，所測量出的時(shí)間間隔(發(fā)射信號和接收到的反射信號之間的時(shí)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(shí)的傳播速度為V，則單片機(jī)(微控制器)就可以計(jì)算出汽車和障礙物之間的距離，其計(jì)算被測距離的公式為：


為此，只要當(dāng)距離小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)就會有顯示并發(fā)出聲光報(bào)警信號。
　　提高倒車檢測系統(tǒng)性能與精度
　　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(jià)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(gè)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(gè)組件之間盡可能減少機(jī)械耦合很重要。可采用的技術(shù)是，將每個(gè)換能器安裝在不同的PCB上。如果它們共用一個(gè)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(gè)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。
　　系統(tǒng)精度的提高
　　由于當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)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(jì)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)，提高了駕駛安全。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，該檢測系統(tǒng)比單純用硬件電路系統(tǒng)(例如內(nèi)置有發(fā)送接收電路的LM1812芯片及外圍電路組成的檢測系統(tǒng))要方便靈活得多，因?yàn)榭梢猿浞职l(fā)揮軟件技術(shù)的優(yōu)勢，既根據(jù)運(yùn)行與泊車環(huán)境需要增加功能又替代了很多硬件電路，使倒車障礙物檢測系統(tǒng)更可靠準(zhǔn)確。