收稿日期:2006-12-13 作者简介:彭翠云(1979-),女,湖北省荆门市人,硕士生,研究方向为汽车倒车辅助系统。
文章编号:1004-2474(2008)02-0251-04
汽车倒车系统中超声波测距模块的设计彭翠云1,赵广耀2,戎海龙3(1.安徽工程科技学院机械学院,安徽芜湖,241000;2.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;3.东南大学自动化学院,江苏南京,210096) 摘 要:介绍了以Cygnal8051F330单片机为控制器,用于汽车倒车的超声波测距模块的硬件电路和软件设计方案,在抗干扰设计等方面该模块采用了软硬件综合处理措施,实现了较高的测距精度和较宽的测距范围。在满足倒车系统要求的基础上,体现了简单、经济、实效、实用的特点,文章给出了该模块的实际调试效果和误差分析结果。关键词:超声波测距;带通滤波;单片机中图分类号:TP212 文献标识码:A
TheDesignofUltrasonicDistance-MeasuringSystemUsedonCar-backingSystem
PENGCui-yun1,ZHAOGuang-yao2,RONGHai-long3(1.Dept.ofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofTechnologyandScience,WuhuAnhui241000,China;2.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China;3.CollegeofAutomation,SoutheasternUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:Anpersonallydesignedultrasonicdistance-measuringsystemisintroducedanditshardwarecircuitsandsoftwaredesignmethodsaregiveninthispaper,whichbasesonCygnal8051F330singlechip,andisappliedtocarbackingsystem.Inthesystem,someimprovementonbothhardwareandsoftwareisadapted,whichmakesthesystemhasbetterprecisionandwidermeasuringrange.Moreover,besidesitscapabilityofsatisfytherequirementraisedbycar-backingsystem,thesystemhasothercharacterssuchasbriefness,economy,actualeffect,practicalityetc..Thepracticaldebuggingresultsanderroranalyzingresultsaregivenattheendofthispaper.Keywords:ultrasonicdistance-measuring;bandpass-filtration;singlechip
超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点,通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测[1]。本文主要探讨倒车系统的超声波测距模块
的设计与实现。超声测距模块作为汽车外部环境传感器,其用途是向决策系统实时提供汽车与障碍物的间距,以利于汽车蔽障。为克服以往超声波测距模块因采用超声波专用集成电路而造成的电路固定,应用不灵活,抗干扰和抗噪声能力差等不足,本超声波测距模块以Cygnal8051F330单片机为核心,并侧重发送模块和回波接收预处理模块的开发与实验研究,获得了较高的测距精度和较宽的测距范围,能满足倒车系统要求。该模块选用器件较廉价且易获取,体现出简单、经济、实效、实用的特点。1 硬件设计为使超声测距模块和决策系统之间的接口线最少,本设计采用模拟口方式而不采用串口、SMBus
等方式。该方式即决策系统从超声波测距模块获得的距离信息为一模拟电压,该模拟电压正比于被测距离。为实现控制系统的简单化,本超声测距模块的中央处理器采用Cygnal8051F330单片机[2],该单
片机较其他单片机(如F060等)外设规模小,仅有17个I/O口,虽然功能上显得不够强劲,但其指令执行速度并未降低,加上其20引脚的精简封装,已广泛应用于所需功能较为简单的小规模控制电路中。对于倒车超声波测距系统可谓是合适的选择。图1为超声测距模块的原理。单片机每隔一定时间间隔向超声波换能器发送一串频率为40kHz(超声波换能器的谐振频率)的激励脉冲,使超声波换能器向需要探测的方向发射出超声波,同时开始定时,一旦接收到返回的超声波信号即停止定时,获得超声波往返时间,由超声波脉冲在空气中传输的速度,便可计算出超声波换能器与目标物体间距离。
第30卷第2期压 电 与 声 光Vol.30No.22008年4月PIEZOELECTECTRICS&ACOUSTOOPTICSApr.2008图1 超声波测距模块原理框图1.1 超声波发送模块超声波换能器激发出超声波所需的谐振频率为40kHz,该激发信号采用单片机通过编程产生。但因单片机输出的信号功率有限,所以有必要在单片机和超声波换能器间添加功率放大电路。同时,为增大超声波幅以增加超声波发射距离,还需对该激发信号进行升压操作。这部分电路图如图2所示。
图2 超声波发送电路以前的设计中,其功率放大电路往往采用有源差分放大或者双晶体管复合以及逻辑门级连的方式[3-5],然而这几种方式只是单纯的提升了发射功
率,并未也无法大幅提升加到超声波换能器上的峰值电压,亦即无法大幅增大超声波幅(响度),从而相应降低了系统可测距离;而采用有源差分放大以及逻辑门级连的方式无疑又增大了系统复杂性。1.2 回波接收预处理模块超声波发射出去后,需实时监听因遇到障碍物而反射回来的超声波回波信号,该信号较微弱,需进行放大;且超声波换能器发送的超声波信号为球面波,即接收的超声波信号有可能从各个角度反射回来,且高倍数放大会引进噪声,所以,有必要对放大后的信号进行带通滤波,尽量减少噪声信号;经带通滤波后的信号为一近似方波信号,且有无法滤除的噪声,该噪声信号为随机信号,如果将该噪声信号完全平滑为一电平信号,那么该电平必然低于有用信号和噪声的混合信号做同样处理后的电平,基于此,可通过电平比较法将该噪声滤除,即将经带通滤波器后的混合信号进一步平滑为近似电平信号,并将此信号引入比较器的正输入端,同时在比较器的负输入端引入一门限电压,该门限电压稍高于噪声信号经平滑后的电平,这样比较器输出的结果便能正确显示是否接收到回波,其电路图如图3所示。
图3 超声波接收预处理电路带通滤波电路采用的是无限增益多反馈环型带通滤波器,该滤波器的传递函数为
H(s)=-SR1C
S2+2R5CS+1C2R51R1+1R2
(1)
中心频率 f0=12πC1R51R1+1R2(2)品质因数 Q=12R51R1+1R2(3)通带增益 H0=R5/(2R1)(4)
带宽 B=f0/Q(5)有些系统单纯采用中断的方式来接收回波电压,而非比较器方式,前者缺点较明显,即使没有回波信号,系统不稳定因素(如纹波电压及外部谐波信号等)均有可能产生干扰信号,这些干扰信号经放大后必然会产生高电平信号从而产生误中断。1.3 测距结果输出处理模块测距结果通过模拟电压的形式表示,但F330单片机的D/A转换输出是电流模式,且驱动力有限,因此,需将单片机输出结果作处理,其电路图如图4所示。
图4 测距结果输出处理电路可采用I2C总线或串口方式输出结果,然而,当应用系统采用的超声波测距模块较多时,如汽车倒
252压 电 与 声 光2008年 车系统,需在汽车周身安装至少六个超声波测距模块以探测汽车周围各个方向的障碍物信息,此时,数字输出方式的弊端将比较明显。2 软件设计软件的任务是每隔一定时间发送一次超声波激励信号,而若接收到回波信号,则对障碍物和超声波换能器间的距离进行计算,并将结果输出,软件程序框架如图5所示。图5 软件程序框架2.1 超声波发送超声波换能器所需激励信号频率为40kHz,这一频率用定时器1来产生,并通过单片机I/O口来输出这一激励信号,即单片机每隔1/80kHz时间产生一次中断,中断处理程序用来更新该I/O口输出(输出结果取反),通过这种方法即可向超声波换能器输出频率为40kHz的方波激励信号。定时器1中断处理函数流程图如图6所示。图6 定时器1中断处理函数流程图2.2 计算被测距离本设计采用的是时间检测法[6]计算被测距离,从超声波换能器到障碍物间的距离
D=v×t2(6)式中 v为超声波在空气中的传播速度;t为超声波自发送器发出、经被测目标反射,直至被接收器接收所需时间。是否接收到回波信号由比较器判断。若有回波信号,比较器会即刻向CPU发出中断申请,使CPU转向执行比较器中断处理函数。这一函数即完成计算被测距离、输出结果等一系列处理。该函数程序流程图如图7所示。
图7 比较器中断处理函数流程图3 试验结果分析图8为该模块的试验开发板,开发板的右侧从上至下分别为超声波发送探头与接收探头,其余部分为超声波信号的处理电路,包括超声波发送、接收电路及测距结果输出电路等。为简化布线需要,中央处理器F330焊接在开发板的背面。
图8 实验开发板表1为特定条件(测距模块平置,被测目标为面积1m×1m、垂直地面放置的木板,且该木板垂直于发射探头与接收探头所处位置间的中垂线,测量仪器为美国泰克公司的型号为DS1000的混合信号数字示波器)下该超声测距模块的部分测试结果。由表可看到,随着测量距离的缩短,测量误差增大,其原因是受模块尺寸限制,超声波发射器和接收器
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