摘 要：利用ATMEL 公司的AT89C51 單片機接收超聲波傳感器的測距信號,，根據(jù)超聲波測距原理,，將實時信號送給單片機，單片機實現(xiàn)距離的計算,、顯示,、報警，當(dāng)在探測范圍內(nèi)有障礙物時,，并且障礙物的距離小于報警距離時,，發(fā)光二極管以一定頻率閃爍，同時蜂鳴器提示報警,，并顯示障礙物的距離,。經(jīng)驗證，此系統(tǒng)實現(xiàn)了超聲波倒車防撞系統(tǒng)各功能,，且該系統(tǒng)實時性較穩(wěn)定,，誤差距離比較小。
0 引言
隨著中國汽車數(shù)量的不斷增多,，道路擁堵,，交通事故頻發(fā)，給人們生活帶了諸多不便,，安全成為了第一要素,，汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計和需求也迫在眉睫。因此,，設(shè)計了一種利用超聲波測距,，通過單片機實現(xiàn)的倒車防撞報警系統(tǒng)，主要考慮它的設(shè)計簡單,，易于操作,。
1 超聲波測距原理
超聲波是指頻率高于20 kHz 的機械波。而倒車時,，為了防止撞上障礙物，需要測量障礙物到車之間的距離,，這就需要使用超聲波傳感器,。超聲波傳感器又稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器包括超聲波發(fā)送器和超聲波接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用,。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換成振動發(fā)射超聲波,；而在收到回波的時候,，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。
超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 （TOF,time offlight）,。超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波,，在發(fā)射同時開始計時，超聲波在空氣中傳播,，傳播的途中碰到障礙物就立刻返回來,，超聲波接收器接收到反射回來的波就立即停止計時，計算出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回時所用的時間t,，常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為V=340 m/s,，根據(jù)公式S =V × t / 2，就可以計算出障礙物到超聲波傳感器之間的距離,。
2 系統(tǒng)總體電路
單片機AT89C51 編寫程序產(chǎn)生方波,，通過P1.0 口輸出40 kHz 的脈沖信號，經(jīng)超聲波發(fā)射電路中CD4069 放大后驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭UCM40T,，產(chǎn)生超聲波,。傳播過程中遇到障礙物后產(chǎn)生回波送入超聲波接收器，接收探頭采用和發(fā)射探頭配對的UCM40R,，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻涣麟妷盒盘?，?jīng)超聲波接收電路中CX20106A 進行處理，通過7 腳輸出,，作為一個中斷請求信號,，送至單片機進行處理。在單片機發(fā)射方波的同時,，也就是超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波的同時開啟單片機內(nèi)部定時器T0,，通過定時器來記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)超聲波接收電路收到超聲波反射波時,，超聲波接收電路輸出端產(chǎn)生一個低電平輸出到INTO端產(chǎn)生一個中斷請求信號,，單片機AT89C51 響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序,，根據(jù)定時器的值讀取時間差,，通過公式S =V × t / 2計算相應(yīng)的距離，并將結(jié)果顯示到LED數(shù)碼管上,。如果S 的值小于報警距離0.5 m,，則單片機AT89C51便給P2.5 口一個低電平信號,，使得報警電路工作，實現(xiàn)聲光報警,。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
3 系統(tǒng)硬件電路
3.1 AT89C51
AT89C51 是一個低電壓,、高性能CMOS 8 位微處理器，片內(nèi)含4 KB 的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲器（ROM）和128 B 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)和管腳兼容,，片內(nèi)置通用8 位CPU 和Flash 存儲單元，ATMEL的AT89C51 是一種高效微控制器,。
AT89C51 是一個低功耗高性能單片機,，它有40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口,，同時內(nèi)含2 個外部中斷,，2 個16 位可編程定時計數(shù)器，2 個全雙工串行通信口,。
AT89C51 可以按照常規(guī)方法進行編程,，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash 存儲器結(jié)合在一起,，特別是可反復(fù)擦寫的Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本,。
3.2 超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路主要由驅(qū)動電路CD4069 及超聲波發(fā)射器T 組成。如圖2 所示,，超聲波探頭采用壓電陶瓷傳感器UCM40T,，當(dāng)在它的兩級加上脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的頻率時就會產(chǎn)生共振,，產(chǎn)生超聲波,。由于超聲波在空氣中最佳傳播頻率為40 kHz，同時使用的是壓電陶瓷傳感器,，其驅(qū)動頻率為40 kHz,，因此通過單片機P1.0 口產(chǎn)生40 kHz 的方波信號，經(jīng)過雙路反相器處理在超聲波振蕩器的外接電路兩端產(chǎn)生振蕩,，雙路反相器可以提高驅(qū)動能力,，也能增強接收信號，抑制其他噪聲與干擾,。超聲波發(fā)射探頭兩端產(chǎn)生的振蕩波近似于方波,。
3.3 超聲波接收電路
超聲波接收電路使用了集成電路CX20106A，它可用來完成信號的放大,、限幅,、帶通濾波、峰值檢測和波形整形等功能,，電路如圖3 所示,。發(fā)射電路發(fā)出的脈沖信號,，在碰到障礙物后,，經(jīng)反射后的超聲波脈沖變成微弱的交流信號,，接收電路接收后送到CX20106A 的1 腳，為信號的輸入端,，經(jīng)過前置放大器的放大,，限幅放大器的放大，由于其有自動增益控制功能,，可以保證超聲傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時,，放大器具有較高的增益，而在近距離輸入信號強時放大器不會過載,，其帶通濾波器中心頻率可由芯片5 腳的外接電阻調(diào)節(jié),，取200 kΩ，控制在38 kHz,。通過帶通濾波器濾波,，峰值濾波，積分比較,，最后經(jīng)整形電路輸出脈沖信號,。
CX20106A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力，可以滿足超聲波接收電路的要求,。同時集成電路也可以減少干擾,。
圖2 超聲波發(fā)射電路
圖3 超聲波接收電路
3.4 聲光報警報警電路
如圖4 所示，聲報警電路選用壓電式蜂鳴器,，它大約需要10 mA 的驅(qū)動電流,。當(dāng)單片機輸出低電平時，三極管導(dǎo)通,，蜂鳴器報警,。光報警電路如圖5 所示，當(dāng)單片機p2.5 口輸出低電平時,，二極管導(dǎo)通,，燈亮發(fā)出光報警信號。
圖4 聲報警電路
圖5 光報警電路
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
首先,，微處理器AT89C51 先把P1.0 置0,，通過軟件編程產(chǎn)生方波，送給超聲波傳感器,，通過壓電陶瓷晶片發(fā)射超聲波（40 kHz 方波）,，延時300 us 左右（或者大于這個時間，這個延時是為了避免超聲波直接對反射過來的波的干擾,，它決定了盲區(qū)的大小,，延時時間越長,，盲區(qū)越大，300 us 延時大概是10 cm 的盲區(qū)）抑制輸出干擾,，同時啟動內(nèi)部定時器T0 開始計時,。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時信號立即返回，而微處理器在不斷的掃描INT0 引腳,，如果INT0 接收到的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，表明信號已?jīng)返回，微處理器進入中斷處理程序,，同時關(guān)閉定時器T0,。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離，顯示在LED 數(shù)碼管上,。然后再根據(jù)相應(yīng)的情況判斷是否要進行聲光報警,。
程序啟動時，首先進行初始化,，接著是一個不斷發(fā)射方波的過程,，即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍，而且每次發(fā)射周期結(jié)束后都會在延時等待的過程中判斷是否發(fā)生了中斷,，即是否有反射回波產(chǎn)生,，當(dāng)有反射回波產(chǎn)生時，進入中斷服務(wù)程序,，首先是關(guān)閉中斷,，讀取定時器的時間t，根據(jù)時間,，用超聲波測距公式S=340×t/2,就可以得到障礙物到超聲波發(fā)射器之間的距離,，根據(jù)計算的結(jié)果，將距離顯示到LED 數(shù)碼管上,。
同時判斷距離是否小于0.5 m,，如果小于0.5 m，就進行聲光報警,。程序流程圖如圖6 所示,。
圖6 程序流程圖
5 結(jié)語
該系統(tǒng)利用51 系列單片機設(shè)計，設(shè)計簡單,，操作方便,。
經(jīng)實驗測試證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,，能滿足倒車防撞的要求,，且成本較低，具有良好的性價比,?？梢詰?yīng)用到汽車倒車場合,。
由于超聲波受外界環(huán)境的影響，所以該系統(tǒng)存在一定的誤差,，可以進行溫度補償,，減小誤差，增強系統(tǒng)性能,。