超聲波倒車防撞系統(tǒng)

張 瑩， 張 進(jìn)， 劉天飛

（徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

0 引言

隨著中國(guó)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(jì)和需求也迫在眉睫。因此，設(shè)計(jì)了一種利用超聲波測(cè)距，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)，主要考慮它的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于操作。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波是指頻率高于 20 kHz的機(jī)械波。而倒車時(shí)，為了防止撞上障礙物，需要測(cè)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(gè)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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換成振動(dòng)發(fā)射超聲波;而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 (TOF,time of flight)[1]。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(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，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(lái)，超聲波接收器接收到反射回來(lái)的波就立即停止計(jì)時(shí)，計(jì)算出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回時(shí)所用的時(shí)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(jì)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(jī) AT89C51編寫(xiě)程序產(chǎn)生方波，通過(guò) P1.0 口輸出40 kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)超聲波發(fā)射電路中CD4069放大后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭UCM40T，產(chǎn)生超聲波。傳播過(guò)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(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻涣麟妷盒盘?hào)，經(jīng)超聲波接收電路中CX20106A進(jìn)行處理，通過(guò)7腳輸出，作為一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)進(jìn)行處理。在單片機(jī)發(fā)射方波的同時(shí)，也就是超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波的同時(shí)開(kāi)啟單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0，通過(guò)定時(shí)器來(lái)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)超聲波接收電路收到超聲波反射波時(shí)，超聲波接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)低電平輸出到 INTO端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)AT89C51響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序，根據(jù)定時(shí)器的值讀取時(shí)間差，通過(guò)公式 S=V×t /2計(jì)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(bào)警距離0.5 m，則單片機(jī)AT89C51便給 P2.5口一個(gè)低電平信號(hào)，使得報(bào)警電路工作，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)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(gè)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(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器（ROM）和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)單元，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。

AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，它有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外部中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口。AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本[2]。

3.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路主要由驅(qū)動(dòng)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(jí)加上脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的頻率時(shí)就會(huì)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(shí)使用的是壓電陶瓷傳感器，其驅(qū)動(dòng)頻率為40 kHz，因此通過(guò)單片機(jī)P1.0口產(chǎn)生40 kHz的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(dòng)能力，也能增強(qiáng)接收信號(hào)，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(lái)完成信號(hào)的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢測(cè)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(hào)，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(hào)，接收電路接收后送到CX20106A的1腳，為信號(hào)的輸入端，經(jīng)過(guò)前置放大器的放大，限幅放大器的放大，由于其有自動(dòng)增益控制功能，可以保證超聲傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器具有較高的增益，而在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)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(guò)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(hào)。CX20106A接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以滿足超聲波接收電路的要求。同時(shí)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(bào)警報(bào)警電路

如圖4所示，聲報(bào)警電路選用壓電式蜂鳴器，它大約需要10 mA的驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。光報(bào)警電路如圖5所示，當(dāng)單片機(jī)p2.5口輸出低電平時(shí)，二極管導(dǎo)通，燈亮發(fā)出光報(bào)警信號(hào)。

圖4 聲報(bào)警電路

圖5 光報(bào)警電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先，微處理器AT89C51先把P1.0置0，通過(guò)軟件編程產(chǎn)生方波，送給超聲波傳感器，通過(guò)壓電陶瓷晶片發(fā)射超聲波（40 kHz方波），延時(shí)300 us左右（或者大于這個(gè)時(shí)間，這個(gè)延時(shí)是為了避免超聲波直接對(duì)反射過(guò)來(lái)的波的干擾，它決定了盲區(qū)的大小，延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，盲區(qū)越大，300 us延時(shí)大概是10 cm的盲區(qū)）抑制輸出干擾，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)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(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，表明信?hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷處理程序，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器T0。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(jìn)行聲光報(bào)警。

程序啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行初始化，接著是一個(gè)不斷發(fā)射方波的過(guò)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(huì)在延時(shí)等待的過(guò)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(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先是關(guān)閉中斷，讀取定時(shí)器的時(shí)間t，根據(jù)時(shí)間，用超聲波測(cè)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(jì)算的結(jié)果，將距離顯示到LED數(shù)碼管上。同時(shí)判斷距離是否小于0.5 m，如果小于0.5 m，就進(jìn)行聲光報(bào)警。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jià)比?？梢詰?yīng)用到汽車倒車場(chǎng)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(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小誤差，增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

[1]何希才.傳感器及其應(yīng)用電路[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:34-44.

[2]雷國(guó)偉，陳浩，張學(xué)榮,等.基于單片機(jī)的彩色圖像混沌保密通信[J].通信技術(shù),2009,42(11)：108-109.

[3]戴曰章.基于 AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].計(jì)量與測(cè)量技術(shù)，2005(32):17-19.

[4]張珩.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)[J].機(jī)械與電氣，2009(09):61-62.