摘 要：利用ATMEL 公司的AT89C51 單片機(jī)接收超聲波傳感器的測(cè)距信號(hào)，根據(jù)超聲波測(cè)距原理，將實(shí)時(shí)信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)距離的計(jì)算、顯示、報(bào)警，當(dāng)在探測(cè)范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，并且障礙物的距離小于報(bào)警距離時(shí)，發(fā)光二極管以一定頻率閃爍，同時(shí)蜂鳴器提示報(bào)警，并顯示障礙物的距離。經(jīng)驗(yàn)證，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超聲波倒車防撞系統(tǒng)各功能，且該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較穩(wěn)定，誤差距離比較小。
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 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(shí)開始計(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，超聲波接收器接收到反射回來的波就立即停止計(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 編寫程序產(chǎn)生方波，通過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)開啟單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0，通過定時(shí)器來記錄超聲波發(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)擦寫的Flash 存儲(chǔ)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(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，因此通過單片機(jī)P1.0 口產(chǎn)生40 kHz 的方波信號(hào)，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(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(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(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)反射過來的波的干擾，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
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。