陳誠(chéng)， 戴爾晗

　　（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

摘要：設(shè)計(jì)了一種以AT89S52單片機(jī)為主控件的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射、接收檢測(cè)電路和報(bào)警電路組成。利用最近反射物的判別原則比較測(cè)量距離與設(shè)定距離，將測(cè)量結(jié)果以蜂鳴器報(bào)警和LED閃爍形式呈現(xiàn)出來(lái)。該系統(tǒng)測(cè)量精度較高、反應(yīng)靈敏，可以對(duì)車后多方位障礙物的距離遠(yuǎn)近進(jìn)行報(bào)警。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；超聲波；多方位

0引言

　　現(xiàn)有汽車的倒車?yán)走_(dá)、倒車視頻影像測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)主要的功能都是用于倒車時(shí)水平方向的防撞。對(duì)于汽車倒車時(shí)背后有深坑、懸崖或水塘的情況，現(xiàn)有的汽車倒車報(bào)警系統(tǒng)不提供報(bào)警，從而導(dǎo)致人、車出現(xiàn)險(xiǎn)情，汽車的保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)漏洞。近年來(lái)，一些高檔車可以選擇配置泊車?yán)走_(dá)(車前)、自動(dòng)泊車入位、并線輔助裝置，其原理也與人們常見(jiàn)的倒車?yán)走_(dá)類似。但是，對(duì)于汽車在倒車時(shí)遇到司機(jī)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的深坑、懸崖或水塘的情況，目前尚無(wú)此類報(bào)警系統(tǒng)。為了減少汽車在山區(qū)或旅游景點(diǎn)地區(qū)的盤(pán)山道路上彎多路窄、懸崖陡坡以及停車場(chǎng)的墜落事故，本文設(shè)計(jì)一種汽車倒車多方位測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)，用以提高汽車的行車安全保障系數(shù)。

1準(zhǔn)備知識(shí)

　　1.1超聲測(cè)距原理

　　系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

　　利用超聲波在空氣中的傳播速度（340 m/s）為已知，測(cè)量超聲波在發(fā)射后遇到障礙物再反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。

　　當(dāng)超聲發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波遇到反射物反射，被超聲接收探頭接收，如果超聲探頭與障礙物之間的距離為L(zhǎng)，定時(shí)器記錄超聲波折返所用的時(shí)間為Δt，V為超聲波的波速（超聲波在空氣中的傳播速度約為340 m/s），那么就可以計(jì)算出超聲波的發(fā)射點(diǎn)距障礙物之間的距離為：

　　L=(V×Δt)/2（1）

　　超聲波距離測(cè)量原理圖［1］如圖2所示。

　　圖2超聲波距離測(cè)量原理圖原則上反射的超聲波應(yīng)遵循反射定律，但一般物體的表面都不是很光滑的，所以在粗糙的路面反射的超聲波實(shí)際上會(huì)以漫反射的形式向各個(gè)方向反射。其中必然有一部分超聲波會(huì)反射回原超聲波的發(fā)射點(diǎn)位置。如果在原超聲發(fā)射點(diǎn)處又設(shè)置有一個(gè)超聲接收探頭，就能探測(cè)到超聲波從反射物直接反射回來(lái)的回波。

　　1.2最近反射物的判別原則［23］

　　如果從超聲波發(fā)射探頭僅發(fā)出一個(gè)脈沖波，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，超聲波接收探頭實(shí)際上會(huì)依次接收到多個(gè)反射的脈沖信號(hào)。這是因?yàn)榻邮盏降某暡ㄐ盘?hào)中不僅有直接反射信號(hào)，還有在不同的反射物之間經(jīng)多次反射后再到達(dá)接收探頭的信號(hào)。但只要超聲波是從其他物體上進(jìn)行了兩次以上的反射，波到達(dá)接收探頭時(shí)所經(jīng)過(guò)的路程必然會(huì)大于從目標(biāo)物直接反射到接收探頭的路程，所以兩次以上的反射波到達(dá)接收探頭的時(shí)間會(huì)比直接反射波有滯后。根據(jù)這一原理，超聲接收探頭所接收到的第一個(gè)脈沖信號(hào)就只能是從最近的反射物直接反射回來(lái)的波。當(dāng)汽車倒車時(shí)，如果后面是一片平地，向后下方的超聲探頭的發(fā)射方向又保持不變，那么最近反射物的距離將基本保持不變，即超聲回波的第一個(gè)脈沖與發(fā)射信號(hào)的時(shí)差應(yīng)保持大體不變。但當(dāng)汽車的后下方出現(xiàn)一個(gè)深坑、懸崖時(shí)，第一個(gè)反射脈沖的時(shí)差就會(huì)異常地增大或者消失（反射物太遠(yuǎn)以致反射波測(cè)不到），根據(jù)這一情況就可判斷在汽車的背后出現(xiàn)了深坑或懸崖。

2硬件電路設(shè)計(jì)［45］

　　控制系統(tǒng)［6］在單片機(jī)內(nèi)部程序的控制下，超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，在超聲波遇到障礙物后，部分超聲波反射回來(lái)被超聲波接收探頭接收，信號(hào)輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行中斷和數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算出發(fā)射探頭到障礙物距離并與設(shè)定值進(jìn)行比較，再由蜂鳴器報(bào)警提示，以達(dá)到安全倒車的目的?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖3所示。

　　2.1超聲波的發(fā)射電路［7］

　　超聲波發(fā)射電路由超聲波發(fā)射探頭和放大電路組成。超聲波發(fā)射探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，單片機(jī)自發(fā)產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要放大才能驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭將超聲波發(fā)射出去，本設(shè)計(jì)選用74HC04芯片進(jìn)行信號(hào)放大，74HC04內(nèi)含6組反相器，低電平輸入則高電平輸出，超聲波發(fā)射電路如圖4所示。

　　2.2超聲波的接收電路［7］

　　超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后其中一部分超聲波會(huì)返回，也就是說(shuō)超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)有衰減。如果傳播距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路就會(huì)接收到比較微弱的超聲波返回信號(hào)，因此需要放大接收到的返回信號(hào)，放大的倍數(shù)也要比較大。水平方向超聲波接收電路主要是由CX20106A紅外遙控接收器集成芯片及外接電路構(gòu)成的，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，單片機(jī)立即停止計(jì)時(shí)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。水平方向超聲波接收電路如圖5所示。

　　豎直接收電路比水平接收電路多一個(gè)比較電路部分，輸入兩個(gè)電壓，以低電平有效輸出，如圖6所示。

　　23報(bào)警裝置與鍵盤(pán)控制

　　報(bào)警模塊通過(guò)單片機(jī)給定不同頻率利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音，另一個(gè)就是通過(guò)發(fā)光二極管不同的顏色來(lái)定義不同的意義，如圖7所示。

　　鍵盤(pán)主要用于水平回波時(shí)間的設(shè)定以及豎直方向距離調(diào)整，如圖8所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［8］

　　本設(shè)計(jì)采用模塊化［9］的思路來(lái)設(shè)計(jì)和編寫(xiě)程序，程序主要由系統(tǒng)主程序、子程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序完成單片機(jī)的初始化、超聲波的發(fā)射和接收、計(jì)算超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離、蜂鳴器報(bào)警和LED的閃爍等。主程序如圖9所示。

　　圖8鍵盤(pán)控制圖9主程序超聲波接收電路在接收到超聲波回波后向單片機(jī)發(fā)出有效信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)外部中斷的改變記錄回波信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，中斷發(fā)生之后就表示已經(jīng)接收到了回波信號(hào)，這時(shí)停止計(jì)時(shí)，并且讀取計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，這個(gè)數(shù)值就是需要進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間差的數(shù)據(jù)。

　　3.1中斷處理程序

　　計(jì)算水平方向的車尾與障礙物之間的距離是INT0的中斷程序，豎直方向的距離是INT1的中斷程序。根據(jù)前面對(duì)超聲接收電路的分析，在超聲波接收探頭接收到超聲波回波信號(hào)后，超聲波接收電路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平送至單圖10中斷子程序片機(jī)的P32引腳使系統(tǒng)中斷，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理程序。進(jìn)入中斷處理后，定時(shí)器time1和外部中斷0就立即被關(guān)閉，同時(shí)讀取時(shí)間值，并給回波接收標(biāo)志位清零即成功接收到回波信號(hào)。中斷子程序流程圖如圖10所示。

　　3.2蜂鳴器報(bào)警程序

　　主程序根據(jù)距離計(jì)算公式計(jì)算數(shù)據(jù)即距離結(jié)果的遠(yuǎn)近，通過(guò)蜂鳴器的鳴叫的頻率來(lái)分辨。在本設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)P37引腳來(lái)產(chǎn)生不同頻率的方波來(lái)控制蜂鳴器產(chǎn)生不同頻率的“滴滴”聲，且距離障礙物越近鳴叫頻率越高。

　　當(dāng)?shù)管嚲嚯x大于30 cm時(shí),語(yǔ)音提示為“倒車安全”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x在15~30 cm之間時(shí),語(yǔ)音提示為“倒車”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x在10~15 cm時(shí),語(yǔ)音提示為“倒車小心”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x在5~10 cm時(shí), 語(yǔ)音提示為“倒車危險(xiǎn)”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于5 cm 時(shí),語(yǔ)音提示為“非常危險(xiǎn),緊急停車”。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了以89S52單片機(jī)為核心，同時(shí)以超聲波測(cè)距為主的顯示報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)超聲波傳感器采集數(shù)據(jù)，由單片機(jī)控制核心快速地計(jì)算出發(fā)射探頭到障礙物的距離并通過(guò)LED的閃爍同時(shí)利用蜂鳴器鳴叫進(jìn)行聲音報(bào)警提示，在實(shí)物模擬過(guò)程中測(cè)距精度達(dá)到5 cm高精度，測(cè)距盲區(qū)大約10 cm，小車模型超聲波模塊測(cè)距時(shí)存在的死區(qū)大約為10 cm，而實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量距離范圍要遠(yuǎn)大于10 cm，測(cè)量的誤差比較小，滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)對(duì)汽車倒車?yán)走_(dá)的市場(chǎng)具有一定的理論和研究?jī)r(jià)值。

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