超聲波倒車防撞系

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，根據超聲波測距原理，將實時信號送給單片機，單片機實現距離的計算、顯示、報警，當在探測范圍內有障礙物時，并且障礙物的距離小于報警距離時，發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。經驗證，此系統實現了超聲波倒車防撞系統各功能，且該系統實時性較穩定，誤差距離比較小。

0 引言

隨著中國汽車數量的不斷增多，道路擁堵，交通事故頻發，給人們生活帶了諸多不便，安全成為了第一要素，汽車防撞系統的設計和需求也迫在眉睫。因此，設計了一種利用超聲波測距，通過單片機實現的倒車防撞報警系統，主要考慮它的設計簡單，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送器和超聲波接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換成振動發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。

超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 （TOF,time offlight）。超聲波發射傳感器向某一方向發射超聲波，在發射同時開始計時，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 系統總體電路

單片機AT89C51 編寫程序產生方波，通過P1.0 口輸出40 kHz 的脈沖信號，經超聲波發射電路中CD4069 放大后驅動超聲波發射探頭UCM40T，產生超聲波。傳播過程中遇到障礙物后產生回波送入超聲波接收器，接收探頭采用和發射探頭配對的UCM40R，將超聲波調制脈沖變為交流電壓信號，經超聲波接收電路中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。在單片機發射方波的同時，也就是超聲波發射電路發射超聲波的同時開啟單片機內部定時器T0，通過定時器來記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當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生一個低電平輸出到INTO端產生一個中斷請求信號，單片機AT89C51 響應外部中斷請求，執行外部中斷服務程序，根據定時器的值讀取時間差，通過公式S =V × t / 2計算相應的距離，并將結果顯示到LED數碼管上。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，實現聲光報警。

圖1 系統總體框圖

3 系統硬件電路

3.1 AT89C51

AT89C51 是一個低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器，片內含4 KB 的可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器（ROM）和128 B 的隨機存取數據存儲器（RAM），與標準MCS-51 指令系統和管腳兼容，片內置通用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，同時內含2 個外部中斷，2 個16 位可編程定時計數器，2 個全雙工串行通信口。

AT89C51 可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash 存儲器可有效地降低開發成本。

3.2 超聲波發射電路

超聲波發射電路主要由驅動電路CD4069 及超聲波發射器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生共振，產生超聲波。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，其驅動頻率為40 kHz，因此通過單片機P1.0 口產生40 kHz 的方波信號，經過雙路反相器處理在超聲波振蕩器的外接電路兩端產生振蕩，雙路反相器可以提高驅動能力，也能增強接收信號，抑制其他噪聲與干擾。超聲波發射探頭兩端產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。發射電路發出的脈沖信號，在碰到障礙物后，經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 腳的外接電阻調節，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 超聲波發射電路