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
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 的驅動電流。當單片機輸出低電平時，三極管導通，蜂鳴器報警。光報警電路如圖5 所示，當單片機p2.5 口輸出低電平時，二極管導通，燈亮發出光報警信號。
圖4 聲報警電路
圖5 光報警電路
4 系統軟件設計
首先，微處理器AT89C51 先把P1.0 置0，通過軟件編程產生方波，送給超聲波傳感器，通過壓電陶瓷晶片發射超聲波（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，它決定了盲區的大小，延時時間越長，盲區越大，300 us 延時大概是10 cm 的盲區）抑制輸出干擾，同時啟動內部定時器T0 開始計時。當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為低電平，表明信號已經返回，微處理器進入中斷處理程序，同時關閉定時器T0。再把定時器中的數據經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 數碼管上。然后再根據相應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，接著是一個不斷發射方波的過程，即調用發射子程序幾遍，而且每次發射周期結束后都會在延時等待的過程中判斷是否發生了中斷，即是否有反射回波產生，當有反射回波產生時，進入中斷服務程序，首先是關閉中斷，讀取定時器的時間t，根據時間，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射器之間的距離，根據計算的結果，將距離顯示到LED 數碼管上。
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 結語
該系統利用51 系列單片機設計，設計簡單，操作方便。
經實驗測試證明，該系統工作穩定，能滿足倒車防撞的要求，且成本較低，具有良好的性價比。可以應用到汽車倒車場合。
由于超聲波受外界環境的影響，所以該系統存在一定的誤差，可以進行溫度補償，減小誤差，增強系統性能。