劉 鑫，朱靖玉

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，公民汽車保有量大幅上升，同時(shí)也伴隨著出現(xiàn)了諸多問題，當(dāng)汽車行駛在道路狹窄的城市，像泊車、掉頭這類簡單的事對司機(jī)朋友們來說也成為了巨大的考驗(yàn)，由此造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失和不必要的爭執(zhí)。面對如此窘境，基于超聲波測距的倒車?yán)走_(dá)登上了歷史的舞臺(tái)并開始造福人類。倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示方式，告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和啟動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。系統(tǒng)采用基于單片機(jī)控制的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，由單片機(jī)控制時(shí)間計(jì)數(shù)，計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間，利用超聲波在空氣中的傳輸速度，從而得到實(shí)測距離。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)功能需要主要包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、報(bào)警電路以及顯示電路等，各信號線與控制線都接單片機(jī)，并在其指揮下統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，如圖1所示。駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，單片機(jī)AT89S52產(chǎn)生短暫的40 kHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波傳感器輸出，超聲波經(jīng)過障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進(jìn)行放大和比較，單片機(jī)將此信號經(jīng)過處理后，計(jì)算得到距離值，并將其送入顯示模塊，當(dāng)超過一定距離觸發(fā)報(bào)警電路，對駕駛員進(jìn)行提示。

圖1 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Reversing radar system block diagram

1.2 AT89S52單片機(jī)簡介

AT89S52[1]是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8 k字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，AT89S52擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。

AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 k字節(jié) Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式[2]?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。

1.3 超聲波傳感器原理與應(yīng)用

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠 成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。

超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。

超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：

1）工作頻率 工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

2）工作溫度 由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。

3）靈敏度 主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 超聲波發(fā)射電路

單片機(jī)AT89S52編程產(chǎn)生40 kHz的方波，由P1.1口輸出，由于信號較弱，無法直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，所以要再經(jīng)過放大電路，才能驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波[3]。發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是一個(gè)信號放大電路，本設(shè)計(jì)所選用的是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器LM386，超聲波發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路Fig.2 Ultrasonic transmitting circuit

2.2 超聲波接收電路

超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路3部分[4]，超聲波接收電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機(jī)接收，必須進(jìn)行波形變換。按照上面所討論的原理，單片機(jī)需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。

為減少負(fù)電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號放大和變換采用了一片LM324通用運(yùn)算放大器，前三級為放大器設(shè)計(jì)，后一級為比較器設(shè)計(jì)。合理調(diào)節(jié)電位器R12，選擇比較基準(zhǔn)電壓，可使測量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

圖3 超聲波接收電路Fig.3 Ultrasonic receiver circuit

2.3 顯示與報(bào)警電路

系統(tǒng)報(bào)警電路由一個(gè)三極管、一個(gè)蜂鳴器和一個(gè)電阻組成，其中R16的阻值為4.7 kΩ。當(dāng)?shù)管嚴(yán)走_(dá)探測到的距離小于一定值時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警?？刂品涿燮鞯木w管接單片機(jī)的P2.3引腳，其引腳電平為高時(shí)報(bào)警。其電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 顯示與報(bào)警電路Fig.4 The display and alarm circuit

在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用[5]。程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1 ms（這也就是測距器會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用12 MHz的晶振，機(jī)器周期為1 μs，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按下面公式計(jì)算即可測得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為344 m/s則有：d=9（C×To）÷2=72×T0÷10 000cm （其中 T0為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值）。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼的方式顯示，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測量。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

4 抗干擾設(shè)計(jì)

由于倒車?yán)走_(dá)的工作環(huán)境比較容易受外界的振動(dòng)、沖擊、電磁等干擾，必須在硬件和軟件設(shè)計(jì)中考慮抗干擾的能力。本設(shè)計(jì)在電源的輸入端串聯(lián)了一個(gè)LC濾波器和扼流圈，防止干擾信號的串入；在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)增加了信號隔離、接地屏蔽；軟件設(shè)計(jì)時(shí)對脈沖信號進(jìn)行了濾波。

5 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的是基于AT89S52單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)[6]，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗干擾性能好，可應(yīng)用于汽車倒車等場合，提醒駕駛員倒車時(shí)有效地避開可能對倒車造成危害的障礙物和行人，從而有效避免由于倒車造成的汽車碰撞或擦傷經(jīng)濟(jì)損失和人身安全問題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。當(dāng)然，要滿足更高的精度要求，還須進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，例如可增加溫度補(bǔ)償單元；在某些特殊場合的應(yīng)用中，還要考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素。

[1]沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[2]魏澤鼎.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社.2005.

[3]朱利娜.基于單片機(jī)的超聲測距倒車?yán)走_(dá)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（23）：73.ZHU Li-na.Study of ultrasonic distance-measurement automobile-reversing radar based on microcontroller[J].Microcomputer Information，2007，23（23）:73.

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[5]張春光.基于單片機(jī)的超聲波測距儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2008，36（7）：209-211.ZHANG Chun-guang. Design of ultrasonic distance measurement system based on microprocessor[J].Machine Tool&Hydraulics，2008，36（7）：209-211.

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