基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)

摘要：在此設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用超聲波傳感器將40 kHz的機(jī)械波發(fā)射到空氣中，經(jīng)障礙物反射后被超聲波傳感器接收，對(duì)接收后的信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理。最后將處理后的信號(hào)輸入到單片機(jī)中，通過單片機(jī)的顯示器輸出距離，并比較輸出距離與1 m，0．5 m的關(guān)系，分別發(fā)出不同的警報(bào)，即通過單片機(jī)及其外圍部件測(cè)量車和障礙物間的距離，最終實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)駕駛員倒車的功能。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)具有精確度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：超聲波；STC89c51；報(bào)警系統(tǒng)；倒車

0 引言
    超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩，由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等到優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于測(cè)量距離。本課題研究超聲波在空氣中傳播速度為340 m／s，運(yùn)用超聲波進(jìn)行距離的檢測(cè)，誤差小，成本也低，具有實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)原圖如圖1所示。

    硬件主要有超聲波發(fā)射和接收電路，單片機(jī)處理電路，顯示電路和警報(bào)電路。
1．1 超聲波發(fā)射電路
    通過單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的脈沖，經(jīng)過三級(jí)放大器后傳遞給超聲波發(fā)射傳感器，超聲波發(fā)射傳感器采用CSB40T，傳感器將接收到的脈沖信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部振蕩器轉(zhuǎn)化為機(jī)械波在空氣中傳播。超聲波是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波。發(fā)射和接收超聲波的裝置叫作超聲波傳感器。超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)將電能和超聲波進(jìn)行轉(zhuǎn)化，發(fā)射超聲波時(shí)轉(zhuǎn)化電能，接收超聲波時(shí)，將振動(dòng)的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
    單片機(jī)P1．0產(chǎn)生40 kHz的脈沖，脈沖寬度為12．5μs，把脈沖波傳出的同時(shí)打開To計(jì)時(shí)器，計(jì)算超聲波在空氣中的時(shí)間。通過定時(shí)器1產(chǎn)生40 kHz的脈沖，用示波器測(cè)來決定定時(shí)器的初始值。脈沖經(jīng)由74HC04放大后傳給CSB40T傳感器，74HC04具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，是一個(gè)高速CMOS六反相器，CSB40T就把超聲波發(fā)射出去。
1．2 超聲波接收電路
    超聲波以機(jī)械波的形式傳播，而單片機(jī)只能處理脈沖波，所以超聲波經(jīng)過接收傳感器后既要通過放大又要經(jīng)過整流。超聲波接收電路包括超聲波傳感器，放大器，濾波整形等電路。
    空氣中的超聲波能量低所以要經(jīng)過放大后才不會(huì)被噪聲淹沒，所以放大器增益要夠大并且增益可調(diào)，而超聲波接收傳感器型號(hào)要與發(fā)射探頭一致，這樣會(huì)選擇性的接收40 kHz機(jī)械波，從而濾除其他頻率的噪聲。整形電路就是將接收到的機(jī)械波通過比較器轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可接受的脈沖波，用脈沖波的第一個(gè)上升沿去接D觸發(fā)器的時(shí)鐘，這樣就可以將觸發(fā)器的Q的非接單片機(jī)的外部中斷，外部中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)，這樣就把車與障礙物之間的傳播時(shí)間測(cè)出來了。放大器采用通用的LM324，每一級(jí)放大倍數(shù)為10，比較器采用LM393。LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，采用2個(gè)內(nèi)部補(bǔ)償，二級(jí)運(yùn)算放大器，第一級(jí)不僅完成增益功能，還完成電平移動(dòng)和減小跨導(dǎo)的功能。而且，單電源模式下無論是輸入器件還是差動(dòng)到單端變換器都不會(huì)飽和，第二級(jí)含標(biāo)準(zhǔn)電流源負(fù)載放大器級(jí)。圖2為一級(jí)放大器。

    LM393是由2個(gè)獨(dú)立的高精度電壓比較器的集成電路，失調(diào)電壓低，無論電源大小，電源消耗的電流都很低，即使是單電源供電，比較器的共模輸入電壓范圍接近地電平。它具有的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是，雙電源供電時(shí)，它能兼容CMOS邏輯電路。具有成本低優(yōu)點(diǎn)。本文采用方案一。圖3為比較整流器。

1．3 報(bào)警電路
    采用常用的蜂鳴器，如果計(jì)算出的距離小于1 m大于0．5 m時(shí)，蜂鳴器間斷性的發(fā)出滴滴聲，當(dāng)距離小于0．5 m時(shí)，蜂鳴器連續(xù)的響，以提示駕駛員倒車時(shí)注意間距。也可以采用自動(dòng)語音電路，但如果僅僅起到報(bào)警功能的話，有不同的警報(bào)聲就可以了。該方案不僅可以達(dá)到預(yù)想功能，還有電路簡(jiǎn)單、成本低、易編程等優(yōu)點(diǎn)。
1．4 顯示電路
    使用2個(gè)數(shù)碼管，當(dāng)距離在0．5 m和1 m之間時(shí)顯示11，距離小于0．5 m時(shí)顯示00。數(shù)碼管簡(jiǎn)單實(shí)用，編程簡(jiǎn)單，成本低。數(shù)碼管位選接在P2．0和。P2．1口，段選接在P0．0～P0．7口。使用上拉電阻驅(qū)動(dòng)。選用共陰極。本文采用方案一。
1．5 單片機(jī)介紹
    STC89C51有4組8位的并行I／O口，RAM為128 B，4 KB的FLASH，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器外部可擴(kuò)展到64 KB。1個(gè)全雙工的串行口。5個(gè)中斷源，(順序分別為：外部中斷0，外部中斷1，定時(shí)器0，定時(shí)器1，串行中斷)，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器(有4種工作方式)。本文使用外部中斷零和定時(shí)器0和1。定時(shí)器1中斷時(shí)P1．0口就反相，結(jié)果輸出所需的脈沖。定時(shí)器0用來記錄脈沖發(fā)射到脈沖接收到的時(shí)間。單片機(jī)不斷檢測(cè)外部中斷0，一有中斷即表示已接收超聲波。定時(shí)器有4種工作方式，本文采用方式2，即M1，M0為10。定時(shí)器為自動(dòng)恢復(fù)初值的8位定時(shí)器。即當(dāng)TLx計(jì)數(shù)溢出時(shí)，在溢出標(biāo)志TFx置1的同時(shí)，還自動(dòng)將THx中的初值送至TLx，使TLX從初值開始重新計(jì)數(shù)。并且當(dāng)有溢出標(biāo)志置1時(shí)，定時(shí)器就進(jìn)入中斷。定時(shí)器1進(jìn)入中斷后，P1．0反轉(zhuǎn)，定時(shí)器0進(jìn)入中斷后，時(shí)間加一周期。單片機(jī)晶振為11．1592 MHz，一個(gè)指令周期約為1μs，40 MHz的脈沖一周期為25μs。所以通過設(shè)置定時(shí)器的初值用示波器測(cè)出產(chǎn)生的脈沖周期。

2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)模塊化，由超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序、數(shù)碼管顯示子程序、警告子程序、距離計(jì)算子程序及主程序組成。算法框圖如圖4所示。C語言具有移植性好等優(yōu)點(diǎn)。本文采用C語言編程，Keil軟件編譯，Protues或Prote199se畫圖。先初始化，定義位聲明等，發(fā)射超聲波時(shí)打開定時(shí)器，檢測(cè)到超聲波時(shí)先關(guān)閉定時(shí)器，關(guān)閉中斷以防止嵌入中斷下擾，調(diào)用距離測(cè)量子程序，若距離在危險(xiǎn)距離時(shí)顯示系統(tǒng)就工作并且打開警報(bào)系統(tǒng)，然后讓中斷恢復(fù)。

3 系統(tǒng)仿真過程
    (1)單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz脈沖產(chǎn)生了周期為25μs左右的脈沖波。單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的方波如圖5所示。

    (2)接收的波經(jīng)過比較器后為脈沖波，最終單片機(jī)要接收的信號(hào)如圖6所示。

4 結(jié)語
    本文使用超聲波的速度為340 m／s，超聲波傳播的速度與溫度有關(guān)，本文沒有用溫度傳感器實(shí)時(shí)的測(cè)量空氣溫度；超聲波發(fā)射時(shí)會(huì)留有余波，所以在超聲波發(fā)射的同時(shí)就打開定時(shí)器記錄時(shí)間可能會(huì)受余波的影響，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算距離誤差。
    該系統(tǒng)是基于8051單片機(jī)，利用超聲波進(jìn)行距離檢測(cè)的設(shè)計(jì)，通過超聲波在空氣中的傳播速度和所用時(shí)間測(cè)出車與障礙物間的距離，當(dāng)車與障礙物之間的距離小于一定值時(shí)警報(bào)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，而且不同距離的警報(bào)聲是不同的。警報(bào)響的同時(shí)數(shù)碼管顯示大致的距離，提示駕駛員倒車注意，預(yù)防可能出現(xiàn)的摩擦或碰撞，減小可能存在的倒車隱患。該設(shè)計(jì)具有精確度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。