基于單片機(jī)的超聲波汽車報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于單片機(jī)與超聲波結(jié)合的倒車報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，本系統(tǒng)采用NE555和CX20106A構(gòu)建超聲波發(fā)射與接收電路，通過(guò)單片機(jī)與數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)測(cè)距計(jì)算與實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)用戶還可以通過(guò)按鍵設(shè)置倒車報(bào)警距離，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的報(bào)警距離時(shí)系統(tǒng)將進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。另外系統(tǒng)設(shè)置了分段指示燈(倒車安全、注意倒車、倒車危險(xiǎn))，提高了倒車安全系數(shù)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在10～250 cm范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距，且通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示倒車距離，并進(jìn)行聲光報(bào)警。本系統(tǒng)彌補(bǔ)了中、低端汽車報(bào)警系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距和實(shí)時(shí)顯示倒車距離的問(wèn)題，具有集成度高、測(cè)量范圍廣、成本低等特點(diǎn)，能滿足駕駛員在實(shí)際倒車中的需求，具有一定的理論和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波測(cè)距；語(yǔ)音報(bào)警；超聲波發(fā)射電路；超聲波接收電路

    目前汽車報(bào)警裝置已被廣泛應(yīng)用，并種類繁多，但大多報(bào)警裝置均有其局限性。如早期出現(xiàn)的紅外報(bào)警系統(tǒng)，最大的缺點(diǎn)是紅外線波易受干擾，整個(gè)系統(tǒng)的警示音常呈現(xiàn)不穩(wěn)定的亂鳴狀態(tài)，另外對(duì)深黑色粗糙表面物體的反應(yīng)也較差。更糟糕的是，無(wú)論是紅外線發(fā)射器或接收器，只要有一層薄薄的冰雪或泥塵將其覆蓋，系統(tǒng)就會(huì)失效。最近在歐美出現(xiàn)了一種電磁感應(yīng)倒車?yán)走_(dá)，此種裝置價(jià)格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝困難(必須卸下保險(xiǎn)杠貼在內(nèi)側(cè))，而且只能探測(cè)動(dòng)態(tài)物品，當(dāng)車在后退行進(jìn)時(shí)，可探測(cè)到物體，但車一旦停止后退行進(jìn)，則任何物體都不被認(rèn)可。
    本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)與超聲波結(jié)合的倒車報(bào)警系統(tǒng)除具有普通倒車?yán)走_(dá)的作用外，用戶還可以根據(jù)個(gè)人的需要設(shè)定汽車離阻擋物報(bào)警的距離，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到汽車倒車的時(shí)候離阻擋物的距離；另外本系統(tǒng)除具有語(yǔ)音報(bào)警外，還可通過(guò)分段指示燈，實(shí)現(xiàn)聲與光的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)框圖
    此倒車報(bào)警系統(tǒng)主要是利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將超聲波測(cè)距的原理和AT89C52單片機(jī)結(jié)合于一體，設(shè)計(jì)出一種基于單片機(jī)的汽車倒車報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。

    根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)產(chǎn)生。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路框圖
    單片機(jī)AT89C52作為主控器，上電復(fù)位。XTAL1和XTAL2接12 MHz晶振與電容構(gòu)成的時(shí)鐘電路。P1．0控制由555定時(shí)器及超聲波換能器CSB40T組成的發(fā)射電路發(fā)射超聲波。超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，經(jīng)傳感器，濾波電容，放大器，電壓比較器傳給單片機(jī)的INT0口一個(gè)低電平。P1．1、P1．2、P1．3和P1．7分別控制綠、黃、紅指示燈和蜂鳴器。P0口接4位共陽(yáng)極數(shù)碼管，P2口的低四位控制數(shù)碼管的位選。其硬件框圖如圖2所示。

2．2 超聲波的計(jì)算
    超聲波測(cè)距的原理如圖3所示，即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波信號(hào)遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就會(huì)被超聲波接收器R接收到，此時(shí)只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。
    該距離的計(jì)算公式為：
    其中，d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離；s為聲波往返的路程；v為聲速；t為聲波往返所用的時(shí)間。

    由于超聲波也是一種聲波，其速度v與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可以認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右越陶?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用抗干擾措施。
2．3 發(fā)射電路設(shè)計(jì)
    超聲波發(fā)送電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭(又稱“超聲波換能器”)選用CSB40T。40 kHz的超聲波是利用555時(shí)基電路振蕩驅(qū)動(dòng)超聲波探頭產(chǎn)生的。
    超聲波發(fā)射電路圖如下圖3所示，其中R2為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，使之與換能器的40 kHz固有頻率一致。
    555定時(shí)器的3腳是復(fù)位端，利用它來(lái)控制超聲波脈沖的發(fā)射。當(dāng)4腳為高電平時(shí)，555有振蕩脈沖輸出；為低電平時(shí)，555定時(shí)器清零，沒(méi)有輸出。因而，將4腳與單片機(jī)的控制信號(hào)相接就可以控制發(fā)射電路。為保證555時(shí)基電路具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，宜采用+12 V電源供電。4腳為超聲波發(fā)射控制信號(hào)輸入端，由單片機(jī)P1．0進(jìn)行控制。
2．4 接收電路設(shè)計(jì)
    集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率為38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，所以可以利用它做超聲波的檢測(cè)接收電路。
    超聲波測(cè)距系統(tǒng)的接收電路如圖4所示。超聲波接收換能器將接收到的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)0．056μF的電容初步濾波后，進(jìn)入CX20106A的1腳，經(jīng)過(guò)CX20106A的前置放大器，限幅放大，帶通濾波器(中心頻率為40 kHz)，檢波器及比較器，最后經(jīng)過(guò)內(nèi)部的整形電路，從7腳輸出至AT89C52單片機(jī)的外部中斷0(P3．2)口。當(dāng)芯片接收到40 kHz的信號(hào)時(shí)，7腳的輸出由高電平轉(zhuǎn)為低電平，單片機(jī)外部中斷0口檢測(cè)到輸入信號(hào)的下降沿或低電平時(shí)，立即產(chǎn)生中斷，同時(shí)停止定時(shí)／計(jì)數(shù)器，從而得到超聲波的回波時(shí)間t。
2．5 報(bào)警與顯示電路
    1)聲光報(bào)警電路
    光報(bào)警電路由單片機(jī)P1．1、P1．2、P1．3輸出高低電平來(lái)控制，P1．6端口控制蜂鳴器，輸出PWM波，由用戶通過(guò)按鍵設(shè)定報(bào)警距離。當(dāng)達(dá)到用戶設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，P1．6腳輸出PWN波。其中PWM(Pulse Width Modulation)是一種脈寬調(diào)制技術(shù)。所謂PWM控制技術(shù)就是控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，可以用這種來(lái)代替正弦波或其它所需要的波形。電路如圖5所示。

    2)語(yǔ)音報(bào)警電路
    語(yǔ)音報(bào)警電路采用語(yǔ)音芯片TH040來(lái)實(shí)現(xiàn)：TH040型智能語(yǔ)音芯片是具有40秒語(yǔ)音燒錄功能的高質(zhì)量智能語(yǔ)音芯片，支持PWM這種高質(zhì)量、高速率的語(yǔ)音輸出方式，而且有8個(gè)輸入／輸出腳位可供選擇。接法與管腳圖如圖6所示。用語(yǔ)音芯片時(shí)都要給語(yǔ)音芯片一個(gè)大于100 μs時(shí)間的復(fù)位高電平。接著再給TG2幾個(gè)脈沖TH040芯片就發(fā)出第幾段語(yǔ)音。
    3)顯示及按鍵電路
    顯示電路采用四位共陽(yáng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)，采用動(dòng)態(tài)顯示方法。用戶可以通過(guò)按鍵設(shè)置報(bào)警距離。

3 軟件部分的設(shè)計(jì)
    超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序、按鍵中斷與加減計(jì)數(shù)字程序、PWM波生成程序及顯示子程序組成。由于C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序具有較高的效率并且容易精確計(jì)算，故采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言結(jié)合編寫(xiě)。主程序流程圖如圖7所示。

3．1 超聲波的發(fā)射
    超聲波40 kHz是由芯片NE555構(gòu)成的硬件電路產(chǎn)生的，故要用P1．0控制發(fā)射及關(guān)斷時(shí)間，P1．0為高電平時(shí)發(fā)射超聲波，反之則不發(fā)出超聲波。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一次發(fā)出4個(gè)超聲波脈沖比較合適，因?yàn)槌暡òl(fā)射出去的同時(shí)不能打開(kāi)INT0中斷，以防超聲波剛發(fā)出就被超聲波接收探頭接收，以至不能實(shí)現(xiàn)測(cè)距。4次超聲波的發(fā)射需要時(shí)間125μs，故發(fā)出超聲波的端口P1．0需要能保持125μs的高電平；發(fā)送結(jié)束后給標(biāo)志位置0。
3．2 超聲波的接收
    等待接收超聲波回波，有回波了就會(huì)在INT0口產(chǎn)生低電平，產(chǎn)生中斷，執(zhí)行計(jì)算距離，送數(shù)碼管顯示。實(shí)驗(yàn)證明CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。
3．3 報(bào)警與顯示電路流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)與數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)測(cè)距計(jì)算與實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)用戶還可以通過(guò)按鍵設(shè)置倒車報(bào)警距離，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的報(bào)警距離時(shí)系統(tǒng)將進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，方便用戶使用。另外系統(tǒng)設(shè)置了分段指示燈，提高了倒車安全系數(shù)。另外發(fā)射探頭的頻率信號(hào)來(lái)自單片機(jī)系統(tǒng)，準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠，而且可以隨時(shí)通過(guò)軟件編程來(lái)加以控制，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)發(fā)射探頭。本系統(tǒng)彌補(bǔ)了中、低端汽車報(bào)警系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距和實(shí)時(shí)顯示倒車距離的問(wèn)題，具有集成度高、測(cè)量范圍廣、成本低等特點(diǎn)，能滿足駕駛員在實(shí)際倒車中的需求，具有一定的理論和實(shí)用價(jià)值。