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[導(dǎo)讀]摘 要:利用ATMEL 公司的AT89C51 單片機(jī)接收超聲波傳感器的測(cè)距信號(hào),根據(jù)超聲波測(cè)距原理,將實(shí)時(shí)信號(hào)送給單片機(jī),單片機(jī)實(shí)現(xiàn)距離的計(jì)算、顯示、報(bào)警,當(dāng)在探測(cè)范圍內(nèi)有障礙物時(shí),并且障礙物的距離小于報(bào)警距離時(shí),發(fā)

摘 要:利用ATMEL 公司的AT89C51 單片機(jī)接收超聲波傳感器的測(cè)距信號(hào),根據(jù)超聲波測(cè)距原理,將實(shí)時(shí)信號(hào)送給單片機(jī),單片機(jī)實(shí)現(xiàn)距離的計(jì)算、顯示、報(bào)警,當(dāng)在探測(cè)范圍內(nèi)有障礙物時(shí),并且障礙物的距離小于報(bào)警距離時(shí),發(fā)光二極管以一定頻率閃爍,同時(shí)蜂鳴器提示報(bào)警,并顯示障礙物的距離。經(jīng)驗(yàn)證,此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超聲波倒車防撞系統(tǒng)各功能,且該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較穩(wěn)定,誤差距離比較小。

0 引言

隨著中國(guó)汽車數(shù)量的不斷增多,道路擁堵,交通事故頻發(fā),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(tǒng)的設(shè)計(jì)和需求也迫在眉睫。因此,設(shè)計(jì)了一種利用超聲波測(cè)距,通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的倒車防撞報(bào)警系統(tǒng),主要考慮它的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于操作。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波是指頻率高于20 kHz 的機(jī)械波。而倒車時(shí),為了防止撞上障礙物,需要測(cè)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(fā)送器和超聲波接收器,但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時(shí)候,將電能轉(zhuǎn)換成振動(dòng)發(fā)射超聲波;而在收到回波的時(shí)候,則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 (TOF,time offlight)。超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射同時(shí)開始計(jì)時(shí),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(jì)時(shí),計(jì)算出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回時(shí)所用的時(shí)間t,常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為V=340 m/s,根據(jù)公式S =V × t / 2,就可以計(jì)算出障礙物到超聲波傳感器之間的距離。

2 系統(tǒng)總體電路

單片機(jī)AT89C51 編寫程序產(chǎn)生方波,通過P1.0 口輸出40 kHz 的脈沖信號(hào),經(jīng)超聲波發(fā)射電路中CD4069 放大后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭UCM40T,產(chǎn)生超聲波。傳播過程中遇到障礙物后產(chǎn)生回波送入超聲波接收器,接收探頭采用和發(fā)射探頭配對(duì)的UCM40R,將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻涣麟妷盒盘?hào),經(jīng)超聲波接收電路中CX20106A 進(jìn)行處理,通過7 腳輸出,作為一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào),送至單片機(jī)進(jìn)行處理。在單片機(jī)發(fā)射方波的同時(shí),也就是超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波的同時(shí)開啟單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0,通過定時(shí)器來記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)超聲波接收電路收到超聲波反射波時(shí),超聲波接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)低電平輸出到INTO端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào),單片機(jī)AT89C51 響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求,執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序,根據(jù)定時(shí)器的值讀取時(shí)間差,通過公式S =V × t / 2計(jì)算相應(yīng)的距離,并將結(jié)果顯示到LED數(shù)碼管上。如果S 的值小于報(bào)警距離0.5 m,則單片機(jī)AT89C51便給P2.5 口一個(gè)低電平信號(hào),使得報(bào)警電路工作,實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。


圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件電路

3.1 AT89C51

AT89C51 是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器,片內(nèi)含4 KB 的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)和128 B 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)和管腳兼容,片內(nèi)置通用8 位CPU 和Flash 存儲(chǔ)單元,ATMEL的AT89C51 是一種高效微控制器。

AT89C51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī),它有40 個(gè)引腳,32 個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口,同時(shí)內(nèi)含2 個(gè)外部中斷,2 個(gè)16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2 個(gè)全雙工串行通信口。

AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起,特別是可反復(fù)擦寫的Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。

3.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路主要由驅(qū)動(dòng)電路CD4069 及超聲波發(fā)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(dāng)在它的兩級(jí)加上脈沖信號(hào),其頻率等于壓電晶片的頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振,產(chǎn)生超聲波。由于超聲波在空氣中最佳傳播頻率為40 kHz,同時(shí)使用的是壓電陶瓷傳感器,其驅(qū)動(dòng)頻率為40 kHz,因此通過單片機(jī)P1.0 口產(chǎn)生40 kHz 的方波信號(hào),經(jīng)過雙路反相器處理在超聲波振蕩器的外接電路兩端產(chǎn)生振蕩,雙路反相器可以提高驅(qū)動(dòng)能力,也能增強(qiáng)接收信號(hào),抑制其他噪聲與干擾。超聲波發(fā)射探頭兩端產(chǎn)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(hào)的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢測(cè)和波形整形等功能,電路如圖3 所示。發(fā)射電路發(fā)出的脈沖信號(hào),在碰到障礙物后,經(jīng)反射后的超聲波脈沖變成微弱的交流信號(hào),接收電路接收后送到CX20106A 的1 腳,為信號(hào)的輸入端,經(jīng)過前置放大器的放大,限幅放大器的放大,由于其有自動(dòng)增益控制功能,可以保證超聲傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí),放大器具有較高的增益,而在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載,其帶通濾波器中心頻率可由芯片5 腳的外接電阻調(diào)節(jié),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(jīng)整形電路輸出脈沖信號(hào)。

CX20106A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力,可以滿足超聲波接收電路的要求。同時(shí)集成電路也可以減少干擾。


圖2 超聲波發(fā)射電路


圖3 超聲波接收電路

3.4 聲光報(bào)警報(bào)警電路

如圖4 所示,聲報(bào)警電路選用壓電式蜂鳴器,它大約需要10 mA 的驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí),三極管導(dǎo)通,蜂鳴器報(bào)警。光報(bào)警電路如圖5 所示,當(dāng)單片機(jī)p2.5 口輸出低電平時(shí),二極管導(dǎo)通,燈亮發(fā)出光報(bào)警信號(hào)。


圖4 聲報(bào)警電路


圖5 光報(bào)警電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先,微處理器AT89C51 先把P1.0 置0,通過軟件編程產(chǎn)生方波,送給超聲波傳感器,通過壓電陶瓷晶片發(fā)射超聲波(40 kHz 方波),延時(shí)300 us 左右(或者大于這個(gè)時(shí)間,這個(gè)延時(shí)是為了避免超聲波直接對(duì)反射過來的波的干擾,它決定了盲區(qū)的大小,延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng),盲區(qū)越大,300 us 延時(shí)大概是10 cm 的盲區(qū))抑制輸出干擾,同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0 開始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)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(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?,表明信?hào)已經(jīng)返回,微處理器進(jìn)入中斷處理程序,同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器T0。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)碼管上。然后再根據(jù)相應(yīng)的情況判斷是否要進(jìn)行聲光報(bào)警。

程序啟動(dòng)時(shí),首先進(jìn)行初始化,接著是一個(gè)不斷發(fā)射方波的過程,即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍,而且每次發(fā)射周期結(jié)束后都會(huì)在延時(shí)等待的過程中判斷是否發(fā)生了中斷,即是否有反射回波產(chǎn)生,當(dāng)有反射回波產(chǎn)生時(shí),進(jìn)入中斷服務(wù)程序,首先是關(guān)閉中斷,讀取定時(shí)器的時(shí)間t,根據(jù)時(shí)間,用超聲波測(cè)距公式S=340×t/2,就可以得到障礙物到超聲波發(fā)射器之間的距離,根據(jù)計(jì)算的結(jié)果,將距離顯示到LED 數(shù)碼管上。

同時(shí)判斷距離是否小于0.5 m,如果小于0.5 m,就進(jìn)行聲光報(bào)警。程序流程圖如圖6 所示。


圖6 程序流程圖

5 結(jié)語

該系統(tǒng)利用51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,操作方便。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,能滿足倒車防撞的要求,且成本較低,具有良好的性價(jià)比??梢詰?yīng)用到汽車倒車場(chǎng)合。

由于超聲波受外界環(huán)境的影響,所以該系統(tǒng)存在一定的誤差,可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償,減小誤差,增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

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