基于单片机设计的超声波倒车防撞系统

　　0 引言
　　随着中国汽车数量的不断增多，道路拥堵，交通事故频发，给人们生活带了诸多不便，安全成为了第一要素，汽车防撞系统的设计和需求也迫在眉睫。因此，设计了一种利用超声波测距，通过单片机实现的倒车防撞报警系统，主要考虑它的设计简单，易于操作。
　　1 超声波测距原理
　　超声波是指频率高于20 kHz 的机械波。而倒车时，为了防止撞上障碍物，需要测量障碍物到车之间的距离，这就需要使用超声波传感器。超声波传感器又称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器包括超声波发送器和超声波接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换成振动发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
　　超声波测距的原理一般采用渡越时间法 (TOF,time offlight)。超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，传播的途中碰到障碍物就立刻返回来，超声波接收器接收到反射回来的波就立即停止计时，计算出超声波从发射到遇到障碍物返回时所用的时间t，常温下超声波在空气中的传播速度为V=340 m/s，根据公式S =V × t / 2，就可以计算出障碍物到超声波传感器之间的距离。
　　2 系统总体电路
　　单片机AT89C51 编写程序产生方波，通过P1.0 口输出40 kHz 的脉冲信号，经超声波发射电路中CD4069 放大后驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。传播过程中遇到障碍物后产生回波送入超声波接收器，接收探头采用和发射探头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交流电压信号，经超声波接收电路中CX20106A 进行处理，通过7 脚输出，作为一个中断请求信号，送至单片机进行处理。在单片机发射方波的同时，也就是超声波发射电路发射超声波的同时开启单片机内部定时器T0，通过定时器来记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当超声波接收电路收到超声波反射波时，超声波接收电路输出端产生一个低电平输出到INTO端产生一个中断请求信号，单片机AT89C51 响应外部中断请求，执行外部中断服务程序，根据定时器的值读取时间差，通过公式S =V × t / 2计算相应的距离，并将结果显示到LED数码管上。如果S 的值小于报警距离0.5 m，则单片机AT89C51便给P2.5 口一个低电平信号，使得报警电路工作，实现声光报警。

图1 系统总体框图
　　3 系统硬件电路
　　3.1 AT89C51
　　AT89C51 是一个低电压、高性能CMOS8 位微处理器，片内含4 KB 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器(ROM)和128 B 的随机存取数据存储器(RAM)，与标准MCS-51 指令系统和管脚兼容，片内置通用8 位CPU 和Flash 存储单元，ATMEL的AT89C51 是一种高效微控制器。
　　AT89C51 是一个低功耗高性能单片机，它有40 个引脚，32 个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2 个外部中断，2 个16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口。
　　AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本。
　　3.2 超声波发射电路
　　超声波发射电路主要由驱动电路CD4069 及超声波发射器T 组成。如图2 所示，超声波探头采用压电陶瓷传感器UCM40T，当在它的两级加上脉冲信号，其频率等于压电晶片的频率时就会产生共振，产生超声波。由于超声波在空气中最佳传播频率为40 kHz，同时使用的是压电陶瓷传感器，其驱动频率为40 kHz，因此通过单片机P1.0 口产生40 kHz 的方波信号，经过双路反相器处理在超声波振荡器的外接电路两端产生振荡，双路反相器可以提高驱动能力，也能增强接收信号，抑制其他噪声与干扰。超声波发射探头两端产生的振荡波近似于方波。
　　3.3 超声波接收电路
　　超声波接收电路使用了集成电路CX20106A，它可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检测和波形整形等功能，电路如图3 所示。发射电路发出的脉冲信号，在碰到障碍物后，经反射后的超声波脉冲变成微弱的交流信号，接收电路接收后送到CX20106A 的1 脚，为信号的输入端，经过前置放大器的放大，限幅放大器的放大，由于其有自动增益控制功能，可以保证超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器具有较高的增益，而在近距离输入信号强时放大器不会过载，其带通滤波器中心频率可由芯片5 脚的外接电阻调节，取200 kΩ，控制在38 kHz。通过带通滤波器滤波，峰值滤波，积分比较，最后经整形电路输出脉冲信号。
　　CX20106A 接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，可以满足超声波接收电路的要求。同时集成电路也可以减少干扰。