將超聲波和AT89C2051單片機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本方案所設(shè)計(jì)的倒車防撞報(bào)警系統(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)。設(shè)計(jì)中介紹了超聲波檢測(cè)的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。對(duì)于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論，并且在介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體構(gòu)成，本方案的提出將對(duì)汽車主動(dòng)防撞乃至自動(dòng)駕駛產(chǎn)生，給駕駛者提供一個(gè)倒車的操作指令。

1.引言

眾所周知，要檢測(cè)兩頭之間是否有障礙物，一般的做法是一頭發(fā)射一個(gè)信號(hào)，在接收處判斷是否有信號(hào)接收到，若有信號(hào)接收到，說明中間沒有障礙物；若接收不到，則說明有障礙物。然而在汽車倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于汽車是一個(gè)移動(dòng)的物體，不可能在某一具體的位置上安裝接收或發(fā)射裝置，這就決定了系統(tǒng)的發(fā)射與接收裝置必須安裝于一起，因此如何設(shè)計(jì)一款將發(fā)射與接收裝置安裝在一起的物體檢測(cè)裝置是我們的研究方向。

2.超聲波測(cè)距系統(tǒng)介紹

超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應(yīng)用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲波的反射特性。

超聲波測(cè)距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（S），即：

S=C*t/2 （1-1）

可以看出其主要部分有：（1）供應(yīng)電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；（2）使接收和發(fā)射隔離的開關(guān)部分；（3）轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；（4）接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號(hào)的接收傳感器；（5）接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè)備；（6）記錄/控制設(shè)備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制記錄回波的時(shí)間、存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要用電磁式輸出與輸入振蕩電路，所輸入的信號(hào)經(jīng)過放大，直接發(fā)送到單片機(jī)AT89C2051進(jìn)行處理，通過編程可以進(jìn)行自動(dòng)控制。系統(tǒng)具體原理框圖如圖3.1所示：

該系統(tǒng)主要由以下三個(gè)功能塊構(gòu)成：超聲波傳感器T/R40-16、超聲波發(fā)射與接收構(gòu)成的收發(fā)系統(tǒng)；中央控制處理器AT89C2051組成的主機(jī)系統(tǒng)；控制報(bào)警輸出系統(tǒng)。

主要的系統(tǒng)電路有：電源電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、信號(hào)放大電路、直流控制電路、顯示電路、探測(cè)距離選擇電路、報(bào)警電路、單片機(jī)控制電路等。

4.主要器件的選取

4.1 超聲波傳感器的選取

本系統(tǒng)選用超聲波傳感器T/R40-16,它是一種性能優(yōu)良的發(fā)射與接收配對(duì)的傳感器。

超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性。

（1）頻率特性

圖4.1是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中，f=40kHz為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在此處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說在所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率的交流電壓來激勵(lì)。

（2）指向特性

實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。

4.2 中央控制器的選取

本系統(tǒng)選用AT89C2051單片機(jī)作為中央控制器。

AT89C2051是由美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的至今為止世界上最新型的高性能八位單片機(jī)。

該芯片采用FLASH存儲(chǔ)技術(shù)，內(nèi)部具有2kB字節(jié)快閃存存儲(chǔ)器，采用DIP封裝，是目前在中小系統(tǒng)中應(yīng)用最為普及的單片機(jī)。

5.軟件語言的選取

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心。采用匯編語言編程。匯編語言是指用指令的助記符、符號(hào)地址、標(biāo)號(hào)等符號(hào)書寫程序的一種軟件語言，它是計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的重要工具。在系統(tǒng)軟件開發(fā)、實(shí)時(shí)控制的和實(shí)時(shí)處理領(lǐng)域中有著不可替代的地位。用匯編語言編程可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件的功能，進(jìn)行高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，開發(fā)出的軟件具有內(nèi)存開銷小、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，而且它不獨(dú)立于具體機(jī)器，是一種非常通用的低級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，采用匯編語言編程，用戶可以直接操作到單片機(jī)內(nèi)部的工作寄存器和片內(nèi)RAM單元，處理數(shù)據(jù)的過程非常具體。

6.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。按實(shí)現(xiàn)的功能來分，可分為以下幾個(gè)部分。

6.1 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

所有MCS-51微控制器均有片內(nèi)振蕩器作為CPU的時(shí)鐘源。但通常所說的這種片內(nèi)振蕩器，實(shí)際其本身并非振蕩器，只不過是一個(gè)適于構(gòu)成反饋振蕩器的高增益反相放大器罷了。為構(gòu)成反饋振蕩器，必須在其XTAL1和X T A L 2兩個(gè)引腳上提供一個(gè)參考頻率。

XTAL1是該反相放大器的輸入端；XTAL2則是其輸出，并同時(shí)作為內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。參考頻率可由晶體、電感或外部時(shí)鐘源提供。通常的做法是：

在XTAL1與XTAL2兩端跨接一只石英晶體或陶瓷諧振器以及一端接地的兩只電容器。

這里的石英晶體為一電感性元件，與外接其上的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，為片內(nèi)振蕩器提供正反饋和振蕩所必需的相移條件，從面構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。

6.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

AT89C2051的RST腳為外部復(fù)位信號(hào)的輸入引腳，在MCS-51器件內(nèi)部，RST接到一個(gè)施密特觸發(fā)器的輸入端。大家知道，施密特觸發(fā)器要有一定的輸入電平才能觸發(fā)，所以可濾掉某些噪聲干擾信號(hào)。

圖6.2復(fù)位電路的設(shè)計(jì)，把RST引腳通過10uF電容接到Vcc并同時(shí)經(jīng)10KΩ電阻接地，就可獲得上電自動(dòng)復(fù)位的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于CHMOS器件來說，10KΩ電阻是不需要的，但上電后保持復(fù)位腳高電平的時(shí)間超過11ms都可以完成復(fù)位，因此電阻適當(dāng)取大點(diǎn)也無妨。

6.3 整體電路設(shè)計(jì)

7.pcb設(shè)計(jì)

8.超聲波發(fā)射程序流程

void send（）

{

csb_in=1;

for（i=0;i<1;i++）

{

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

}

csb_in=0;

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

_nop_（）；

}

9.結(jié)論

本方案所設(shè)計(jì)的倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)是對(duì)汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)由被動(dòng)防撞向主動(dòng)防撞做的一項(xiàng)新的探索，它針對(duì)部分司機(jī)對(duì)方位的不敏感和倒車操作的不熟練進(jìn)行設(shè)計(jì)， 對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論，并且在介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體構(gòu)成，本方案的提出將對(duì)汽車主動(dòng)防撞乃至自動(dòng)駕駛產(chǎn)生，給駕駛者提供一個(gè)倒車的操作指令。