基于AT89C52單片機和超聲波換能器實現汽車防撞報警系統的設計

1 引 言

汽車防撞報警器的核心部件是汽車防撞雷達。汽車防撞雷達（俗稱電子眼）之所以能實現防撞報警功能，主要有超聲波這把無形尺子，它測量最近障礙物的距離，并告知車主。超聲測距原理簡單：它發射超聲波并接收反射回波，通過單片機計數器獲得兩者時間差t，利用公式S=Ct／2計算距離（S為汽車與障礙物之間的距離；C為聲波在介質中的傳播速度，C=331．4（1+θ／273）；θ為攝氏溫度。本文介紹的超聲測距系統共有4只超聲波換能器（俗稱探頭），分別布置在汽車的前左、前右、后左、后右4個位置上。能檢測前進和倒車方向障礙物的距離，通過后視鏡內置的顯示單元顯示距離和方位，發出一定的聲響，起報警防撞作用。

2 天車防撞報警儀的總體方案設計

2．1 防撞報警儀的主要設計指標

（1）報警距離：5～30 m，根據用戶的具體需要連續可調；

（2）根據用戶的需要選用分檔：0．6 m，1．0 m，1．5 m，1.8m，2．4 m；

（3）電源：車載電瓶12 V；

（4）環境溫度：-20～+70℃；

（5）報警器尺寸：155 mm×155 mm×63 mm，重量：3．5 kg。

2．2 系統總體方案

汽車防撞報警儀采用由AT89C52單片機為核心組成的微機系統，對儀器進行控制，其硬件系統如圖1所示。

2．3 工作原理

本防撞裝置利用聲波作為檢測波，利用超聲波作為機械波，其頻率為20 kHz～20 MHz。隨著頻率的增加，檢測距離減小，使用頻率在15～40 kHz之間，檢測距離為0．5～3．0 m，由發射器、接收器、控制器和反射板組成。發射器、接收器和控制器安裝在防撞主體（指由產品控制能實現防撞功能的汽車面板）上。發射器發出檢測波，經反射面反射給接收器，通過判斷處理后，發送控制器執行規定的功能?；趩纹瑱C的天車防撞系統采用AT89C52單片機和專用芯片測量超聲波發射到反射回所需的時間t，由S=vt（v=314 m／s，計算時加入溫度補償）得到從聲波發射到反射面的距離。此距離隨時顯示在汽車駕駛室內，軟件可以設置幾級提示和報警，當車障之間距離小于安全距離時，設置在駕駛室的聲光報警儀即發出聲光信號，通知駕駛員謹慎操作，從而有效地防止碰撞事故發生，保證人身及設備的安全。

3 硬件設計

3．1 固有頻率正反饋發生器電路

在硬件電路結構上，很重要的一點是保證超聲波發射頻率與換能器固有頻率的一致和穩定，不隨時間或因溫度而漂移，同時也有利于超聲波換能器發射能量的轉換。為達到這個目的，固有頻率正反饋發生器電路是措施之一。

3．2 換能器

只使用一個換能器也有利于達到這個目的，因為反射回的聲波就是它本身發射的聲波，共振頻率相同，壓電效應最佳。從電路結構講，發射與接收切換器，使得一個換能器起到發射與接收的兩個作用。

3．3 線性電路

線性電路包括前置放大、噪音過濾、線性放大、整形電路。將微弱的聲發射和接收信號進行處理，使之能與單片機部分的后續電路相匹配。

3．4 微機處理器（主AT89C52）

通過軟件編程，使之能控制系統的正常工作。具體功能如下：聲發射控制、報警距離級別選擇、聲光語音報警、車位距離顯示、汽車和串口中斷傳送數據。

3．5 顯示部分

顯示部分由從AT89C52和LED數碼管組成，能將主AT89C52傳過來的信號經過驅動傳送給位于駕駛室的從AT89C52的串口，再點亮LED數碼管，起提示作用。

以上電路（除位于駕駛室的顯示部分外）采用集成電路芯片，使之結構緊湊，工作可靠。對超聲波進行編碼和解碼，能完全克服各類頻譜的汽車光源和自然光源的干擾。因帶有單片機電路結構的系統必須保證抗干擾，故在本儀器中，電源電路和相應的抗干擾電路是不可少的，軟件程序編寫也要與硬件配合，同時解決抗電磁干擾問題。既然是利用聲波測量距離，就要考慮使用現場的聲波環境，因為它們同樣能被超聲波換能器接收到。用于測量距離的超聲波換能器的固有頻率一般都在 15～40 kHz，而路面的噪音頻率是十分豐富的，它們中的聲譜頻率有與使用的換能器的固有頻率相同的部分，則干擾回波測量。因此，在硬件電路上要解決這個問題，同時在軟件程序的編制上也要有抗干擾部分。報警距離級別選擇是為了用戶在不修改程序的情況下，根據用戶自己的意愿來選擇。

4 軟件設計

為了達到前述儀器的主要功能，程序采用C51的功能模塊逐一實現。程序分為主程序（chret．c）和另外三個模塊文件，即display．c，eraseint．a51，transplant．c。

4．1 主程序

主程序框圖如圖2所示。

本程序對工作過程分了8個狀態：準備狀態（t0～t1）、發射超聲波（t1～t2）、不接收信號時間（t2～t3）、等待聲波反射時間（t3～t4）、測反射的個數（t4～t5）、不計反射波個數，間歇一段時間（t5～t6）、再測波的個數（t6～t7）、間歇時間（t7～t0）。為測得超聲波收發時間差 t，換算成距離s和判斷是否報警，程序中使用了兩個函數：

一個是void t0Interrupt（void）interTupt：1 using 1，它是t0計時中斷函數，通過switch語句處理由工作過程分成的8種狀態。

另外一個是函數void intInterrupt（void）interrupt2 using 2，它處理反射回來的輸入信號，發生在t3～r4階段，主要是由int1外部中斷來得出時間distanceIn-time，并啟動T1計數器，它用來計算反射波個數。

通過以上兩個函數可獲得t，后面轉換成s和判斷是否報警便迎刃而解。Chret．c的函數組成：

主程序對抗干擾采取了3個措施（防止誤報警）：

（1）t4～t5狀態，給反射回來的波定個窗口，對于高于33．3 Hz或小于11．1 Hz的波不計數；

（2）t6～t7狀態，通過測10 ms來判斷：若是干擾在此時能測到；若是正常反射，此時應根本測不到波；

（3）對報警判斷兩次（1．3 s會自動清0一次）。

4．2 串口通信模塊——transplant．c

主要將主AT89C52的程序中chDis準確無誤傳給顯示部分（位于駕駛室），設計一個通信協議，以保證不收亂碼，即在chDis這個數據前面添加一個報頭數據Head，而后面添加一個檢驗數據check，這樣顯示部分就只在Head出現時才接收，且檢驗正確才顯示。由于測t時，程序的時序已經固定，在此基礎上進行串口通信，就只能夠采用中斷方式，而不能采用查詢方式，否則將出現“死機”現象。

對于display．c，eraseint．a51這兩個模塊，在主程序中調用即可，功能單一：一個用來顯示數據；一個用來執行iret指令。

5 結 語

本文設計的防撞裝置在結構上采用微電腦技術和專用芯片設計，具有結構簡單，小型化的特點，非常適合用于測控系統；在軟件設計上，突出模塊的靈活性，并且 C51語言簡潔，大大簡化了編寫程序的工作量。比較現在市場上已有的汽車防撞器，該系統結構緊湊，成本低，可靠性好，通信能力強，能有效地避免汽車相撞事故的發生，具有一定的市場價值。

責任編輯：gt