摘要：介紹了一種基于單片機與超聲波結合的倒車報警系統(tǒng)的設計過程，本系統(tǒng)采用NE555和CX20106A構建超聲波發(fā)射與接收電路，通過單片機與數(shù)碼管實現(xiàn)測距計算與實時顯示，同時用戶還可以通過按鍵設置倒車報警距離，當達到設定的報警距離時系統(tǒng)將進行語音報警。另外系統(tǒng)設置了分段指示燈(倒車安全、注意倒車、倒車危險)，提高了倒車安全系數(shù)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)在10～250 cm范圍內(nèi)能實現(xiàn)準確測距，且通過數(shù)碼管實時顯示倒車距離，并進行聲光報警。本系統(tǒng)彌補了中、低端汽車報警系統(tǒng)不能實現(xiàn)準確測距和實時顯示倒車距離的問題，具有集成度高、測量范圍廣、成本低等特點，能滿足駕駛員在實際倒車中的需求，具有一定的理論和實用價值。
關鍵詞：單片機；超聲波測距；語音報警；超聲波發(fā)射電路；超聲波接收電路

    目前汽車報警裝置已被廣泛應用，并種類繁多，但大多報警裝置均有其局限性。如早期出現(xiàn)的紅外報警系統(tǒng)，最大的缺點是紅外線波易受干擾，整個系統(tǒng)的警示音常呈現(xiàn)不穩(wěn)定的亂鳴狀態(tài)，另外對深黑色粗糙表面物體的反應也較差。更糟糕的是，無論是紅外線發(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)就會失效。最近在歐美出現(xiàn)了一種電磁感應倒車雷達，此種裝置價格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝困難(必須卸下保險杠貼在內(nèi)側)，而且只能探測動態(tài)物品，當車在后退行進時，可探測到物體，但車一旦停止后退行進，則任何物體都不被認可。
    本設計采用單片機與超聲波結合的倒車報警系統(tǒng)除具有普通倒車雷達的作用外，用戶還可以根據(jù)個人的需要設定汽車離阻擋物報警的距離，同時還可以實時監(jiān)控到汽車倒車的時候離阻擋物的距離；另外本系統(tǒng)除具有語音報警外，還可通過分段指示燈，實現(xiàn)聲與光的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)框圖
    此倒車報警系統(tǒng)主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢，將超聲波測距的原理和AT89C52單片機結合于一體，設計出一種基于單片機的汽車倒車報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結合的方法，具有模塊化和多用化的特點。

    根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，采用AT89C52單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機產(chǎn)生。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計
2．1 硬件電路框圖
    單片機AT89C52作為主控器，上電復位。XTAL1和XTAL2接12 MHz晶振與電容構成的時鐘電路。P1．0控制由555定時器及超聲波換能器CSB40T組成的發(fā)射電路發(fā)射超聲波。超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，經(jīng)傳感器，濾波電容，放大器，電壓比較器傳給單片機的INT0口一個低電平。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 超聲波的計算
    超聲波測距的原理如圖3所示，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波信號遇到被測物體后反射回來，就會被超聲波接收器R接收到，此時只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。
    該距離的計算公式為：
    其中，d為被測物與測距器的距離；s為聲波往返的路程；v為聲速；t為聲波往返所用的時間。

    由于超聲波也是一種聲波，其速度v與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可以認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右越陶?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。為了增強系統(tǒng)的可靠性，應在軟硬件上采用抗干擾措施。
2．3 發(fā)射電路設計
    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時基電路振蕩驅(qū)動超聲波探頭產(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)信號頻率，使之與換能器的40 kHz固有頻率一致。
    555定時器的3腳是復位端，利用它來控制超聲波脈沖的發(fā)射。當4腳為高電平時，555有振蕩脈沖輸出；為低電平時，555定時器清零，沒有輸出。因而，將4腳與單片機的控制信號相接就可以控制發(fā)射電路。為保證555時基電路具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用+12 V電源供電。4腳為超聲波發(fā)射控制信號輸入端，由單片機P1．0進行控制。
2．4 接收電路設計
    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接收電路。
    超聲波測距系統(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轉(zhuǎn)換后經(jīng)過0．056μF的電容初步濾波后，進入CX20106A的1腳，經(jīng)過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)過內(nèi)部的整形電路，從7腳輸出至AT89C52單片機的外部中斷0(P3．2)口。當芯片接收到40 kHz的信號時，7腳的輸出由高電平轉(zhuǎn)為低電平，單片機外部中斷0口檢測到輸入信號的下降沿或低電平時，立即產(chǎn)生中斷，同時停止定時／計數(shù)器，從而得到超聲波的回波時間t。
2．5 報警與顯示電路
    1)聲光報警電路
    光報警電路由單片機P1．1、P1．2、P1．3輸出高低電平來控制，P1．6端口控制蜂鳴器，輸出PWM波，由用戶通過按鍵設定報警距離。當達到用戶設定的報警值時，P1．6腳輸出PWN波。其中PWM(Pulse Width Modulation)是一種脈寬調(diào)制技術。所謂PWM控制技術就是控制半導體開關器件的導通與關斷，從而得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，可以用這種來代替正弦波或其它所需要的波形。電路如圖5所示。

    2)語音報警電路
    語音報警電路采用語音芯片TH040來實現(xiàn)：TH040型智能語音芯片是具有40秒語音燒錄功能的高質(zhì)量智能語音芯片，支持PWM這種高質(zhì)量、高速率的語音輸出方式，而且有8個輸入／輸出腳位可供選擇。接法與管腳圖如圖6所示。用語音芯片時都要給語音芯片一個大于100 μs時間的復位高電平。接著再給TG2幾個脈沖TH040芯片就發(fā)出第幾段語音。
    3)顯示及按鍵電路
    顯示電路采用四位共陽數(shù)碼管實現(xiàn)，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動，采用動態(tài)顯示方法。用戶可以通過按鍵設置報警距離。

3 軟件部分的設計
    超聲波測距器的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序、按鍵中斷與加減計數(shù)字程序、PWM波生成程序及顯示子程序組成。由于C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序具有較高的效率并且容易精確計算，故采用C語言與匯編語言結合編寫。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構成的硬件電路產(chǎn)生的，故要用P1．0控制發(fā)射及關斷時間，P1．0為高電平時發(fā)射超聲波，反之則不發(fā)出超聲波。實驗發(fā)現(xiàn)，一次發(fā)出4個超聲波脈沖比較合適，因為超聲波發(fā)射出去的同時不能打開INT0中斷，以防超聲波剛發(fā)出就被超聲波接收探頭接收，以至不能實現(xiàn)測距。4次超聲波的發(fā)射需要時間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)送結束后給標志位置0。
3．2 超聲波的接收
    等待接收超聲波回波，有回波了就會在INT0口產(chǎn)生低電平，產(chǎn)生中斷，執(zhí)行計算距離，送數(shù)碼管顯示。實驗證明CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。
3．3 報警與顯示電路流程圖

4 結束語
    本設計通過單片機與數(shù)碼管實現(xiàn)測距計算與實時顯示，同時用戶還可以通過按鍵設置倒車報警距離，當達到設定的報警距離時系統(tǒng)將進行語音報警，方便用戶使用。另外系統(tǒng)設置了分段指示燈，提高了倒車安全系數(shù)。另外發(fā)射探頭的頻率信號來自單片機系統(tǒng)，準確穩(wěn)定可靠，而且可以隨時通過軟件編程來加以控制，以驅(qū)動相應發(fā)射探頭。本系統(tǒng)彌補了中、低端汽車報警系統(tǒng)不能實現(xiàn)準確測距和實時顯示倒車距離的問題，具有集成度高、測量范圍廣、成本低等特點，能滿足駕駛員在實際倒車中的需求，具有一定的理論和實用價值。