超聲波汽車倒泊防撞報警器是超聲波測距的一個重要應用。在汽車倒泊時，利用超聲波的反射可以探測汽車尾部與障礙物之間的距離，提供多級聲光報警。本文介紹一種以MC68HC705J1A單片機為核心的低成本超聲波汽車倒泊防撞報警器的設計方法，該報警器的感應時間小于0.5s，測距精度可達0.1m。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理是根據超聲波遇到障礙物后可反射回來的特性，記錄發(fā)射信號到收到第一個反射信號的時間t，利用公式s=c·t/2，計算出距離s。其中c是聲速，標準狀態(tài)下聲速c=331.4m/s。超聲波測距原理如圖1所示。

2 超聲波汽車倒泊防撞報警器的組成

超聲波汽車倒泊防撞報警器的組成如圖2所示。

報警器只在汽車倒泊時才使用，采用倒車燈的電源+12V供電。倒車時障礙物可能在車的后面，也可能在車的側面。為了保證各種情況下探測障礙物的準確性，采用雙路探測結構，取兩路中距離較短的一路作為有效探測距離。超聲波探測頭具有電聲轉換和聲電轉換兩種功能，分時用于發(fā)送信號和接收信號。聲光報警電路由單片機直接控制，利用不同的蜂鳴器鳴叫聲音和不同顏色的LED閃動實現多段報警。

3 超聲波汽車倒泊防撞報警器的硬件電路設計

超聲波汽車倒泊防撞報警器的硬件電路原理如圖3所示(圖中只給出了一路檢測電路，另一路與此相同)。

MC68HC705J1A單片機是Motorola公司J系列單片機中性能價格比最高的單片機之一，廣泛應用于各種中小型檢測控制系統中。MC68HC705J1A是一個具有1240字節(jié)EPROM/OTPROM的8位微控制器，主要硬件資源有:1240字節(jié)EPROM、64字節(jié)RAM、14個雙向輸入/輸出端口、多功能計數器、外部中斷等，同時具有看門狗和非法地址檢測、無最小時鐘頻率選擇等特點。在超聲波汽車倒泊防撞報警器中，充分利用其雙向并行口的輸入和輸出功能，進行信號的發(fā)送、接收及聲光報警等控制。

超聲波探測頭選頻頻率為40kHz方波，由軟件在單片機的發(fā)送管腳PA6和PA7上直接產生20個方波脈沖，再通過變壓器升壓變換，經超聲波探測頭發(fā)射出去。由于傳感器本身的恢復過程，發(fā)射結束后仍有不大于500μs的阻尼震蕩。發(fā)射信號同時回送到接收電路。

發(fā)射信號遇到障礙物后反射回來，由同一超聲波探測頭接收并送到接收電路。接收電路對反射信號進行多級放大和檢波，最后通過開關電路到達單片機的接收管腳PA0或PA1。當接收電路有信號時，開關三極管Q1導通，PA0或PA1為低電平;否則，三極管截止，PA0或PA1為高電平。檢測PA0或PA1的管腳狀態(tài)，就可以得到超聲波探測頭接收到第一個反射信號的時刻，從而計算出從發(fā)送信號到接收到第一個反射信號的時間，再進一步計算出障礙物與汽車的距離。發(fā)射信號波形、接收電路信號波形和單片機接收管腳信號波形如圖4所示。

4 超聲波汽車倒泊防撞報警器的軟件設計

超聲波汽車倒泊防撞報警器的軟件采用匯編語言。程序流程如圖5所示。

系統聯調時發(fā)現，當檢測環(huán)境比較復雜時，檢測值會出現常數0或隨機數的現象，因此，實際檢測并不是以一次檢測值進行計算的，而是將本次檢測值與之前連續(xù)9次的檢測值(共10次)進行比較(取平均值)，從而得出一個最終檢測結果，再計算出距離，根據距離所屬的范圍報警。檢測一次所需時間為50ms。

一般報警程序中所需的時間參數都是由定時器通過硬件計數進行中斷控制，但是超聲波檢測中，在發(fā)射信號期間不允許中斷，否則導致發(fā)射信號頻率不精確;同時在檢測過程中如果產生定時器中斷，也會給計數帶來誤差。因此，報警程序不采用中斷方式，而是將檢測報警所需的時間參數與單次檢測時間(50ms)結合起來，將蜂鳴器的鳴響頻率和LED的閃動頻率規(guī)定為500ms，即檢測10次的時間。報警時間參數與檢測次數之間的關系如表1所示。

檢測主程序如下:

org 0300h

lda #00

sta counta ;報警計數器清0

lda #＄fd

sta portad ;設置A口輸入/輸出方向

lda #＄ff

sta portbd ;設置B口輸入/輸出方向

ldx buffer ;緩沖區(qū)首地址 → x

transmit： jsr transp ;調用發(fā)射20個脈寬為250μs方波子程序

jsr del450μs ;延時450μs

lda #00

sta ，x ;用于計時的緩沖單元清0

next： lda porta ;檢測處理器接收管腳是否為低電平

and #＄03

cmp #＄02

bne check ;檢測到低電平，退出計時

cmp #＄01

bne check ;檢測到低電平，退出計時

cmp #＄03

bne check ;檢測到低電平，退出計時

jsr del20μs

inc ，x ;計時緩沖單元內容加1

lda #＄max

cmp ，x ;判斷計時值是否超過限定最大值max

beq check ;若超過，退出計時

jmp next ;否則，繼續(xù)檢測計時

check： incx ;緩沖區(qū)地址加1

jsr distance ;調用計算距離子程序

jsr aver ;調用求平均值子程序，同時設置距離標志flag和報警參數

jsr alarm ;調用報警子程序，根據報警參數報警

jsr del30ms ;延時30ms

jmp transmit ;繼續(xù)下一次檢測

end

實際使用證明，該報警器性能比較穩(wěn)定，已達到實用要求。硬件設計中充分考慮了反射信號的復雜性和不穩(wěn)定性，對反射信號進行了一系列的濾波、放大與檢波處理。軟件設計采用結構化程序設計思想，結構簡潔，尤其是獨特的報警算法，避免了定時器中斷對檢測精度的影響。

分析可知，該報警器在性能上還可以做如下改進:

(1)采集數據的處理算法問題。該報警器采用的是連續(xù)10次采集數據求平均值的處理算法。當環(huán)境比較復雜時，采集數據會出現0或隨機數情況，對平均值算法的結果有很大影響，不利于測距精度的提高，所以選擇優(yōu)化算法是軟件設計仍需改進的難點之一。

(2)改進采樣方式。該報警器采用查詢方式采樣數據，查詢一次的步長是50ms，因此每次采樣的最大誤差是50ms。如果采用其它方式檢測，例如中斷方式，還可以將采樣誤差控制到最小。

(3)溫度對聲速的影響。如果考慮環(huán)境溫度變化對聲速的影響，硬件設計中必須進行溫度檢測，在軟件中進行溫度補償計算，進一步減小測距誤差，使性能更加穩(wěn)定。