基于單片機倒車防撞報警系統設計
南京信息工程大學濱江學院， 南京210044
摘要：對于汽車倒車防撞問題，提出了將超聲波測距儀和單片機結合于一體的方案,并給出了一種基于AT89C51單片機的倒車防撞報警系統的設計,對系統中控制部分、發射部分、接收部分、顯示部分和報警部分出現的問題進行處理。本文采用一種簡單易行的測距原理建立了防撞報警系統,具體分析了倒車防撞系統的設計原理及各部分元件的設計方案，充分描述了超聲波測距的原理及應用，并介紹了我國在超聲波測距的發展現狀，不過還有一些無法避免的測量誤差，還需日益俱進的科學發展加以解決。
1引言1.1研究的目的和意義隨著社會經濟的發展交通運輸業飛速發展，汽車的數量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴重，撞車事件屢屢發生，造成了不可避免的人身傷亡和經濟損失。針對這種情況，設計一種響應快，可靠性高且較為經濟實用的汽車防撞報警系統勢在必行。超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法，應用于汽車停車的前后左右防撞的近距離和低速狀況，并且在汽車倒車防撞報警系統中，超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性——折射，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測距即是利用其反射特性，當車輛后退時，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛人員，起到安全的作用。
1.2 國內外現狀
1.21 國內外發展的狀況以及存在的問題
汽車倒車防撞測距報警器是國家安全技術發展期間重點開發的科研項目之一。以往的汽車倒車測距一般有四種：1嘀嘀聲加閃光、2音樂聲加閃光、3語音聲加閃光、4倒車到危險距離時發出警報聲的超聲波倒車報警器。由于很多研究都采用的是特殊難購且稀有的專用元件，使其難以推廣。而本設計采用國內生產的通用元件，成本較低廉，并且使其在整個倒車過程中自動測量車尾到最近障礙物的距離，在倒車到極限距離時會發出急促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車，避免事故的發生。
1.22 現有的倒車雷達存在的問題 最大有效探測距離的問題：通過調查得知大多數駕駛員的習慣會使行人只有不到1s的時間脫離危險。這樣一來，報警在減速時就很緊張，明顯會感到預警時間不足，引起不必要的事故發生。
1.3本文研究的主要內容
本論文概述了超聲波檢測的發展及工作原理，闡述了超聲波傳感器的原理、特點、分類；對于報警系統的一些主要參數進行了討論和研究，以及在超聲波測距系統功能的基礎上，提出了報警系統的總體結構；并且設計了系統發射、接收電路，并仔細介紹了系統各設計單元的原理及它們的工作原理。
2 超聲波原理介紹
2.1 超聲波的基本理論
超聲波是一門以物理、電子、機械、以及材料科學為基礎的、各行各業都要使用的通用技術之一。該技術在國民經濟中，對提高產品質量，保障生產安全和設備安全運作，降低生產成本，提高生產效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。
超聲技術是通過超聲波的產生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。
超聲波是聽覺閾值之外的振動，其頻率范圍在10
——10
Hz，其中通常的頻率大約在10
——3
之間。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的范圍）傳播時，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質中，超聲波自由地向外擴散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴散。
2.11 超聲波的傳播速度
超聲波在介質中可以產生三中形式的振蕩波：橫波——質點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波——質點振動方向與傳播方向一致的波；表面波——質點振動介于縱波和橫波之間，沿表面傳播的波。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。
超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質密度和彈性特性有關。
式中
——介質的密度；
——絕對壓縮系數。
可以推導出超聲波在空氣種傳播速度
。（T為環境溫度）。
超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況：
(1)縱波在固體介質中的傳播速度與介質的形狀有關。
（細棒）
（薄板）
（無限介質）
式中 E——楊氏模具；
——泊松系數；
K——體積彈性模具；
G——剪片彈性模。
(2)橫波聲速公式為
（無限介質）
在固體中，
介于0——5之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。
2.12 超聲波的物理性質
當超聲波傳播到兩種特性不同的介質的平面上時，一部分被反射；另一部分透射過界面，在相鄰的介質內部繼續傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖1所示：
(1) 超聲波的反射和折射
當超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質的平面分界面上時，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質內部繼續傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖2.1.1所示。聲波的反射系數和透射系數可以分別由如下兩
式求得：
圖 1 聲波反射
式中：
——分別為聲波的入射角和反射角；
——分別為兩介質的特征阻抗，其中
為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速
滿足折射定律關系式：
。
當超聲波垂直入射界面時，即
，則：
如果sin
>
，入射波完全被反射，在相鄰兩個介質中沒有折射波。
如果超聲波斜入射到兩個固體介質面或兩粘滯彈性介質面時，一列斜入射的縱波不僅產生反射縱波和折射縱波，而且還產生反射橫波和折射橫波。
(2)超聲波的衰減
超聲波在一種介質中傳播，其聲壓和聲強按指數函數規律衰減。
在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強I的衰減規律如下：
式中：
——距離聲源x=0處的聲壓和聲強；
——超聲波與聲波間的距離；
A——衰減系數，單位為
（奈培/厘米）。
(3)超聲波的干涉
如果在一種介質中傳播幾個聲波，于是產生波的干涉現象。若以兩個頻率相同，振幅
和
不等，波程差為d的兩個波干涉為例，該兩個波合成振幅為
，其中
為波長。從上式看出，當d=0或d=
（
為整數）時，合成振幅
達到最大值；當d=
時，合成振幅
為最小值。當
時，
；當d
的奇數倍時，兩波相互抵消合成幅度為0。
由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。
2.13 超聲波對聲場產生的作用
(1) 機械作用
超聲波傳播過程中，會引起介質質點交替的壓縮與伸張，構成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機械效應。超聲波引起質點的運動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質點的加速度卻很大。有時足以達到破壞介質的程度。
(2) 空化作用
在流體動力學指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學過程稱為空化。
(3) 熱學作用
如果超聲波作用于介質時被介質所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質產生強烈的高頻振蕩介質相互摩擦產生熱熱量，這種能量使介質溫度升高。
2.2 超聲波測距系統原理 在超聲探測電路中，發射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離；② 測量輸出脈沖的寬度，即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 S=1／2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變 。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12.0M晶振，所以此系統的測量精度理論上可以達到毫米級。
如圖2，超聲波測距的算法設計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時）。X2是聲波返回的時刻，X1是聲波發聲的時刻，X2-X1得出的是一個時間差的絕對值，假定X2-X1=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時間里，超聲波發出到遇到返射物返回的距離如下：
圖 2測距原理
超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現的。設超聲波脈沖由傳感器發出到接收所經歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離D可用下式求出：
D = ct /2
超聲波測距器的系統框圖如下圖所示：
基本原理：經發射器發射出長約6mm，頻率為40KHZ的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產生mV級的微弱電壓信號。
2.3 規格參數2.31 主要功能1、距離測量；
2、溫度測量；
3、 光亮度測量；
2.32 基本參數（1）工作電壓：4.5V~5.5V。特別說明，絕對不允許超過5.5V
（2）功耗電流：最小1mA，最大20mA
（3）諧振頻率：40KHz；
（4）探測距離范圍：4毫米～4米。誤差：4%；
（5）（特別說明，探測最近距離為4mm，最遠距離為4米，數據連續輸出，不需要任何設置。）
（6）測量溫度范圍：0℃至+100℃；精度：1℃
（7）測量光照度范圍：能測量出明亮和黑暗；
（8）數據輸出方式：iic和uart（57600bps）兩種方式，用戶任選；其中UART方式，是以7個字節為一組，以0x55開頭的3個數據是距離數值；以0x66開頭的2個數據是溫度數據；以0x77開頭的2個數據是光照度數據。0x55\0x66\0x77是為區分3個數據而增加的數據頭；
（9）時間限制：支持如下2種探測方式；1、持續探測；2、受控間歇探測；
（10）距離數據格式：以毫米為最小數據單位，雙字節 16進制傳輸，前高后低；
（11）溫度數據格式：以攝氏度為最小數據單位，單字節 16進制傳輸；光照數據格式：單字節16進制傳輸；光線暗時數值大，光線亮時數值小；
（12）工作溫度范圍：0℃至+100℃
（13）存放溫度：-40℃至+120℃
(14)外形尺寸：48mm*39mm*22mm（H）
(15)固定孔尺寸3*Φ3mm間距：10mm
發射部分的電脈沖電壓很高，但是由障礙物回波因其的壓電晶片產生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就由三級放大電路，檢波電路及門限判別電路構成的，其中包括雜波抑制電路。最終達到對回波進行放大檢測，產生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。但是由于超聲傳感器固有特性，即盲區的存在，對于回波的接收和處理造成了相當程度的影響。
3系統硬件設計系統硬件原理圖如圖3及PCB雙面板如圖4：
圖3 系統硬件原理圖
圖4 PCB雙面板
3.1 最小單片機模塊
本方案使用的單片機是AT89C51。AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機。片內含4KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128B的隨機存取數據存儲器（RAM）。器件采用ATMEL公司的高密、非易失性存儲技術產生，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。 AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口。AT89C51可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。
單片機最小模塊常包含：復位電路，晶振電路，p0口排阻，電源接口電路，串口電路（本單片機程序都是從開發板上燒寫進入，無需增加串口電路，可節約成本）。
3.2 超聲波發射接收模塊
由單片機產生40KHz的方波，直接驅動CD4049芯片，后面的CD4049則對40KHz頻率信號進行調理，使超聲波傳感器產生諧振。
3.3 報警電路設計
系統報警電路由一個三極管和一個喇叭組成。
圖5 系統報警電路
3. 4 LCD1602顯示器模塊
采用LCD1602可以作為外圍輸出設備，幫助超聲波測距后顯示出具體的距離，其具體使用方法和參數如下：
3.4.1 LCD1602主要技術參數：
顯示容量:16×2個字符
芯片工作電壓:4.5—5.5V
工作電流:2.0mA(5.0V)
模塊最佳工作電壓:5.0V
字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm
3.4.2 LCD1602各引腳功能：
第1腳：VSS為地電源。
第2腳：VDD接5V正電源。
第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。
第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。
第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。
第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。
第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。
第15腳：背光源正極。
第16腳：背光源負極。
4系統軟件程序
5計算超聲波傳播時間
T0中讀取出來的時間差數據并不能作為距離值直接顯示輸出，因為時間差值與實際的距離值之間轉換公式為S=0.5*V*T。其中，V為聲音在常溫下的傳播速度，T為發射信號到接收之間經歷的時間，在這個部分中，信號處理包括計數值與距離值換算，二進制與十進制轉換。
6結論
在這漫長而又短暫之中，通過自己不斷地學習，不斷地努力與拼搏、不斷地對新知識的追求與索取、不斷地自我發現、感到自己的知識結構水平提出高了許多，對知識的掌握程度也加深了許多，對知識之間的相互聯系也有了更深的了解；通過不斷地提高自己的認識水平與能力、不斷地學習新方法、新思想、新的思維方式、不斷地改變自己的人生觀和方法論、感到自己不但成長且成熟了許多；通過不斷地把課本知識應用于實際，不斷地把查閱到的資料與文獻中有用的東西應用于實現，不斷地把所學的理論與方法應用于設計之中，從而提高了自己理論聯系實際的能力。
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致 謝 歷時半載，從論文選題到搜集資料，從開題報告、寫初稿到反復修改，期間經歷了喜悅、聒噪、痛苦和彷徨，在寫作論文的過程中心情是如此復雜。如今，伴隨著這篇畢業論文的最終成稿，復雜的心情煙消云散，自己甚至還有一點成就感。
最后，我要感謝四年的大學生活，感謝南京信息工程大學濱江學院08級電科班的所有老師同學以及我的家人和那些永遠也不能忘記的朋友，他們的支持與情感，是我永遠的財富。
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