陈诚， 戴尔晗

　　（南京邮电大学 自动化学院，江苏 南京 210023）

摘要：设计了一种以AT89S52单片机为主控件的超声波测距报警系统。系统主要由超声波发射、接收检测电路和报警电路组成。利用最近反射物的判别原则比较测量距离与设定距离，将测量结果以蜂鸣器报警和LED闪烁形式呈现出来。该系统测量精度较高、反应灵敏，可以对车后多方位障碍物的距离远近进行报警。

关键词：单片机；超声波；多方位

0引言

　　现有汽车的倒车雷达、倒车视频影像测距报警系统主要的功能都是用于倒车时水平方向的防撞。对于汽车倒车时背后有深坑、悬崖或水塘的情况，现有的汽车倒车报警系统不提供报警，从而导致人、车出现险情，汽车的保护系统出现漏洞。近年来，一些高档车可以选择配置泊车雷达(车前)、自动泊车入位、并线辅助装置，其原理也与人们常见的倒车雷达类似。但是，对于汽车在倒车时遇到司机没有发现的深坑、悬崖或水塘的情况，目前尚无此类报警系统。为了减少汽车在山区或旅游景点地区的盘山道路上弯多路窄、悬崖陡坡以及停车场的坠落事故，本文设计一种汽车倒车多方位测距报警系统，用以提高汽车的行车安全保障系数。

1准备知识

　　1.1超声测距原理

　　系统示意图如图1所示。

　　利用超声波在空气中的传播速度（340 m/s）为已知，测量超声波在发射后遇到障碍物再反射回来的时间，根据发射和接收的时间差就可以计算出超声波发射点到障碍物的实际距离。这就是所谓的时间差测距法。

　　当超声发射探头发出的超声波遇到反射物反射，被超声接收探头接收，如果超声探头与障碍物之间的距离为L，定时器记录超声波折返所用的时间为Δt，V为超声波的波速（超声波在空气中的传播速度约为340 m/s），那么就可以计算出超声波的发射点距障碍物之间的距离为：

　　L=(V×Δt)/2（1）

　　超声波距离测量原理图［1］如图2所示。

　　图2超声波距离测量原理图原则上反射的超声波应遵循反射定律，但一般物体的表面都不是很光滑的，所以在粗糙的路面反射的超声波实际上会以漫反射的形式向各个方向反射。其中必然有一部分超声波会反射回原超声波的发射点位置。如果在原超声发射点处又设置有一个超声接收探头，就能探测到超声波从反射物直接反射回来的回波。

　　1.2最近反射物的判别原则［23］

　　如果从超声波发射探头仅发出一个脉冲波，经过一段时间后，超声波接收探头实际上会依次接收到多个反射的脉冲信号。这是因为接收到的超声波信号中不仅有直接反射信号，还有在不同的反射物之间经多次反射后再到达接收探头的信号。但只要超声波是从其他物体上进行了两次以上的反射，波到达接收探头时所经过的路程必然会大于从目标物直接反射到接收探头的路程，所以两次以上的反射波到达接收探头的时间会比直接反射波有滞后。根据这一原理，超声接收探头所接收到的第一个脉冲信号就只能是从最近的反射物直接反射回来的波。当汽车倒车时，如果后面是一片平地，向后下方的超声探头的发射方向又保持不变，那么最近反射物的距离将基本保持不变，即超声回波的第一个脉冲与发射信号的时差应保持大体不变。但当汽车的后下方出现一个深坑、悬崖时，第一个反射脉冲的时差就会异常地增大或者消失（反射物太远以致反射波测不到），根据这一情况就可判断在汽车的背后出现了深坑或悬崖。

2硬件电路设计［45］

　　控制系统［6］在单片机内部程序的控制下，超声波发射探头发射超声波，在超声波遇到障碍物后，部分超声波反射回来被超声波接收探头接收，信号输入到单片机，由单片机进行中断和数据的处理，计算出发射探头到障碍物距离并与设定值进行比较，再由蜂鸣器报警提示，以达到安全倒车的目的。控制系统流程图如图3所示。

　　2.1超声波的发射电路［7］

　　超声波发射电路由超声波发射探头和放大电路组成。超声波发射探头将电信号转换为机械波发射出去，单片机自发产生的40 kHz的方波脉冲需要放大才能驱动超声波发射探头将超声波发射出去，本设计选用74HC04芯片进行信号放大，74HC04内含6组反相器，低电平输入则高电平输出，超声波发射电路如图4所示。

　　2.2超声波的接收电路［7］

　　超声波在空气中传播，遇到障碍物后其中一部分超声波会返回，也就是说超声波在传播过程中会有衰减。如果传播距离较远，那么超声波接收电路就会接收到比较微弱的超声波返回信号，因此需要放大接收到的返回信号，放大的倍数也要比较大。水平方向超声波接收电路主要是由CX20106A红外遥控接收器集成芯片及外接电路构成的，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，单片机立即停止计时，同时进行数据的处理。水平方向超声波接收电路如图5所示。

　　竖直接收电路比水平接收电路多一个比较电路部分，输入两个电压，以低电平有效输出，如图6所示。

　　23报警装置与键盘控制

　　报警模块通过单片机给定不同频率利用蜂鸣器发出不同声音，另一个就是通过发光二极管不同的颜色来定义不同的意义，如图7所示。

　　键盘主要用于水平回波时间的设定以及竖直方向距离调整，如图8所示。

3系统软件设计［8］

　　本设计采用模块化［9］的思路来设计和编写程序，程序主要由系统主程序、子程序和中断服务程序构成。主程序完成单片机的初始化、超声波的发射和接收、计算超声波发射点与障碍物之间的距离、蜂鸣器报警和LED的闪烁等。主程序如图9所示。

　　图8键盘控制图9主程序超声波接收电路在接收到超声波回波后向单片机发出有效信号，单片机通过外部中断的改变记录回波信号到达的时间，中断发生之后就表示已经接收到了回波信号，这时停止计时，并且读取计数器中的数值，这个数值就是需要进行测量的时间差的数据。

　　3.1中断处理程序

　　计算水平方向的车尾与障碍物之间的距离是INT0的中断程序，竖直方向的距离是INT1的中断程序。根据前面对超声接收电路的分析，在超声波接收探头接收到超声波回波信号后，超声波接收电路就会产生一个低电平送至单图10中断子程序片机的P32引脚使系统中断，则系统转入中断处理程序。进入中断处理后，定时器time1和外部中断0就立即被关闭，同时读取时间值，并给回波接收标志位清零即成功接收到回波信号。中断子程序流程图如图10所示。

　　3.2蜂鸣器报警程序

　　主程序根据距离计算公式计算数据即距离结果的远近，通过蜂鸣器的鸣叫的频率来分辨。在本设计中，利用单片机P37引脚来产生不同频率的方波来控制蜂鸣器产生不同频率的“滴滴”声，且距离障碍物越近鸣叫频率越高。

　　当倒车距离大于30 cm时,语音提示为“倒车安全”；当倒车距离在15~30 cm之间时,语音提示为“倒车”；当倒车距离在10~15 cm时,语音提示为“倒车小心”；当倒车距离在5~10 cm时, 语音提示为“倒车危险”；当倒车距离小于5 cm 时,语音提示为“非常危险,紧急停车”。

4结论

　　本文设计了以89S52单片机为核心，同时以超声波测距为主的显示报警系统，通过超声波传感器采集数据，由单片机控制核心快速地计算出发射探头到障碍物的距离并通过LED的闪烁同时利用蜂鸣器鸣叫进行声音报警提示，在实物模拟过程中测距精度达到5 cm高精度，测距盲区大约10 cm，小车模型超声波模块测距时存在的死区大约为10 cm，而实际应用中的测量距离范围要远大于10 cm，测量的误差比较小，满足设计要求。本系统对汽车倒车雷达的市场具有一定的理论和研究价值。

　　参考文献

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