倒车安全距离检测系统设计

周林杰

摘要：本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由AT89C51控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。用三位LED数码管显示距离。整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计，最后通过Proteus进行调试与仿真，以验证系统良好的工作性。

关键词：超声波；单片机；测距；AT89C51

1 超声波测距原理概述

谐振频率高于20kHz的声波称为超声波[1]。超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，因此被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。在超声波探伤、自动泊车系统和倒车雷达系统中[2]，超声波测距有其重要的应用。超声波测距的方法有多种，如相位检测法、渡越时间检测法和声波幅值检测法[3]等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。

本测距系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。再由单机计算出距离，送LED数 码管显示测量结果。

超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表2-1，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s）。

即： s=vt/2。 （2-1）

1.1 超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类[4]：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

1.2 单片机超声波测距系统构成

单片机AT89C51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。

限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。

2 系统硬件设计

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。单片机采用AT89C51，系统晶振采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口，数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。

2.1 AT89C51单片机

AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容Cl、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器选择40pF±10F。

2.2 超声波测距系统构成

本系统由单片机AT89C51控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89C51。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口，数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。

超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.5输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.5由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。

2.2.1 超声波发射、接收电路

超声波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由BG1、BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。

该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89C51的P2.7发出。方波的周期为1/40ms，即25？s，半周期为12.5？s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1？s，所以只能产生半周期为12？s或13？s的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。

超声波接收电路的设计主要是对信号进行放大、滤波、整形、检波等处理。实现这几个功能的电路可以有多种选择，可以根据电路不同的要求选择不同的芯片，对回波信号进行一步一步的调试和处理，实现放大、滤波、整形的处理[5]。由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大，使回波易于检测[6]。接收电路如图3-5所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是IN 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单、性能较好、制作难度小。

2.2.3 显示电路

本系统采用三位一体LED数码管显示所测距离值。数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口，数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。

2.2.4 供电电路

本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏，同时为调试系统方便，供电方式考虑了第二种方式，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。6伏交流是经过整流二极管D1-D4整流成脉动直流后，经虑波电容C1虑波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由5伏的三端称压集成电路进行稳压后输出5伏的真流电供整个系统用电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。

2.2.5 报警输出电路

为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。

方式一：报警信号由单片机P3.1端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻R6、三极管BG9、继电器JDQ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。

方式二：报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…..”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图3-9。

3 系统调试过程

3.1 程序的仿真

通过上面的硬件设计和软件设计过程，设计的工作已经基本完成，接下来的工作就是对所设计好的应用系统进行调试。通过调试可以检查出系统出现的一些错误，从而进行下一步的修改。

（1）在Protel 99 SE中，对硬件电路图进行ERC电气规则检查

（2）接着程序调试

（3）最后protues调试

参考文献：

[1]马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社，2004.

[2]38胡盛斌，罗均.用于移动机器人避障的超声测距系统[J].机电一体化，2003（1）：37-40

[3]袁佑新，吴妍，刘苏敏，等.可视汽车倒车雷达预警系统设计[J].微计算机信息，2007（23）： 268-270

[4]瞿金辉，周蓉生.超声波测距系统的设计[J].中国仪器仪表，2007（8）：44-45.

[5]张和生，宋明耀.车载超声测距仪的研制[J].仪表技术于传感器，2003（2）：26-28

[6]兰羽，卢庆林.仪表放大器在激光外差玻璃测厚系统中的应用[J].国外电子测量技术，2012，31（3）：79-81.