河南科技大学 国宏利 张俊杰 焦泽京 陈嘉琦 霍芥廷 杨亚喜 471023
摘要：防撞系统是一种可向司机预先发出视听告警信号的探测装置。它安装在汽车上,能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物，能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号,促使司机采取应急措施来应付特殊险情,避免损失。本设计硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路和报警电路组成，本由AT89C2051单片机控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，利用超声波在空气中的传输速度，从而得到实测距离。该设计的电路设计合理简单、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量误差方面能够达到简单工业实用的要求。
关键词：超声波测距；单片机；温度传感器；报警系统
1防撞报警器设计背景
1.1防撞检测系统的概况
随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，我国汽车的数量逐年攀升。另外，随着中国城市化的加速推进，这一数字还会在相当长时间内持续高水平的增长。汽车的数量逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。在享受汽车给我们带来便利的同时，由于倒车而产生的问题也日益突出。因为驾驶员在驾车时的视野范围是很有限的，通过车内和外侧的反光镜可以大幅度提高驾驶员的视野范围，但位于车正后方的障碍物以及高度不足以通过反光镜看到的或者距离车身过近的障碍物都可能处于驾驶员的视野死角或者视野模糊区中。这样，小则对驾驶员的泊车、倒车造成不便，大则也会带来一些危险。据初步调查统计，15％的汽车事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。因此，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中的不安全因素，可将车辆快速准确地停放到指定的位置。鉴于此，设计一种响应快、可靠性高且较为经济的汽车倒车防撞报警系统势在必行。
2设计原理
2.1超声波的应用
由于超声波在物理化学方面的独特特性，所以超声波在许多方面都有广泛的应用。归结起来，超声波主要应用在以下几个方面：
(1)在检验方面的应用
超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
(2)在超声处理方面的应用
利用超声的机械效应、温热效应、理化效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
(3)在基础研究方面的应用
超声学是研究超声的科学，它是声学的一个重要分支。超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。
2.2超声波测距原理
2.2.1测量原理
超声波测距的方法主要有三种，为相位检测法、幅值检测法和渡越时间法。相位检测法检测精度高。由于超声波在传播过程中，由于空气杂质含量不同，衰减系数也不一样，声波幅值检测法的检测精度和稳定性受到很大的限制，所以此种方法不适合本课题的应用。而渡越时间法工作原理简单，电路容易实现。但是由于气体介质对超声波存在反射和散射，使得超声波在传播过程中有很大的衰减，超声波的最大检测距离因此受到一定程度的限制。另一方便面超声波的最大检测距离与传感器的发射功率和电路的放大倍数有关，发射功率越大，电路的放大倍数越大，接收电路的灵敏度越好，检测距离就越远。因此可以通过提高放大倍数和采用发射功率较大的超声波探头来解决此问题。此外超声波在空气中的传播速度与温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿，而温度补偿在软件和硬件上也很容易实现。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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。超声波在空气中的传播速度为340m/s，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=340t/2
最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。
由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图1所示：
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其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=20度时,V=344m/s)；当需要测量的距离H远远大于L时,则(1—4)变为:
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(1-5)
所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H。
3 设计内容
3.1总体流程图
总体方案流程图如图所示
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3.2单片机的选择
单片机是系统软件的载体，是控制系统的核心。因此其性能将直接影响系统的稳定性。选择好的单片机不仅关系到系统的精度、稳定性，而且还有利于减少系统成本。根据系统设计的要求以及总体设计思路对所选择的单片机要求进行进一步的概括。本设计由于超声波采用软件驱动，仅需要一个定时器，一个计数器，常用的51系列单片机满足需要。因此，选用AT89C2051单片机。
3.3 超声波测距电路的设计
3.3.1超声波发射电路
超声波发射电路的设计如图所示：
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图3超声波发射电路
单片机（AT89C2051）通过外部引脚P1.7输出短暂的脉冲宽度为25，载波为40HZ的超声波脉冲串，然后加到射随器的基极，经过功率放大推动超声波发射出去。电路中的发光二极管LED和R33给出了电路的电源的供电指示。电路中的CSB40T为超声波的换能器，主要功能是发射超声波。发射超声波可以采用软件和硬件方法，上述就是利用的软件发生法，这种方法的特点就是充分利用软件，灵活性好。第二种方法就是利用超声波专用发生电路或者通用发生电路产生超声波信号，并且直接驱动换能器产生超声波。
3.3.2超声波接收电路
超声波接收电路主要由CSB40R 、LM567以及LM385组成电路组成如图所示：超声波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波。经处理后输出低电平，送到AT89C2051的引脚启动中断程序，再由软件对其进行计算、判别这样就可以得出时间t，如果有危险，则触发报警电路。在选择超声波接收探头的时候必须采用与发射探头对应的型号，主要是频率要一致，这里采用了CSB40R，否则因无法产生共振影响接收效果、甚至无法接收。
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图4超声波接收电路
由于经探头变换后的信号非常弱因此必须经放大电路放大。由于正弦波信号不能直接被微处理器接收，因此必须进行波形变换，LM567就可以起到这样的作用。
3.4报警电路的设计
3.4.1音频功率放大器LM386
任何使扬声器发声的电子装置都需要使用音频放大器件。到目前为止，在激励小型扬声器的音频放大器件中用的最多的是美国国家半导体公司1975年推出的集成电路LM386，它主要应用于低电压消费类产品。在电路设计中为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下它的静态功耗仅为24Mw，使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
LM386缺点是它需要使用大容量的电容，使整个电路的体积和价格上升，并可能使声音失真，LM386的输入阻抗很高，这些对设计的影响可以忽略。
B.特性
a)静态功耗底，约为4mA,可用于电池供电；
b)工作电压范围宽，4—12V 或5—18V；
c)外围元件少；
d)电压增益可调20—200；
e)低失真度。
3.4.2设计电路
设计电路如图所示，报警电路主要由音频功率放大器LM386和扬声器组成，LM386的3脚接单片机AT89C2051的P1.6，管脚6接电源，当汽车处于危险的状态时候，由单片机发出一个脉冲信号，经过音频功率放大器LM386放大从而使扬声器发出报警信号。
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图5 报警电路原理图
4结论分析
4.1误差分析
声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。声波扰动是机械的，声波在传播中带有机械能量，声能传播的途中逐渐转变成热，从而出现随距离而逐渐衰减的现象,称为声吸收。
4.2得出结论
该设计所介绍的防撞报警器,以单片机AT89C2051作为报警装置的核心,能充分发挥AT89C2051的数据处理和实时控制功能,使系统工作于最佳状态,提高系统的灵敏度。系统具有体积小、使用方便的特点。该装置工作稳定能满足多数汽车报警要求，且成本较低，有良好的性价比，但是在精度要求较高的工业领域，如：机器人自动测距方面，有一定的误差导致精度不够，只有通过改变一些硬件的应用实现对超声波的快速锁定，使误差进一步减小到满足工业需求，这样便可以满足更高的要求。基于超声波传感器的防撞报警系统因其具有精度高，抗干扰能力强，成本低，安全，操作简单、工作稳定可靠等优点目前已经成功的应用在汽车领域。在目前的倒车预警系统中，主要朝着高精度，高可靠性，低成本方面发展，其在汽车领域内的应用也越来越广泛。稍加改进就可作为汽车倒车报警器,提高汽车倒车时的安全性。
5参考文献
[1]程杰容 黄金荣.车距监测与倒车报警安全系统[J]. 泉州师范教育技术系，2004.
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