基于AT89C51單片機(jī)的汽車倒車智能防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓利凱，韓 旭

（1．西安文理學(xué)院 陜西 西安710065；2．中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司 陜西 西安710025）

基于AT89C51單片機(jī)的汽車倒車智能防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓利凱1，韓 旭2

（1．西安文理學(xué)院 陜西 西安710065；2．中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司 陜西 西安710025）

基于AT89C51單片機(jī)為核心的汽車倒車智能防撞系統(tǒng)，采用超聲波測距的方法，當(dāng)汽車在倒車過程中與障礙物之間的距離達(dá)到安全極限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號并有數(shù)字顯示。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可以預(yù)報(bào)的有效范圍為10 cm，是一種低成本、高精度、微型化，器件更換容易，性能可靠的智能倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。

AT89C51單片機(jī)；超聲波；測距；倒車防撞預(yù)警

隨著汔車輛保有量的增加，車庫與停車位的需求量越來越大，室外停車場，地下停車場，車輛密集停車人多，所以撞車、擦碰不斷增多。而事故的發(fā)生，大多數(shù)都是由于駕駛員對離障礙物的距離判斷不準(zhǔn)造成的。因此，大力研究開發(fā)汽車防撞裝置等主動(dòng)式汽車輔助安全裝置，減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和判斷錯(cuò)誤，對于提高交通安全將起到重要的作用。因此，研究開發(fā)汽車倒車防撞裝置，可以減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和判斷錯(cuò)誤，對于提高交通安全將起到重要的作用[1-2]。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能防撞控制系統(tǒng)系統(tǒng)由單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)發(fā)出40 Hz的方波脈沖，經(jīng)過超聲波發(fā)射電路發(fā)射出超聲波，超聲波在遇到障礙物之后反射回來，再由接收電路接收反射聲波信號送入單片機(jī)進(jìn)行分析，計(jì)算出汽車與障礙物之間的距離，將處理后的結(jié)果送入顯示電路經(jīng)過數(shù)碼顯示管顯示出距離。如果距離達(dá)到安全的極限距離，則由報(bào)警電路通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提示司機(jī)躲避障礙物[3-4]，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 超聲波測距報(bào)警系統(tǒng)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路及顯示電路3部分。

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)采用AT89C51系列，其時(shí)鐘電路如圖2所示，時(shí)鐘電路電容在20～33 pF范圍內(nèi)，系統(tǒng)采用典型的33 pF。為了獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，采用高精度的晶振，晶振使用11.059 2 MHz，兩端接于單片機(jī)的XTAL1（18）和XTAL2（19）引腳，以此來為單片機(jī)提供時(shí)鐘，這樣可以減小測量距離的誤差。單片機(jī)P1.0引腳輸出40 k赫茲的間斷方波信號分成2路，一路信號經(jīng)過一個(gè)反向器后到達(dá)TCT40一個(gè)引腳，另一路通過兩個(gè)反向器后到TCT40的另一個(gè)引腳，用這種形式將P1.0發(fā)出的單片機(jī)P1.0端口發(fā)出的間斷方波信號加到TCT40的兩端上，通過這種推換形式將間斷的方波信號連接到超聲波傳感器的兩個(gè)引腳上，能夠增強(qiáng)超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。在加載反射波信號時(shí)使用兩個(gè)74LS04并聯(lián)，提高它的驅(qū)動(dòng)能力，電阻R11、R12增大超聲波傳感器的阻尼效果，縮短震蕩時(shí)間，使超聲波傳感器輸出高電平的能力大大增加[3-4]。超聲波發(fā)射電路在單片機(jī)的控制下發(fā)出超聲波，接收電路接收到信號之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，算出車尾與障礙物之問的距離，將處理結(jié)果送入LCD顯示電路進(jìn)行顯示，再按照要求由報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警[5-6]。

圖2 時(shí)鐘電路

2.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

超聲波的發(fā)射電路如圖3所示，主要由反相器74LS04和發(fā)射換能器構(gòu)成。

圖3 超聲波發(fā)射電路原理圖

超聲波換能器的內(nèi)部由一個(gè)換能板和兩個(gè)壓電晶片構(gòu)成，當(dāng)壓電晶片受到發(fā)射電脈沖激勵(lì)后即可產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)射聲波脈沖，是逆壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)用于超聲波的發(fā)射[7]。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)正好相反，當(dāng)外界的超聲波的聲波信號作用于超聲波換能器的壓電晶片時(shí)，晶片將會被迫發(fā)生振動(dòng)而引起形變轉(zhuǎn)換成電信號，這個(gè)過程就是正壓電效應(yīng)，正壓電效應(yīng)應(yīng)用于超聲波的接收[8]。

2.3 超聲波檢測接收電路的設(shè)計(jì)

超聲波接收器包括接收／發(fā)射探頭、信號放大電路和波形變換電路3個(gè)部分，超聲波的接收采用CX20106A集成電路模塊，是一款紅外線檢波接收的芯片，紅外線波的頻率為38 kHz，與測距使用的超聲波頻率接近，芯片的f5角連接一個(gè)外接電阻，此電阻使濾波器的中心頻率能夠調(diào)節(jié)，當(dāng)R21的阻值越大濾波器的中心頻率就越低，變化范圍在30～60 kHz之間。CX20106對收到的信號進(jìn)行放大、濾波作用，當(dāng)接收到的聲波信號經(jīng)由放大器，調(diào)整信號的頻率，然后濾波消除干擾信號，最后再經(jīng)過整形，輸出到CX20106的7腳輸出[9-10]。當(dāng)接收到的聲波信號與CX20106的中心頻率相符時(shí)，它的7腳就會低電平輸出，而7腳接到 INT0引腳上，這樣就會中斷。若頻率和CX20106的中心頻率不同時(shí)，即可調(diào)節(jié)R21，使濾波器的中心頻率與超聲波測距的頻率相符[11]，超聲波檢測接收電路如圖4所示。

圖4 超聲波檢測接收電路

2.4 顯示電路的設(shè)計(jì)

顯示電路采用四位共陽的LED數(shù)碼管組成動(dòng)態(tài)掃描電路，段碼使用74LS245芯片驅(qū)動(dòng)，位碼使用4個(gè)PNP三極管來驅(qū)動(dòng)，由AT89C51的P0口輸出，動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，P2口控制LED的當(dāng)前顯示位[12]。當(dāng)距離測量結(jié)束并調(diào)用顯示程序，就會顯示距離大小，顯示電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 顯示電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括主程序、發(fā)射子程序、溫度采集子程序、外部中斷子程序和數(shù)碼顯示子程序等，采用匯編語言編程。

首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，調(diào)用發(fā)射子程序，由P1.0口發(fā)射出1個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射超聲波，并且計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)[13]。然后利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄到超聲波發(fā)射到接受所用的時(shí)間當(dāng)超聲波接收器接收到超聲波后，接收電路輸出端輸出一個(gè)跳變信號，在INT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷的信號，得到超聲波的時(shí)間差。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器T1的值減少到0時(shí)，溫度寄存器的數(shù)值就加T1，計(jì)數(shù)器T1在重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，一直循環(huán)到計(jì)數(shù)器T2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，這時(shí)即可讀取此時(shí)溫度值。根據(jù)超聲波波速與溫度的關(guān)系表，即可知道超聲波精準(zhǔn)的聲波速度，通過單片機(jī)的計(jì)算得出距離，顯示出來，到達(dá)距離極限時(shí)，啟用報(bào)警模塊[14-15]，主程序流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真使用Proteus實(shí)現(xiàn)，在Proteus中硬件的連接方式如圖7所示，通過按鍵來模擬障礙物之間的距離。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)不僅可以對障礙物之間的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并且可以對超出安全距離的范圍予以報(bào)警，從而達(dá)到智能防撞的功能。

圖6 主程序流程圖

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可以預(yù)報(bào)的有效范圍為10 cm，當(dāng)障礙物距離超聲波模塊小于10 cm時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警，當(dāng)障礙物越靠近超聲波模塊時(shí)，報(bào)警的頻率越高。此系統(tǒng)原理簡單，操作方便，成本低廉，可廣泛運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中。

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Design of intelligent anti collision system based on AT89C51 single chip microcomputer

HAN Li-kai1，HAN Xu2
（1.Xi'an University of Arts and Science，Xi'an 710065，China；2.AVIC Xi'an Aero-Engine Group Corporation，Xi'an 710025，China）

Based on AT89C51 microcontroller as the core of intelligent automobile reversing collision avoidance system，the use of ultrasonic ranging method，when the distance between the reversing the process and obstacles cars has reached the limit of safety，the system will send out sound and light alarm signal and a digital display.The experiment shows that the system can predict the effective range of 10cm，Is a low cost，high precision，miniaturization，the device is easy to replace，reliable intelligent reversing collision avoidance warning system.

AT89C51 MCU；ultrasound；range；reversing anti-collision warning

圖7 硬件仿真圖

TN98

：A

：1674－6236（2017）03-0121-04

2016-01-15稿件編號：201601117

韓利凱（1961—），男，山東濟(jì)南人。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。