基于AT89S52單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：利用超聲波測(cè)距原理，出于低成本、高精度的目的，提出了一種基于AT89S52的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。硬件部分采用AT89S52單片機(jī)作為控制器，主要有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度檢測(cè)電路、LCD顯示電路和報(bào)警電路。本文在分析超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，給出了實(shí)現(xiàn)超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖和硬件設(shè)計(jì)電路圖。該系統(tǒng)測(cè)量精度為lcm，完全能夠滿足汽車倒車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：AT89S52：超聲波：溫度補(bǔ)償：測(cè)距

0 引言
    超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械震蕩，由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等到優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于測(cè)量距離。本文設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)就是利用超聲波的上述特性做到對(duì)倒車距離實(shí)時(shí)和高精度的檢測(cè)，同時(shí)，此系統(tǒng)成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度和穩(wěn)定性好，有望得到廣泛的應(yīng)用，從而減少交通事故的發(fā)生。

1 超聲波測(cè)距原理
    超聲波測(cè)距原理是利用超聲波從發(fā)射到接收過程中傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。本文的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)采用反射接收回波方式。設(shè)l為測(cè)量距離，t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為c，則有t=2l／c，而聲波在空氣中傳輸速率為。式中T為環(huán)境溫度；cO為絕對(duì)溫度時(shí)的速度，是常數(shù)。從上述兩式可以推出，故利用超聲波測(cè)量的距離與時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)，在本系統(tǒng)中利用AT89S52中的定時(shí)器測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，利用DSl8820測(cè)量環(huán)境溫度，從而提高測(cè)距精度。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
    如圖1所示，本系統(tǒng)硬件部分由AT89S52控制器、超聲波發(fā)射電路、接收電路、溫度測(cè)量電路，聲音報(bào)警電路和LCD顯示電路組成。汽車行進(jìn)時(shí)LCD顯示環(huán)境溫度，當(dāng)?shù)管嚂r(shí)，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過AT89S52數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到LCD上，如果距離小于設(shè)定時(shí)，報(bào)警電路會(huì)鳴叫，提醒司機(jī)注意車距。AT89S52是主控芯片，支持在線下載程序，方便調(diào)試，有8kB的Flash、32個(gè)I／O口、三個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、八個(gè)中斷源、全雙工UART串行口和看門狗定時(shí)器等，資源豐富，既滿足了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，也滿足了日后擴(kuò)展的需求。

2．2 超聲波發(fā)射電路
    超聲波發(fā)射器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩部分，超聲波探頭選用CSB40T?？刹捎密浖l(fā)生法和硬件方法產(chǎn)生超聲波。本系統(tǒng)利用軟件產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，經(jīng)過74HC04兩次和一次反向放大驅(qū)動(dòng)后輸出到CSB40T，如圖2所示。

    74HC04是一個(gè)高速CMOS六反相器，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，而相對(duì)于LSTTL邏輯IC，它的功耗減少很多。對(duì)于HC類型，其工作電壓為2～6V，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入LSTTL邏輯信號(hào)和CMOS邏輯輸入。
2．3 超聲波接收電路
    由于超聲波在空氣中傳播，其能量會(huì)隨傳輸距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號(hào)一般比較弱，所以在設(shè)計(jì)超聲波接收電路時(shí)，要有較大的放大倍數(shù)；為減小環(huán)境噪聲對(duì)回波信號(hào)的影響，也要考慮選用濾波特性較好的電路，使回波易于檢測(cè)。超聲波接收電路使用集成電路CX20106A，可用來完成信號(hào)的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能，如圖3所示。

    其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載；其帶通濾波器中心頻率可由芯片5腳的外接電阻調(diào)節(jié)，不需要外接電感，可避免外磁場(chǎng)對(duì)電路的干擾，可靠性較高。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時(shí)，使用集成電路也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。當(dāng)接收到40kHz信號(hào)后，芯片7腳會(huì)出現(xiàn)較短的低電平，接入單片機(jī)便可以使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。
2．4 溫度測(cè)量電路
    由于超聲波的傳播速度v會(huì)受溫度、濕度、壓強(qiáng)等的影響，其中溫度的影響尤為嚴(yán)重。因此在測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行校正，以減小誤差。
    本系統(tǒng)采用DALLAS公司的DSl8820數(shù)字式溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，它所測(cè)量的溫度值用9位二進(jìn)制數(shù)直接表示，這些值通過DSl8820的數(shù)據(jù)總線直接輸入CPU，無需A／D轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令、溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過數(shù)據(jù)總線傳入DSl8820，無需外部電源。DSl8820數(shù)字溫度傳感器與AD590、LM35等溫度傳感器相比，具有相當(dāng)?shù)臏y(cè)溫范圍和精度，溫度測(cè)量精確、不受外界干擾等優(yōu)點(diǎn)。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2．5 顯示電路
    本系統(tǒng)中的顯示部分采用1602LCD液晶顯示。具體接口如圖5所示。

    如上圖，有兩組電源，一組是模塊的電源 一組是背光板的電源 均為5V供電。R3是調(diào)節(jié)對(duì)比度的引腳，調(diào)節(jié)此腳上的電壓可以改變黑白對(duì)比度。RS是很多液晶上都有的引腳，是命令／數(shù)據(jù)選擇引腳，該腳電平為高時(shí)表示將進(jìn)行數(shù)據(jù)操作；為低時(shí)表示進(jìn)行命令操作。RW也是很多液晶上都有的引腳，是讀寫選擇端，該腳電平為高時(shí)表示要對(duì)液晶進(jìn)行讀操作；為低時(shí)表示要進(jìn)行寫操作。同樣，很多液晶模塊有E引腳，通常在總線上信號(hào)穩(wěn)定后給一正脈沖通知把數(shù)據(jù)讀走，在此腳為高電平的時(shí)候總線不允許變化。DO～D7 8位雙向并行總線，用來傳送命令和數(shù)據(jù)。BLA是背光源正極，BLK是背光源負(fù)極。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序、溫度補(bǔ)償子程序、報(bào)警子程序以及顯示子程序組成。主程序流程圖如圖6所示。

    超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，最重要的就是對(duì)發(fā)射信號(hào)的控制及接收測(cè)量的時(shí)機(jī)控制。在設(shè)計(jì)中，AT89S52對(duì)發(fā)射的控制就是對(duì)40kHz方波產(chǎn)生電路的控制。由AT89S52的Pl．0口控制超聲波發(fā)射電路以6個(gè)脈沖的序列發(fā)射出去，在程序中用延時(shí)實(shí)現(xiàn)。脈沖發(fā)射同時(shí)打開定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)，發(fā)射后等待1ms打開外部中斷INT0，等待回波反射到接收探頭。等待1ms的原因是，超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波一般都會(huì)存在余波干擾，有部分聲波會(huì)直接傳到接收探頭，經(jīng)接收電路放大后，系統(tǒng)就會(huì)把它誤認(rèn)為是檢測(cè)的回波信號(hào)，發(fā)射后等待1ms可以避免檢測(cè)到余波信號(hào)，當(dāng)然這也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量盲區(qū)的存在。

4 結(jié)論
    為了證明本文設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的可靠性，在內(nèi)部進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。本系統(tǒng)測(cè)距范圍為0．2～5m。最大誤差小于3cm。因此，本系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高的特點(diǎn)。