用MC68HC705J1A實(shí)現(xiàn)超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器的設(shè)計(jì)

超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器是超聲波測距的一個重要應(yīng)用。在汽車倒泊時，利用超聲波的反射可以探測汽車尾部與障礙物之間的距離，提供多級聲光報(bào)警。本文介紹一種以MC68HC705J1A單片機(jī)為核心的低成本超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器的設(shè)計(jì)方法，該報(bào)警器的感應(yīng)時間小于0.5s，測距精度可達(dá)0.1m。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理是根據(jù)超聲波遇到障礙物后可反射回來的特性，記錄發(fā)射信號到收到第一個反射信號的時間t，利用公式s=c·t/2，計(jì)算出距離s。其中c是聲速，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下聲速c=331.4m/s。超聲波測距原理如圖1所示。

2 超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器的組成

超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器的組成如圖2所示。

報(bào)警器只在汽車倒泊時才使用，采用倒車燈的電源+12V供電。倒車時障礙物可能在車的后面，也可能在車的側(cè)面。為了保證各種情況下探測障礙物的準(zhǔn)確性，采用雙路探測結(jié)構(gòu)，取兩路中距離較短的一路作為有效探測距離。超聲波探測頭具有電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換兩種功能，分時用于發(fā)送信號和接收信號。聲光報(bào)警電路由單片機(jī)直接控制，利用不同的蜂鳴器鳴叫聲音和不同顏色的LED閃動實(shí)現(xiàn)多段報(bào)警。

3 超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器的硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器的硬件電路原理如圖3所示(圖中只給出了一路檢測電路，另一路與此相同)。

MC68HC705J1A單片機(jī)是Motorola公司J系列單片機(jī)中性能價格比最高的單片機(jī)之一，廣泛應(yīng)用于各種中小型檢測控制系統(tǒng)中。MC68HC705J1A是一個具有1240字節(jié)EPROM/OTPROM的8位微控制器，主要硬件資源有:1240字節(jié)EPROM、64字節(jié)RAM、14個雙向輸入/輸出端口、多功能計(jì)數(shù)器、外部中斷等，同時具有看門狗和非法地址檢測、無最小時鐘頻率選擇等特點(diǎn)。在超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器中，充分利用其雙向并行口的輸入和輸出功能，進(jìn)行信號的發(fā)送、接收及聲光報(bào)警等控制。

超聲波探測頭選頻頻率為40kHz方波，由軟件在單片機(jī)的發(fā)送管腳PA6和PA7上直接產(chǎn)生20個方波脈沖，再通過變壓器升壓變換，經(jīng)超聲波探測頭發(fā)射出去。由于傳感器本身的恢復(fù)過程，發(fā)射結(jié)束后仍有不大于500μs的阻尼震蕩。發(fā)射信號同時回送到接收電路。

發(fā)射信號遇到障礙物后反射回來，由同一超聲波探測頭接收并送到接收電路。接收電路對反射信號進(jìn)行多級放大和檢波，最后通過開關(guān)電路到達(dá)單片機(jī)的接收管腳PA0或PA1。當(dāng)接收電路有信號時，開關(guān)三極管Q1導(dǎo)通，PA0或PA1為低電平;否則，三極管截止，PA0或PA1為高電平。檢測PA0或PA1的管腳狀態(tài)，就可以得到超聲波探測頭接收到第一個反射信號的時刻，從而計(jì)算出從發(fā)送信號到接收到第一個反射信號的時間，再進(jìn)一步計(jì)算出障礙物與汽車的距離。發(fā)射信號波形、接收電路信號波形和單片機(jī)接收管腳信號波形如圖4所示。

4 超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)

超聲波汽車倒泊防撞報(bào)警器的軟件采用匯編語言。程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測環(huán)境比較復(fù)雜時，檢測值會出現(xiàn)常數(shù)0或隨機(jī)數(shù)的現(xiàn)象，因此，實(shí)際檢測并不是以一次檢測值進(jìn)行計(jì)算的，而是將本次檢測值與之前連續(xù)9次的檢測值(共10次)進(jìn)行比較(取平均值)，從而得出一個最終檢測結(jié)果，再計(jì)算出距離，根據(jù)距離所屬的范圍報(bào)警。檢測一次所需時間為50ms。

一般報(bào)警程序中所需的時間參數(shù)都是由定時器通過硬件計(jì)數(shù)進(jìn)行中斷控制，但是超聲波檢測中，在發(fā)射信號期間不允許中斷，否則導(dǎo)致發(fā)射信號頻率不精確;同時在檢測過程中如果產(chǎn)生定時器中斷，也會給計(jì)數(shù)帶來誤差。因此，報(bào)警程序不采用中斷方式，而是將檢測報(bào)警所需的時間參數(shù)與單次檢測時間(50ms)結(jié)合起來，將蜂鳴器的鳴響頻率和LED的閃動頻率規(guī)定為500ms，即檢測10次的時間。報(bào)警時間參數(shù)與檢測次數(shù)之間的關(guān)系如表1所示。

檢測主程序如下:

org 0300h

lda #00

sta counta ;報(bào)警計(jì)數(shù)器清0

lda #＄fd

sta portad ;設(shè)置A口輸入/輸出方向

lda #＄ff

sta portbd ;設(shè)置B口輸入/輸出方向

ldx buffer ;緩沖區(qū)首地址 → x

transmit： jsr transp ;調(diào)用發(fā)射20個脈寬為250μs方波子程序

jsr del450μs ;延時450μs

lda #00

sta ，x ;用于計(jì)時的緩沖單元清0

next： lda porta ;檢測處理器接收管腳是否為低電平

and #＄03

cmp #＄02

bne check ;檢測到低電平，退出計(jì)時

cmp #＄01

bne check ;檢測到低電平，退出計(jì)時

cmp #＄03

bne check ;檢測到低電平，退出計(jì)時

jsr del20μs

inc ，x ;計(jì)時緩沖單元內(nèi)容加1

lda #＄max

cmp ，x ;判斷計(jì)時值是否超過限定最大值max

beq check ;若超過，退出計(jì)時

jmp next ;否則，繼續(xù)檢測計(jì)時

check： incx ;緩沖區(qū)地址加1

jsr distance ;調(diào)用計(jì)算距離子程序

jsr aver ;調(diào)用求平均值子程序，同時設(shè)置距離標(biāo)志flag和報(bào)警參數(shù)

jsr alarm ;調(diào)用報(bào)警子程序，根據(jù)報(bào)警參數(shù)報(bào)警

jsr del30ms ;延時30ms

jmp transmit ;繼續(xù)下一次檢測

end

實(shí)際使用證明，該報(bào)警器性能比較穩(wěn)定，已達(dá)到實(shí)用要求。硬件設(shè)計(jì)中充分考慮了反射信號的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，對反射信號進(jìn)行了一系列的濾波、放大與檢波處理。軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)簡潔，尤其是獨(dú)特的報(bào)警算法，避免了定時器中斷對檢測精度的影響。

分析可知，該報(bào)警器在性能上還可以做如下改進(jìn):

(1)采集數(shù)據(jù)的處理算法問題。該報(bào)警器采用的是連續(xù)10次采集數(shù)據(jù)求平均值的處理算法。當(dāng)環(huán)境比較復(fù)雜時，采集數(shù)據(jù)會出現(xiàn)0或隨機(jī)數(shù)情況，對平均值算法的結(jié)果有很大影響，不利于測距精度的提高，所以選擇優(yōu)化算法是軟件設(shè)計(jì)仍需改進(jìn)的難點(diǎn)之一。

(2)改進(jìn)采樣方式。該報(bào)警器采用查詢方式采樣數(shù)據(jù)，查詢一次的步長是50ms，因此每次采樣的最大誤差是50ms。如果采用其它方式檢測，例如中斷方式，還可以將采樣誤差控制到最小。

(3)溫度對聲速的影響。如果考慮環(huán)境溫度變化對聲速的影響，硬件設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行溫度檢測，在軟件中進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算，進(jìn)一步減小測距誤差，使性能更加穩(wěn)定。