第２９卷第３期 吉 林 化 工 学 院 学 报 Ｖ０Ｉ．２９ Ｎｏ．３ ２０１２年３月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＪＩＬＩＮ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｍａｒ． ２０１１ 文章编号：１００７．２８５３（２０１２）０３－００５９－０４ 基于单片机控制的超声波倒车防撞系统设计 吴兴波 ，房靖宜 ，荣志强 ，刘长生 （１．吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林１３２０２２；２．吉林大学经济学院，吉林长春１３００００） 摘要：设计介绍了一种基于单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２的超声波测距系统，在本设计中超声波发射部分创新性的 使用了ＭＡＸ２３２芯片，缩小了盲区．在接收部分采用了比较器整形电路来提高测量精度．并且在硬件上 采用了温度传感器１８Ｂ２０来采取声速预置和媒质相结合的方法对声速进行温度补偿，实现实时测距倒 防撞的功能，以降低声速变化对测量的影响． 关键词：超声波；发射部分；接收部分；温度补偿 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标志码：Ａ 人类听觉能听到的声波频率为２０～２００００ Ｈｚ． 当声波的振动频率大于２０ ＫＨｚ或小于２０ Ｈｚ时， 便听不见了．因此，把频率高于２０ ０００赫兹的声 波称为“超声波”．超声波在清洗方面、医学方面、 蜂鸣器 检验方面、塑料焊接、金属焊接等方面得到了广泛 报警 的应用．本设计可以应用在车辆的防撞报警系 图１ 超声波倒车防撞系统 统 ． ２硬件电路设计 １ 基：本原理 ２．１超声波发射电路 超声波传播过程尺寸大于其波长的目标障碍 本系统是由单片机产生的一路４０ 物时就会发生反射，反射波称为回波．超声波测距 ｋＨｚ的方波 经过反相器进入ＭＡＸ２３２，另一路直接和ＭＡＸ２３２ 一适用于高精度的中长距离测量，因为超声波在标 相连，两路同时通过ＭＡＸ２３２泵放大后叠加在超声 准空气中的传播速度为３４０ ｍ／ｓ，由单片机负责计 波两端，得到的电压幅值在１０ Ｖ以上，频率在 时，单片机使用１２．ＯＭ晶振，所以此系统的测量 ４０ ｋＨｚ的信号，换能器在这个信号的作用下产生 精度理论上可以达到毫米级．假如超声波在介质 ０４ ｋＨｚ的超声波．超声波发射电路，如图２所示． 中传播的速度Ｖ是已知的，且超声波从声源到达 ０．１ｕＦ ＶＣＣ 目标的距离就可以计算出来．这就是系统的基本 Ｔ ＧＮＤ ＧＮＤ 测量原理．即：Ｓ＝１／２ＶＴ．（１） Ｃ２＋Ｒｌｉｎ而超声波在介质中的传播速度受温度影响， ｃ２一Ｒｌ。ｕｔ ｝＝ｊ ＶＴ ｕ在空气中的其传播速度与环境温度的关系表达式 ２ Ｂ２Ｑｕ￡ｔ ＴＴ２ｌｉ： Ｏ．１ｕＦ ＭＡＸ２３２ ７４ＨＣＩＭ 为：Ｖ＝３３１．４５＋０．６０７ （２） ＧＮＤ ＧＮＤ Ｐ１．０ Ｔ为环境摄氏温度，将（２）式代人（１）式便可 图２超声波发射电路 计算出需要的测量距离．系统框图，如图１所示． 收稿日期：２０１２－０１—１２ 作者简介：吴兴波（１９６４一），男，吉林通化人，吉林化工学院讲师，主要从事电子技术方面的研究 化工学院学生 吉林化工学院学报 ２０１２正 超声波的接收头接收到的回波是微弱的ｍＶ级 就是将回波信号放大１００多倍．并测出超声波接 收的得脉冲，二极管为峰值检波，电容为检波滤波 积分电路．发光二极管的限流电阻与２Ｋ电阻一 的电压信号，所以要把这个ｍＶ级的微弱信号放大 整形才能送入单片机处理．ＭＸ４１６７为高速放大 器，其转换速度为２Ｖ／ｕｓ，电源最低可为２．５ Ｖ．并 且里面含有两路放大器，回波信号通过第一路将 起组成脉动信号的输出内阻，输出脉冲信号送人 单片机的中断端口Ｐ３．２来做后期处理．超声波接 被放大２０多倍，再通过第二路放大１到５倍，也 收电路设计，如图３所示． 图３超声波接收电路 ２．２温度补偿电路 ２．４小车驱动电路 为了避免环境温度对测量距离的影响，本系 本系统采用光电耦合器将直流电机电源与单 统采用了温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０来校准测量距离， 片机供电电源隔开，使其工作在两个不同的供电 提高测量精度．ＤＳ１８Ｂ２０具有超小体积，超低硬件 系统中，从而保护了单片机．小车直流电机的输出 开销，抗干扰能力强，测量精度高，附加功能强，所 信号通过光电耦合器的隔离送给Ｌ２９３Ｄ并驱动 以我们采用该温度传感器．温度补偿电路设计，如 小车直流电机工作．通过占空比来调节小车左右 图４所示 ． 电机的速度，是小车能够沿着直线走． ２．５显示电路 Ｐ１．０ Ｎｏｋｉａ５１１０ ＬＣＤ支持多种串行通信协议，我 －＝；＝。ＤＳＩ８Ｂ２０ 们采用ＳＰＩ通信协议．ＳＰＩ总线系统是一种同步串 ＧＮＤ 行外设接口，它可以使ＭＣＵ与各种外围设备以串 图４温度补偿电路 行方式进行通信以交换信息．ＳＰＩ总线系统一般 ２．３报警电路 使用４条线：串行时钟线（ＳＣＫ）、主机输入／从机 本系统采用了有源蜂鸣器作为报警电路如图 输出数据线ＭＩＳＯ、主机输出／从机输人数据线 ５所示，简化了电路的设计，在危险距离小于１ ｍ ＭＯＳＩ和低电平有效的从机选择线ＳＳ．ＳＰＩ的通信 时开始报警，距离越短声音越急促． 原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有 一ＶＣＣ 个主设备和一个或多个从设备，需要至少４根 线，事实上３根也可以（单向传输时）．也是所有 基于ＳＰＩ的设备共有的，它们是ＳＤＩ（数据输入）， ＳＤＯ（数据输出），ＳＣＫ（时钟），ＣＳ（片选） Ｊ．其中 图５报警电路 ｃｓ是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选 第３期 吴兴波，等：基于单片机控制的超声波倒车防撞系统设计 信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电 此脉冲完成数据传输．数据输出通过ＳＤＯ线，数 位），对此芯片的操作才有效．这就允许在同一总 据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下 线上连接多个ＳＰＩ设备成为可能．接下来就负责 降沿或上升沿被读取．完成一位数据传输，输入也 通讯的３根线了．通讯是通过数据交换完成的，这 使用同样原理．这样，在至少８次时钟信号的改变 里先要知道ＳＰＩ是串行通讯协议，也就是说数据 （上沿和下沿为一次），就可以完成８位数据的传 是一位一位的传输的．这就是ＳＣＫ时钟线存在的 输，如图７所示． 原因，由ＳＣＫ提供时钟脉冲，ＳＤＩ和ＳＤＯ则基于 图６小车驱动电路 下．当检测到按键释放后，也要给５ ｍｓ～１０ ｍｓ的 ＬＥＤ ＳＣＬＫ ＤＮ 延时，待后沿抖动消失后才能转人该键的处理 Ｄ／Ｃ ＧＮＤ ＲＳＴ 程序． ｖｃｃ ＳＣＥ ３程序设计 图７ Ｎｏｋｉａ５１１０驱动电路 不同的ＳＰＩ设备的实现方式不尽相同，Ｎｏ． 首先，系统初始化单片机的外部中断０、定时 ｋｉａＳ１１０ ＬＣＤ将ＳＰＩ通信协议中的ＳＤＯ省去，而 器Ｔｌ的工作方式，让Ｔ１计时，外部中断０接收回 增加了Ｄ／Ｃ（模式选择）、ＲＳＴ（复位）、ＳＥＮ（使 波的下降沿，当超声波发射出８个４０ＫＨｚ的ＰＷＭ 波后，启动外部中断０及定时器Ｔ１，等待是否收 能）． 到回波，当接收到回波则进入外部中断子程序，进 ２．６按键输入电路 行时间及温度的采集，并将Ｆｌａｇ置一，如果Ｆｌａｇ 本系统还可以通过按键来控制危险距离，而 为一，则进行数据处理并显示，否则重新发送．其 通常的按键所用开关为机械弹性开关，一个按键 流程如图８和图９所示． 开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也 （外部中断人口） 不会一下子断开．因而在闭合及断开的瞬间均伴 Ｉ 关外部中断０和定时器Ｔ１ 随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的 ＋ 措施就是按键消抖．抖动时间的长短由按键的机械 时间及温度采集 特性决定，一般为５ ｍｓ～１０ ｍｓ．用软件方法去抖， 即检测出键闭合后执行一个延时程序，５ ｍｓ～１０ ｍｓ （外部中断返回）申 的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态， 如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按 图８外部中断子程序 吉林化工学院学报 ２０１２经 外部中断人口 系统可以安装在各种汽车尾部，用于倒车监测车 关外部中断Ｏ和定时器Ｔ１ 后障碍物情况，功能良好． 时间及温度采集 参考文献： 张毅刚．ＭＣＳ－５１单片机应用设计［Ｍ］．哈尔滨： 外部中断返回 哈尔滨工业大学出版社，１９９０． 图９主程序流程 穆兰．单片微型计算机原理及接口技术［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，１９９５． ４结 论 何立民．ＭＣＳ－５１系列单片机应用系统设计［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，１９９０． 本系统解决了温度变化带来超声波测距精度 韩全立，王建明．单片机控制技术及应用［Ｍ］． 不高以及距离不远等问题．能达到设计的要求．此 北京：电子工业出版社，２００４． 外，样机系统智能化，具有蜂鸣报警提示和液晶屏 孙琳琳，石飞飞．一种高精度超声波测距仪的设计 显示功能，体现人性化，使用起来非常方便．这一 与实现［Ｊ］．科学技术与工程，２０１０，１０（３０）：５６－６０． １ ２ ３ ４ ５ １』］ｊ １，Ｊ １Ｊ］●Ｊ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ａｎｔｉ－ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＷＵ Ｘｉｎｇ—ｂｏ ，ＦＡＮＧ Ｊｉｎｇ．ｙｉ ，ＲＯＮＧ Ｚｈｉ。ｑｉａｎｇ ，ＬＩＵ Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｌｉｎ Ｃｉｔｙ １３２０２２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒ— ｃｉｔｙ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｊｉｌｉｎ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＳＴＣ８９ Ｃ５２ ＳＣＭ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ａｎｔｉ．ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｎａｒｒｏｗ ｄｏｗｎ ｂｌｉｎｄ ａｒｅａ．ｔｈｅ ｃｈｉｐ ＭＡＸ２３２ ｗａｓ ｃｒｅａｔｉｖｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｕｌ－ ｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｓｈａｐｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｕｈｒａｓｏｎｉｃ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒ— ｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ １８Ｂ２０ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ａｃｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｓｏ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｏｎｉｃ ｓｐｅｅｄ ｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ；ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ