基于AT89C2051的智能型汽车防撞报警器的设1概要

基于AT89C2051的智能型汽车防撞报警器的设计
引言：介绍了AT89C2051单片机的性能及特点，及以其为核心的一种低成本、高精度、微型化、数字显示的汽车防撞报警器。

该防撞报警器利用超声波及集成霍尔元件实现对汽车的测距和测速，利用单片机的实时控制和数据处理功能，完成系统的控制。

文章给出了报警器的硬件电路原理及软件设计。

随着现代生活节奏的加快，交通事故发生的频率也在增加，为提高汽车运行的安全性，本文介绍一种单片机控制的汽车防撞报警系统。

该装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合，可检测汽车运行中后方障碍物与汽车的距离及汽车车速，通过数显装置显示距离，并由发声电路根据距离远近情况发出警告声。

二：超声波的简介
我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹。

当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫兹。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。

可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。

在医学,军事,工业,农业上有很多的应用。

理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.咽喉炎.气管炎等疾病,呼唤斤年时斤百很难血流到达患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。

超声波的产生
声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20000Hz 以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们
将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在 2∽5兆Hz之间，常用为3∽3.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20，000HZ 之间）。

超声波是声波大家族中的一员。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。

频率高于人的听觉上限（约为20000赫）的声波，称为超声波，或称为超声。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。

但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。

与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。

功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。

声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。

在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。

由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。

空化作用──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。

这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。

微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。

这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

频率高于2104赫的声波。

研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。

产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。

超声效应当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应，包括以下4种效应：
①机械效应。

超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。

当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。

超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播
时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化。

②空化作用。

超声波作用于液体时可产生大量小气泡。

一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。

另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。

空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。

因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。

破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。

与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。

在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。

③热效应。

由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。

④化学效应。

超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。

例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。

这些现象的发生总与空化作用相伴随。

超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。

超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。

各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。

超声应用超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：
①超声检验。

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。

超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。

把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。

上述装置称为超声显微镜。

超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。

声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已。

用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。

物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。

②超声处理。

利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、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基础研究。

超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴
随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收。

通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。

普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。

但对频率在1012赫以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。

点阵振动的能量是量子化的，称为声子。

特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。

对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体——液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域——量子声学。

超声波的特点
(一)超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

(二)超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

(三)超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。

（治疗）
超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。

二、超声波测距原理
1、超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2、压电式超声波发生器原理
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

3、超声波测距原理
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 。

这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=CT
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=CT，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。

时间误差
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。

测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。

在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。

使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。

超声波传播速度误差
超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。

已知超声波速度与温度的关系如下：
式中： r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，
R —气体普适常量，8.314kgmol-1K-1，
M—气体分子量，空气为28.810-3kgmol-1，
T —绝对温度，273K+T℃。

近似公式为：C=C0+0.607T℃
式中：C0为零度时的声波速度332m/s；
T为实际温度(℃)。

对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。

例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。

若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。

2 测速原理
汽车车速的测量是通过霍尔集成传感器来实现的。

即，将装有永久磁铁的转盘的输入轴与车轮的转轴相连，当车轮转动
时，转盘随之转动，此时，转盘上的永久磁铁会经过霍尔集成传感器，从而在霍尔集成传感器的输入端得到一个磁信号，如果转盘不停转动，霍尔集成传感器便会输出转速信号。

可以说，对汽车车速的测量实质上是对转速信号的频率的测量。

3 控制器AT89C2051的功能与特点
AT89C2051是一个低功耗、高性能的CMOS8位微处理器，与MCS－51系列指令集和引脚兼容，具有以下特点：128 bytes内部RAM，2Kbytes EPROM，15根I／O线，2个16位定时／计数器，5个两级中断源，1个全双工串行口，一个片内精密模拟比较器和片内振荡器，低功耗的闲置和掉电模式。

工作电压范围4．25V～5．5V，工作频率取12MHz。

AT89C2051中的两个16位定时／计数器寄存器T0和T1，作定时器时，可计数机器周期，计数频率为振荡频率的1／12；作计数器时，可对外部输入引脚P3．4／T0和P3．5／T1上出现从1至0的变化时增1，计数频率为振荡频率的1／24。

4 硬件系统设计
该报警器由控制系统、超声波发射电路、接收电路、测速电路、报警电路、LED显示电路组成，电路原理框图见图1。

超声波发射电路由CC7555时基电路和超声波发射探头组成。

单片机
AT89C2051的P1．7引脚控制CC7555时基电路产生40kHz的频率信号给超声波发生器，由超声波探头发射的超声波射向障碍物。

利用超声波测距具有以下特点：测量灵敏度高，穿透力强，测量速度快，测量角度大，可对较大范围内的物体进行检测。

超声波接收电路由超声波接收探头、放大器和整形器组成。

由障碍物反射回来的超声波经接收探头，变换为电脉冲信号，再由放大器、整形器放大和整形后送入到单片机AT89C2051的P3．2引脚。

放大器宜选用有足够增益和较低噪声的宽带放大器，以保持脉冲信号尤其是前沿不发生畸变，提高测距的精度。

测速电路由传感器、脉冲放大器、整形器、CC7555时基信号电路、选通门组成。

霍尔集成传感器将车轮转速信号变成脉冲信号输出，经放大、整形电路后送入选通门，由CC7555时基电路产生的单位时基信号控制选通门的开与闭，以控制转速信号在单位时间内通过选通门，送入单片机AT89C2051的P3．5引脚，控制T1计数器计数，实现了在单位时间内的计数。

报警电路由CC7555电路和扬声器组成。

AT89C2051的P1．6控制CC7555电路根据测量结果，产生一定频率的信号驱动扬声器发出报警声。

在扬声器发出报警声时，时基电路CC7555处于暂稳态，此时电源向电容充电，从而使
CC7555结束暂稳态回复到稳定状态，输出低电平，使扬声器停止发出报警声，直到下一次测距结束产生新的报警声。

LED显示电路由数码管和驱动电路组成。

用两个数码管显示距离，数码管采用静态显示，由芯片MCS14495驱动显示，P1．4、P1．5分别作为驱动芯片MCS14495的锁存信号，用于控制产生的BCD（BinaryCode Decimal，二进制编码表示的十进制数）码是显示高位还是低位。

控制器AT89C2051主要完成程序的执行、数据的处理和对外部电路的实时控制。

内部定时器T0工作在定时方式，T0在超声波发射时开始计数，当P3．2引脚收到回波后，停止计数，T0所计时间即为超声波往返传输时间，单片机对该数据进行处理，即可测出距离。

内部定时器T1工作在计数方式，由P3．5引脚输入的脉冲信号控制T1计数，由T1所计数值确定汽车的转速。

单片机根据所测距离和车速进行比较，判断是否驱动报警电路报警，如设定：当车速小于等于30km／s时，安全距离应大于等于1m；当车速小于等于80km／s时，安全距离应大于等于2m；当车速大于80km／s时，安全距离应大于等于5m。

5 软件设计
本装置的控制软件要完成系统的初始化，控制触发脉冲信号的发射与接收，根据定时时间计算障碍物的距离，根据计数频率计算汽车车速，判断所测距离是否在车速所对应的安全范围内，并根据计算和判断结果产生BCD码和相应频率的脉冲信号，以驱动显示电路和发声电路。

实现整个系统功能的主流程图如图2所示。

6 结束语
本文介绍的汽车报警器，利用单片机AT89C2051作为报警装置的控制器，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。

该报警器基于单片机设计，从而具有体积小、使用方便的特点。

若将安全距离设为0．5m，就可作为汽车倒车报警器，提高汽车倒车时的安全性。

参考文献
1 宋建国．AVR单片机原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，1998
2 黄继昌．传感器工作原理及应用实例．北京：人民邮电出版社，1998。