用MC68HC705J1A實(shí)現超聲波汽車(chē)倒泊防撞報警器的設

超聲波汽車(chē)倒泊防撞報警器是超聲波測距的一個(gè)重要應用。在汽車(chē)倒泊時(shí)，利用超聲波的反射可以探測汽車(chē)尾部與障礙物之間的距離，提供多級聲光報警。本文介紹一種以MC68HC705J1A單片機為核心的低成本超聲波汽車(chē)倒泊防撞報警器的設計方法，該報警器的感應時(shí)間小于0.5s，測距精度可達0.1m。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理是根據超聲波遇到障礙物后可反射回來(lái)的特性，記錄發(fā)射信號到收到第一個(gè)反射信號的時(shí)間t，利用公式s=c·t/2，計算出距離s。其中c是聲速，標準狀態(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(chē)倒泊防撞報警器的組成

超聲波汽車(chē)倒泊防撞報警器的組成如圖2所示。

報警器只在汽車(chē)倒泊時(shí)才使用，采用倒車(chē)燈的電源+12V供電。倒車(chē)時(shí)障礙物可能在車(chē)的后面，也可能在車(chē)的側面。為了保證各種情況下探測障礙物的準確性，采用雙路探測結構，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換和聲電轉換兩種功能，分時(shí)用于發(fā)送信號和接收信號。聲光報警電路由單片機直接控制，利用不同的蜂鳴器鳴叫聲音和不同顏色的LED閃動(dòng)實(shí)現多段報警。

3 超聲波汽車(chē)倒泊防撞報警器的硬件電路設計

超聲波汽車(chē)倒泊防撞報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單片機是Motorola公司J系列單片機中性能價(jià)格比最高的單片機之一，廣泛應用于各種中小型檢測控制系統中。MC68HC705J1A是一個(gè)具有1240字節EPROM/OTPROM的8位微控制器，主要硬件資源有:1240字節EPROM、64字節RAM、14個(gè)雙向輸入/輸出端口、多功能計數器、外部中斷等，同時(shí)具有看門(mén)狗和非法地址檢測、無(wú)最小時(shí)鐘頻率選擇等特點(diǎn)。在超聲波汽車(chē)倒泊防撞報警器中，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，由軟件在單片機的發(fā)送管腳PA6和PA7上直接產(chǎn)生20個(gè)方波脈沖，再通過(guò)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過(guò)程，發(fā)射結束后仍有不大于500μs的阻尼震蕩。發(fā)射信號同時(shí)回送到接收電路。

發(fā)射信號遇到障礙物后反射回來(lái)，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(guò)開(kāi)關(guān)電路到達單片機的接收管腳PA0或PA1。當接收電路有信號時(shí)，開(kāi)關(guān)三極管Q1導通，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(gè)反射信號的時(shí)刻，從而計算出從發(fā)送信號到接收到第一個(gè)反射信號的時(shí)間，再進(jìn)一步計算出障礙物與汽車(chē)的距離。發(fā)射信號波形、接收電路信號波形和單片機接收管腳信號波形如圖4所示。

4 超聲波汽車(chē)倒泊防撞報警器的軟件設計

超聲波汽車(chē)倒泊防撞報警器的軟件采用匯編語(yǔ)言。程序流程如圖5所示。

系統聯(lián)調時(shí)發(fā)現，當檢測環(huán)境比較復雜時(shí)，檢測值會(huì )出現常數0或隨機數的現象，因此，實(shí)際檢測并不是以一次檢測值進(jìn)行計算的，而是將本次檢測值與之前連續9次的檢測值(共10次)進(jìn)行比較(取平均值)，從而得出一個(gè)最終檢測結果，再計算出距離，根據距離所屬的范圍報警。檢測一次所需時(shí)間為50ms。

一般報警程序中所需的時(shí)間參數都是由定時(shí)器通過(guò)硬件計數進(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，否則導致發(fā)射信號頻率不精確;同時(shí)在檢測過(guò)程中如果產(chǎn)生定時(shí)器中斷，也會(huì )給計數帶來(lái)誤差。因此，報警程序不采用中斷方式，而是將檢測報警所需的時(shí)間參數與單次檢測時(shí)間(50ms)結合起來(lái)，將蜂鳴器的鳴響頻率和LED的閃動(dòng)頻率規定為500ms，即檢測10次的時(shí)間。報警時(shí)間參數與檢測次數之間的關(guān)系如表1所示。

檢測主程序如下:

org 0300h

lda #00

sta counta ;報警計數器清0

lda #＄fd

sta portad ;設置A口輸入/輸出方向

lda #＄ff

sta portbd ;設置B口輸入/輸出方向

ldx buffer ;緩沖區首地址 → x

transmit： jsr transp ;調用發(fā)射20個(gè)脈寬為250μs方波子程序

jsr del450μs ;延時(shí)450μs

lda #00

sta ，x ;用于計時(shí)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，退出計時(shí)

cmp #＄01

bne check ;檢測到低電平，退出計時(shí)

cmp #＄03

bne check ;檢測到低電平，退出計時(shí)

jsr del20μs

inc ，x ;計時(shí)緩沖單元內容加1

lda #＄max

cmp ，x ;判斷計時(shí)值是否超過(guò)限定最大值max

beq check ;若超過(guò)，退出計時(shí)

jmp next ;否則，繼續檢測計時(shí)

check： incx ;緩沖區地址加1

jsr distance ;調用計算距離子程序

jsr aver ;調用求平均值子程序，同時(shí)設置距離標志flag和報警參數

jsr alarm ;調用報警子程序，根據報警參數報警

jsr del30ms ;延時(shí)30ms

jmp transmit ;繼續下一次檢測

end

實(shí)際使用證明，該報警器性能比較穩定，已達到實(shí)用要求。硬件設計中充分考慮了反射信號的復雜性和不穩定性，對反射信號進(jìn)行了一系列的濾波、放大與檢波處理。軟件設計采用結構化程序設計思想，結構簡(jiǎn)潔，尤其是獨特的報警算法，避免了定時(shí)器中斷對檢測精度的影響。

分析可知，該報警器在性能上還可以做如下改進(jìn):

(1)采集數據的處理算法問(wèn)題。該報警器采用的是連續10次采集數據求平均值的處理算法。當環(huán)境比較復雜時(shí)，采集數據會(huì )出現0或隨機數情況，對平均值算法的結果有很大影響，不利于測距精度的提高，所以選擇優(yōu)化算法是軟件設計仍需改進(jìn)的難點(diǎn)之一。

(2)改進(jìn)采樣方式。該報警器采用查詢(xún)方式采樣數據，查詢(xún)一次的步長(cháng)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，硬件設計中必須進(jìn)行溫度檢測，在軟件中進(jìn)行溫度補償計算，進(jìn)一步減小測距誤差，使性能更加穩定。