Abstract：Ultrasonic technology is widely used today in advanced electric control devices by modern auto anticollision system design.This article first introduces ultrasonic sensors and their frequency characteristics so as to analyse the features of ultrasonic distance measurement,the application principles for ultrasonic distance measurement in auto reversing anticollision system and relevant experimental circuits. Then based on the advantages of single chip ultrasonic circuit: high stability, convinence in programming, economy and practicability, it comes up with a single chip auto reversing anticollision system design by theoretical analysis and circuit designing.In the hardware circuit part, it expatiates on the application principles of single chip technology in auto reversing distance measurement and early warning.Analyzing the hardware and software design in which single chip is the main control unit,doing experiments and doing pritical research ,it validates the reliability and practicability of the system.

Keywords：Ultrasonic  sensors  Aoto  Distance measurement  Single chip

摘要：超声波测距技术，是现代汽车防撞系统设计中比较先进的一种电控装置，本文从超声波传感器的特点和频率特性开始，介绍了超声波测距技术在汽车倒车防撞系统的应用原理、超声波的实验电路。在此基础上，根据单片机设计超声波电路具有极高的稳定性、便于编程和经济实用等优点，运用理论分析、电路设计等手段，构建了单片机汽车倒车防撞系统测距的设计方案，详细阐述了运用单片机技术为主控单元系统硬件和软件的设计，并通过实验应用研究,验证了系统的可行性。

关键词：超声波   传感器    汽车   测距系统     单片机

一、引言

现代汽车倒车防撞测距技术，利用超声波测距具有先进性和可靠性，系统通过探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并在危险区域内及时发出警告。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而利用超声波设计的倒车防撞测距系统，可以实现探测到在盲区内障碍物的距离和方向。超声波检测电路往往比较迅速、方便、易于做到声光并茂的听觉和视觉警告，通过实时控制，可以游刃有余地让驾驶员采取必要的动作措施，因此在汽车倒车预警装置的研制上得到了实际的应用效果。

二、   超声波测距原理分析

 1、  超声波传感器

超声波传感器规格品种较多，在汽车倒车防撞测距报警系统中，目前较为常用的是压电式超声波发生器。这种传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，是一种可逆的换能器件，既可以把电振荡的能量转换为机械振荡形成超声波，又可以把接收到的超声波能量转换为电振荡，图1-1所示是分离式反射型超声波传感器的基本工作方式。

2、超声波传感器工作原理

从图1-2 中T/R40 型超声波传感器频率特性曲线可以看出，其声压能级、灵敏度在 40 kHz时最大，在电路设计时40 kHz为最佳工作状态。当有 40 kHz的脉冲电信号从传感器的两引脚输入时，传感器内部通过激励换能器处理以后，将其转换成机械振动能，由此而形成了超声波，并通过传感器的辐射口将超声波信号向外部空间发射。同时发射出去的超声波信号在遇到障碍物以后，立即被反射回来。接收机接收后，通过内部转换，将超声波信号变成电振荡信号，并将信号放大。汽车倒车防撞测距系统就是通过超声波传感器获得所需要的控制信号，利用该信号控制测距和报警电路的。

3、汽车倒车防撞系统超声波测距原理

汽车倒车系统超声波测距原理是：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 。在接收和发射的超声波系统中，发射传感器的共振频率与接收传感器的反共振频率是互相匹配的。

三．超声波探测实验电路

原理如图1-3所示，该电路是利用超声波反射原理，检测前方障碍物位置，电路由超声波发射电路、接收放大电路及检测电路组成。

超声波发射电路是由 NE555定时器产生40kHz的超声波信号，经超声波发射头UCM－40T向外发射，见图1-3（a）。

超声波接收电路如图1-3（b）所示，若发射的超声波遇到障碍物，超声波接收头UCM－40R将接收到反射的超声波信号，并将其转换为电信号，经过三级运算放大器放大，送入由锁相环译码器LM567组成的检测电路。当LM567设定的频率与发射频率一致时，8脚输出低电平，使三极管Q导通，在电阻R13形成高电位。如果离开障碍物，三极管Q输出低电位。接收信号可以通过一个音乐芯片、驱动电路和扬声器发出汽车的倒车安全提示警示。

四、汽车超声波防撞测距系统的电路设计

汽车超声波防撞测距系统的设计，从以上图 1-2超声波传感器的频率特性曲线中可以得知，超声波传感器的中心工作频率40KHz时为最大，接收到的信号最强，当偏离这个频率时，接收的灵敏度将明显降低，当发送的频率偏离40KHz时，探测距离也将缩短。在超声波测距系统电路设计时，关键在于调准40kHz驱动信号。对于产生40KHz的驱动信号，方法有多种，可以选用电感、电容振荡元件来完成驱动信号的发生器，但是其频率难以调准，稳定性相对较差。所以，以上的NE555定时器超声波实验电路，实验中不容易达到要求。

因此，在本电路设计中，介绍选用美国INTEL公司在我国非常流行的51系列单片机芯片（8751或89C51或89S51）作为信号的发生电路，由于采用了频率稳定性好的晶振作为系统的时钟，有极高的稳定性，由此产生的驱动信号也较为稳定，当编制不同的程序时，可以得到不同的频率输出，且成本较低、有良好的性价比。我们曾用它来完成一系列的实验，符合设计实验制作要求，且芯片内有4K的ROM，便于编程。

1、系统硬件设计

汽车超声波防撞测距系统，应能帮助汽车驾驶员及时了解车周围阻碍物的情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。其硬件电路设计，接收部分电路如图2所示。图中只画出某一个方向测距电路的接线图，其他测距电路分别相同，故省略之。

（1）、40kHz 脉冲的产生与超声波发射

测距系统中采用UCM40的压电陶瓷超声波传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，执行程序由单片机来产生。

puzel： mov 14h, #12h；超声波发射持续200ms

here： cpl p1.0 ；输出40kHz方波     ……

ret  ……（略）

在测距电路中假设这个方向的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口将输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波。其他电路的输入端可以分别接P1.1和P1.2端口，工作原理分别相同。

2、超声波的接收与处理

接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC_1A和IC_1B两级放大后加至IC₂。IC₂是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f₀=1/1.1R₈C₃，电容C₄决定其锁定带宽。调节R₈在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

五、结束语

利用51系列单片机设计汽车超声波倒车防撞测距系统，电路简单、程序设置可以自定、读数直观，工作稳定。在实验中需要注意的问题是：汽车的倒车防撞报警器电路的超声波发射传感器和接收传感器一般并排安装在汽车的尾部，电路部分是安装在驾驶室内。两者的连接电缆长度在5m左右，连接应采用带状屏蔽电缆较为合适，使用屏蔽线的目的，主要是为了防止外界的干扰串入电子电路，以避免倒车防撞报警的电子电路产生误动作。使实验的效果更符合实际，经实验测试证明，该类测距系统，虽然该系统中锁相环锁定需要一定时间，测得的距离有误差，但在汽车超声波测距系统应用中此误差可以满足要求。

参考文献

1、刘明《电子线路综合设计实验教程》． 天津大学出版社．2008年2月

2、孙余凯等编写《传感器技术基础与技能实训教程》．电子工业出版社．2006年11月

3、宋建国《AVR单片机原理及应用》．    北京航空航天大学出版社，1998

4、黄继昌．《传感器工作原理及应用实例》． 人民邮电出版社，1998