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李文娟（1979—）
女，西北工業大學碩士研究生，現任南昌航空工業學院教師，專業方向為通訊及測控網絡技術。
隨著現代社會工業化程度的高度發展，交通安全問題已成為各國亟待解決的大課題。解決這個問題的根本措施在于行進中的汽車能自動跟蹤測距，在危險距離內自動剎車。汽車防撞系統集光、聲、電、機于一體，不管車輛處于什么樣的駕駛狀態，在緊急避險時都能平穩停車。尤其在雨天、雪天、霧天等能見度低的惡劣天氣情況下，性能絲毫不受影響。汽車自動防撞系統在處理防止撞車發生時，采用全智能化的過程。
1 系統總體設計
本文提出了超聲波應用于汽車防撞系統，借助于超聲波的基本特征和傳播特點，根據超聲波測距原理 s=c*t/2，由發射超聲波到超聲波探測器收到回波的時間t，測出離障礙物距離。應用透射式光電傳感器，由施密特觸發器CD4093輸出速度脈沖信號，計數脈沖個數，即可測出汽車速度。把距離信號和汽車速度信號輸入到單片機 MCS-51中，應用匯編語言對其軟件編程，把距離信號與各個車速對應的安全距離進行比較判斷，是否給出報警及剎車信號。
汽車超聲波防撞系統框圖如圖1所示。
2 各模塊設計
2.1 超聲波汽車測距
在超聲波測距硬件電路中，充分利用8051單片機雙向并行口的輸入和輸出功能，進行信號的發送、接收等控制。
超聲波探測頭選頻頻率為40kHz方波，軟件編程在單片機的輸入端口上直接產生20個方波脈沖，再通過變壓器升壓變換，經超聲波探測頭發射出去。
發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。送入單片機的接受端。當接收電路有信號時端口為低電平。檢測其管腳狀態，就可以得到超聲波探測頭接收到第一個信號的時刻，s=c*t/2，從而計算出從發送信號到接收到第一個反射信號的時間t，計算出障礙物與汽車的距離S。流程如圖2所示。
2.2 光電傳感器測速
采用透射式光電傳感器測車速。每當圓盤上的長方孔與光電開關上的透光孔重合，則光敏三極管受到光而通過電流，使施密特觸發器CD4093輸出高電平，當圓盤轉至透光孔被遮時，CD4093輸出低電平。隨著圓盤不停地轉動，CD4093便輸出脈沖序列。測出輸出脈沖個數，結合圓盤每一周的孔數，使可算出旋轉的轉速及轉角。圓盤由汽車的車輪轉輪驅動，算出圓盤的轉速就可間接地計算出汽車的轉速，得知汽車的行駛速度。
由于光敏三極管接收的峰值波長為880~900nm的近紅外光，而陽光的波長在280nm以上，故易對光電傳感器形成干擾，在應用時避免陽光照到光敏三極管上。故在本次設計中，通過轉輪帶動裝于車底，采取封閉裝置，這樣也使在汽車行走時不受灰塵影響，增長使用壽命。圓盤每圈孔數為8個，設汽車車輪半徑40cm，則每個脈沖對應的行使距離約為32cm，通過一個JK觸發器，在CR端接一個1Hz的脈沖信號，CD4093輸出的脈沖信號接jk觸發器的CLK引腳，通過在單片機里計數，可以得出每隔1秒的計數個數，就可以算出每秒的汽車行駛速度。
2.3 單片機處理與控制
單片機處理：8051主要完成程序的執行、數據的處理和對外部電路的實時控制。內部定時器T0工作在定時方式，T0在超聲波發射時開始計數，在本設計中，當P1.4引腳收到回波后，停止計數，T0所計時間即為超聲波往返傳輸時間，單片機對該數據進行處理，即可測出距離。內部定時器T1工作在計數方式，由引腳輸入的脈沖信號控制T1計數，由T1所計數值確定汽車的轉速。單片機根據所測距離和車速進行比較，給予輸出。軟件編程的主流程如圖3所示。
圖3 軟件編程的主流程圖
輸出控制：利用簡單的555定時器構成控制電路。8051輸出接三極管T，若無險情時，8051輸出為低電平，三極管T截止，555處于置零狀態，無輸出；若出現險情，8051輸出高電平經DAC后，T導通，555置零無效，實現多諧振蕩的功能，擴音器鈴聲報警，改變RC參數可改變報警頻率。光報警與制動裝置直接并聯于555輸出端即可。電路設計如圖4所示。
3 結束語
頻率高于20kHz的超聲波波長短、方向性好、能夠呈射線定向傳播，碰到界面就會有顯著反射。這些特性有利于選用超聲波做媒體，測定物體的位置、距離甚至形狀等。
本文介紹的超聲波防撞系統，能充分發揮8051的數據處理和實時控制功能，使系統工作于最佳狀態，提高靈敏度。具有體積小、使用方便的特點。
獲得可以接受的低虛警率，是檢測防撞雷達理論研究中的重點和難點。針對編碼步進調頻連續波信號在防撞系統中的應用，用試湊逼近算法來檢測危險目標，在發射波形中加入偽隨機序列調制，能夠有效地去除虛警。
參考文獻：
[1] 李伯成.基于MCS-51單片機的嵌入式系統設計[M].電子工業出版社.
[2] Thoamas L.Floyd. 數字電子技術（第九版）[M].電子工業出版社.
[3] 胡廣書.數字信號處理 理論、算法與實現（第二版）[M].清華大學出版社.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號