Computer Knowledge and Technology 电脑知识
与技术本栏目责任编辑：唐一东
闫新星1，李铁鹰1，刘鹏鹏2
（1.太原理工大学信息工程学院，山西太原030024；2.南京航空航天大学民航学院，江苏南京210016）
摘要：依据超声波测距原理，以AT89S51单片机为核心，设计了汽车防撞报警系统。该系统将单片机的实时控制及数据处理功能与超声波测距技术、传感器技术相结合，以超声波发射和接受电路、声光报警电路、测速电路等硬件电路为载体，通过编写的处理软件来实现测量距离。显示测量距离，当距离小于警戒阀值时，可发出声光报警信号。该系统可用于提高汽车在行进过程中与倒车时的安全性，构建汽车行进的安全空间。
关键词：汽车；超声波测距；AT89S51；防撞报警
中图分类号：TP29文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)02-0424-03
Design and Development of Anti-collision Warning System for Automobile Based on AT89S51
YAN Xin-xing 1,LI Tie-ying 1,LIU Peng-peng 2
(1.School of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.School of Civil Aviation,Nanjing U -niversity of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)
Abstract:Based on the principle of ultrasonic ranging and making AT89S51as the core,we design the automobile anti-collision warning system.It is combined the AT89S51's functions which are the real-time control and data processing with the ultrasonic ranging technology and sensor technology.Taking use of the Ultrasonic transmitting and receiving circuit,sound and light alarm circuit,the circuit speed cir -cuits and other hardware,it can measure and show the distance.When the distance is less than the alert threshold,sound and light alarm signal can be send.It has higher value of application in order to increase the security in the process of marching car back or running straightly,building Security Space for drivers.
Key words:automobile;ultrasonic ranging;AT89S51;anti-collision warning
随着经济的高速发展和居民生活水平的不断提高，我国汽车保有量逐年递增，各类交通事故频发，其中多为汽车碰撞事故。本文设计了一种以超声波测距和AT89S51单片机为核心的汽车防撞报警系统，以期提高汽车运行的安全性，减少交通事故。本系统将单片机的实时控制及数据处理功能与超声波测距技术、传感器技术相结合，较好的实现了汽车在运行过程中的障碍防撞，并可通过数码管显示距离，将障碍物距离和汽车在不同车速段的安全距离相比较，可发出声光警报。在相关文献中，戴曰章等[1]设计了一种基于AT89C51单片机的超声波测距系统，是一种通用系统，很难满足汽车实时测距报警的要求。张青青[7]介绍了一种汽车防盗防撞报警器的设计，文中利用了超声波测距的原理，但未考虑防撞报警系统的整体构架和电路设计等问题；本文所设计和开发的汽车防撞报警系统具有系统结构完整、测量精度高、开发成本低、实时性强（处理速度快）、系统集成度高等优点。
1超声波测距原理
超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远、检测迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制等优点，经常用于距离的测量[1]。本文选用超声波作为距离测量的技术基础。超声波测距从原理上可分为共振式和脉冲反射式两种[1]。由于共振式的应用要求复杂，这里采用脉冲反射式的测距原理。
超声波脉冲反射式测距原理是通过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时，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。
超声波脉冲反射式测距原理公式为：
(1)
其中：s 为发射点与障碍物之间的距离；t 为计时器记录的测出发射和接收回波的时间差；v 为超声波在空气中的传播速度，其计算公式如（2）所示。
(2)
公式（2）中，T 为环境温度。
表1列出了几种不同温度下的声速。（在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的[2]；如果测距精度要求很高，则收稿日期：2010-11-25
作者简介：闫新星（1985-），女，山西太原人，硕士，主要研究领域为嵌入式系统的设计与开发、人工神经网络等；李铁鹰（1956-），男，
教授，主要研究人工智能、智能控制理论与自动化等；刘鹏鹏（1987-），男，博士研究生，主要研究人工智能、嵌入式故障诊
断等。
E-mail:eduf@cccc www.dnzs Tel:+86-551-56909635690964ISSN 1009-3044
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.7,No.2,January 2011,pp.424-426424
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术人工智能及识别技术本栏目责任编辑：唐一东第7卷第2期(2011年1月)
汽车防盗器应通过温度补偿的方法加以校正。）2系统工作原理
本文论述的汽车防撞报警系统选用AT89S51单
片机作为控制器，其具体工作过程如下：系统采用超
声波测距的方法对障碍物进行测距，首先由超声波发
射电路发出信号，刺激超声波发生器发出超声波，当
超声波遇到障碍物后，立即产生反射波；然后超声波
接收探头接收到超声波，激励超声波接收电路向单片
机传输信号。系统利用霍尔传感器测量车轮的转速，
通过内部程序计算汽车的行进速度。单片机控制器内
部程序将该汽车时速下的距离计算出来，利用数码管
组显示给用户，另外还将此距离和安全距离相比较，
如果小于安全距离则利用警示灯或蜂鸣器进行声光
报警；如果大于安全距离则只显示距离，不报警。汽车
防撞报警系统的工作原理和详细结构组成如图1所示。
系统所选用的AT89S51单片机[3]是一款低功耗，高性能CMOS8位单片机，片
内含4KB 在线可编程（ISP)的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器，器件
采用高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚
结构。3硬件电路设计
本系统硬件电路部分由AT89S51单片机控制器的电源电路、复位电路、振荡
电路，以及按键电路、超声波发射电路、超声波接收电路、测速电路、声光报警电
路、LED 显示电路组成。AT89S51单片机控制器的电源电路等附属电路较为简单，
在此不作详细说明。
3.1LED 显示电路
由于不同时速段下最大的安全距离为5m ，因此选取了两个7段数码管，如图1所示，管脚a~g 分别接AT89S51的P0.0~P0.7，D0的第3管脚和D1的第3管脚
分别接AT89S51的P2.0、P2.1。D0的第8管脚和D1的第8管脚接地，构成了7段
共阴极数码管[4]。当超声波测量出汽车与障碍物之间的间距时，该LED 电路显示其
数值，D0显示低位，D1显示高位。
3.2超声波发射电路
由NE555电路构成40kHz 的脉冲振荡信号为超声换能器发射提供工作电压
[5]，如图2所示。为了与超声换能器的40kHz 固有频率一致，将RF2设计为了可调
电阻，方便调节电路信号频率。NE555的第4管脚为控制管脚，当AT89S51单片机
的P3.6管脚为高电平，经反相器到达NE555的4管脚时为低电平，NE555不工
作，电路断路；当AT89S51单片机的P3.6管脚为低电平，经反相器到达NE555的4管脚时为高电平，NE555开始振荡，MA40EIS 发射超声波。
3.3超声波接收电路
超声波接收电路如图3所示。当超声换能器[6]接收到与中心频率相同的回波
信号时，换能器中的压电晶片由于受到声波声压的作用产生压电效应，将回波转
换为同频率的电脉冲信号，经此产生的电脉冲信号比较弱，需要进行放大调整。经
过处理后的信号通过LM567的8管脚输出给AT89S51单片机。
3.4声光报警电路
声光报警电路由NE555电路、发光二极管、扬声器YSG 组成[7]，如图4所示。
汽车与障碍物之间的距离大于其车速段的安全距离时，AT89S51单片机的
P2.2管脚输出高电平，经反相器到达NE555的4管脚时为低电平，NE555不工作，
发光二极管不亮，扬声器YSG 不发声。
汽车与障碍物之间的距离小于其车速段的安全距离时，AT89S51单片机的
P2.2管脚输出低电平，经反相器到达NE555的4管脚时为高电平，NE555开始振
荡，发光二极管经三极管驱动点亮，同时，电容耦合滤除直流分量使扬声器YSG 发出报警声音。
3.5测速电路汽车防撞报警系统通过霍尔集成传感器来测量车轮的转速，每当车轮转一圈时，
霍尔集成传感器的输入端就会得到一个磁信表1温度T 与声速V
的关系
图1
汽车防撞报警系统原理示意图
图2
超声波发射电路
图3
超声波接收电路图4声光报警电路
425
Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术本栏目责任编辑：唐一东人工智能及识别技术第7卷第2期(2011年1月)号，霍尔集成传感器便会输出转速信号，从而可以计算出汽车的行进车速。
测速电路由霍尔传感器CS3020电路与比较器电路组成，如图5所示。CS1
的目的是滤去电源尖啸。霍尔传感器CS3020电路由CS3020、CS2和上拉电阻
RS1组成，用CS2滤去CS3020电压的波形尖峰。将CS3020的输出电压与ARS
相比较，得出高低电平送入单片机AT89S51的P3.3引脚，当ARS “-”端大于
ARS “+”端时，输出为高电平，发光二极管DS 不亮；当ARS “-”端小于ARS “+”
端时，输出为低电平，点亮发光二极管DS 。CS3用于波形整形，以获得良好的数
字信号。通过对单位时间内的脉冲计数计算出汽车的行进车速。
4软件设计
本系统内部软件重要的参数为安全距离，这也是设计汽车防撞报警系统
的意义所在，提醒用户保持一个安全距离。不同车速段的安全距离见表2，系统内部软件依据这些安全距离来决定是否向用户发出声光报。
本系统采用C 语言编写程序在软件Keil_C51上编译仿真，其程序的基本逻辑为：汽车防撞报警系统首先需要判断防撞启动按钮是否按下，当防撞启动按钮按下时启动防撞报警程序，再次按下时，关闭程序。防撞报警程序启动时先进行参数初始化；然后
发射40kHz 的超声波；延时等待20ms ，只有当接收到回波时等待结束，
否则继续延时等待；根据读出回波与发射波之间的时间差，计算出距
离，当车速在0-30km/s 时，判断安全距离，若小于1m 进行声光报警并显
示距离，若大于1m 则只显示距离；当车速在30-80km/s 时，若小于2m
进行声光报警并显示距离，若大于2m 则只显示距离；当车速大于80km/s 时，若小于5m 进行声光报警并显示距离，若大于5m 则只显示距离。
汽车防撞报警系统软件流程图如图6所示。
5结束语
汽车防撞报警系统以AT89S51单片机为控制器，充分发挥了其优
良的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态，提高了系统的
灵敏度。其次采用了超声波脉冲法测量距离，实现了免维护、低功耗、非
接触测量。针对汽车在不同时速下安全距离不同，设定了0-30km/s 、30-
80km/s 、大于80km/s 三个时速段，并当车体与障碍物的间距小于安全距
离时，进行声光报警，可以根据超声波发生器和接收器的安装位置来作
为前进防撞报警和倒车防撞报警。因此，提高了汽车在行进过程中与倒
车时的安全性。参考文献：
[1]
戴曰章，吴志勇.基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计[J].计量与测试技术,2005,32(2):17-19.[2]
李建法，李立新，李勇，等.超声波测距的电路设计与单片机编程[J].安阳师范学院学报,2003:47-48.[3]
向继文，廖立新.基于AT89S51的电子钟系统设计[J].2007,20(2):62-63.[4]
姜志海.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社,2005:173-175.[5]
宋清龙.基于AT89S51的汽车智能安全报警系统[J].农业装备与车辆技术,2009,212(3):43-49.[6]
张宏建，蒙建波.自动检测电路与装置[M].北京：化学工业出版社,2004:191-195.[7]
张青春.汽车智能防盗防撞报警系统的设计[J].仪表技术,2005,2:13-20.[8]贺乐厅.智能运输系统—基于毫米波雷达的车辆防撞技术与实验研究[D].南京：东南大学
,2003.图5
测速电路表2
不同车速段下的安全距离
图6汽车防撞报警系统软件流程图426
发布评论