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[摘 要]长江海事的水上交通安全管理水平随着长江经济的发展在不断提高，但是航行事故还是时有发生，如何提高水上交通安全是个重要的课题。单片机技术的发展为水上交通安全预警系统提供了理论基础，理论的发展又为实际运用提供了可能。为提升水上交通安全预警水平，论文分析了长江船舶交通安全的现状，通过应用C51单片机及超声波避障模块的相关技术，设计适用于长江船舶交通实际的船舶防碰撞系统。
[关键词]安全预警；单片机；超声波；防碰撞；
中图分类号：TG822 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）46-0028-01
1.绪论
1.1 研究背景
长江作为贯穿东中西部地区的运输大动脉，为沿江、沿河省份城市实现经济跨越起到了重要作用。但近年来，随着长江水路运输规模的不断增大，船舶数量快速增加，船舶大型号发展迅速，由此造成船舶相遇发生碰撞事故风险不断增加。据2014年重庆海事局辖区安全状况分析报告，发生在长江重庆辖区的船舶碰撞事故有四起，比2013年增加两起，同时碰撞事故比例也同比上升。所以，必须采取切实有效措施，尽力减小船舶碰撞事故的发生。
1.2 研究内容
本论文主要研究内容是在超声波测距原理的理论基础上，利用单片机作为核心器件，同时利用外围辅助电路结合相应的软件程序，进行调试和试运行，最终完成超声波信号的发射、接收、记录时间、处理数据、显示结果，以此实现非接触方式的距离测量，再加以报警电路形成船舶防碰撞系统。大力研究开发如船舶防碰撞系统等船舶安全系统，减少船舶交通事故，对于提高水上交通安全将起到重要的作用。显然，此类设备的研究设计具有极大的实现意义和广阔的应用前景。
2.船舶防碰撞电路设计
2.1 系统电路设计
船舶防碰撞系统由单片机及外围电路、超声波发射部分、超声波接收部分、数据显示部分、直流稳压电源构成，加报警装置以此构成倒车雷达。系统总体框架设计如图1所示：
2.2 单片机及外围电路设计
本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接受往返时间的计时。单片机采用AT89S51，经济易用，且片内有4K的ROM，偏于编程。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40khz的正弦波信号，利用外中斷0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管。
2.2.1 AT89S51的特性
AT89S51是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。AT89S51的引脚如图2所示
2.2.2 报警电路
该部分电路设计如图3所示。本设计采用的是LED和蜂鸣器声光报警。图中预留端直接连接到单片机P1.1端口。当单片机判断距离超出安全记录范围时，P1.1口输出高电平，三极管导通，LED灯和蜂鸣器同时实现声光报警。
2.2.3 超声波发射电路
本系统采用一个稍加变化的555多谐振荡器电路来产生40KHZ的方波，并有单片机I/O口来控制其发送与否。它具有占空比联系可调的优点，电路如下图4所示。单片机通过P1.0引脚控制NE555P令其工作，调节电位器R4可使NE555产生40khz振荡信号，由发射探头发射出去。本设计是利用时间差方法计算距离的，单片机在驱动NE555产生信号的同时，计时器开始计时。
2.2.4 超声波接收电路
接受电路如图5所示。超声波发射出去后，需实时监听因遇到障碍物而反射回来的超声波回波信号，该信号比较微弱，需要进行放大，且超声波换能器发送的超声波信号为球面波，即接收的超声波信号有可能从各个角度反射回来，且高倍数放大会引起噪声，所以，有必要对放大的信号进行滤波，尽量减少噪声信号，经滤波后的信号因比较微弱，一般仅为几mV，所以需要经过1000倍放大，最后得到的信号经过电压比较器输入到单片机。
3.船舶防碰撞软件设计
船舶防碰撞系统的软件程序主要分为主程序和中断服务程序，显示报警程序。主程序完成初始化工作、超声波发射和接收的控制。定时中断服务子程序完成超声波的发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等动作。报警程序主要完成电路的声光报警工作。
4.结束语
该船舶防碰撞系统，是一种事前预警的技术，它尽可能地做到“防患于未然”，预警航行区域是否安全。在发挥船舶防碰撞系统预警管理作用的同时，可与当前长江流域广泛使用的电子巡航系统结合使用，减少船舶碰撞事故发生，提升水上交通管理水平。
参考文献
[1] 许焕明，王贵恩.内河船舶监督预警通信管理系统运行模式的研究[J].通信技术，2008，（09）：171-173.
[2] 肖永友.船舶碰撞事故的预控预防[J].武汉航海，2006，（04）：1-3.
[3] 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002.5.
[4] 兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计.电子测量技术，2013.2.
[关键词]安全预警；单片机；超声波；防碰撞；
中图分类号：TG822 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）46-0028-01
1.绪论
1.1 研究背景
长江作为贯穿东中西部地区的运输大动脉，为沿江、沿河省份城市实现经济跨越起到了重要作用。但近年来，随着长江水路运输规模的不断增大，船舶数量快速增加，船舶大型号发展迅速，由此造成船舶相遇发生碰撞事故风险不断增加。据2014年重庆海事局辖区安全状况分析报告，发生在长江重庆辖区的船舶碰撞事故有四起，比2013年增加两起，同时碰撞事故比例也同比上升。所以，必须采取切实有效措施，尽力减小船舶碰撞事故的发生。
1.2 研究内容
本论文主要研究内容是在超声波测距原理的理论基础上，利用单片机作为核心器件，同时利用外围辅助电路结合相应的软件程序，进行调试和试运行，最终完成超声波信号的发射、接收、记录时间、处理数据、显示结果，以此实现非接触方式的距离测量，再加以报警电路形成船舶防碰撞系统。大力研究开发如船舶防碰撞系统等船舶安全系统，减少船舶交通事故，对于提高水上交通安全将起到重要的作用。显然，此类设备的研究设计具有极大的实现意义和广阔的应用前景。
2.船舶防碰撞电路设计
2.1 系统电路设计
船舶防碰撞系统由单片机及外围电路、超声波发射部分、超声波接收部分、数据显示部分、直流稳压电源构成，加报警装置以此构成倒车雷达。系统总体框架设计如图1所示：
2.2 单片机及外围电路设计
本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接受往返时间的计时。单片机采用AT89S51，经济易用，且片内有4K的ROM，偏于编程。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40khz的正弦波信号，利用外中斷0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管。
2.2.1 AT89S51的特性
AT89S51是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。AT89S51的引脚如图2所示
2.2.2 报警电路
该部分电路设计如图3所示。本设计采用的是LED和蜂鸣器声光报警。图中预留端直接连接到单片机P1.1端口。当单片机判断距离超出安全记录范围时，P1.1口输出高电平，三极管导通，LED灯和蜂鸣器同时实现声光报警。
2.2.3 超声波发射电路
本系统采用一个稍加变化的555多谐振荡器电路来产生40KHZ的方波，并有单片机I/O口来控制其发送与否。它具有占空比联系可调的优点，电路如下图4所示。单片机通过P1.0引脚控制NE555P令其工作，调节电位器R4可使NE555产生40khz振荡信号，由发射探头发射出去。本设计是利用时间差方法计算距离的，单片机在驱动NE555产生信号的同时，计时器开始计时。
2.2.4 超声波接收电路
接受电路如图5所示。超声波发射出去后，需实时监听因遇到障碍物而反射回来的超声波回波信号，该信号比较微弱，需要进行放大，且超声波换能器发送的超声波信号为球面波，即接收的超声波信号有可能从各个角度反射回来，且高倍数放大会引起噪声，所以，有必要对放大的信号进行滤波，尽量减少噪声信号，经滤波后的信号因比较微弱，一般仅为几mV，所以需要经过1000倍放大，最后得到的信号经过电压比较器输入到单片机。
3.船舶防碰撞软件设计
船舶防碰撞系统的软件程序主要分为主程序和中断服务程序，显示报警程序。主程序完成初始化工作、超声波发射和接收的控制。定时中断服务子程序完成超声波的发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等动作。报警程序主要完成电路的声光报警工作。
4.结束语
该船舶防碰撞系统，是一种事前预警的技术，它尽可能地做到“防患于未然”，预警航行区域是否安全。在发挥船舶防碰撞系统预警管理作用的同时，可与当前长江流域广泛使用的电子巡航系统结合使用，减少船舶碰撞事故发生，提升水上交通管理水平。
参考文献
[1] 许焕明，王贵恩.内河船舶监督预警通信管理系统运行模式的研究[J].通信技术，2008，（09）：171-173.
[2] 肖永友.船舶碰撞事故的预控预防[J].武汉航海，2006，（04）：1-3.
[3] 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002.5.
[4] 兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计.电子测量技术，2013.2.