基于單片機的安全距離控制系統設計

謝偉成，伍彩云，陳正光

（沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧沈陽，110159）

0 引言

隨著汽車工業和公路運輸業的發展，汽車走進千家萬戶。駕駛汽車長途行駛的機率日益增加，而在高速公路上行駛時變換車速的頻率較少，基本以較為穩定的速度形式。若長途駕駛時駕駛員右腳一直在控制油門時，久而久之駕駛員便會感到疲勞，易發生交通事故，對駕駛安全距離的控制可以保證駕駛員人身安全，為此本文利用單片機對安全距離控制系統進行設計。

1 系統總體設計方案

本系統基于超聲波測距的舵機控制及報警功能，主要是通過軟件設計代碼并進行Proteus仿真，最后完成實物設計。系統以AT89C51 作為主控芯片，外加3 個獨立按鍵，超聲波模塊和LCD 顯示屏構成。利用超聲波模塊測量與目標距離，并在LCD 上顯示距離，LCD 上一行顯示所設置的上下限，下一行顯示實時距離，用三個獨立按鍵控制距離上下限，當實際測量距離不在范圍內時，蜂鳴器報警并且舵機開始工作，直至測量距離恢復至規定范圍內，通過軟件仿真完成上述功能，并且制作出實物。系統結構框圖如圖1 所示。

2 硬件設計

本設計采用AT89C51 單片機為主控芯片，晶振電路，復位電路，時鐘電路等構成了單片機最小系統[1]。最小系統包括單片機和必要的電源等所需的部件，電源、時鐘等電路是單片機運行的必要條件，可以使單片機始終處于正常運行狀態。最小系統可通過其內存擴展、A/D 擴展可以使單片機完成更復雜的功能。

■2.1 超聲波模塊

本設計所采用的HC-SR04 超聲波模塊主要是由兩個通用的壓電陶瓷超聲傳感器，并加外圍信號處理電路構成的。兩個壓電陶瓷超聲傳感器，一個用于發出超聲波信號，一個用于接收反射回來的超聲波信號。超聲波探頭需要來自單片機I/O 口的至少10μs 的脈沖信號來驅動HC-SR04 超聲波探頭。此時超聲波探頭會主動發出8 個40kHz 的方波信號，ECHO引腳會發出ECHO 信號啟動定時器。當超聲波探頭檢測到回波信號時，回波引腳將拉下大電流電平，定時器將停止計時。此時T0 記錄的持續高電平時間為超聲波往返時間。

■2.2 LCD 顯示電路設計

LCD1602 已經很常見了，所以本設計采用LCD1602，在LCD1602 的第一行顯示設置的距離范圍閾值的上下限，第二行顯示所測得距離的實時數值。字符型LCD 通常有14 條引腳線或16 條引腳線的 LCD。本設計布線結構如圖2 所示。

■2.3 按鍵控制電路設計

獨立按鍵式直接用I/O 口線構成的單個按鍵電路，其特點式每個按鍵單獨占用一根I/O 口線，每個按鍵的工作不會影響其他I/O 口線的狀態。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單，將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O 口，但每個按鍵必須占用一個I/O 口線，適用于按鍵需求不是很多的設計中。獨立式鍵盤的實現方法是利用單片機I/O 口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。根據本設計的需要選用了獨立式鍵盤接法。

■2.4 舵機控制電路設計

舵機內部有一個參考電壓，微處理器產生的PWM 信號通過信號線進入舵機產生直流偏置電壓，與舵機內部的參考電壓進行比較，得到電壓差輸出。正負電壓差輸出到電機驅動芯片，以確定正負旋轉。當舵機開始轉動時，由舵機內部的級聯減速器帶動電位器轉動，使電壓差為零，電機停止轉動。

本文所使用的是方法是定時器+中斷，定時器每0.5ms中斷一次，需要中斷40 次才能達到20ms。同時需要一個全局變量來記錄中斷的次數，當中斷達到40 次時，全局變量重新清零。當中斷次數小于a 時，信號線輸出高電平，否則輸出零。此時a 的值對應關系如下（1—0 度，2—45 度，3—90 度，4—135 度，5—180 度）。該方法其實就是產生PWM，通過控制PWM 占空比來控制舵機旋轉角度。

■2.5 電路原理圖

系統主要包括超聲波模塊，LCD 顯示，按鍵控制模塊，舵機控制模塊，其中，顯示模塊第一行顯示的是預先設置的安全距離上下限，第二行顯示的是實時距離數值，HC-SR04超聲波模塊將距離轉變電壓輸入給AT89C51 單片機，單片機將其預設的安全距離進行比較，如果不在安全范圍內，系統報警并且觸發舵機開始工作，改變小車運行速度，直至其在安全范圍內，實現安全距離控制功能。按鍵模塊能夠實現對安全距離的修改和設置。結合以上各個模塊，整體仿真電路如圖3 所示。

3 軟件設計

■3.1 主程序設計

系統軟件設計流程圖如圖4 所示，本設計先進行程序初始化，再調用超聲波模塊，利用函數計算出距離，然后調用按鍵函數，設置距離閾值范圍，LCD 驅動函數調取實時距離數值以及設置的距離閾值范圍數值進行顯示，再將測得的距離范圍數值與設置的距離閾值范圍進行比較，最后根據比較結果，若測得的距離范圍數值在設置范圍閾值內，則不調用蜂鳴器及舵機驅動函數，若測得的距離范圍數值在設置范圍閾值外，則調用蜂鳴器及舵機驅動函數，使之工作。

圖4 主程序流程圖

■3.2 超聲波模塊程序設計

單片機引腳觸發Trig測距，給至少 10μs 的高電平信號，模塊自動發送 8 個40kHz 的方波，自動檢測是否有信號返回，有信號返回，通過ECHO 輸出一高電平，可使用單片機定時器計算高電平持續的時間，超聲波從發射到返回的時間計算公式：測試距離=(高電平時間?聲速(340M/S))/2[3]。超聲波模塊流程圖如圖5所示。

圖5 超聲波模塊流程圖

■3.3 LCD 顯示程序設計

LCD 顯示程序最重要的是LCD 顯示的驅動函數，當定義完驅動函數后，將讀取的距離測量值，設置的所需要顯示的內容利用驅動函數里的顯示函數顯示即可。本設計中LCD 第一行顯示距離范圍閾值的上下限，第二行顯示實時檢測距離數值，流程圖如圖6 所示。

圖6 LCD 模塊流程圖

■3.4 按鍵去抖動

鍵盤去抖動是單片機對鍵盤處理的一個重要的過程。目前的技術有硬件去抖動和軟件去抖動，本設計選擇了軟件去抖動，通過先查尋按鍵當有低電平出現時立即延10～200ms以避開抖動（經典值為20ms），延時結束后再讀一次I/O口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10～200 ms，視為干擾信號。當讀出的值是0 時則表示有按鍵按下，調用相應的處理程序。本設計中共有三個按鍵，分別為設置鍵，增加鍵，減少鍵，用于設置距離范圍閾值。

■3.5 舵機控制程序設計

利用定時器+中斷，使單片機產生周期為20ms，高電平t 等于0.5ms-2.5ms 之間的這樣一個方波。高電平在一個周期（20ms）的持續時間與一個周期持續時間之比即可換算為對應的舵機角度（0.5ms--0度，1ms--45 度，1.5ms--90 度，2ms--135 度，2.5ms--180 度）。本設計中，測得的實時距離數值是否在預先設置的距離范圍閾值內，將決定舵機是否工作，流程圖如圖7 所示。

圖7 舵機模塊流程圖

4 系統測試

系統測試時，預先設置的安全距離上限為280cm，下限是20cm，放置小車距離目標40cm 時，硬件系統測試結果如圖8 所示，液晶顯示屏上行顯示L:20，H:280，第二行顯示00040cm，與測量值一致，舵機未運行，蜂鳴器未報警，小車處于安全距離范圍內。

圖8 實物演示（安全距離范圍內）

將小車放置距離目標5cm 時，硬件系統測試結果如圖9 所示,液晶顯示屏上行顯示L:20，H:280，第二行顯示00005cm，與測量值一致，由于測量值未在安全距離范圍外，此時舵機開始運行，蜂鳴器報警。系統各個模塊能夠按照事先設計好的功能運行，系統的軟件指令運行正常，液晶屏能夠實時顯示數值，具有很好的實時性，滿足安全距離控制功能，達到了預期的設計目標。

圖9 實物演示（安全距離范圍外）

5 總結

本文結合超聲波的特性設計了一個簡單實用的安全距離控制系統。當小車與目標的距離不在范圍內時，系統中的舵機啟動運行，控制小車油門，使小車重新進入目標范圍內，并通過LCD 顯示距離和預先設置范圍。當實際測量距離不在范圍內時，蜂鳴器報警并且舵機開始工作，直至測量距離恢復至規定范圍內。若經過大量實測以及調試，該系統可以實現安全距離控制。該設計可用于汽車定速巡航等方面，能夠一定程度上為用戶帶來便利，具有很好的應用價值。