基于单片机的安全距离控制系统设计

谢伟成，伍彩云，陈正光

（沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁沈阳，110159）

0 引言

随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车走进千家万户。驾驶汽车长途行驶的机率日益增加，而在高速公路上行驶时变换车速的频率较少，基本以较为稳定的速度形式。若长途驾驶时驾驶员右脚一直在控制油门时，久而久之驾驶员便会感到疲劳，易发生交通事故，对驾驶安全距离的控制可以保证驾驶员人身安全，为此本文利用单片机对安全距离控制系统进行设计。

1 系统总体设计方案

本系统基于超声波测距的舵机控制及报警功能，主要是通过软件设计代码并进行Proteus仿真，最后完成实物设计。系统以AT89C51 作为主控芯片，外加3 个独立按键，超声波模块和LCD 显示屏构成。利用超声波模块测量与目标距离，并在LCD 上显示距离，LCD 上一行显示所设置的上下限，下一行显示实时距离，用三个独立按键控制距离上下限，当实际测量距离不在范围内时，蜂鸣器报警并且舵机开始工作，直至测量距离恢复至规定范围内，通过软件仿真完成上述功能，并且制作出实物。系统结构框图如图1 所示。

2 硬件设计

本设计采用AT89C51 单片机为主控芯片，晶振电路，复位电路，时钟电路等构成了单片机最小系统[1]。最小系统包括单片机和必要的电源等所需的部件，电源、时钟等电路是单片机运行的必要条件，可以使单片机始终处于正常运行状态。最小系统可通过其内存扩展、A/D 扩展可以使单片机完成更复杂的功能。

■2.1 超声波模块

本设计所采用的HC-SR04 超声波模块主要是由两个通用的压电陶瓷超声传感器，并加外围信号处理电路构成的。两个压电陶瓷超声传感器，一个用于发出超声波信号，一个用于接收反射回来的超声波信号。超声波探头需要来自单片机I/O 口的至少10μs 的脉冲信号来驱动HC-SR04 超声波探头。此时超声波探头会主动发出8 个40kHz 的方波信号，ECHO引脚会发出ECHO 信号启动定时器。当超声波探头检测到回波信号时，回波引脚将拉下大电流电平，定时器将停止计时。此时T0 记录的持续高电平时间为超声波往返时间。

■2.2 LCD 显示电路设计

LCD1602 已经很常见了，所以本设计采用LCD1602，在LCD1602 的第一行显示设置的距离范围阈值的上下限，第二行显示所测得距离的实时数值。字符型LCD 通常有14 条引脚线或16 条引脚线的 LCD。本设计布线结构如图2 所示。

■2.3 按键控制电路设计

独立按键式直接用I/O 口线构成的单个按键电路，其特点式每个按键单独占用一根I/O 口线，每个按键的工作不会影响其他I/O 口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O 口，但每个按键必须占用一个I/O 口线，适用于按键需求不是很多的设计中。独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O 口读取口的电平高低来判断是否有键按下。根据本设计的需要选用了独立式键盘接法。

■2.4 舵机控制电路设计

舵机内部有一个参考电压，微处理器产生的PWM 信号通过信号线进入舵机产生直流偏置电压，与舵机内部的参考电压进行比较，得到电压差输出。正负电压差输出到电机驱动芯片，以确定正负旋转。当舵机开始转动时，由舵机内部的级联减速器带动电位器转动，使电压差为零，电机停止转动。

本文所使用的是方法是定时器+中断，定时器每0.5ms中断一次，需要中断40 次才能达到20ms。同时需要一个全局变量来记录中断的次数，当中断达到40 次时，全局变量重新清零。当中断次数小于a 时，信号线输出高电平，否则输出零。此时a 的值对应关系如下（1—0 度，2—45 度，3—90 度，4—135 度，5—180 度）。该方法其实就是产生PWM，通过控制PWM 占空比来控制舵机旋转角度。

■2.5 电路原理图

系统主要包括超声波模块，LCD 显示，按键控制模块，舵机控制模块，其中，显示模块第一行显示的是预先设置的安全距离上下限，第二行显示的是实时距离数值，HC-SR04超声波模块将距离转变电压输入给AT89C51 单片机，单片机将其预设的安全距离进行比较，如果不在安全范围内，系统报警并且触发舵机开始工作，改变小车运行速度，直至其在安全范围内，实现安全距离控制功能。按键模块能够实现对安全距离的修改和设置。结合以上各个模块，整体仿真电路如图3 所示。

3 软件设计

■3.1 主程序设计

系统软件设计流程图如图4 所示，本设计先进行程序初始化，再调用超声波模块，利用函数计算出距离，然后调用按键函数，设置距离阈值范围，LCD 驱动函数调取实时距离数值以及设置的距离阈值范围数值进行显示，再将测得的距离范围数值与设置的距离阈值范围进行比较，最后根据比较结果，若测得的距离范围数值在设置范围阈值内，则不调用蜂鸣器及舵机驱动函数，若测得的距离范围数值在设置范围阈值外，则调用蜂鸣器及舵机驱动函数，使之工作。

图4 主程序流程图

■3.2 超声波模块程序设计

单片机引脚触发Trig测距，给至少 10μs 的高电平信号，模块自动发送 8 个40kHz 的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过ECHO 输出一高电平，可使用单片机定时器计算高电平持续的时间，超声波从发射到返回的时间计算公式：测试距离=(高电平时间⋆声速(340M/S))/2[3]。超声波模块流程图如图5所示。

图5 超声波模块流程图

■3.3 LCD 显示程序设计

LCD 显示程序最重要的是LCD 显示的驱动函数，当定义完驱动函数后，将读取的距离测量值，设置的所需要显示的内容利用驱动函数里的显示函数显示即可。本设计中LCD 第一行显示距离范围阈值的上下限，第二行显示实时检测距离数值，流程图如图6 所示。

图6 LCD 模块流程图

■3.4 按键去抖动

键盘去抖动是单片机对键盘处理的一个重要的过程。目前的技术有硬件去抖动和软件去抖动，本设计选择了软件去抖动，通过先查寻按键当有低电平出现时立即延10～200ms以避开抖动（经典值为20ms），延时结束后再读一次I/O口的值，这一次的值如果为1 表示低电平的时间不到10～200 ms，视为干扰信号。当读出的值是0 时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。本设计中共有三个按键，分别为设置键，增加键，减少键，用于设置距离范围阈值。

■3.5 舵机控制程序设计

利用定时器+中断，使单片机产生周期为20ms，高电平t 等于0.5ms-2.5ms 之间的这样一个方波。高电平在一个周期（20ms）的持续时间与一个周期持续时间之比即可换算为对应的舵机角度（0.5ms--0度，1ms--45 度，1.5ms--90 度，2ms--135 度，2.5ms--180 度）。本设计中，测得的实时距离数值是否在预先设置的距离范围阈值内，将决定舵机是否工作，流程图如图7 所示。

图7 舵机模块流程图

4 系统测试

系统测试时，预先设置的安全距离上限为280cm，下限是20cm，放置小车距离目标40cm 时，硬件系统测试结果如图8 所示，液晶显示屏上行显示L:20，H:280，第二行显示00040cm，与测量值一致，舵机未运行，蜂鸣器未报警，小车处于安全距离范围内。

图8 实物演示（安全距离范围内）

将小车放置距离目标5cm 时，硬件系统测试结果如图9 所示,液晶显示屏上行显示L:20，H:280，第二行显示00005cm，与测量值一致，由于测量值未在安全距离范围外，此时舵机开始运行，蜂鸣器报警。系统各个模块能够按照事先设计好的功能运行，系统的软件指令运行正常，液晶屏能够实时显示数值，具有很好的实时性，满足安全距离控制功能，达到了预期的设计目标。

图9 实物演示（安全距离范围外）

5 总结

本文结合超声波的特性设计了一个简单实用的安全距离控制系统。当小车与目标的距离不在范围内时，系统中的舵机启动运行，控制小车油门，使小车重新进入目标范围内，并通过LCD 显示距离和预先设置范围。当实际测量距离不在范围内时，蜂鸣器报警并且舵机开始工作，直至测量距离恢复至规定范围内。若经过大量实测以及调试，该系统可以实现安全距离控制。该设计可用于汽车定速巡航等方面，能够一定程度上为用户带来便利，具有很好的应用价值。