基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪及其测距方法

1.本发明涉及超声波测距仪技术领域，具体地，涉及一种基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪及其测距方法。


背景技术：

2.随着计算机和自动化技术的不断发展，测距技术在现代工业中的地位也愈发重要。例如在现代流水线的加工作业中，工人需要快速检测在流水线上的一大批零件产品是否符合尺寸上的要求，而传统的接触式测距仪不仅耗时较长而且测量的精准度较低，步骤复杂。随着科学技术的飞速进步，为了应对工业发展的需求，非接触式测距技术被开发出来，随后理所当然的被应用到了检测仪器上并且取得了成功。
3.非接触式测距仪器发展到现在，主要由开发出了三种常用的非接触式测距仪。
4.其中的超声波测距仪较激光和雷达测距仪而言具有以下优势：
5.1.超声波对色彩，光照度和电磁场等常见的外界因素均不敏感，因此适应性强，适用范围很广；
6.2.超声波的传播速度与光波相比较慢，传播时能量耗散速度慢，所以可以直接将超声波运用于较近目标距离测量；
7.3.超声波测距仪构造简洁、体积小携带方便、制造成本低、处理信息简单可靠，易于对其进行集成化，还能实现实时控制。
8.正因为以上这些优点，所以超声波测距仪器作为非接触测量系统中的一种而在工业上受到广泛应用，在机器人避开障碍物、工业自动化加工检测、汽车倒车和自动驾驶、智能导盲系统、测量水库中液面位置和地球物理测井等方面都能见到其身影。


技术实现要素：

9.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪及其测距方法。
10.根据本发明提供的一种基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪，包括超声波测距模块、单片机以及工作模块，所述超声波测距模块与所述单片机电信号连接设置，所述单片机上连接设置电源，所述单片机包括复位电路和用于所述单片机工作的晶振电路；
11.所述工作模块包括用于显示电路的数码管、用于报警的蜂鸣器以及按键，所述单片机分别与所述数码管、所述蜂鸣器、所述按键电信号连接设置，且所述单片机上连接设置驱动器，所述驱动器连接所述数码管设置。
12.一些实施方式中，所述超声波测距模块采用hc-sr04，所述超声波测距模块包括控制电路、超声波发射器以及超声波接收器，所述控制电路分别与所述超声波发射器、所述超声波接收器连接设置，所述超声波测距模块能探测到2cm-4m处的障碍物，所述超声波测距模块的测距精度为3毫米。
13.一些实施方式中，所述单片机采用cmos8位单片机的at89s52，所述单片机包括基
本工作条件引脚、输入输出引脚以及控制引脚，所述基本工作条件引脚包括电源引脚、复位引脚以及时钟引脚，所述电源引脚包括电源正极引脚和电源负极引脚，所述单片机的40脚为所述电源正极引脚，所述单片机的20脚为所述电源负极引脚，所述复位电路通过所述复位引脚与所述单片机内部电信号连接设置，所述时钟引脚为所述单片机的18脚和19脚，单片机的i/o引脚都为p0到p3四组接口，每组所述接口都包括8个引脚可供连接，所述控制引脚为所述单片机的29脚、30脚以及31脚。
14.一些实施方式中，所述数码管为共阳极数码管，且所述数码管由一个四位一体的7段led数码管组成，所述数码管有8个端口，所述单片机的p1口所输出的信号负责控制所述数码管的8个端口，所述数码管采用的是动态扫描显示；
15.所述蜂鸣器为电磁式蜂鸣器，所述蜂鸣器的驱动电路中设有pnp型的三极管，所述三极管放大所述单片机输出的驱动电流，且所述三极管控制所述蜂鸣器报警声音的发生和停止；所述按键采用独立键盘，所述独立键盘采用的是用延时函数按键去除抖动，所述独立键盘的常开按键的一端接地，所述独立键盘的常开按键的另一端接i/o口。
16.一些实施方式中，所述电源采用5v直流稳压电源。
17.本发明还提供一种基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪的测距方法，包括以下步骤：步骤1.启动超声波测距仪，并将所述超声波测距仪进行初始化设置；
18.步骤2.调用显示子程序，所述超声波测距模块进行测距，判断障碍物是否存在；
19.步骤3.如果障碍物不存在，则回到步骤1；如果障碍物存在，通过所述单片机计算出所述超声波测距模块的测量距离值；
20.步骤4.将经过处理所得出的距离通过所述数码管反映出来，且用户通过按键对安全距离的范围进行设置以及当测量的值超出警戒距离时，蜂鸣器和led灯光便会发出声光报警提示，所述超声波测距仪工作结束。
21.一些实施方式中，在步骤3中，所述超声波测距模块的测距方法具体包括以下步骤：
22.步骤3-1.系统会提供持续时间至少为0.01毫秒上的高电平给所述超声波测距模块的i/o口trig，使所述超声波测距模块开始测距；
23.步骤3-2.测距开始后，所述超声波测距模块会通过晶片的振动向外界发射出多个频率一样的方波，系统会以较高的频率反复检测是否有因触碰到障碍物而反射回来的超声波信号；
24.步骤3-3.如果检测到回波信号，所述超声波测距模块的i/o口echo就对外输出一个持续时间为超声波从发射到返回时间的高电平信号，系统就可以通过高电平持续的时间和超声波速度计算出要测的距离。
25.一些实施方式中，在步骤4中，将经过处理所得出的距离通过所述数码管反映出来具体包括以下步骤：步骤1.所述数码管开始工作，处理过的数据通过所述单片机传送至所述数码管；
26.步骤2.、cpu向字段输出口送出字型码时，所有数码管都会接收到相同的字型码，被点亮的究竟是哪个数码管取决于数码管的公共极(com端)，而com端与所述单片机的i/o口相连接，所述数码管显示电路将所述单片机处理得出的距离结果，则所述数码管停止工作。
27.一些实施方式中，在步骤4中，用户通过所述按键对安全距离的范围进行设置具体包括以下步骤：步骤1.按下所述按键设置安全距离，设置安全距离的上限；
28.步骤2.当设置好安全距离的上限后，按下所述按键设置安全距离，设置安全距离的下限；
29.步骤3.当设置好安全距离的下限后，再次按下所述按键，结束按键工作。
30.一些实施方式中，所述超声波测距仪接通电源一段时间后，测距系统正常工作，此时若按下复位键，所述复位电路开始工作，电容被所述复位键短路，电源发出的电流不再给电容充电，电容开始释放之前内部储存的电量，使得电容两端电压重新低于1.5v，从而使电阻两端电压大于3.5v，所以复位引脚从系统正常工作时的低电平信号变为高电平信号，使单片机系统开始进行复位。
31.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
32.1、本发明以单片机为核心，辅以蜂鸣器报警电路、复位电路和led数码管显示电路等共同组成，操作人员接通电源，按下总开关后，系统上的hc-sr04超声波测距模块发射出超声波对障碍物进行探测，随后将被反射回来的超声波信号通过线路输送给51单片机进行分析处理，单片机在处理完信息后将得出的结果以电信号的方式送到led数码管，通过点亮数码管将测量出的距离显示给操作人员看，除了这个基本功能外，本系统还能够手动调整与障碍物之间的安全距离，如果由单片机计算出的距离超出范围，系统便会自动发出声光报警以提示相关人员注意，提高整个超声波测距仪的测距精确度；
33.2、本发明可以有效地测出障碍物距离车尾的距离，并根据测出距离的远近实时的发出警报来提示驾驶员，成功的解决了驾驶员在泊车时需要不断左右探视障碍物的情况，提高了驾车时的安全性；
34.3、本发明选用的超声波测距模块为hc-sr04，微型化、发射和接收超声波的部分面积小，测距模块和障碍物处于同一水平线，超声波经过的路线就是实际测量时的路线，提高测量的精确度，且设置了led灯，方便使用者进行观察测试。
附图说明
35.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
36.图1为本发明基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪的结构示意图；
37.图2为本发明单片机引脚排列和外部总线的结构示意图；
38.图3为本发明单片机的内部结构框图；
39.图4为本发明复位电路的电路示意图；
40.图5为本发明晶振电路的电路示意图；
41.图6为本发明数码管的显示电路原理图；
42.图7为本发明按键的电路示意图；
43.图8为本发明基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪的测距流程图；
44.图9为本发明显示数据子程序的流程示意图；
45.图10为本发明按键子程序的流程示意图；
46.图11为本发明基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪检测没有超出安全距离的
仿真运行图；
47.图12为本发明基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪检测超出安全距离的仿真运行图。
具体实施方式
48.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
49.如图1所示为基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪的结构示意图，包括超声波测距模块、单片机以及工作模块，超声波测距模块与单片机电信号连接设置，单片机上连接设置电源，单片机包括复位电路和用于单片机工作的晶振电路；工作模块包括用于显示电路的数码管、用于报警的蜂鸣器以及按键，单片机分别与数码管、蜂鸣器、按键电信号连接设置，且单片机上连接设置驱动器，驱动器连接数码管设置。在本实施例中，电源采用5v直流稳压电源。
50.超声波测距模块采用hc-sr04，超声波测距模块包括控制电路、超声波发射器以及超声波接收器，控制电路分别与超声波发射器、超声波接收器连接设置，超声波测距模块能探测到2cm-4m处的障碍物，超声波测距模块的测距精度为3毫米。
51.如图2所示为单片机引脚排列和外部总线的结构示意图，如图3所示为单片机的内部结构框图，单片机采用cmos8位单片机的at89s52，单片机包括基本工作条件引脚、输入输出引脚以及控制引脚，基本工作条件引脚包括电源引脚、复位引脚以及时钟引脚，电源引脚包括电源正极引脚和电源负极引脚，单片机的40脚为电源正极引脚，单片机的20脚为电源负极引脚，复位电路通过复位引脚与单片机内部电信号连接设置，时钟引脚为单片机的18脚和19脚，单片机的i/o引脚都为p0到p3四组接口，每组接口都包括8个引脚可供连接，控制引脚为单片机的29脚、30脚以及31脚。
52.单片机系统主要有上电复位和通过按下复位键复位两种复位操作。上电复位的工作过程如下：单片机系统在刚通电时，电容两端的电压为0v，通电后，大小为5v的直流电源对电容充电。电容两端的电压在电容充电到电源电压的0.7倍的时间内(一般小于0.3秒)由0v升到3.5v左右，使得电阻两端的电压从电源电压下降到高低电平分界处的电压，而rst引脚所接收到的电压和电阻上的电压同步，所以也是从5v下降到1.5v。在此过程中复位引脚接收到的是高电平，从而使系统自动复位。
53.如图4所示为复位电路的电路示意图，超声波测距仪接通电源一段时间后，测距系统正常工作，此时若按下复位键，复位电路开始工作，电容被复位键短路，电源发出的电流不再给电容充电，电容开始释放之前内部储存的电量，使得电容两端电压重新低于1.5v，从而使电阻两端电压大于3.5v，所以复位引脚从系统正常工作时的低电平信号变为高电平信号，使单片机系统开始进行复位。
54.如图5所示为晶振电路的电路示意图，晶振是晶体振荡器的简称，它的作用是提供时钟信号即工作信号脉冲来控制系统的运行，这个脉冲就决定了单片机的工作频率。晶振电路能够确保单片机系统井然有序的进行工作，假如晶振运行不稳定或没有晶振，系统在
进行测距工作时各部分就无法正常同步导致结果出现错误。晶振电路主要的部件有一个晶振外加两个电容，这两个元器件是不区分+-极的，两个瓷片电容相连的一端需要接地。在单片机系统中为了尽可能削减由振荡电路产生的谐波对整体电路稳定性的影响，选择两个10pf-50pf间的瓷片电容与晶振的两引脚相接。
55.如图6所示为数码管的显示电路原理图，数码管为共阳极数码管，且数码管由一个四位一体的7段led数码管组成，数码管有8个端口，单片机的p1口所输出的信号负责控制数码管的8个端口，数码管采用的是动态扫描显示。动态扫描显示是指采用类似点亮流水灯的方式来进行，通过i/o口对所有数码管的com端进行轮流控制，就能轮流点亮各个数码管，而不是同时点亮所有数码管。在位扫描过程中，每位数码管只会被单片机瞬时点亮随后熄灭，这是一个高速动态的过程。由于发光二极管产生的光信号在人大脑中所形成的图像会作短暂的停留(即余晖效应)，使得尽管数码管并非被同时点亮，但给人的感觉却是一组显示稳定的数码。在所有扫描显示方式中，动态扫描显示则是单片机系统中运用最多的一种，其原因是在持续显示数据的过程中，无论何时单片机都只会点亮一个数码光，这样占用的i/o接口线就会少，有效降低了系统的功耗和负担。
56.蜂鸣器为电磁式蜂鸣器，，电磁式蜂鸣器的工作原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生的磁场与磁铁本身的磁场相互作用，激发振动膜片周期性地振动，从而发出报警的声音。所以要使蜂鸣器能够发出报警声音的必要条件是为其提供电流。蜂鸣器的驱动电路中设有pnp型的三极管，三极管放大单片机输出的驱动电流，且三极管控制蜂鸣器报警声音的发生和停止。
57.如图7所示为按键的电路示意图，按键采用独立键盘，独立键盘的常开按键的一端接地，独立键盘的常开按键的另一端接i/o口。程序开始运行时，此i/o口的状态是高电平，按键未闭合。当按键被按下时，i/o口直接与地面相连接，使得i/o口变为低电平。按键松开后，单片机内部上拉电阻两端的电压使i输入/输出口由低电平恢复为高电平。
58.独立键盘采用的是用延时函数按键去除抖动，当按键被操作人员按下后，系统不是马上检测其是否为闭合时的电平，而是立即执行一个延时程序，该延时程序一般延时10～200毫秒以避开按键抖动。系统会在在延时结束后，再一次对其电平状态进行检测，如果按键处的电平与之前的状态一样没有变化，则视为按键确实被按下而不是由于抖动所引起的，这样系统才会调用接下来的处理程序。
59.如图8所示为基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪的测距流程图，基于51单片机的汽车倒车超声波测距仪的测距方法，包括以下步骤：步骤1.启动超声波测距仪，并将超声波测距仪进行初始化设置；
60.步骤2.调用显示子程序，超声波测距模块进行测距，判断障碍物是否存在；
61.步骤3.如果障碍物不存在，则回到步骤1；如果障碍物存在，通过单片机计算出超声波测距模块的测量距离值；
62.步骤4.将经过处理所得出的距离通过数码管反映出来，且用户通过按键对安全距离的范围进行设置以及当测量的值超出警戒距离时，蜂鸣器和led灯光便会发出声光报警提示，超声波测距仪工作结束。
63.在步骤3中，超声波测距模块的测距方法具体包括以下步骤：步骤3-1.系统会提供持续时间至少为0.01毫秒上的高电平给超声波测距模块的i/o口trig，使超声波测距模块
开始测距；
64.步骤3-2.测距开始后，超声波测距模块会通过晶片的振动向外界发射出多个频率一样的方波，系统会以较高的频率反复检测是否有因触碰到障碍物而反射回来的超声波信号；
65.步骤3-3.如果检测到回波信号，超声波测距模块的i/o口echo就对外输出一个持续时间为超声波从发射到返回时间的高电平信号，系统就可以通过高电平持续的时间和超声波速度计算出要测的距离。
66.如图9所示为显示数据子程序的流程示意图，在步骤4中，将经过处理所得出的距离通过数码管反映出来具体包括以下步骤：步骤1.数码管开始工作，处理过的数据通过单片机传送至数码管；
67.步骤2.、cpu向字段输出口送出字型码时，所有数码管都会接收到相同的字型码，被点亮的究竟是哪个数码管取决于数码管的公共极(com端)，而com端与单片机的i/o口相连接，哪一位数码管会在什么时间被系统所点亮，就取决于被送到输入输出口处的位选码。数码管显示电路将单片机处理得出的距离结果，则数码管停止工作。
68.如图10所示为按键子程序的流程示意图，在步骤4中，用户通过按键对安全距离的范围进行设置具体包括以下步骤：步骤1.按下按键设置安全距离，设置安全距离的上限；
69.步骤2.当设置好安全距离的上限后，按下按键设置安全距离，设置安全距离的下限；
70.步骤3.当设置好安全距离的下限后，再次按下按键，结束按键工作。
71.本次设计超声波测距仪的仿真运行是在proteus 8上进行的，图11是当系统测得的距离值在安全距离范围内的情况，可以看出系统运行正常没有发出警报。
72.下面具体介绍一下各个按键的作用：
73.s1：可设置系统安全距离(即不会触发警报的距离)的上下限。
74.s2：减小安全距离。
75.s3：增加安全距离。
76.s4：系统的复位按键，按下后系统恢复为初始状态。
77.s5：缩短测出的距离。
78.s6：增长测出的距离。
79.由于系统的仿真运行图无法像单片机产品一样实际的测量与障碍物之间的距离，所以设置了s5和s6键来模拟现实中的测距情况。
80.u3：为超声波测距模块，负责发射和接收超声波信号并将传送给单片机
81.图12是当测出的距离超出设置的安全距离的范围时，系统便会使蜂鸣器发出声音以及将led灯点亮，对驾驶员进行提示。
82.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部
件内的结构。
83.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。