基于51 單片機(jī)超聲波測距的防撞防盜報警器

李港，常新峰

（平頂山學(xué)院信息工程學(xué)院，河南平頂山,467000）

關(guān)鍵字：單片機(jī)；超聲波測距；GSM

0 引言

隨著汽車數(shù)量的增多，汽車事故頻繁出現(xiàn)[1]。針對汽車安全性問題，本文選用STC89C51 單片機(jī)控制超聲波測距模塊進(jìn)行超聲波測距，解決汽車防撞技術(shù)，進(jìn)而提高汽車駕駛的安全性[2]。其中超聲波測距模塊由超聲共性、電子技術(shù)、光電開關(guān)組合，完成非接觸式距離測量[3]，系統(tǒng)同時引入人體感應(yīng)模塊，通過GSM 短信模塊向預(yù)留手機(jī)號發(fā)送短信，實現(xiàn)汽車防盜[4,5]。

1 超聲波測距工作原理和算法

1.1 超聲波測距模塊的工作原理

1)該模塊通過采用IO 觸發(fā)超聲波測距，然后給TRIG 一個至少10us的0 信號；

2)該模塊讓其自動發(fā)送8 個40Khz的矩形波，然后讓其自動檢測是否有該信號返回；

3)當(dāng)有信號返回時，會通過ECHO 輸出一個0 信號，從TRIG=1 到ECHO的時間是從發(fā)射端到接收端的時間；

4)測試距離=(T×C))/2，高電平時間T 表示，聲速用C表示，C=340m/s；

5)當(dāng)TRIG 從0 跳變到1 時，主控芯片啟動10ms 定時器，用其來控制該測量。當(dāng)測量時間超時為10ms 時，ECHO 仍然沒有顯示150us的0 信號，則表明沒有出現(xiàn)障礙。

1.2 超聲波測距的算法

公式：超聲波測距原理與雷達(dá)測距原理基本上是一樣的。首先定義變量：L 表示超聲波測距測量的距離，C=344m/s(20℃室溫)為超聲波在空氣中的傳播速度，T 為高電平的時間。根據(jù)超聲波測距的方法可以得到測距的公式：L=C×T/2，測量的角度在15°左右。

誤差分析：超聲波的傳播速度會受到一些空氣密度和溫度高低的影響，當(dāng)空氣中密度升高時，則超聲波的傳播速度會加快。所以空氣中的密度和溫度有密不可分的關(guān)系，近似公式為：C=C0+0.607×t℃，式中：C0 為0 度時的聲波速度334m/s，t 為實際溫度(℃)。由于需要超聲波測距精度要求達(dá)到1mm，因此必須要把超聲波傳播所在的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去[6]。超聲波測距如圖1 所示。

2 總體設(shè)計

防撞防盜報警器總體設(shè)計框圖如圖2 所示，STC89C51單片機(jī)為主控芯片，利用超聲波測距和人體感應(yīng)模塊采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒M(jìn)行分析處理。用戶可通過按鍵模塊進(jìn)行防盜與防撞模式轉(zhuǎn)換，設(shè)置超聲波測距報警閾值等。LED 顯示模塊和蜂鳴器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和報警。

3 硬件設(shè)計

報警系統(tǒng)硬件電路如圖3 所示。硬件設(shè)計先使用軟件Altium10 畫出電路原理圖，然后進(jìn)行元器件的選擇，再進(jìn)行電路板的焊接。電路板元器件焊接完成后，需測試各個方面的電流和電壓是否滿足需求。

3.1 超聲波測距模塊

超聲波模塊性能穩(wěn)定，測量距離精確，沒有盲區(qū)。該模塊主要特點(diǎn)如下：超微型，相當(dāng)于是兩個發(fā)射器，接收端的面積，已經(jīng)不能再小了；無盲區(qū)（周圍的任何事物都是可以發(fā)送到的）；反應(yīng)速度相當(dāng)，其測量周期T 為10ms，在高速的情況下目標(biāo)不容易丟失；發(fā)射頭和接收頭緊緊的靠著，它和被測的目標(biāo)基本來說成為直線的關(guān)系；該模塊上還有數(shù)碼管顯示指示，方便來觀察和測試。

超聲波測距模塊引腳連接如圖4 所示。

3.2 GSM 短信模塊

GSM 模塊在使用時需插入手機(jī)卡，引腳連接如圖5 所示。該模塊會調(diào)用void TransmitText()，運(yùn)用AT 指令表來實現(xiàn)發(fā)送號碼和內(nèi)容的功能。報警器在運(yùn)行時，當(dāng)監(jiān)控區(qū)域有人入侵時，人體感應(yīng)模塊觸發(fā)中斷，該函數(shù)會給預(yù)留手機(jī)號發(fā)送報警短信。

圖5 GSM 短信模塊

3.3 按鍵模塊

報警器設(shè)置有4 個按鍵：

(1)切換按鍵：該鍵進(jìn)行防盜防撞模式切換，防盜時會顯示出C-00，表示測防狀態(tài)，時間是0 秒；再按一下會進(jìn)入防撞模式，如果小于自己預(yù)留的數(shù)值則報警。

(2)布防按鍵：在防盜模式C-00 模式下，按下一次該按鍵會有20 秒檢測是否有人經(jīng)過，如果沒有人，會進(jìn)入B-FA 布防狀態(tài)。如果在布防狀態(tài)在設(shè)置距離有人會在20 秒內(nèi)發(fā)送信息，接著繼續(xù)20 秒的掃描，沒有人時會進(jìn)入布防狀態(tài)。

(3)撤防按鍵：按下會進(jìn)入撤防模式，顯示出C-00。再按下切換按鍵會進(jìn)入防撞模式，在數(shù)碼管上顯示出距離。

(4)設(shè)置按鍵：該按鍵可設(shè)置報警值，通過布防按鍵可增加數(shù)字，撤防按鍵減小數(shù)值，設(shè)置完畢，再按一下設(shè)置鍵可退出并保存設(shè)置。

按鍵調(diào)用void Key_()函數(shù)實現(xiàn)相應(yīng)按鍵的功能，該函數(shù)介紹了每個按鍵所要表達(dá)的內(nèi)容，例如：設(shè)置鍵、功能切換鍵、模式加鍵、模式減鍵等。按鍵模塊實物圖如圖6 所示。

圖6 按鍵模塊實物圖

4 軟件設(shè)計

報警器具有兩個重要的功能，一個是GSM 短信模塊的防盜功能，另一個是超聲波測距的報警功能。當(dāng)要進(jìn)行防盜模式時，首先初始化串口系統(tǒng)，人體感應(yīng)模塊感應(yīng)到有人時，GSM 短信模塊會給預(yù)留手機(jī)號發(fā)送報警短信，實現(xiàn)防盜功能；超聲波測距模塊進(jìn)行測距檢測，當(dāng)距離不大于設(shè)置距離時，蜂鳴器會發(fā)生報警。主程序流程圖如圖7 所示。

4.1 超聲波測距流程

超聲波測距首先判斷RX 是否變?yōu)楦唠娖?，如果是，啟動定時器0，否則相反。當(dāng)啟動定時器0 后，然后判定RX 是否為低電平，當(dāng)RX 是低電平時，關(guān)閉定時器0，否則相反。關(guān)閉定時器0 之后，超聲波測距模塊就可以計算分析出汽車到障礙物的距離。超聲波測距流程圖如圖8 所示。

4.1.1 人體感應(yīng)模塊流程

在人體感應(yīng)模塊處于工作時，檢測到有人經(jīng)過，則會通過GSM 短信模塊給預(yù)留的手機(jī)號發(fā)送短信，否則繼續(xù)檢測。人體感應(yīng)模塊流程圖如圖9 所示。

圖9 人體感應(yīng)模塊

4.1.2 GSM 短信流程

首先將GSM 短信模塊進(jìn)行初始化，當(dāng)人體感應(yīng)模塊觸發(fā)時，向用戶發(fā)送報警短信，人體感應(yīng)模塊未觸發(fā)時，系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測。GSM 短信流程圖如圖12 所示。

GSM 通信模塊與單片機(jī)之間的通信通過AT 指令來執(zhí)行，系統(tǒng)中使用的AT 指令如表1 所示。

表1 系統(tǒng)中使用的AT 指令表

5 系統(tǒng)測試分析和總結(jié)

5.1 測試方案

首先進(jìn)行超聲波測距功能測試，將系統(tǒng)設(shè)置為測距模式，將小物塊當(dāng)做障礙物，緩慢移動小車使之靠近障礙物，可以看到顯示屏上的數(shù)值逐漸減小，當(dāng)數(shù)值減小到報警閾值時觸發(fā)蜂鳴器報警；接著進(jìn)行防盜功能的測試，將系統(tǒng)設(shè)置為防盜模式，測試人員緩慢走向人體紅外傳感器直至觸發(fā)報警，蜂鳴器報警的同時向用戶發(fā)送報警短信。

5.2 測試結(jié)論

經(jīng)測試，該系統(tǒng)可正常實現(xiàn)防撞與防盜功能，滿足用戶的使用需求。測試效果圖如圖13 所示。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于51 單片機(jī)的超聲波測距的防撞防盜報警器，該報警器使用方便，操作簡單，功能完善，造價便宜，具有很好地實用性。