《汽車(chē)倒車(chē)測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)10000字【論文】》

緒論1.1研究背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，全球汽車(chē)的普及程度越來(lái)越高，而我國(guó)近年來(lái)家用汽車(chē)保有量的增長(zhǎng)率更是十分驚人。根據(jù)2015年末的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，中國(guó)的汽車(chē)總數(shù)發(fā)展到了約1.72億輛，當(dāng)中私家車(chē)大概占總數(shù)的1.24億輛以上，每一百戶家庭就有31輛汽車(chē)。時(shí)代的進(jìn)步讓人們的出行方式也發(fā)生了巨大的變化，汽車(chē)己經(jīng)成為最基本的家用代步工具。隨著汽車(chē)絕對(duì)數(shù)量的增加，在人們的出行越來(lái)越方便的同時(shí)，交通事故的數(shù)量也在逐步增加。由于私家車(chē)的大范圍增多，新增駕駛員數(shù)量也大范圍增多，中國(guó)駕駛員考試一定程度地存在著形式化和應(yīng)試化的弊端，出現(xiàn)很多駕駛技術(shù)不同的駕駛員。在2015年的時(shí)候，我國(guó)取得機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛證的人數(shù)就已經(jīng)達(dá)到了3.2億人，當(dāng)中駕駛汽車(chē)大約有2.8億人，在駕駛員總數(shù)當(dāng)中占比85.63%，一年當(dāng)中就增加了3375萬(wàn)個(gè)汽車(chē)駕駛員。駕駛員駕齡沒(méi)有滿一年的大概有3613萬(wàn)人，占比總數(shù)的11.04%，男性駕駛員占總數(shù)的74.29%，大約有2.4億人，相比2014年的人數(shù)，提高了2.23%左右，女性駕駛員占總數(shù)的25.71%，大概有8415萬(wàn)人，因?yàn)榻煌ǚㄒ?guī)的普及程度跟道路規(guī)劃，還有一些處罰的力度不大的限制，中國(guó)的道路交通亂象更多。想要避免交通事故，自己遵守交通規(guī)則甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，更要有及時(shí)躲閃突發(fā)狀況的能力，這對(duì)駕駛員的經(jīng)驗(yàn)和駕駛技術(shù)要求非常高。1.2研究目的與意義隨著我國(guó)的汽車(chē)數(shù)量在日益變多，現(xiàn)在最大的問(wèn)題就是停車(chē)難的問(wèn)題，很多有車(chē)一族對(duì)于狹小的停車(chē)場(chǎng)也是頭疼，如果稍微有個(gè)不小心，就會(huì)產(chǎn)生碰撞，更讓人覺(jué)得心煩意亂了。哪怕是每一輛汽車(chē)上面都安裝有后視鏡，但還是有一些地方處于后視盲區(qū)使駕駛員看不到的。駕駛員在進(jìn)行倒車(chē)、泊車(chē)的過(guò)程中都會(huì)用到汽車(chē)?yán)锏陌踩o助裝置，也就是倒車(chē)?yán)走_(dá)，它能夠觀察汽車(chē)周?chē)系K物的情況并通過(guò)聲音或者是圖像的方式告訴給駕駛員，可以讓駕駛的安全性得到提高，并且能夠?qū)⒉糠忠曇八澜桥c視線模糊的缺陷給排除掉。讓駕駛員在倒車(chē)、停車(chē)以及啟動(dòng)車(chē)子的時(shí)候不再需要前后左右的去觀察周遭情況。1.3國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀我國(guó)的倒車(chē)防撞系統(tǒng)起步較晚，在2000年才開(kāi)始這方面內(nèi)容的研究與生產(chǎn)，因此對(duì)于我國(guó)而言，它僅僅是一個(gè)只有十幾年歷程的新興產(chǎn)業(yè)。最開(kāi)始，這類系統(tǒng)也僅僅裝配在奔馳、寶馬、奧迪等為人熟知的一線汽車(chē)品牌中，但倒車(chē)防撞系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展是十分迅速的，在2003年，從開(kāi)始之后僅僅3年的時(shí)間，此行業(yè)就迎來(lái)了一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，直到現(xiàn)在，我國(guó)研發(fā)的倒車(chē)防撞系統(tǒng)不僅僅在國(guó)內(nèi)有著很好的態(tài)勢(shì)，它甚至以完整的生產(chǎn)系統(tǒng)的形式出口到東南亞和非洲國(guó)家。我國(guó)的防撞產(chǎn)品在鐵將軍和二郎神倒車(chē)?yán)走_(dá)中更為常見(jiàn)。鐵將軍使用兩個(gè)處理器來(lái)檢測(cè)和安裝四個(gè)傳感器，這些傳感器可以準(zhǔn)確地確定車(chē)身后方2.5米范圍內(nèi)是否有障礙物并準(zhǔn)確地顯示數(shù)據(jù)。液晶顯示屏可準(zhǔn)確識(shí)別障礙物的位置，并申請(qǐng)直觀，防止誤報(bào)的專利和檢測(cè)技術(shù)。二郎神是一款倒車(chē)?yán)走_(dá)，帶有LED顯示屏，帶有語(yǔ)音提示，可顯示障礙物，障礙物和身體之間的距離，有2探頭、4探頭、6探頭三種規(guī)制可以選擇，具有較高的準(zhǔn)確度和較好的實(shí)時(shí)性，其可探測(cè)距離在40cm-300cm之間，但其問(wèn)題在于近距離探測(cè)盲區(qū)較大，對(duì)于許多的倒車(chē)入庫(kù)的情況未必完全適用，但產(chǎn)品整體性能較優(yōu)越。國(guó)外的倒車(chē)防撞系統(tǒng)發(fā)展較早，因此相對(duì)國(guó)內(nèi)也更加快速，許多知名汽車(chē)品牌都展開(kāi)了汽車(chē)防撞的自主研發(fā)。如奧迪Q系類，就采用了奧迪公司專門(mén)為這款車(chē)型研發(fā)的倒車(chē)攝像系統(tǒng)，攝像頭探測(cè)到的信息可以實(shí)時(shí)地顯示到車(chē)內(nèi)的液晶屏幕上駕駛員在泊車(chē)、倒車(chē)入庫(kù)時(shí)更加的簡(jiǎn)單方便，也更為安全，降低了駕駛技術(shù)的門(mén)檻。奧迪Q7汽車(chē)在倒車(chē)時(shí)的攝像系統(tǒng)的展示，其獨(dú)有的輔助線標(biāo)注給駕駛員提供了更多的信息，現(xiàn)在大部分汽車(chē)也都應(yīng)用了此功能，使得倒車(chē)停車(chē)更加簡(jiǎn)單。德國(guó)的奔馳公司，也將汽車(chē)防撞作為了重點(diǎn)研究對(duì)象，除了倒車(chē)?yán)走_(dá)以外，同時(shí)還研究了前視防撞雷達(dá)，美國(guó)更把汽車(chē)防撞設(shè)備用到了校車(chē)上，以提升校車(chē)的安全性能，日本韓國(guó)也在汽車(chē)防撞領(lǐng)域投入了許多研發(fā)資本，如韓國(guó)中央電子工業(yè)公司，為了實(shí)現(xiàn)倒車(chē)防撞，開(kāi)發(fā)了一種新型的可視化系統(tǒng)，其攝像機(jī)有1200廣角，以消除后視方向上駕駛員的視線盲區(qū)。日本的豐田公司更是開(kāi)發(fā)了倒車(chē)遙控系統(tǒng)，使有倒車(chē)入庫(kù)困難的駕駛?cè)藛T，可以通過(guò)遙控器，在車(chē)外遙控汽車(chē)完成倒車(chē)，與傳統(tǒng)的倒車(chē)防撞雷達(dá)思路有很大的不同?？梢?jiàn)，倒車(chē)?yán)走_(dá)主要分為兩大種類:一類是可視化的，一類是不可視化的預(yù)警系統(tǒng)，第一類更加直觀，但駕駛員本身仍需要通過(guò)許多繁雜信息中找到可利用信息，對(duì)操作反應(yīng)時(shí)間并沒(méi)有太大意義，而不可視化的預(yù)警系統(tǒng)又使得駕駛員獲得的信息太少，因此本文欲使得關(guān)鍵的距離信息進(jìn)行可視化顯示，且能幫助駕駛員確定，障礙物主要位于后視視角的哪個(gè)方位，信息充分且簡(jiǎn)單。對(duì)于日后倒車(chē)?yán)走_(dá)的發(fā)展方向，可能朝著集成化更高的領(lǐng)域發(fā)展，配合GPS導(dǎo)航與互聯(lián)網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛網(wǎng)，或者朝著更加自動(dòng)化的方向發(fā)展，使得倒車(chē)?yán)走_(dá)成為無(wú)人駕駛的巡航系統(tǒng)中的一個(gè)模塊，而整個(gè)系統(tǒng)的功能將更加完備。2汽車(chē)倒車(chē)防撞測(cè)距主要方式汽車(chē)防撞系統(tǒng)的原理劃分方式，主要基于其傳感器的不同、收集信息的不同。常見(jiàn)的測(cè)距手段有超聲測(cè)距、電禍合攝像系統(tǒng)、視頻圖像處理系統(tǒng)、激光測(cè)距、紅外測(cè)距等。以上測(cè)距手段都是通過(guò)某種方式收集車(chē)輛與其前視或后方車(chē)輛、障礙物等的距離信息或圖像信息，進(jìn)行處理，以使距離信息傳遞給駕駛員而進(jìn)行防撞預(yù)警的方式。2.1超聲測(cè)距方法頻率高于20kHz的機(jī)械聲波一般統(tǒng)稱為超聲波，其哀減梯度較慢、方向延展性好、反射強(qiáng)度大、可以十分容易的獲得較為密級(jí)的聲能，能穿透一定厚度的物體。典型的超聲波測(cè)量系統(tǒng)主要包括重要的模塊，例如超聲波發(fā)射器，接收器和信號(hào)處理系統(tǒng)。首先，超聲測(cè)量是使用高強(qiáng)度和聚焦超聲的物理特性。超聲波傳輸系統(tǒng)在操作期間發(fā)射方波信號(hào)，并將窄脈沖發(fā)送到脈沖計(jì)時(shí)器作為用于確定范圍的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)在發(fā)射超聲波之后遇到測(cè)量對(duì)象時(shí)，由于反射強(qiáng)度高，所以反射具有更集中的能量的超聲波，可以被接收裝置接收。在接收裝置獲得回波信號(hào)時(shí)，計(jì)時(shí)器停止工作。信號(hào)處理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器計(jì)量的脈沖數(shù)量信息計(jì)算超聲波行走的時(shí)間，最后得出超聲波發(fā)射端到被測(cè)目標(biāo)物體的距離。2.2雙目測(cè)量方法雙目測(cè)量方法主要是通過(guò)雙攝像頭系統(tǒng)，對(duì)同一被測(cè)范圍進(jìn)行拍攝，得到不同角度的二維圖像信息，之后用極線定理等方法找出通過(guò)不同角度拍攝的同一被測(cè)范圍的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，以進(jìn)行三維還原的方法。這種方法用于汽車(chē)防撞領(lǐng)域時(shí)，主要可以幫助駕駛?cè)顺尸F(xiàn)視線盲區(qū)，更多地是起到盲區(qū)監(jiān)控的作用，但駕駛?cè)藢?shí)際得到的信息十分復(fù)雜，不直觀反映距離，未必能給駕駛?cè)俗銐虻姆磻?yīng)時(shí)間作用于防撞。另外，此種方法算法復(fù)雜，運(yùn)算緩慢，無(wú)法跟上行駛時(shí)機(jī)，因此多被用于后視盲區(qū)監(jiān)控，防撞效果并不理想。2.3視頻圖像處理測(cè)距方法許多時(shí)候?qū)τ隈{駛?cè)藖?lái)說(shuō)比較難以判斷的是在駕駛員視線角度下，如何判斷與前后車(chē)的車(chē)距。人眼會(huì)根據(jù)近大遠(yuǎn)小等透視效果來(lái)大致判斷車(chē)距。如果可以將人眼得到的視信號(hào)，轉(zhuǎn)化為大致距離結(jié)論的人為反應(yīng)過(guò)程，交予機(jī)器完成，就可以省去駕駛員這方面的麻煩。視頻圖像處理測(cè)距方法并非實(shí)際測(cè)量汽車(chē)與障礙物之間的距離，而是通過(guò)行車(chē)記錄儀采集行車(chē)過(guò)程中的視頻。將視頻定格，得到每一幀的圖像，并將得到的圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像，將圖像分割，濾波，二值化等，通過(guò)圖像處理手段得出關(guān)鍵信息，并通過(guò)算法來(lái)計(jì)算障礙物與汽車(chē)之間的距離。其中，對(duì)圖像進(jìn)行分割，提取關(guān)鍵信息的效果效果如圖1所示。圖1圖像分割示意圖2.4激光測(cè)距方法激光測(cè)距方法可以分為無(wú)圖像的激光距離測(cè)量和根據(jù)是否進(jìn)行可視化的激光距離測(cè)量。沒(méi)有可視化的激光位置的常用方法基本上是相位激光位置。激光成像可分為掃描和掃描。這幾種方法的原理是不同的。2.4.1相位式激光測(cè)距精度較高，主要用于軍事探測(cè)雷達(dá)。但只能得到單一距離數(shù)據(jù)，獲得信息不夠全面，相位式激光測(cè)距原理如圖2所示。相位差測(cè)量系統(tǒng)是其核心處理系統(tǒng)，它發(fā)出使能信號(hào)，使發(fā)射模塊發(fā)射激光，激光遇到目標(biāo)物體后反射回波，接收模塊將接收信號(hào)傳回，通過(guò)相位差的測(cè)量得出障礙物的距離。圖2相位式激光測(cè)距原理圖2.4.2成像掃描式激光測(cè)距激光的發(fā)射方向在一個(gè)周期內(nèi)，隨著振鏡而擺動(dòng)，因此可以在振鏡擺動(dòng)的一個(gè)周期之內(nèi)獲得一組掃描數(shù)據(jù)信息，這些信息可以呈現(xiàn)在一個(gè)維度范圍內(nèi)汽車(chē)的某一方向上所有障礙物的距離，從而獲得距離圖像，其原理如圖3所示。此方法主要用于前視汽車(chē)防撞系統(tǒng)，但由于激光的路徑筆直行進(jìn)，當(dāng)汽車(chē)遇到坡路是，激光發(fā)射方向又無(wú)法使激光準(zhǔn)確地到達(dá)前方車(chē)輛或障礙物上，雖然測(cè)距速度和精度都較好，但魯棒性較差，缺乏實(shí)用性。圖3成像掃描式激光測(cè)距原理圖2.4.3非掃描式成像激光測(cè)距非掃描激光雷達(dá)的所有激光束都是小光束，當(dāng)這些小光線照射待測(cè)區(qū)域時(shí)，通過(guò)使用二維成像單元（例如表面）的邏輯混合處理來(lái)處理被測(cè)物體表面散射的光（如面陣CCD等），CCD的每個(gè)像素的輸出信號(hào)提供對(duì)應(yīng)于成像區(qū)域的距離信息，將所反饋出來(lái)的信息進(jìn)行融合，基本上能夠重建一個(gè)立體圖像。其最理想的效果類似于谷歌公司對(duì)于VR技術(shù)的演示，由于在一個(gè)二維平面范圍內(nèi)，以矩陣方式全面發(fā)射激光微小光束，從而獲得每一個(gè)點(diǎn)的距離信息，以獲得三維重構(gòu)的另一個(gè)維度。但此方法在汽車(chē)防撞領(lǐng)域沒(méi)有太高的必要性，且在實(shí)際駕駛過(guò)程中有可能對(duì)周邊車(chē)輛造成干擾，故不太適用。2.5紅外測(cè)距方法紅外線是比紅光長(zhǎng)并且人眼無(wú)法看到的光的波長(zhǎng)，并且具有諸如紅外線熱和高穿透性的物理特性。現(xiàn)在市面常用的紅外傳感器大部分是來(lái)自于夏普公司的，具有不同測(cè)距范圍和靈敏度的一系列測(cè)距傳感器。這類傳感器一般主要是由紅外線發(fā)射器、CCD探測(cè)器，透鏡及信號(hào)處理電路系統(tǒng)等構(gòu)成的，這類傳感器應(yīng)用的測(cè)距原理是三角測(cè)量原理。測(cè)量范圍根據(jù)傳感器型號(hào)的不同可以根據(jù)需求自主選擇。由于紅外發(fā)射器會(huì)以一個(gè)固定的角度發(fā)射紅外線，再以三角形路線接收，因此在測(cè)量距離范圍內(nèi)的多個(gè)角度都能探測(cè)到障礙物，不會(huì)因?yàn)閷?shí)際行駛過(guò)程中可能存在的坡路等使得障礙物角度發(fā)生較大變化的情況影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此紅外法魯棒性較好。又由于紅外法不受反射表面材料特性，環(huán)境光等的影響，可測(cè)幾乎所有材料的被測(cè)物，能夠應(yīng)對(duì)不良的天氣狀況，比較符合車(chē)輛駕駛的室外環(huán)境特征，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)防撞測(cè)距領(lǐng)域。但由于受到紅外線能量隨距離的增加而散失的影響，以及三角法固有的可利用精度范圍的影響，其各個(gè)型號(hào)傳感器能達(dá)到的最大測(cè)距距離，都不超過(guò)6米，但對(duì)于一般的倒車(chē)防撞測(cè)距都是一個(gè)可行的范圍。3基本原理3.1什么是超聲波當(dāng)物體在進(jìn)行震動(dòng)，并且震動(dòng)的頻率在20Hz到20KHz之間時(shí)，便產(chǎn)生了聲音，如果希望通過(guò)超聲波進(jìn)化，振蕩頻率必須超過(guò)20kHz的機(jī)械波。超聲波可以說(shuō)具有兩種特定形式，而超聲波是通過(guò)彈性介質(zhì)中的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的：一種是縱向振蕩（通常也稱作縱波），而另一種的話是橫向振蕩（通常也稱作橫波）。我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)工業(yè)當(dāng)中所應(yīng)用所利用最多的是縱向振蕩。超聲波也是可以在固體當(dāng)中、液體和氣體等介質(zhì)下進(jìn)行傳播，但是在三種介質(zhì)中超聲波的傳播速度是不一樣的，而且，超聲波也會(huì)出現(xiàn)發(fā)射或者是折射的現(xiàn)象，并且在實(shí)際的傳播過(guò)程中時(shí)，速度會(huì)慢慢的減小，比如說(shuō)，超聲波在氣體中進(jìn)行傳播的時(shí)候，所產(chǎn)生的頻率就會(huì)很低，大概是在幾十KHz左右，而且衰減速度比較快；在液體或者是固體中進(jìn)行傳播的時(shí)候，超聲波的震動(dòng)頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)卻是比較高的，逐漸衰減的速度對(duì)比在空氣中傳播的要小些，并且傳播的距離比較遠(yuǎn)。為了在相反方向上使用超聲波，必須產(chǎn)生超聲波并接收超聲波。能夠滿足這種條件的功能裝置通常是超聲換能器或超聲換能器，稱為超聲換能器。超聲波傳感器具有發(fā)射器/接收器，但超聲波傳感器還可以產(chǎn)生用于發(fā)射和接收聲波的兩種功能。通常使用兩種類型的超聲波傳感器。其中之一是超聲波的機(jī)械產(chǎn)生，如空氣口哨，電流槽和口哨。另一種方法是使用諸如磁致伸縮的電子裝置產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)生器和壓電超聲波發(fā)生器。3.2超聲波傳感器的特性主要特性包含有：頻率特性和指向特性。3.2.1頻率特性圖4超聲波傳感器的升壓能級(jí)和靈敏度如上圖4所示，超聲波傳感器的中心頻率為40kHz。我們最好在中間附近使用40kHz交流電壓來(lái)刺激超聲波輻射傳感器，因?yàn)楫?dāng)它的頻率到達(dá)40KHz的時(shí)候，所形成的壓能級(jí)跟機(jī)械波都是最高最強(qiáng)的，在40KHz頻率兩旁的壓能級(jí)會(huì)很快地變小。3.2.2指向特性最常用的超聲波傳感器，內(nèi)部的壓電板是小板，表面上的點(diǎn)可以用作振動(dòng)源，并且根據(jù)振動(dòng)源發(fā)射小波。某個(gè)離開(kāi)了超聲波傳感器空間的聲壓，它所輻射出來(lái)的子波產(chǎn)生的結(jié)果是具備指向性的；從振蕩源輻射出來(lái)的子波則是無(wú)指向性的?？梢詮南聢D5看到。圖5超聲波傳感器指向特性及結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)超聲波傳感器的定向角通常在40到80度的范圍內(nèi)，當(dāng)它的指向角達(dá)到0度的時(shí)候所形成的電壓是最大的，而當(dāng)隨著角度的漸漸增大，產(chǎn)生的電壓就會(huì)漸漸變小。3.3超聲波倒車(chē)測(cè)距系統(tǒng)原理通常我們使用兩種方法進(jìn)行超聲測(cè)量。其中之一是獲得平均電壓輸出脈沖。電壓與距離成正比，因此您可以知道測(cè)量電壓時(shí)的距離。另一種方法是測(cè)量輸出端的脈沖寬度，即超聲波接收和超聲波傳輸之間的時(shí)間間隔。在超聲波檢測(cè)方案中，發(fā)送端接收輸出脈沖的方波，并且發(fā)送超聲波的時(shí)間間隔等于寬度。如果被測(cè)物體的距離大，則形成的脈沖的寬度變大，并測(cè)量距離和輸出信號(hào)的脈沖數(shù)成比例關(guān)系。一般電路所采用的是第二種對(duì)輸出的脈沖寬度精心測(cè)量。超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中傳播時(shí)，它的速度是331.4m/s，假如我們用12.0MHz的晶振作用到單片機(jī)上來(lái)進(jìn)行計(jì)時(shí)的話，則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)它的測(cè)量精度從基本理論上來(lái)看的話，可能會(huì)達(dá)到毫米級(jí)的。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)：機(jī)載超聲波傳播速度為340M/S（15°C時(shí)）。X2是聲波，X1是聲波，當(dāng)發(fā)出聲音時(shí)，X2-X1是視差的絕對(duì)值，X2-X1=0.03秒，340米X0.03秒=10.2分鐘。因?yàn)樵?0.2分的時(shí)間里，超聲波發(fā)出到碰到返射物進(jìn)行返回的距離如下:圖6測(cè)距原理4超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的測(cè)距報(bào)警器電路是一種單片機(jī)系統(tǒng)，其數(shù)字顯示在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)速度指示電路，可以知道目前汽車(chē)的距離輸出，在行使到自己設(shè)定好的上限倒車(chē)距離時(shí)，報(bào)警電路就會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示，這樣駕駛員就知道目前的汽車(chē)倒車(chē)危險(xiǎn)，駕駛員在看到報(bào)警之后就會(huì)及時(shí)做好反應(yīng)，并進(jìn)行調(diào)整，以此確保人身安全。單片機(jī)內(nèi)已經(jīng)設(shè)定好的值與實(shí)際的產(chǎn)生的數(shù)值進(jìn)行比較，如超出了通過(guò)系統(tǒng)輸入設(shè)定的最大值，便能夠?qū)ζ?chē)倒車(chē)安全距離進(jìn)行判斷，并經(jīng)過(guò)蜂鳴器來(lái)進(jìn)行報(bào)警提醒。圖7倒車(chē)?yán)走_(dá)報(bào)警器總原理圖4.1單片機(jī)的選用如下圖8所示的單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路原理圖。按照設(shè)計(jì)的需求，只要一些很小的控制單元來(lái)做成集成度很小的最小系統(tǒng)應(yīng)用即可。作為低電壓處理器，AT89C51單片機(jī)一直是一些主要控制器微處理器的選擇，在單片機(jī)的128byte隨機(jī)存取數(shù)據(jù)RAM之中，裝置是采用的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)具有很高的密度，與一些常用的中央處理單元跟閃存單元，以及MCS-51指令跟8-芯片之間是相互兼容的；它還配備了一個(gè)高性能的8位，4字節(jié)CMOS微控制器，能夠擦除只讀程序的存儲(chǔ)器。如果微控制器需要進(jìn)入環(huán)路復(fù)位狀態(tài)，則總是需要高RST。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位后，程序就會(huì)從第一條指令開(kāi)始重新運(yùn)轉(zhuǎn)。圖8單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2單片機(jī)系統(tǒng)4.2.1時(shí)鐘模塊硬件電路DS1302給每一個(gè)讀者對(duì)象需要十六個(gè)時(shí)鐘脈沖以及八地址前脈沖寫(xiě)命令跟輸入操作。DS1302是一個(gè)功耗低且性能高的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，只需要三根線便可以跟微控制器進(jìn)行連接，利用三根線的SPI接口跟CPU的通信進(jìn)行同步，將多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM亦或者是時(shí)鐘信號(hào)給發(fā)送出去。這個(gè)在單片機(jī)最小系統(tǒng)中是經(jīng)常用到的系統(tǒng)時(shí)鐘線路了，因此該設(shè)計(jì)電路非常可行，穩(wěn)定性也很好。圖9模塊電路時(shí)鐘硬件圖4.2.2復(fù)位電路最常用的單片機(jī)復(fù)位模式如下面的圖10所示。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。這在復(fù)位信號(hào)為高時(shí)有效。單片機(jī)必須保持在24個(gè)周期以上才可以完成重置操作。如果RST端子產(chǎn)生寬度小的脈沖，則可以有效地實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位。必須通過(guò)RST引腳將T89C51復(fù)位信號(hào)施加到微控制器芯片的施密特觸發(fā)器。電容上的電壓值會(huì)慢慢增大是因?yàn)闀r(shí)間的增加，這使得RST引腳的電壓值也會(huì)隨之下降，當(dāng)降到低電平的時(shí)候，便會(huì)讓單片機(jī)回到正常狀態(tài)，也稱之為上電為復(fù)位。在12MHz時(shí)鐘時(shí)，一般C7取22μF，R2可取1kΩ，需要持續(xù)達(dá)到2μs以上才可以使得復(fù)位操作完成。圖10晶振電路與復(fù)位電路4.2.3振蕩電路MCU具有高增益放大器放大器。芯片的XTAL1引腳是放大器的輸入。XTAL2觸點(diǎn)是放大器的輸出。如果微電路外部的晶體振蕩器需要連接到兩個(gè)電容器，它必須通過(guò)XTAL1和XTAL2。機(jī)器的周期信號(hào)由作為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)分頻器的振蕩電路脈沖產(chǎn)生，并且基于原始雙向頻率，ALE信號(hào)由三頻率頻率產(chǎn)生。下面的圖11顯示了振動(dòng)模式。圖11振蕩電路4.3外接采集節(jié)點(diǎn)模塊電路根據(jù)原理圖該系統(tǒng)主要可分為鍵盤(pán)部分，顯示部分和蜂鳴器4部分，每部分協(xié)調(diào)工作，來(lái)實(shí)現(xiàn)倒車(chē)安全報(bào)警信號(hào)監(jiān)測(cè)功能。4.3.1顯示電路設(shè)計(jì)液晶顯示采用LCD1602，這樣就算是在不使用計(jì)算機(jī)的情況下，控制系統(tǒng)系統(tǒng)也能正常運(yùn)行，并且能具有直觀的可視性。顯示電路主要是通過(guò)鍵盤(pán)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室的各功能設(shè)定、當(dāng)前參數(shù)等設(shè)定。該模塊的價(jià)格略低于相同點(diǎn)陣的圖形LCD模塊的價(jià)格。下圖是該顯示器的原理圖12：圖12LCD顯示原理圖與具有圖形點(diǎn)陣的相同類型的LCD模塊相比，該設(shè)計(jì)的液晶顯示器比硬件電路或顯示程序的結(jié)構(gòu)小得多，并且模塊的價(jià)格略低于圖形的價(jià)格，具有相同點(diǎn)陣的液晶模塊。該系統(tǒng)允許通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置反向安全數(shù)據(jù)，并在人與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行良好的交互。4.3.2蜂鳴報(bào)警器聲音檢測(cè)模塊駐極體傳聲器作為檢測(cè)器，通過(guò)電平變換電路，使得在流動(dòng)方向上的駐極體傳聲器急劇下降的內(nèi)部電阻，使晶體管的變化，從而達(dá)到聲音，以確定是否為目的。三極管采用8050NPN型晶體管，將其基極接于P2.6口，當(dāng)其為高電平時(shí)三極管導(dǎo)通，當(dāng)其為低電平時(shí)三極管截止，如圖13所示。當(dāng)測(cè)速存在超速后，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音進(jìn)行提示。圖13蜂鳴器與單片機(jī)的接口電路圖報(bào)警電路如圖13所示。監(jiān)控P2單片機(jī)端口，P2.3至P2.6四個(gè)LED端口控制P2和報(bào)警，如圖所示。4.3.3WSB接口電路由于用于從系統(tǒng)捕獲圖像的相機(jī)是USB接口設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)需要USB接口。S3C2440A有兩個(gè)USB主控制器和一個(gè)USB設(shè)備控制器，需要USB接口才能連接外部USB攝像頭，因此必須使用USB主控制器。USB接口有四條線：DATA+和DATA-信號(hào)線，VCC和GND電源線，兩條電源線和兩條信號(hào)線，數(shù)據(jù)傳輸模式是串行傳輸。USB接口速度快，最新的USB2.0達(dá)到480Mbps，可滿足各種工業(yè)和私人需求。USB輸出電壓和電流：+5V，500mA。實(shí)際上有偏差。最大值不能超過(guò)+/-0.2V也就是4.8-5.2V。使用USB接口，無(wú)法更換陽(yáng)極和陰極，不然會(huì)燒壞USB設(shè)備或主機(jī)芯片。USB接口還必須設(shè)計(jì)有保護(hù)電路，以防止由于過(guò)流，過(guò)壓和瞬態(tài)ESD電壓而損壞USB接口。4.4超聲波測(cè)速模塊4.4.1超聲波發(fā)射模塊為了使CH_CLOSE門(mén)信號(hào)起作用，需要通過(guò)4通道與非門(mén)SN74F00D，輸出波形由門(mén)信號(hào)CH_CLOSE決定。每個(gè)半波輸出信號(hào)被組合以形成完整的波形。驅(qū)動(dòng)電路如圖16所示。系統(tǒng)中使用的測(cè)量模塊的超聲信號(hào)由軟件生成。因此，在超聲換能器將超聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械波之前，在適當(dāng)?shù)募?lì)電路中處理超聲電信號(hào)以激勵(lì)超聲換能器。在操作期間，超聲波傳輸電路如圖14所示。圖14超聲波發(fā)射電路4.4.2高頻變壓器的設(shè)計(jì)為了控制工作電壓為1000V，額定頻率為26kHz的超聲波換能器，上面得到的PWM波必須通過(guò)高頻變壓器輸出高頻高壓信號(hào)。壓電材料的這種周期性變形引起外圍介質(zhì)循環(huán)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以將超聲信號(hào)傳輸?shù)浇橘|(zhì)。繞組電阻由磁芯的定義決定。對(duì)于本設(shè)計(jì)中使用的雙面（2沖程）變壓器，磁通密度在理論上是正的和負(fù)的。圖15升壓發(fā)射電路圖4.4.3超聲波接收電路處理模塊（1）精密放大電路該設(shè)計(jì)使用集成的超聲波傳感器，使得大的傳輸信號(hào)直接到達(dá)接收電路并且對(duì)接收信號(hào)具有恒定的干擾。在接收到超聲回波信號(hào)后，接收電路對(duì)其進(jìn)行處理，輸出包含流量信息的模擬信號(hào)，并輸入數(shù)字信號(hào)處理電路進(jìn)行進(jìn)一步處理。為此在精密放大之前必須經(jīng)過(guò)二極管雙向限幅環(huán)節(jié)對(duì)接收信號(hào)放大器的輸入電壓進(jìn)行箱位，來(lái)保護(hù)后續(xù)的放大電路。如圖16所示：圖16前置放大電路（2）帶通濾波電路在帶通濾波器中，這里使用一個(gè)內(nèi)置運(yùn)算放大器來(lái)形成電壓控制的二階帶通濾波器電路，如圖17所示。圖17帶通濾波電路5超速報(bào)警器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1單片機(jī)編程語(yǔ)言的選擇51系列微控制器支持BASIC，PL/M，匯編器和C語(yǔ)言。C語(yǔ)言通常是UNL操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，C語(yǔ)言也稱為結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言。與匯編相比，C語(yǔ)言具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，C語(yǔ)言不需要知道MCU指令集，只需要基本了解存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。C語(yǔ)言也非常便攜，并提供許多類型的數(shù)據(jù)和運(yùn)算符以便于編程。C語(yǔ)言還具有豐富的函數(shù)庫(kù)，不僅可以加速計(jì)算，還可以提供高編譯效率，并允許直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際控制。其次，C語(yǔ)言也稱為結(jié)構(gòu)化編程語(yǔ)言。自上而下的結(jié)構(gòu)化編程技術(shù)，C語(yǔ)言具有非常完整的模塊化程序結(jié)構(gòu)，用戶在開(kāi)發(fā)軟件時(shí)可以使用模塊化編程技術(shù)。C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)通常是實(shí)用的?？s短了開(kāi)發(fā)周期，并且為了改進(jìn)和擴(kuò)展，該程序得到了極大的改進(jìn)。并且研制出更大規(guī)模的、性能更加完善的系統(tǒng)。第三、在利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程的時(shí)候，不需要對(duì)單片機(jī)跟接口結(jié)構(gòu)作很深層次方面的了解。利用好C語(yǔ)言對(duì)51系列單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，編程者能夠更加專一地對(duì)應(yīng)用軟件部分的進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需要把很多的精力用在內(nèi)存分配等這些較為底層工作上面浪費(fèi)精力時(shí)間，進(jìn)而很大程度上讓軟件開(kāi)發(fā)的速度更快。所以，本文系統(tǒng)利用CS1語(yǔ)言來(lái)對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。也擁有匯編語(yǔ)言的功能，使用靈活、可讀性較強(qiáng)，能夠單片機(jī)的程序進(jìn)行移植的時(shí)候更加方便。5.2主流程圖設(shè)計(jì)下面圖18中的軟件包括兩個(gè)主程序和一個(gè)終端維護(hù)程序。主程序通過(guò)完成任務(wù)的初始化，控制超聲波的接收/發(fā)送順序，中斷維護(hù)程序來(lái)讀取時(shí)間值。當(dāng)執(zhí)行操作并計(jì)算距離并打印結(jié)果時(shí)，三向超聲波旋轉(zhuǎn)以定時(shí)器中斷服務(wù)程序結(jié)束。圖18超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)際測(cè)出的距離結(jié)果是用10進(jìn)制BCD碼的形式傳輸?shù)絃ED進(jìn)行顯示的，大約用時(shí)0.5s，再用超聲波脈沖將前面的測(cè)量步驟進(jìn)行重復(fù)。主程序是利用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)的，這樣更加方便距離的計(jì)算以及程序結(jié)構(gòu)化。5.3倒車(chē)?yán)走_(dá)報(bào)警器其他子程序設(shè)計(jì)5.3.1數(shù)據(jù)采集處理子程序圖19A/D轉(zhuǎn)換子程序流程通過(guò)單片機(jī)輸出多路復(fù)用器地址Dl多路復(fù)用器移位寄存器。上述擴(kuò)展過(guò)程可以將數(shù)據(jù)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)字濾波，十進(jìn)制轉(zhuǎn)換和表查找。處理完數(shù)據(jù)后，包括過(guò)濾和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，找到字體大小的表數(shù)據(jù)，用于顯示，程序流程圖如圖19所示。5.3.2中繼子程序圖20安全距離的中繼子流程圖系統(tǒng)在確定速度測(cè)量數(shù)據(jù)有效時(shí)必須顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。此設(shè)計(jì)旨在測(cè)量小于50cm的安全性，并且顯示屏保持兩位小數(shù)。換句話說(shuō)，使用3位顯示器。5.3.3系統(tǒng)顯示子程序我們利用軟件來(lái)進(jìn)行消抖，利用對(duì)子程序延時(shí)的調(diào)用來(lái)解決，能夠較為不錯(cuò)地處理好單片機(jī)抖動(dòng)的問(wèn)題。因?yàn)榻?jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，能夠把單片機(jī)的數(shù)據(jù)用十六進(jìn)制的方式儲(chǔ)存到寄存器里，并使LED顯示需求轉(zhuǎn)成BCD碼。圖21LED顯示子程序流程圖5.3.4報(bào)警子程序程序設(shè)計(jì)蜂鳴器在其兩個(gè)保險(xiǎn)絲只有3至15v直流電壓，可以產(chǎn)生大約3KHZ的聲音蜂鳴器振動(dòng)?？梢允褂靡粋€(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)程序。報(bào)警程序流程圖如22所示。圖22報(bào)警程序流程圖5.4超聲波測(cè)距軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距模塊測(cè)量從車(chē)尾到車(chē)輛后方障礙物的距離，然后根據(jù)預(yù)定義的串行通信協(xié)議通過(guò)串行端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM基礎(chǔ)系統(tǒng)。超聲波測(cè)量模塊的主控芯片是AT89C51單片機(jī)。該模塊的軟件設(shè)計(jì)是單芯片程序，超聲波測(cè)量模塊使用內(nèi)部定時(shí)器TZAT89C51通過(guò)將具有P1.0引腳的40kHz方波和輸出發(fā)送到超聲波發(fā)送電路來(lái)發(fā)送超聲波。引腳P3.3（INT1）AT89C51用作接收輸入引腳，并在收到回波時(shí)產(chǎn)生接收中斷。超聲波測(cè)量過(guò)程如圖所示。圖23超聲波測(cè)距軟件設(shè)計(jì)流程圖由于系統(tǒng)和環(huán)境等因素以及超聲波本身的特性，在傳輸超聲波時(shí)不可能僅傳輸一個(gè)超聲波。為了在接收超聲波時(shí)準(zhǔn)確地接收超聲波，通常需要發(fā)送由具有8到10個(gè)超聲波的若干超聲波組成的一組超聲波?；芈曄到y(tǒng)具有死區(qū)測(cè)量功能。在此期間，系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到回聲。延遲250μs用于傳輸十個(gè)超聲波以形成超聲波組，延遲1ms是為了避免盲測(cè)區(qū)域?；夭z查的目的是確定是否已接收到超聲回波中斷，或者是否未檢測(cè)到障礙物，或者超時(shí)是否已被距障礙物的距離中斷。當(dāng)標(biāo)志為1時(shí)，中斷表示回顯中斷；當(dāng)標(biāo)志為2時(shí)，中斷表示40ms超時(shí)中斷。當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量行程時(shí)間并計(jì)算距離時(shí)，距離數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)街鰽RM系統(tǒng)。系統(tǒng)初始化主要初始化每個(gè)寄存