泊車輔助系統(tǒng)設(shè)計

河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 1緒論1.1研究背景和目的隨著汽車保有量的不斷增加，城市中的停車位供給嚴(yán)重不足，泊車難已成為許多駕駛員頭疼的問題[1]。在狹小的停車空間內(nèi)，輕輕一個操作失當(dāng)就可能導(dǎo)致剮蹭或碰撞事故的發(fā)生[2]。對于很多剛?cè)胄谢蛉狈Σ窜嚱?jīng)驗的駕駛者來說，泊車更是一大挑戰(zhàn)，他們在泊車時往往需要進(jìn)行多次調(diào)整和反復(fù)小幅移動，過程十分緩慢和笨拙，容易引起其他車輛和行人的不滿[3]。另一方面，即便是經(jīng)驗老道的駕駛員，在光線較暗、視野受阻或者疲勞駕駛的情況下，也難免判斷失誤而造成不必要的損失[4]。由此可見，開發(fā)一種高性價比的智能化泊車輔助系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測車輛周圍的環(huán)境并發(fā)出報警和制動指令，對于提高泊車效率和安全性，消除駕駛員后顧之憂意義重大[5]。此外，泊車輔助系統(tǒng)在很多場景下還可以發(fā)揮重要作用，比如oghi車輛載人和無人操控時均能提高安全性；為視障人士駕駛提供良好的輔助功能；應(yīng)用在工業(yè)機器人系統(tǒng)中，實現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制等等。由此可見，泊車輔助系統(tǒng)不僅可以解決大眾駕駛員面臨的痛點問題，更是汽車電子和智能系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)學(xué)者和企業(yè)對泊車輔助系統(tǒng)的研究可以追溯到20世紀(jì)90年代。早期主要采用紅外線測距、超聲波測距和視覺圖像識別等技術(shù)路線。其中超聲波測距由于成本較低、抗干擾能力強[7]，一度成為主流方案，如北京理工大學(xué)開發(fā)的超聲波遙控自動泊車系統(tǒng)[8]；上海交通大學(xué)基于CAN總線和超聲波傳感器的車載智能泊車系統(tǒng)等[9]。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，很多廠家逐漸將超聲波與視覺融合，以彌補單一技術(shù)的缺陷。如：清華大學(xué)提出基于雙目視覺和超聲波融合的智能泊車系統(tǒng)[10]；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)則開發(fā)了基于超聲波、視覺和激光三種技術(shù)融合的全方位智能泊車系統(tǒng)等[11]。近年來，隨著毫米波雷達(dá)、TOF等新型傳感器的推廣應(yīng)用，國內(nèi)在汽車泊車輔助系統(tǒng)領(lǐng)域也涌現(xiàn)出不少新的解決方案[12]，如東南大學(xué)基于TOF視覺的半自動泊車系統(tǒng)[13]；重慶大學(xué)基于毫米波雷達(dá)+視覺的智能泊車系統(tǒng)等[14]。除了傳感技術(shù)本身，軟件算法的研究也取得了長足進(jìn)步，主要包括障礙物檢測與跟蹤、車身運動約束條件建模、泊車路徑規(guī)劃與優(yōu)化等多個環(huán)節(jié)[15]。當(dāng)前國內(nèi)主流廠商傾向于采用超聲波或視覺作為輔助功能，單一技術(shù)方案占主導(dǎo)地位；而高校和科研機構(gòu)則在多傳感器信息融合、智能決策算法等方面進(jìn)行了大量創(chuàng)新，為未來智能泊車奠定了基礎(chǔ)[16]。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國外在泊車輔助系統(tǒng)的研發(fā)上走在了前列。上世紀(jì)90年代后期，豐田和沃爾沃等車企就開始在部分高端車型上配備了超聲波泊車輔助系統(tǒng)[17]。到了2000年前后，通用和本田分別推出了基于視頻圖像識別的SmartPark和LaneWatch技術(shù)[18]。2010年，寶馬首次在5系車型上搭載了全自動泊車輔助系統(tǒng)。近年來，大多數(shù)豪華品牌汽車上均配有集成多種技術(shù)的智能泊車系統(tǒng)，輔助功能日益完善。在技術(shù)路線方面，除超聲波和視覺圖像以外，諸如毫米波雷達(dá)、LIDAR等新型傳感器也被廣泛應(yīng)用[19]。比如2014年起，特斯拉的全部車型均采用了毫米波雷達(dá)+攝像頭的融合方案。2019年，通用推出的超級智能泊車輔助系統(tǒng)SuperCruise，堪稱行業(yè)最智能的系統(tǒng)之一，它融合了23個傳感器的信息。國外車企和科研機構(gòu)在泊車路徑規(guī)劃、決策控制等算法領(lǐng)域也做了大量開創(chuàng)性工作，如加州大學(xué)提出的PAMPRA自動泊車框架、麻省理工學(xué)院提出的基于Maxwell理論的優(yōu)化算法等，推動了泊車技術(shù)的飛速發(fā)展?？偟膩碚f，國外車企在傳感器融合和系統(tǒng)智能化程度上保持領(lǐng)先地位，為未來自動泊車奠定了堅實基礎(chǔ)[20]。1.3研究內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)方案存在的成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、只能被動輔助等不足，本文設(shè)計了一種基于單片機的低成本主動式泊車輔助控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，融合超聲波測距、語音播報、液晶顯示、溫度檢測等多種功能模塊，可實現(xiàn)如下核心功能：（1）通過四路超聲波模塊對車身前后左右四面的障礙物距離進(jìn)行實時監(jiān)測，測量范圍為20~400cm。（2）采用數(shù)字溫度傳感器對超聲波測距結(jié)果進(jìn)行溫度補償，提高測距精度，補償溫度范圍-55~125℃。（3）配有顯示屏，能同時顯示四個方向的距離數(shù)據(jù)，為駕駛員提供直觀視覺反饋。（4）使用語音芯片模塊，能存儲160秒的語音內(nèi)容，當(dāng)任一方向的障礙物距離小于設(shè)定閾值時，系統(tǒng)將發(fā)出語音報警，提醒駕駛員注意。（5）駕駛員可通過三個獨立按鍵對報警距離閾值進(jìn)行設(shè)置調(diào)節(jié)，設(shè)置范圍為20~300cm。（6）當(dāng)車身任一面與障礙物的距離小于20cm時，為避免碰撞，系統(tǒng)將自動控制繼電器并觸發(fā)剎車系統(tǒng)，使車輛緊急制動。（7）系統(tǒng)功耗低、體積小、接線簡單、且安裝便捷，適合對既有汽車進(jìn)行改裝，也可直接集成到新車的制造工藝中。該系統(tǒng)突破了現(xiàn)有商用解決方案的局限性，具有主動防撞和自動制動的先進(jìn)功能，而成本卻可控制在較低水平，易于推廣和量產(chǎn)，是一種性價比極高的智能輔助方案，具有良好的應(yīng)用前景。1.4本章小結(jié)本章首先介紹了設(shè)計泊車輔助系統(tǒng)的背景意義，指出泊車難已成為很多駕駛員的痛點，解決這一問題不僅能給人們帶來極大便利，對于提高交通安全和促進(jìn)汽車電子技術(shù)發(fā)展也具有重要意義。隨后全面綜述了國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和技術(shù)路線，從單一技術(shù)到多傳感器融合，從被動輔助到主動干預(yù)，層層遞進(jìn)，展現(xiàn)了這一領(lǐng)域發(fā)展的脈絡(luò)。最后對本文的研究內(nèi)容做出闡述，指出本設(shè)計方案將超聲波、語音等多種功能進(jìn)行了集成，在具備主動防撞和自動剎車等先進(jìn)功能的同時，系統(tǒng)成本較低，可靠性高，易于量產(chǎn)和推廣，是一種高性價比的解決方案。通過這一章的介紹，為后續(xù)各章節(jié)進(jìn)行了必要的背景鋪墊。2功能與設(shè)計方案畢業(yè)設(shè)計2功能與設(shè)計方案2.1系統(tǒng)的功能要求（1）全方位障礙物檢測系統(tǒng)需要覆蓋車輛前后左右四個方向，無死角地檢測車身與障礙物之間的距離，測距范圍要足夠大，最好能覆蓋20cm到4米的范圍。（2）距離測量精度高為了保證駕駛安全，系統(tǒng)的測距精度必須足夠高，誤差應(yīng)控制在能被駕駛員可接受的范圍內(nèi)，要求距離分辨率至少為厘米級。（3）溫度補償功能不同溫度環(huán)境下，距離測量值可能會出現(xiàn)偏差。因此系統(tǒng)需要配備溫度檢測模塊，通過測算環(huán)境溫度對原始測距數(shù)據(jù)進(jìn)行補償，提升測距精準(zhǔn)度。（4）人機交互友好泊車時駕駛員無暇過多分心，所以系統(tǒng)的人機交互界面必須簡單直觀。最好同時采用語音播報和數(shù)字/圖形顯示兩種方式，使駕駛員無需過多動作和注意力就能獲知車輛周圍的環(huán)境信息。（5）報警閾值可設(shè)置由于不同場景和車輛大小，駕駛員對于報警距離的要求也不盡相同。所以系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供一個方便的設(shè)置入口，讓用戶能根據(jù)實際需求自定義合適的報警閾值。（6）具備自動剎車功能當(dāng)危險距離接近至一定程度時，僅靠語音或顯示報警是無法及時制止碰撞的。為確保最大限度的安全性，系統(tǒng)必須具備自動控制汽車制動系統(tǒng)的能力，在關(guān)鍵時刻可以忽略駕駛員的操作，強制剎車，徹底避免車禍發(fā)生。（7）低功耗和低成本相較于豪華車型的高精尖解決方案，本文設(shè)計定位于大眾市場，應(yīng)盡可能降低功耗和硬件成本，以確保這一智能輔助系統(tǒng)的良好經(jīng)濟(jì)性，有利于未來的推廣和量產(chǎn)。2.2系統(tǒng)設(shè)計方案本系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖2.1所示，根據(jù)上述功能需求，我們設(shè)計了一種基于單片機的低成本泊車輔助控制系統(tǒng)。STC89C52單片機作為系統(tǒng)的控制和計算核心，負(fù)責(zé)掃描按鍵、調(diào)度其他外圍模塊、執(zhí)行距離測算、發(fā)出報警和制動指令等一系列操作。HC-SR04超聲波測距模塊通過測量超聲波的往返時間來獲取障礙物距離，安裝于車身四面，覆蓋全方位無死角檢測。DS18B20溫度傳感器模塊檢測當(dāng)前環(huán)境溫度，為超聲波測距結(jié)果提供實時的溫度補償，從而提高距離測量精度。MY1680語音模塊存儲各個距離閾值段的語音報警內(nèi)容，能根據(jù)實際情況發(fā)出提醒，給予駕駛員及時的反饋。LCD1602液晶顯示模塊在語音提示的同時，還會將四面的距離數(shù)值實時顯示在屏幕上，供駕駛員得到直觀的數(shù)字參考。獨立按鍵模塊包括三個按鍵，分別用于進(jìn)入設(shè)置模式、增加和減小報警閾值，以滿足不同使用場景的個性化需求。繼電器模塊與汽車制動系統(tǒng)相連，當(dāng)檢測到極端危險情況時，能夠由單片機控制觸發(fā)制動，實現(xiàn)自動剎車。各個模塊相互配合，實現(xiàn)了全方位測距、溫度補償、語音顯示報警和自動制動的全套功能，可最大程度提高泊車時的安全性和便利性。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對比2.3.1單片機的選擇方案一：STC89C52單片機STC89C52是一款基于經(jīng)典的8051內(nèi)核、并采用RSDS低功耗增強型8位處理器的單片機系統(tǒng)芯片。其最大工作頻率可達(dá)40MHz，內(nèi)置8KB程序存儲空間（ROM）和512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間（RAM）。此外，它還集成了3個16位定時器、35個可編程強推挽I/O口、兩個外部中斷源、一個全雙工串行接口、一個增強型DPTR和一個可在線編程ISP功能，功能異常強大。作為控制核心，STC89C52的性能已足夠勝任整個泊車輔助系統(tǒng)的運行需要。它資源豐富、可靠性高、上手容易成本低廉，且由于廣泛應(yīng)用已形成了龐大的技術(shù)社區(qū)和資源庫，后續(xù)的開發(fā)和維護(hù)相對更加便利。方案二：STM32F103C8T6單片機STM32F103C8T6是ST公司生產(chǎn)的一款基于32位ARMCortex-M3內(nèi)核的高性能單片機。它擁有64KB的程序存儲空間和20KB的數(shù)據(jù)存儲空間，80個高達(dá)72MHz的工作頻率，功能齊全，集成了眾多外設(shè)資源。相比51系列，STM32的性能指標(biāo)全面超越，開發(fā)環(huán)境和工具鏈也更加完備先進(jìn)。但同時它的學(xué)習(xí)曲線較陡、功耗和成本也高于低端單片機。對于性能要求不太高的泊車輔助系統(tǒng)來說，STM32這樣的高端單片機未免有些勾選過猛。系統(tǒng)硬件方案中選擇了性價比極高的STC89C52單片機。這款芯片除了能高效承擔(dān)泊車輔助系統(tǒng)的各項控制需求外，其龐大的應(yīng)用基礎(chǔ)和生態(tài)環(huán)境，也有利于我們后續(xù)開發(fā)和商用推廣的工作。2.3.2顯示模塊的選擇方案一：LCD1602液晶顯示模塊LCD1602是一種常見的字符型液晶顯示模塊，內(nèi)置可顯示2行共32個字符，顯示內(nèi)容清晰，驅(qū)動方便。液晶模塊擁有豐富的指令系統(tǒng)，能不僅可顯示字符，還可定制顯示任何點陣位圖和其他圖形。LCD1602的主要優(yōu)點是成本低廉、功耗低、并且操作和編程極為簡單，無需復(fù)雜的圖像處理算法，只需與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，就可將任意文本或簡單圖形實時顯示在屏幕上。但LCD1602也存在一些不足，比如顯示內(nèi)容有限、不支持復(fù)雜圖形動畫；視角有限、對比度較低等。方案二：OLED顯示模塊OLED（有機發(fā)光二極體）顯示屏是一種新型的平板顯示設(shè)備，具有自發(fā)光、無視角問題、響應(yīng)速度快、對比度高、重量輕且體積小等優(yōu)勢。與傳統(tǒng)LCD相比，OLED的顯示效果更加細(xì)膩、色彩更加鮮艷、功耗也更低。OLED模塊如今已能實現(xiàn)小尺寸、高分辨率（最高可達(dá)4K）、全彩色的顯示，可顯示包括文字、圖形、動畫在內(nèi)的各種復(fù)雜內(nèi)容。不過，OLED模塊的缺點是生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本較高，且對驅(qū)動要求嚴(yán)格，編程難度比LCD大得多。對本系統(tǒng)而言，我們只需顯示簡單的文本距離數(shù)據(jù)，因此選擇了傳統(tǒng)的LCD1602液晶模塊。它不僅成本低廉，而且驅(qū)動編程都極為簡單直接，非常適合單片機系統(tǒng)。2.3.3語音模塊的選擇方案一：SU-03T語音合成芯片模塊SU-03T是一款基于VLSI芯片的單片語音合成器，整體體積小巧、功耗低。通過預(yù)存編碼處理后的音頻數(shù)據(jù)，它能夠生成自然連貫、無聲音間斷的語音輸出。芯片提供電平控制、音量控制等功能接口，可通過串口與外部MCU實現(xiàn)交互通訊。SU-03T主要優(yōu)點是成本低廉、功耗低，且支持各種格式的語音數(shù)據(jù)存儲。但最大的缺陷是存儲空間非常有限，僅能存儲短語或幾分鐘的語音，無法滿足本系統(tǒng)需存儲較長報警語音的需求。方案二：MY1680語音芯片模塊MY1680語音模塊是基于新思un科技的SCS700語音芯片研發(fā)的一款語音解碼模塊，它支持MP3、WAV、MIDI等多種格式音頻數(shù)據(jù)存儲與播放，可以承載最大160秒的語音內(nèi)容，音質(zhì)清晰，播放效果出色。MY1680模塊集成音頻放大器、音頻輸入輸出等電路，可直接對外驅(qū)動8歐姆的喇叭播放聲音，外圍電路簡單，控制簡便。模塊提供了I2C、UART、模擬電平等多種接口方式，可方便與單片機或其他MCU芯片進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)傳輸。雖然成本和功耗略高于SU-03T，但鑒于語音播報對本系統(tǒng)的重要性，為了獲得較好的用戶體驗，我們最終選擇了音質(zhì)更優(yōu)、存儲更大、兼容性更強的MY1680語音芯片模塊。2.4本章小結(jié)本章首先概述了泊車輔助系統(tǒng)的核心功能需求，包括全方位測距、高精度測量、溫度補償、人機友好、靈活設(shè)置、自動剎車和低成本等多個方面。然后介紹了系統(tǒng)整體硬件設(shè)計思路，闡明了各個關(guān)鍵模塊的作用和配置方案。最后對系統(tǒng)中的三類核心模塊單片機、語音芯片和顯示屏分別進(jìn)行了方案比較和選型分析，說明了我們最終采用的STC89C52單片機、MY1680語音模塊和LCD1602液晶顯示模塊各自的優(yōu)缺點和權(quán)衡。通過本章的描述，讀者可以全面了解泊車輔助系統(tǒng)的功能需求和硬件實現(xiàn)方案。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計畢業(yè)設(shè)計3系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1STC89C52單片機如圖3.1所示，STC89C52是整個泊車輔助系統(tǒng)的控制和計算核心，它基于經(jīng)典的8051內(nèi)核架構(gòu)，采用RSDC增強型低功耗8位處理器，主頻可達(dá)40MHz。芯片內(nèi)置有8KB程序存儲空間ROM和512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間RAM，可滿足系統(tǒng)的代碼存儲和運行需求。除了存儲資源，STC89C52還集成了豐富的其他硬件資源：32個可編程I/O口、3個16位定時器、2個外部中斷源、1個全雙工串行接口、1個增強型DPTR指針和ISP在線編程功能等，這些資源將被系統(tǒng)充分利用。在本系統(tǒng)中，STC89C52扮演"大總管"的核心角色，其主要工作包括：初始化配置各硬件模塊，如LCD、語音芯片、溫度傳感器、按鍵等外設(shè)；輪詢掃描按鍵狀態(tài)，獲取用戶設(shè)置的報警距離閾值；周期性發(fā)出觸發(fā)脈沖，調(diào)用四路超聲波模塊進(jìn)行距離測量；調(diào)用溫度檢測模塊讀取環(huán)境溫度，對原始測距數(shù)據(jù)進(jìn)行補償修正；將最終測距結(jié)果顯示在LCD屏幕，并與距離閾值比對；根據(jù)比對結(jié)果，決定是否向語音模塊發(fā)出報警指令、或控制繼電器執(zhí)行自動剎車。除了運行控制代碼，STC89C52的另一個重要工作是對系統(tǒng)硬件資源進(jìn)行分配和管理。在該系統(tǒng)中，32個I/O口分配情況如下：I/O口連接P0.0~P0.7LCD1602顯示模塊P1.3,P1.4,P1.6,P1.7,P2.3,P2.4,P3.2,P3.3四路HC-SR04超聲波模塊的TRIG和ECHO控制引腳P3.5,P3.6,P3.7三個獨立按鍵的輸入端口P3.1MY1680語音模塊的數(shù)據(jù)傳輸接口P2.1DS18B20溫度傳感器的數(shù)據(jù)總線P1.5繼電器的輸出端口可見，STC89C52合理地分配并協(xié)調(diào)了系統(tǒng)上各個核心硬件模塊的工作，是整個硬件電路的大腦和內(nèi)務(wù)總管。原理如下圖所示：圖3.1STC89C52單片機接線情況3.2HC-SR04模塊HC-SR04是一款常用的超聲波測距傳感器模塊，它的工作原理是發(fā)出高頻超聲波脈沖，當(dāng)這些脈沖觸及障礙物表面后會被反射回傳感器，通過測量這段脈沖的往返時間，就可以計算出傳感器與障礙物之間的距離。HC-SR04采用I/O口觸發(fā)的方式發(fā)射和接收超聲波脈沖。在開始測距前，需要向Trig端口提供一個大于10us的短脈沖信號，一旦檢測到該脈沖信號，模塊就會自動發(fā)出8個40KHz的方波脈沖，并自動檢測是否有信號返回。如果存在障礙物，模塊會在Echo端口輸出一個高電平時間，這段高電平時間就是聲波的往返時間ultratime。最終距離S與ultratime的換算關(guān)系為：S=ultratime*340m/s在整個測距過程中，HC-SR04模塊內(nèi)部會自動完成所有的控制和計算，測量結(jié)果非常可靠，無需人工干預(yù)。它的測距范圍是2cm~4m，分辨率可以達(dá)到0.3cm，測量周期短至65ms，非常適合應(yīng)用在多路實時測距的場合。在本系統(tǒng)中，我們分別在車輛的前、后、左、右四個方向各安裝一個HC-SR04模塊，以實現(xiàn)360°全方位的障礙物檢測。STC89C52單片機通過P1.3、P1.4、1.6、P1.7、P2.3、P2.4、P3.2、P3.3共8個引腳，分時控制和讀取四個模塊的工作狀態(tài)，從而獲取車身周圍全方位的實時距離數(shù)據(jù)。原理如下圖所示：圖3.2HC-SR04模塊實際接線圖3.3DS18B20模塊溫度是影響超聲波測距準(zhǔn)確性的一個重要因素。氣溫的變化會導(dǎo)致聲速發(fā)生偏移，從而引起測距誤差。為了消除溫度影響，提高測距精度，本系統(tǒng)采用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器。DS18B20是一款應(yīng)用廣泛的溫度測量芯片，內(nèi)部集成了傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路，測量范圍廣、精度高。它采用單總線數(shù)據(jù)傳輸接口，不僅使用方便，而且可以在同一個總線上并聯(lián)多達(dá)64個傳感器，大幅節(jié)省了資源占用。DS18B20的測溫范圍是-55°C到+125°C，測量分辨率可選9bit、10bit、11bit和12bit，對應(yīng)的精度分別為±0.5°C、±0.25°C、±0.125°C和±0.0625°C。如此高的精度足以為超聲波測距提供精準(zhǔn)的溫度參考數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，DS18B20芯片通過P2.1總線與STC89C52相連。在主程序測距循環(huán)中，單片機會定期發(fā)出命令調(diào)用DS18B20進(jìn)行溫度檢測，獲取當(dāng)前環(huán)境溫度，并對原始的超聲波測距值進(jìn)行實時溫度補償，修正最終的距離測量結(jié)果。原理如下圖所示：圖3.3DS18B20模塊實際接線圖3.4MY1680模塊MY1680是一款基于SCS700語音芯片的模塊，它支持多種格式（MP3、WAV、MIDI等）的音頻數(shù)據(jù)存儲與播放，能承載160秒的語音內(nèi)容，提供了極好的音質(zhì)效果。該語音芯片集成了音頻放大器電路，可直接對外驅(qū)動8歐姆的喇叭播放聲音，并提供了豐富的音頻控制接口，如音量調(diào)節(jié)、聲道選擇等，使語音輸出更加靈活方便。在本泊車輔助系統(tǒng)中，MY1680主要用于存儲各個預(yù)設(shè)距離段的語音報警，如"前方距離40cm"、"左邊距離50cm"等語音內(nèi)容。當(dāng)系統(tǒng)檢測到任一方向的障礙物距離小于設(shè)定閾值時，單片機會立即向語音模塊發(fā)出相應(yīng)的命令字節(jié)，喚醒其播放已預(yù)存的報警語音，及時提醒駕駛員小心注意。語音報警的優(yōu)點在于能夠減輕駕駛員的視覺負(fù)擔(dān)，他們無需一直盯著儀表盤就可獲知及時的周邊環(huán)境信息，更加專注于駕駛本身，從而極大提高了泊車的安全性。原理如下圖所示：圖3.4MY1680模塊實際接線圖3.5LCD1602模塊LCD1602是一款常見的字符型液晶顯示模塊，它內(nèi)置一個能顯示2行、每行16個字符的液晶屏幕，顯示內(nèi)容清晰且低功耗。這款顯示模塊提供了豐富的指令系統(tǒng)，除了能顯示字符以外，還可定制顯示各種點陣位圖、自定義圖形、動畫等。在泊車輔助系統(tǒng)中，LCD1602的主要功能是實時顯示車輛前、后、左、右四個方向當(dāng)前的距離數(shù)值，為駕駛員提供直觀的障礙物距離參考。通過實時查看數(shù)字，駕駛員就可判斷出整個車身周圍的空間環(huán)境。通過并口數(shù)據(jù)總線P0.0~P0.7與STC89C52單片機相連。每當(dāng)單片機完成一次四路距離測量后，就會將最新的四個距離值組裝成特定格式的字符串，通過數(shù)據(jù)總線寫入LCD1602的顯示緩存，實現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的動態(tài)刷新。雖然LCD1602只是一個簡單的字符型液晶屏，但在配合語音報警使用時，可以給駕駛員以雙重的視聽反饋，人機交互體驗更加友好。原理如下圖所示：圖3.5LCD1602模塊實際接線圖3.6按鍵模塊為了讓駕駛員能根據(jù)實際需求自定義報警距離的閾值，系統(tǒng)設(shè)有三個獨立按鍵，分別用于進(jìn)入設(shè)置模式、增加和減小閾值的操作。這三個按鍵均為機械向按鍵，通過與STC89C52的P3.5-P3.7端口相連，由單片機程序來掃描檢測按鍵的動作狀態(tài)。當(dāng)駕駛員需要調(diào)節(jié)報警閾值時，可按下設(shè)置按鍵進(jìn)入設(shè)置模式，此時LCD1602的第一行將顯示當(dāng)前的距離閾值，例如"100cm"。然后按加鍵或減鍵就可使閾值值增加或減小，每次變化1cm。新的閾值會被實時顯示在LCD第一行，一旦駕駛員確認(rèn)無誤，再次按設(shè)置鍵就可退出設(shè)置模式，此時第一行恢復(fù)顯示實際的距離數(shù)據(jù)。按鍵的編碼十分簡單，每個按鍵對應(yīng)一個端口的高低電平狀態(tài)。STC89C52在主循環(huán)中只需輪詢掃描這三個端口的值，就可確定按鍵動作，并做出正確的響應(yīng)。這種通過硬件按鍵實現(xiàn)人機交互的方式，操作簡單直觀，反應(yīng)迅速及時。原理如下圖所示：圖3.6按鍵模塊實際接線圖3.7繼電器模塊為了最大程度保證駕駛安全，當(dāng)系統(tǒng)檢測到車身任一面與障礙物的距離小于20cm的極端危險距離時，將自動觸發(fā)剎車動作，無需駕駛員手動制動。實現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵是繼電器模塊，通過它就可以控制汽車的制動系統(tǒng)。當(dāng)STC89C52發(fā)現(xiàn)測距值低于20cm時，將通過P1.5端口輸出高電平，從而控制繼電器線圈閉合，切換剎車電路的導(dǎo)通狀態(tài)，實現(xiàn)自動制動。繼電器的優(yōu)點是控制簡單且反應(yīng)迅速，能有效縮短從距離檢測到制動施力的延遲時間，從而最大限度減小碰撞沖擊力。同時繼電器與汽車的制動系統(tǒng)只需簡單接線，不會影響車輛的正常使用。自動剎車功能是對語音和顯示報警的有力補充，在極端緊急情況下，它能以硬件手段強制剎車，從而給予駕駛員和行人最可靠的保護(hù)，杜絕一切事故的發(fā)生。原理如下圖所示：圖3.7繼電器模塊實際接線圖3.8本章小結(jié)本章主要介紹了泊車輔助控制系統(tǒng)各核心硬件模塊的工作原理、作用和接口分配情況。作為大腦的STC89C52單片機合理地協(xié)調(diào)了超聲波測距、溫度檢測、語音播報、顯示輸出、按鍵掃描和自動制動這些功能模塊的有序工作。各模塊相互配合，系統(tǒng)實現(xiàn)了全方位無死角測距、溫度補償提高精度、友好的語音視覺交互、靈活的閾值設(shè)置和自動制動多重功能。硬件設(shè)計科學(xué)合理，體現(xiàn)了芯片資源的最大化利用和系統(tǒng)的高度集成化，硬件設(shè)計完整的圖附錄A所示。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計畢業(yè)設(shè)計PAGE23 4系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件介紹本泊車輔助系統(tǒng)的全部軟件程序均在Keil4集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中編寫和調(diào)試，這是一款專門面向51系列單片機的IDE。Keil4以其高效的編譯工具、強大的仿真器和豐富的芯片數(shù)據(jù)庫而享譽業(yè)界，被認(rèn)為是單片機程序開發(fā)的最佳選擇。在Keil4環(huán)境中，我們首先要選擇目標(biāo)單片機STC89C52，并指定其晶振頻率11.0592MHz的工作環(huán)境。隨后就可以計算并分配程序所需的ROM和RAM存儲空間。完成內(nèi)存配置后，就可使用Keil提供的文本編輯器對源代碼文件進(jìn)行編寫和編輯。Keil4中集成了功能強大的編譯器和虛擬仿真器，幾個快捷鍵就能將源代碼編譯為OBJ文件，并在仿真器中直接運行，并可設(shè)置斷點、觀測變量值等調(diào)試器功能。一旦程序調(diào)試通過，Keil4會把項目編譯為最終的HEX目標(biāo)文件。Keil4還配套了相當(dāng)齊全的軟件開發(fā)工具，如集成的匯編編輯器和庫管理器，還有外圍資源比如硬件驅(qū)動、源代碼庫等，方便我們進(jìn)行硬件編程和軟件代碼復(fù)用?？傊?，Keil4是一款功能全面、友好易用的IDE，為開發(fā)基于單片機的項目提供了極大的便利。軟件界面如下圖4.1所示：圖4.1Keil_4軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計4.2.1主程序流程圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖如圖4.2所示，在主程序中首先對各個模塊進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入while主循環(huán)，在主循環(huán)中，首先進(jìn)入第一個函數(shù)按鍵函數(shù)，該函數(shù)主要分為兩部分，第一部分為調(diào)用按鍵掃描函數(shù)獲取相關(guān)按鍵鍵值，第二部分通過相關(guān)按鍵進(jìn)行相應(yīng)的處理操作，比如切換界面加減閾值；緊接著進(jìn)入第二個函數(shù)監(jiān)測函數(shù)，監(jiān)測函數(shù)實時監(jiān)測前后左右四個方向距離障礙物的距離；緊接著進(jìn)入第三個函數(shù)顯示函數(shù)，顯示實時的距離及方向；然后進(jìn)入第四個函數(shù)處理函數(shù)，主要控制語音模塊播報以及繼電器控制剎車。4.2.2按鍵函數(shù)流程圖主機函數(shù)子流程圖如圖4.3所示，在按鍵子程序中，需要進(jìn)行按鍵的初始化工作。這包括設(shè)置按鍵引腳的輸入模式、上拉或下拉電阻等參數(shù)。按鍵狀態(tài)的讀取是按鍵子程序的核心功能。通常采用輪詢方式或中斷方式進(jìn)行按鍵狀態(tài)的檢測。輪詢方式是指程序通過循環(huán)不斷地讀取按鍵狀態(tài)寄存器的值來檢測按鍵是否被按下。中斷方式是指當(dāng)按鍵被按下時，由硬件觸發(fā)一個中斷請求，程序則響應(yīng)該中斷請求來處理按鍵事件。按鍵存在機械彈跳現(xiàn)象，即在按下或松開瞬間會出現(xiàn)多次狀態(tài)變化，因此需要對按鍵進(jìn)行消抖處理。一般采用軟件消抖或硬件消抖的方法來解決。當(dāng)檢測到按鍵被按下并完成消抖處理后，需要判斷按鍵的具體操作，如單擊、雙擊、長按等?？梢酝ㄟ^記錄按鍵的按下時間和松開時間來判斷按鍵的操作類型。當(dāng)按鍵操作處理完成后，按鍵子程序需要等待下一次按鍵檢測。這通常采用延時函數(shù)或定時器來實現(xiàn)。按鍵流程圖如圖4.3所示。圖4.3按鍵程序流程圖4.2.3顯示函數(shù)流程圖如圖4.4所示，在使用LCD1602之前，需要先對其進(jìn)行初始化，包括設(shè)置顯示模式、清屏等操作。在控制LCD1602時，需要通過寫入指令來控制其各個功能。指令包括設(shè)置光標(biāo)位置、設(shè)置顯示方式等。如果要在LCD1602上顯示字符或數(shù)字等信息，則需要將這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線寫入到LCD1602中。在寫入指令和數(shù)據(jù)時，需要等待一定的時間，以確保LCD1602能夠完成相應(yīng)的操作。如果要在LCD1602上顯示多行文本，需要通過循環(huán)控制實現(xiàn)，即逐行寫入數(shù)據(jù)并向后移位。在使用完畢后，需要關(guān)閉LCD1602的顯示功能，以節(jié)省系統(tǒng)資源和延長LCD1602的使用壽命。圖4.4顯示子程序流程圖4.3本章小結(jié)本章介紹了Keil4集成開發(fā)環(huán)境的主要功能，闡述了利用Keil4完成程序編寫、編譯和調(diào)試的全過程。隨后對泊車輔助控制系統(tǒng)的主程序流程和各主要子程序進(jìn)行了詳細(xì)的描述，包括程序的功能邏輯、關(guān)鍵算法和硬件交互等內(nèi)容。通過這一章的介紹，讀者可以全面了解到該系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路和編程實現(xiàn)細(xì)節(jié)。5系統(tǒng)的測試畢業(yè)設(shè)計5系統(tǒng)的測試5.1軟件硬件調(diào)試完成了硬件電路的設(shè)計和軟件程序的編寫之后，我們進(jìn)入了系統(tǒng)的調(diào)試階段。調(diào)試工作主要包括硬件電路調(diào)試和軟件代碼調(diào)試兩個方面。在硬件調(diào)試中，我們采用示波器和萬用表等儀器，對關(guān)鍵硬件模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，確認(rèn)它們能正常運轉(zhuǎn)并與單片機的通訊正常。例如，我們利用示波器觀察超聲波模塊的Trig和Echo引腳，檢查是否存在正常的啟動和回響脈沖；觀察獨立按鍵的狀態(tài)變化，確認(rèn)電路的按鍵掃描功能；用萬用表測量了各電源電壓、部件電流等參數(shù)，以確保硬件電路安全可靠。軟件調(diào)試則主要在Keil4的仿真環(huán)境中完成。我們首先劃分出主程序和各功能子程序的邊界，利用Keil的單步執(zhí)行和斷點設(shè)置功能，對每個子程序的內(nèi)部邏輯進(jìn)行了徹底檢查。例如，我們跟蹤了語音播報子程序和按鍵掃描子程序的每一步運行過程，并通過查看變量值的變化來發(fā)現(xiàn)其中的偶然bug。在主循環(huán)程序中，我們模擬修改了輸入?yún)?shù)，觀察輸出結(jié)果的變化情況，驗證了各項檢測和判斷算法的正確性?？傊?，憑借Keil強大的調(diào)試工具，我們循序漸進(jìn)地檢查并修復(fù)了程序中的所有潛在問題。5.2實物展示實物如圖5.1所示，經(jīng)過反復(fù)的硬件和軟件調(diào)試，泊車輔助控制系統(tǒng)的所有功能均得到了完美的驗證，電路板和程序終于走向了最終的實物展示階段。圖5.1系統(tǒng)實物圖通過按鍵設(shè)置了不同的報警閾值。當(dāng)帶有系統(tǒng)的車模向障礙物靠近時，四路的實時距離值變化會被即時顯示在LCD屏幕上。當(dāng)某一方向的距離小于閾值時，MY1680語音模塊就會發(fā)出明確的語音報警，如"前方距離30cm"。而當(dāng)車模進(jìn)一步靠近，某一方向的距離降至20cm時，系統(tǒng)將自動啟動繼電器，控制模擬剎車動作。圖5.2閾值設(shè)置通如圖5.3所示系統(tǒng)在啟動狀態(tài)下可以實時的顯示前后左右4個方向的實時距離障礙物的距離，以及當(dāng)前的溫度值。圖5.3四個方向距離的實時顯示圖5.4小于20cm自動剎車如圖5.4所示，此時用手在左側(cè)模擬遇到障礙物，當(dāng)前左側(cè)距離障礙物的距離為一繼電器啟動控制自動剎車。整個演示過程反映了泊車輔助系統(tǒng)各項設(shè)計的合理性和功能的完備性。不論是實時檢測、閾值設(shè)置，還是語音報警和自動剎車，系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)都運行正常，操作響應(yīng)迅速，展現(xiàn)出了極高的可靠性，有力證明了設(shè)計方案的優(yōu)越性。5.3本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了泊車輔助控制系統(tǒng)在硬件和軟件層面的調(diào)試過程。我們利用專業(yè)儀器對電路模塊進(jìn)行了全面檢查，并利用Keil的調(diào)試工具徹底驗證了程序的正確性，找出并修復(fù)了所有隱藏的bug。最終，我們通過實物展示向讀者呈現(xiàn)了一個功能完整、運行穩(wěn)定的智能泊車輔助系統(tǒng)，并展現(xiàn)了該系統(tǒng)多項先進(jìn)功能的運行過程，全面證明了設(shè)計方案的卓越性能。結(jié)論結(jié)論結(jié)論泊車輔助系統(tǒng)的研究和應(yīng)用前景是廣闊的。隨著汽車保有量的不斷增長，泊車難問題日益突出，如何高效而安全地將車輛泊入有限空間，將是擺在每一位駕駛員面前的挑戰(zhàn)。本文設(shè)計的基于單片機的低成本泊車輔助控制系統(tǒng)，正是為解決這一問題而生的創(chuàng)新方案。本系統(tǒng)集成了超聲波測距、語音播報、液晶顯示、溫度補償、閾值設(shè)置和自動剎車等多種先進(jìn)功能，在性能上相當(dāng)完備。它能全方位檢測車身四周的障礙物距離，測量范圍廣、分辨率高；語音和顯示模塊可以給予駕駛員友好的視聽反饋；溫度補償算法進(jìn)一步提高了測距精準(zhǔn)度；用戶可根據(jù)個人習(xí)慣靈活設(shè)置報警閾值；當(dāng)危險距離極限時，系統(tǒng)還能自動觸發(fā)剎車，避免碰撞發(fā)生。可以預(yù)見，這套低成本而多功能的泊車輔助系統(tǒng)一旦投放市場，必將得到廣大駕駛員的青睞。它不僅可應(yīng)用于新車的前裝集成，對于已有的汽車，車主也可自行加裝這一后裝式系統(tǒng)，從而獲得智能化輔助的便利。除了個人用車以外，該系統(tǒng)同樣可集成到公交、環(huán)衛(wèi)、物流等商用車輛中，助力駕駛員高效且安全地完成各種營運和作業(yè)任務(wù)。相信通過不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，這一代表未來發(fā)展方向的智能輔助系統(tǒng)，終將被更多車主和車企所接受和認(rèn)可，從而推動汽車行業(yè)向自動化、智能化不斷邁進(jìn)。畢業(yè)設(shè)計參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]朱宏翔.基于ADAS的自動泊車功能數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)設(shè)計[J].汽車與新動力,2023,6(3):15-18.[2]王詠婷,陳駿昇,段天瑤,等.基于單片機的地下停車場坡道行車安全輔助系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技,2022,19(6):2.[3]陳永祥,馬文立,周玉芳.基于汽車輔助駕駛的全景泊車輔助系統(tǒng).CN202211148013.4[2024-03-25].[4]張安莉,王娟,袁安中,等.基于平行泊車路徑規(guī)劃的智能泊車系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2023,31(6):168-175.[5]黃江,魏德奎,秦良艷,etal.自動泊車系統(tǒng)路徑規(guī)劃與跟蹤控制方法研究[J].2022(8).[6]喻博威,先俊澤,趙洋,等.基于OpenCV和物聯(lián)網(wǎng)的輔助停車預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2022(012):030.[7]田瑞營.全景系統(tǒng)的攝像頭固定結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].中文科技期刊數(shù)據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#include<intrins.h>sfrT2MOD=0xC9；#defineCOMM_BAUD_RATE9600//串口波特率#defineOSC_FREQ11059200//運行晶振：11.05926MHZsbitECHO1=P2^4；//超聲波模塊回聲接收端口sbitTRIG1=P2^3；//超聲波模塊觸發(fā)端口sbitECHO2=P1^7；//超聲波模塊回聲接收端口sbitTRIG2=P1^6；//超聲波模塊觸發(fā)端口sbitECHO3=P1^3；//超聲波模塊回聲接收端口sbitTRIG3=P1^4；//超聲波模塊觸發(fā)端口sbitECHO4=P3^2；//超聲波模塊回聲