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本科生畢業(yè)設計（論文） 摘 要 隨著我國經濟飛速發(fā)展，越來越多的人擁有了自己的汽車，同時由泊車和倒車所引發(fā)的事故也越來越多。這些事故常常給駕駛員帶來許多的麻煩，針對國外先進的視頻監(jiān)控車載倒車系統(tǒng)，同時更好地滿足駕駛員的需要，跟蹤當代汽車電子發(fā)展的趨勢，在現有車載語音和數碼管監(jiān)視的基礎上，基于微型化、低功耗、高速度、高清晰、高擴展性的設計原則，運用先進的傳感器技術、現代液晶顯示技術、微電子技術、設計一種新型的車載高速倒車圖像監(jiān)視系統(tǒng)。 本文研究了一種智能倒車安全系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)是由單片機控制電路、超聲波發(fā)送與接收電路、超聲波傳感器、顯示電路及語音報警電路組成。當汽車掛上倒檔時，把由攝像頭采集的障礙物圖像和由超聲波測距模塊測得的障礙物距離值通過顯示終端顯示障礙物的準確信息。系統(tǒng)以直觀準確的方式提醒汽車駕駛員更好地完成倒車動作。顯示于液晶顯示屏上，讓你準確把握后方路況。 本文對以上各個部分的軟硬件設計作了詳細的闡述，介紹了核心芯片的選型，外圍電路的連接，芯片與芯片之間的連接電路，程序設計方法和相應的軟件程序。 讓你安全的、快速的完成倒車動作。 關鍵詞：AT89S52；攝像頭；超聲波測距；液晶顯示 Abstract With the rapid development of economy of our country, more and more people have owed their cars, at the same time, more and more accidents occur because of parking and reversing. carries the back-draft system in view of the overseas advanced video frequency monitoring vehicle, simultaneously meets pilots needs well, the track present age automobile electron development tendency, the present paper, in the existing vehicle carries the pronunciation and in the nixietube surveillance foundation, based on microminiaturization, low power loss, high velocity, high clear, high extended principle of design, utilizes the advanced sensor technology, the modern liquid crystal display technology, the microelectronic technology, the signal processing technology and the computer control technology, designs one kind of new Che Zai the high speed back-draft image supervisory system. The thesis introduces a kind of Car Intelligent back-draft safety systems design, This system is by the monolithic integrated circuit control circuit, the ultrasonic wave transmission and the accepting circuit, the ultrasonic sensor, the display circuit and the pronunciation alarm circuit is composed. When the automobile hangs up the reverse gear, obtains by the ultrasonic ranging module is away from the value by the camera gathering obstacle image and the obstacle which through the alphanumeric display terminal demonstration obstacle accurate information. The system completes the back-draft movement well by the direct-viewing accurate way reminder automobile pilot. The demonstration on the liquid crystal display monitor, lets behind your accurate assurance the state of roads. This article has made the detailed elaboration to above each part of software and hardware design, introduced the core chip shaping, peripheral circuits connection, between the chip and the chip junction circuit, the programming method and the corresponding software routine. Let you safe, fast complete the back-draft movement. Key words：AT89S52；Camera；Ultrasonic ranging；Liquid crystal display 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 智能倒車的概述 1 1.1.1 智能倒車的國外現狀 1 1.1.2 智能倒車的國內現狀 2 1.2 智能倒車的意義 3 第2章 系統(tǒng)整體方案論證 4 2.1 測距系統(tǒng)的方案設計 4 2.2 控制系統(tǒng)的方案設計 6 2.3 報警顯示方案設計 8 2.4 系統(tǒng)整體方案設計 8 第3章 系統(tǒng)硬件設計 9 3.1 測距系統(tǒng)模塊的設計 9 3.1.1 超聲波傳感器的結構 9 3.1.2 超聲波傳感器的布點設計 11 3.1.3 超聲波發(fā)射電路的設計 11 3.1.4 超聲波接收電路的設計 12 3.1.5 測溫電路的設計 12 3.2 控制系統(tǒng)的設計 15 3.2.1 AT89S52單片機 15 3.2.2 單片機復位電路的設計 17 3.2.3 時鐘電路的設計 18 3.2.4 電源電路的選取 19 3.3 換向選通電路的設計 19 3.4 顯示報警模塊的設計 20 3.4.1 顯示電路設計 20 3.4.2 語音報警電路設計 21 3.4.3 攝像頭的選取 22 第4章 系統(tǒng)軟件設計 24 4.1 軟件總體流程設計 24 4.1.1 系統(tǒng)軟件實現原理 24 4.1.2 系統(tǒng)程序的構建 24 4.2 智能倒車的意義 26 4.3 智能倒車的意義 26 參考文獻 28 致 謝 29 附 錄 30 IV 第1章 緒 論 1.1 智能倒車的概述 1.1.1 智能倒車的國外現狀 汽車電子產品生產是信息產業(yè)與汽車制造業(yè)融合后新成的新興產業(yè)。汽車電子產品主要包括發(fā)動機電子、底盤電子、車身電子和汽車通訊和娛樂系統(tǒng)等四大類，像人們比較熟悉車載GPS導航系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、汽車空調、汽車音響、安全氣囊、車載電話、倒車雷達、電視及中控鎖等等。幾乎所有的電子信息產品都可以應用于汽車整車，汽車領域70%的技術革新來自汽車電子產品。隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，智能倒車作為一種安全類汽車電子產品已廣泛應用于各種中高檔汽車，形成了我國一個新興的行業(yè)。 智能倒車由超聲波傳感器(俗稱探頭)、控制器和顯示器(或蜂鳴器)等部分組成。系統(tǒng)采用超聲波測距原理，在控制器的控制下，由傳感器發(fā)射超聲波信號，當遇到障礙物時，產生回波信號，傳感器接收到回波信號后經控制器進行數據處理、判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出其他警示信號，得到及時警示，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。 智能倒車按提示方式可分為數碼顯示、液晶、后視鏡、可視雷達、語言和聲音提示幾種；目前使用較多的是數碼顯示、液晶顯示和語音三種提示功能。按信號的接收方式倒車雷達又可分為無線傳輸和有線傳輸兩種。無線倒車雷達是近年來隨著無線傳輸技術的應用快速發(fā)展起來的新一代產品，就產品本身功能上來說，與有線倒車雷達的基本相同，沒有什么突破，但該類產品最突出的賣點是在具有有線倒車雷達相同功能的前提下，在安裝過程中避免了對汽車內飾結構改動而導致的破壞，縮短等候時間，因此該類產品嚴格意義上來說是一種意識創(chuàng)新、觀念創(chuàng)新、服務創(chuàng)新的新產品。 國外汽車倒車雷達預警系統(tǒng)早期大多采用紅外線的發(fā)射與接收原理，不屬 于雷達(無線電波)的產品，最大的缺點是紅外線波易受干擾，整個系統(tǒng)的警示音常呈現不穩(wěn)定的亂鳴狀態(tài)，另外對深黑色粗糙表面物體的反應也較差。但更糟糕的是，無論是紅外線發(fā)射器或接收器，只要任何一方讓一層薄薄的冰雪或泥塵覆蓋，系統(tǒng)就會失效。 最近在歐美出現的一種電磁感應倒車雷達。在一線路套上一環(huán)型的感應圈，以感應車后物體的有無。此種裝置價格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝困難(必須卸下保險杠貼在內側)，而且只能探測動態(tài)物品，當車在后退行進時，可探測到物體，但車一旦停止后退行進，則任何物體都不被認可。換言之，如有任何物品貼在后保險杠，當車一旦停下再啟動后，此裝置并不會告知駕駛者后方有物品貼在保險杠，此車不能再后退等。德國大眾公司已經將超聲波測距技術，應用在倒車雷達上，并且具有前視和后視功能，采用自舉升壓的方式驅動8路超聲波傳感器，目前國內引進車型對這一技術尚不能國產化，仍需要引進德國原廠成品安裝。因此，實用性也相當有限。 日本、美國和歐洲等國的大汽車公司都投入了相當的人力、物力，采用先進的毫米波雷達、CCD攝像機、GPS和高檔微機等制成安全預警系統(tǒng)，使用在其所開發(fā)的高級汽車上。據海外媒體報道，戴姆勒一克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出供商用車(尤指卡車)使用的電子剎車系統(tǒng)，它與其他剎車系統(tǒng)的區(qū)別在于，其在卡車車頭設有雷達感應器，感應器在車前觀察四周環(huán)境，并將所有收集的信息交由一控制器加上處理，形成一虛擬景象，再借助演算法的輔助來判斷所發(fā)生狀況是否需要利用剎車。未來兩三年內這種新型剎車系統(tǒng)即可量產上市，但價格昂貴，其過高的成本限制了它應用的普遍性。在底特律國際車展上，通用公司的Precept概念車裝了Donnelly公司生產的以攝像機為基礎的后視鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)用一個內后視鏡和兩個外后視鏡采集汽車周圍的景象，三個景象合成一個全景圖像在中控臺的視屏上顯示出來，還用文字說明來傳達信息。攝像機也可在倒車時使用，當車后近處有消火栓等障礙物時，就及時讓駕駛員知曉。 1.1.2 智能倒車的國內現狀 隨著我國汽車產業(yè)的高速發(fā)展，尤其是近兩三年我國開始進入私家車時代，汽車電子產業(yè)成了新的增長點，汽車電子產品的高利潤和市場廣闊性倍受商家關注，音響和防盜器就是明證，近兩年來，倒車雷達成了商家的電子新愛，眾多生產防盜器的廠家紛紛涉足倒車雷達，可以這么說，幾乎生產防盜器的廠家都在生產倒車雷達。市場上經銷的倒車雷達品牌多達幾十種，在全國零售市場上銷售的主要有固地、鐵將軍、伊萊、豪迪、奇貞、銘品、全安、佐敦、永泰和、俊邦視寶等品牌，基本上國產品牌占90%，而進口產品在終端市場上零售的較少。處在我國汽車用品大行業(yè)環(huán)境的繁榮背景下倒車雷達已漸漸形成一個較大的行業(yè)，而且已呈現出一派激烈競爭的態(tài)勢。 這是我們表面上所能看到的行業(yè)現狀。但倒車雷達作為一種特殊的電子類消費品，整個行業(yè)的發(fā)展與汽車工業(yè)的發(fā)展水平、汽車的消費趨勢、汽車整車技術的更新速度密切相關，同時倒車雷達的銷售市場存在于汽車生產企業(yè)到汽車購買用戶這一條產業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)。由于我國的倒車雷達產業(yè)是近兩年才發(fā)展起來的，有相當一部分倒車雷達生產企業(yè)是從生產防盜器的廠家轉行而來，因此起步晚，起點低，企業(yè)的規(guī)模小，資金和技術實力比較弱，所生產的產品技術含量低、功能單一、性能不穩(wěn)定、產品的質量和外觀方面也處于低水平層次，大部分企業(yè)及產品缺乏與倒車雷達安裝配置率最高的中高檔車整車生產企業(yè)的配套能力。所以與國外產品相比，無論在技術含量、產品功能質量、性能的穩(wěn)定性方面，還是在產品的外觀、品牌口碑、返修率等方面缺乏競爭力。國內倒車雷達產品的銷售目前主要面向中低檔市場，即以大眾化終端消費市場為主。進入整車配套市場、中高檔車4S店市場的倒車雷達一般是進口產品和少數國產品牌。 1.2 智能倒車的意義 隨著中國經濟的持續(xù)增長和汽車價格的持續(xù)下降，越來越多的家庭擁有自己的汽車。在享受汽車給我們帶來的便利同時，由于倒車而產生的問題也日益突出。一方面汽車的數量逐年增加，公路、街道、停車場和車庫擁擠不堪，可轉動的空間越來越少；另一方面，新司機及非專職司機越來越多，車輛之間、車輛與人、車輛與墻壁等障礙物之間的碰撞時有發(fā)生。在以往的汽車事故的發(fā)生比例中，倒車引起的事故占28%，倒車已成為人們頭痛的一項任務，即使是經驗豐富的司機也在抱怨倒車是件費力費神的事。據統(tǒng)計，危險境況時，如果能給駕駛員本秒鐘的預處理時間，則可分別減少追尾事故的30%，路面相關事故的50%,迎面撞車事故的60%，改善倒車遇到的窘境被越來越少的人所關注，人們對汽車操縱的便捷性提出了更高的要求，希望有種裝置能夠解決汽車倒車給人們帶來的不便，消除駕駛中的不安全因素，可將車快速準確的停放到指定位置。 汽車倒車中存在的困難，其一是來自于駕駛者坐在駕駛座位上無法了解汽車四周特別是后方的環(huán)境。駕駛者只能依賴后視鏡觀察后方障礙物，后視鏡受其位置的限制，視野狹窄、清晰度差，根本無法達到倒車中后視的目的。其二是倒車駕駛者同時要兼顧前方、兩側的情況，必須扭身回頭觀察車輛后面的情況，體力和腦力消耗過大，易產生不安全因素。其三，倒車是一個復雜的工程，它依賴于駕駛者的駕駛經驗、駕駛技巧及反應靈敏程度，任一環(huán)節(jié)出問題都導致駕駛員無法快速準確地完成倒車任務。 本設計能夠解決汽車的這種難題，當汽車掛上倒檔時，把由攝像頭采集的障礙物圖像和由超聲波測距模塊測得的障礙物距離值通過顯示終端顯示障礙物的準確信息。系統(tǒng)以直觀準確的方式提醒汽車駕駛員更好地完成倒車動作。顯示于液晶顯示屏上，讓你準確把握后方路況。 第2章 系統(tǒng)整體方案論證 2.1 測距系統(tǒng)的方案設計 目前智能倒車系統(tǒng)測距技術主要有激光、毫米波雷達、攝像系統(tǒng)、紅外線、超聲波等一些測距技術，不同的目標探測方式其工作過程和原理有不同之處，但它們的主要目的都是通過前方返回的探測信息判斷前方車輛和本車的相對距離，并根據兩車間危險性程度做出相應的預防措施。下面對其三種不同的測距技術方案進行介紹和比較。 方案一 激光測距 激光測距裝置是一種光子雷達系統(tǒng)，它具有測量時間短、量程大、精度高等優(yōu)點，在許多領域中得到了廣泛應用。目前在汽車上應用較廣的激光測距系統(tǒng)。 非成像式激光雷達根據激光束傳播時間確定距離。它的工作原理是：從高功率窄脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經發(fā)射物鏡聚焦成一定形狀的光束后，用掃描鏡左右掃描，向空間發(fā)射，照射在前方車輛或其他目標上，其反射光經掃描鏡、接收物鏡及回輸光纖，被導入到信號處理裝置內光電二極管，利用計數器計數激光二極管啟動脈沖與光電二極管的接收脈沖間的時間差，即可求得目標距離。利用掃描鏡系統(tǒng)中的位置探測器測定反射鏡的角度即可測出目標的方位。 在汽車測距系統(tǒng)中，激光測距的應用具有局限性、造價低、速度快、穩(wěn)定性高等特點。但由于激光雷達測距儀器工作環(huán)境處于高速運動的車體中，震動大，對其穩(wěn)定性、可靠性提出了較高的要求，其體積也受到了一定的限制，同時激光測距方式受天氣狀態(tài)、汽車的震動及反射鏡表面磨損、污染等因素影響較大，測距精度難以保證。所以在汽車防撞領域激光測距方式沒有得到發(fā)展。 方案二 紅外線測距 紅外線測距和激光、超聲波測距在原理上基本相同，均是根據發(fā)射波和反射時間來判斷目標的距離，車載儀器通過發(fā)射并接收前方物體反射回來的紅外線，依據信號的強弱及波長的不同，同時分析時間差，可分析出前方物體的性質及汽車的距離。紅外線的最大探測距離為10m，測距時響應的時間較慢，約為。 紅外線測距在技術上難度不大，構成的測距系統(tǒng)成本低，但是在惡劣的天氣和長距離探測方面仍然不能滿足汽車防撞的要求。同時，紅外線的波長比可見光線長，是肉眼看不見的光，有顯著地熱效應和較強的穿透云霧的能力。由于任何物體在任何時候都會發(fā)出紅外線，而且人類肉眼感知不到紅外線，具有較強的隱蔽性，夜間同樣不妨礙測距的工作，故該種測距方法廣泛應用在軍用汽車上。 方案三 超聲波測距 超聲波簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍。在彈性煤質中，如果波源所激起的縱波的頻率在20HZ到20000HZ之間，就能引起人的聽覺。在這一頻率范圍內的振動稱為聲振動，聲振動所引起的縱波稱為聲波。頻率高于20000HZ的機械波稱為超聲波，頻率低于20HZ的機械波稱為次聲波。與光波不同，超聲波式一種彈性機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。電磁波的傳播速度為，超聲波在空氣中的傳播速度約為340（常溫下），其速度與電磁波相差5個等級，其速度相對電磁波是非常慢的。 由于超聲波指定性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，并且利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因超聲波經常用于多距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現，在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。由上述可知，超聲波測量能夠達到系統(tǒng)中所要求的測量精度，一般應用在汽車倒車系統(tǒng)上。 從以上三種測距技術方案的介紹可以看出各個傳感器的優(yōu)點和缺點：超聲波技術主要用于短距離探測，成本低，制作安裝簡便，適應惡劣環(huán)境；紅外線技術一般用于夜間環(huán)境，對環(huán)境適應性差；激光技術受天氣影響較為嚴重。 表2.1各種傳感器性能比較 超聲波 紅外線 激光 最大探測距離 10m 10m 可達150m 響應時間 較快，約為15 慢， 較快，約為10 探頭磨損，污染 幾乎沒有影響 影響不大 很大 探頭約20元一支 成本比較 工作機理簡易 約80元 約500元 探頭易安裝 環(huán)境適應性 好，可以在惡劣 差，但在能見度低時 差，受惡劣環(huán)境 環(huán)境中 比其它光學系統(tǒng)好 影響 綜合以上考慮和實際應用條件，本系統(tǒng)的測距模塊采用第五種方案。 2.2 控制系統(tǒng)的方案設計 在控制系統(tǒng)選擇上，由于整個系統(tǒng)的設計涉及到數據處理，控制實時性等問題，選用基于微控制系統(tǒng)，電路的實現不僅簡單而且成本低、功耗低、能大大縮小整個系統(tǒng)的體積。本系統(tǒng)是精密實時采集傳輸系統(tǒng)，需要控制器有很強的抗干擾能力，而且要求微控制器內部有看門狗定時器，以便在程序走飛時能自動復位；執(zhí)行指令速度要快，以便能高速處理采集到實時數據。 方案一：采用上位、下位機的控制系統(tǒng) 上、下位機技術（PC-PLC）是基于工業(yè)控制領域廣泛應用得可編程序控制器（PLC）控制程序發(fā)展而來的?？删幊炭刂破髟赑C-PLC技術中作為下位機，其運行可靠性得到了一致認可，PLC在系統(tǒng)中的作用是PLC系統(tǒng)的數據采集單元，現場數據采集單元利用網絡技術將數據送到PLC控制主機，由PLC的主機（CPU）對數據進行處理，最后通過總線網絡送至上位工業(yè)控制計算機PC。但是用可編程控制器PLC通過數據采集卡控制多個傳感器的方式，這種方式多用于工業(yè)生產中，體積大，安裝不方便，而且成本高。如圖所示， 計算機PC 可編程控制器PLC 繼電器 信號處理 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 接收傳感器 發(fā)送傳感器 接收傳感器 發(fā)送傳感器 接收傳感器 發(fā)送傳感器 接收傳感器 發(fā)送傳感器 圖2.2.1 上位、下位機的控制系統(tǒng)框圖 方案二：選用TI公司DSP控制器TMS320LF2407作為控制系統(tǒng) DSP控制 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器 圖2.2.2 DSP控制系統(tǒng)框圖 如圖所示，DSP控制器片內有高達32K字的FLASH程序存儲器，高達1SK字的數據/程序RAM，544字雙口RAM和2K字的單口RAM；它采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得周期縮短33ns從而提高了控制器的實時控制能力，其可擴展的外部存儲器總共192K字空間和高達40個可單獨編程或復用的通用I/O引腳，五個外部中斷，但外接硬件電路較多，體積將會增加，在系統(tǒng)安裝上有些不便，相比之下成本要有所增加，其價格是單片機的五倍。 方案三：微控制器選用ATMEL公司的AT89S52單片機的控制系統(tǒng) AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用ATMEL 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完 全兼容。片上FLASH允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程FLASH使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)FLASH，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位 定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口， 片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 FLASH AT89S52系統(tǒng)。 綜上所述選用方案三。 2.3 報警顯示方案設計 顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用時極其廣泛的，其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，設計簡單，易于安裝，成本只要幾元，但給出只是一個簡單的開關量信息，而復雜的較完整的顯示器應該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏，其成本則高一些。 綜合課題的實際要求、成本以及考慮單片機的接口資源，本系統(tǒng)采用LCD輸出設備，由于全程顯示的距離范圍最大探測范圍為10米之內，也要求顯示出障礙物，所以采用顯示屏加攝像頭即可視倒車系統(tǒng)，可以讓你更加智能的完成倒車動作。 語音提示中的語音資源、程序代碼都存放在AT89S52中的片內中， 當語音播報時，如檢測到左后方有障礙物，則用語音播放：“左后方”；如右后方有障礙物，則語音播放：“右后方”；當檢查到中間的傳感器探測范圍內有障礙特時，語音播放：“后方”。而連續(xù)播放提示的間隔，要大于或等于 3 秒，以免過于頻繁的播報語音。 本設計顯示屏采用7寸頭枕式支架式兩用車載觸摸液晶顯示器，型號是D700T。語音提示則是用揚聲器。 2.4 系統(tǒng)整體方案設計 本論文采用AT89S52單片機作為控制器，超聲波發(fā)送與接收電路、顯示電路及語音報警電路組成。單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調各部分的電路的工作，單片機在超聲波信號開始發(fā)射的同時開始計時，超聲波信號在空氣中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號經過處理后輸入到單片機的INT1端產生中斷，計數器停止計數，通過計數器測得的脈沖數可得到超聲波信號往返所需要的時間，從而達到測距的目的。當汽車掛上倒檔時，把由攝像頭采集的障礙物圖像和由超聲波測距模塊測得的障礙物距離值通過顯示終端顯示障礙物的準確信息。系統(tǒng)以直觀準確的方式提醒汽車駕駛員更好地完成倒車動作。顯示于液晶顯示屏上，讓你準確把握后方路況。系統(tǒng)整體框圖如圖所示， 障礙物 超聲波傳感器 超聲波發(fā)送模塊 超聲波接收模塊 CPU 倒車信號 語音報警 顯示模塊 攝像頭 圖2.4系統(tǒng)整體結構框圖 第3章 系統(tǒng)硬件設計 3.1 測距系統(tǒng)模塊的設計 3.1.1 超聲波傳感器的結構 利用超聲波感知或檢測物體，有非破壞性、遙控性、實時性、可穿透性等優(yōu)點，在許多方面體現了獨到之處。人們?yōu)檠芯亢蛻贸暡?，已發(fā)明和設計了許多類型的超聲波發(fā)生器：機械方式和電氣方式產生的超聲波發(fā)生器。實質上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器，它將其它形式的能量轉換成超聲波的能量和使超聲波的能量轉換成其它易于檢測的能量。一般是用電能和超聲能量相互轉換。電氣方式類型包括：壓電型、磁致伸縮型和電動型等，機械方式有：氣流旋笛、液哨、加爾統(tǒng)笛等。各種類型的超聲波發(fā)生器產生的超聲波的功率、頻率的聲波特性都不相同。超聲波傳感器按其作用距離可以分為大、中、小三種量程。其中，小量程探測距離小于2米，工作頻率在60-300KHZ之間；中量程探測距離約為2-10米，工作頻率在40-60KHZ之間；小量程探測距離約為20-50米，工作頻率在16-30KHZ之間。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。而壓電材料有單晶體的、多晶體復合的，如石英單晶體，欽酸鋇壓電陶瓷、錯欽酸被陶瓷復合晶體等。 超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲波傳感器需用的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體中。它是借助壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應。 超聲波傳感器有兩片壓電陶瓷晶片和一塊共振版。當在兩電極加交變脈沖信號時，若其頻率等于晶片的固有頻率，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振版振動，從而產生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當共振板接收到回波信號時，將壓迫兩片壓電晶片振動，從而將機械能轉換為電信號，此時的傳感器就成了超聲波接收器。 通過對此信號的分析處理，可實現各種檢測。壓電陶瓷晶片有固有諧振頻率，即中心頻率，發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率也要與它的固有諧振頻率一致；接收超聲波時，作用在其上面的超聲機械波也要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲波發(fā)射器才有較高的發(fā)射效率，接收器才有較好的靈敏度。 當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可方便地改變其固有頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲波傳感器。用于遙控的超聲波傳感器的中心頻率一般為40KHZ。本文采用的超聲波發(fā)射器和接收器：UCM—T40K1和UCM—R40K1。 測距系統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)采用超聲波測距原理。超聲波是指振動頻率在20以上的機械波。超聲波測距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號處理器三部分組成。工作時，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，超聲波接收器接收遇到障礙物反射回來的反射波，準確測量超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射返回的時間，根據超聲波在介質中的傳播速度，可以計算出障礙物距離。。由于超聲波也是一種波，其聲速與溫度有關，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。如圖所示， 溫度 -30 -20 -10 0 10 20 30 10 聲速 313 319 325 323 338 344 349 386 溫度與聲速之間的關系 3.1.2 超聲波傳感器的布點設計 單傳感器在應用中存在以下缺陷： (1)傳感器擴散角小，導致傳感器對空間信息檢測的盲區(qū)大； ． (2)傳感器工作周期較長，造成系統(tǒng)時域盲區(qū)大，實時性差。 因此，傳感器的數量選擇要保證在獲取環(huán)境信息的同時達到信息的最小化，在選定數量的前提下，盡量保證時間適用度參數達到最大值。考慮到汽車的形體、行駛的需求和程序控制的輸入輸出點數，按設計要求，本系統(tǒng)在汽車尾部安裝多個超聲波傳感器，根據一般要求裝4-6個較合適，本系統(tǒng)設計成4個測量通道，具體安裝在汽車兩側中后部各安裝一個傳感器，尾部安裝三個傳感器，4個距離值由單片機進行處理運算。考慮汽車倒車雷達預警系統(tǒng)有4個測量通道，對4個探頭采用掃描工作法，可以共用一個信號處理電路，達到降低成本的目的。 3.1.3 超聲波發(fā)射電路的設計 超聲波傳感器采用UCM40T的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號。為了驅動UCM40T，電路的輸入端接單片機擴展端口PB0，單片機執(zhí)行輸入的程序后，在PB0端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經過LM386放大，驅動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射。 LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應用于錄音機和收音機之中。它是一個三級放大電路。當1腳和8腳之間開路時，電壓增益為26DB；若在1腳和8腳之間接阻容串聯元件，則增益可達46DB，改變阻容值則增益可在26DB-46DB之間任意選取，電阻值越小增益越大。電源電壓 Vcc在4-12 V之間，輸出功率Po為325mW，帯寬BW在1腳和8腳斷開時為300kHZ。超聲波傳感器發(fā)射部分硬件電路如圖3.1.3所示。 圖3.1.3 超聲波傳感器發(fā)射部分的硬件電路 3.1.4 超聲波接收電路的設計 接收探頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，圖3.1.4為超聲波接收電路。CMOS非門D1~ D3由R1偏置為線性放大器，總增益可達60bB以上，由于CMOS電路的輸入阻抗較高，故能夠很好與超聲接收器件匹配。放大后的信號由C1耦合給鎖相環(huán)譯碼器LM567的輸入端3腳。當輸入信號的頻率落在其中心頻率上時，LM567的邏輯輸出端8腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，接到單片機的外部中斷INT1上。 圖3.1.4 超聲波傳感器接收部分的硬件電路 LM567 為通用鎖相環(huán)電路音調譯碼器，用外接元件獨立設定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調制、解調、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對講機亞音頻譯碼，遙控等。LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。1、2腳通常分別通過一電容器接地，形成輸出濾波網絡和環(huán)路單級低通濾波網絡。2腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬，電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。1腳所接電容的容量應至少是2腳電容的2倍。3腳是輸入端，要求輸入信號≥25mV。5、6腳外接的電阻和電容決定了內部壓控振蕩器的中心頻率f2，f2≈1/1.1RC。8腳是邏輯輸出端，其內部是一個集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。 3.1.5 測溫電路的設計 溫度傳感器的選擇 1.傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件），主要是能夠進行非電量和電量之間轉換。傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器——熱電偶傳感器。熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響，具有較高的精度；測量范圍廣，可從-50~1600℃進行連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金鐵——鎳鉻，最低可測到-269℃，鎢——錸最高可達2800℃。 采用熱敏電阻，可滿足40攝氏度至90攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測1攝氏度的信號是不適用的。而且在溫度測量系統(tǒng)中,采用單片溫度傳感器,比如AD590,LM35等.但這些芯片輸出的都是模擬信號,必須經過A/D轉換后才能送給計算機,這樣就使得測溫裝置的結構較復雜.另外,這種測溫裝置的一根線上只能掛一個傳感器,不能進行多點測量.即使能實現，也要用到復雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現的難度。 2.模擬集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是采用硅半導體集成工藝制成的，因此又稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的，它將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出等功能。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。 3.虛擬溫度傳感器和網絡溫度傳感器 1)虛擬傳感器　　 虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準，以實現最佳性能指標。最近，美國B＆K公司已開發(fā)出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點是每只傳感器都有唯一的產品序列號并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲著對該傳感器進行標定的有關數據。使用時，傳感器通過數據采集器接至計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產品序列號，再從軟盤上讀出有關數據，然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數的讀取、傳感器設置和記錄工作。 2)網絡溫度傳感器 　網絡溫度傳感器是包含數字傳感器、網絡接口和處理單元的新一代智能傳感器。數字傳感器首先將被測溫度轉換成數字量，再送給微控制器作數據處理。最后將測量結果傳輸給網絡，以便實現各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數據交換及資源共享，在更換傳感器時無須進行標定和校準，可做到“即插即用(Plug&PlAy)”，這樣就極大地方便了用戶。 4.智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式想數字式、集成化向智能化及網絡化的方向發(fā)展。 溫度傳感器按傳感器與被測介質的接觸方式可分為兩大類：一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡。這種測溫方法精度比較高，并可測量物體內部的溫度分布。 綜上所述，本系統(tǒng)采用數字溫度芯片DS18B20測量溫度，輸出信號全數字化。便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。在0—100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20的最大特點之一采用了單總線的數據傳輸，由數字溫度計DS1820和微控制器AT89C51構成的溫度測量裝置,它直接輸出溫度的數字信號,可直接與計算機連接。這樣,測溫系統(tǒng)的結構就比較簡單,體積也不大,且由于AT89C51可以帶多個DSB1820,因此可以非常容易實現多點測量.輕松的組建傳感器網絡。 采用溫度芯片DS18B20測量溫度，可以體現系統(tǒng)芯片化這個趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。 本論文的測溫系統(tǒng)則是用測溫器件DS18B20與AT89S52共同組成了最小的測溫系統(tǒng)。 (1) DS18B20簡介 DSl8820是美國DALLAS公司生產的數字溫度傳感器。它的測溫范圍從-55到+125。分辨率為0.0625，在一10至+85范圍內其測溫準確度為。它體積小、功耗低、抗干擾能力強、易與微處理器連結。它無需任何外圍硬件即可方便地進行溫度測量，與單片機交換信息僅需要一根I/O口線。其供電電源可來源于單片機I/O口數據線，而無需額外電源。每片DSl8B20都有全球惟一的識別號。因而特別適合于構成多路多點溫度測量系統(tǒng)。DSl8B20有3個管腳，分別是GND為地，DQ為數據輸入輸出端，該引腳漏極開路輸出。常態(tài)下呈高電平。VDD不用時應接地。 (2) 利用單片機AT89S52與DS18B20構成最小測溫系統(tǒng) 在該最小測溫系統(tǒng)中，溫度值存在單片機的內存中，需要時可以讀出。 AT89S521的RD用來與DSl8B20通信，接10k的上拉電阻以增加該I/O的驅動能力，只需一片AT89S52就可實現DSl8B20的溫度讀取。簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性．而且還大大地降低了系統(tǒng)的硬件成本。 AT89S52初始化后對DSl8B20發(fā)出轉換溫度值命令后，等待750ms(DS18B20最長轉換時間)， 從RD口讀出溫度值，對讀的溫度值做相應的數據處理，然后實時將計算出來的某溫度下超聲波在介質中的速度值通過串口提供給AT89852單片機。 圖3.1.5 測溫電路 表3.1.5 溫度一速度一變換速度一十進制一十六進制轉換關系表 溫 度 速 度 32.768*B1 十進制 十六進制 溫度 速 度 32.768*B1 十進制 十六進制 0 331..6 10865.8688 10866 2A72 17 341.919 11204.0018 11204 2BC4 1 332.207 10885.759 10886 2A86 18 342.5 11223.89 11224 2BD8 2 332.814 10905.6492 10906 2A92 19 343.1 11243.78 11244 2BEC 3 333.421 10925.5393 10926 2AAE 20 343.7 11263.67 11264 2C00 4 334.028 10945.4295 10945 2AC1 21 344.3 11283.56 11284 2C14 5 334.635 10965.3197 10965 2AD5 22 345 11303.45 11303 2C27 6 335.242 10985.2099 10985 2AE9 23 345.6 11323.34 11323 2C3B 7 335.849 11005.1 11005 2AFD 24 346.2 11343.23 11343 2C4F 8 336.456 11024.9902 11025 2B11 25 346.8 11363.12 11363 2C63 9 337.063 11044.8804 11045 2B25 26 347.38 11383.0134 11383 2C77 10 337.67 11064.7706 11065 2B39 27 347.99 11402.9036 11403 2C8B 11 338.277 11084.6607 11085 2B4D 28 348.6 11422.7937 11423 2C9F 12 338.884 11104.5509 11105 2B61 29 349.2 11442.6839 11463 2CB3 13 339.491 11124.4411 11124 2B74 30 349.81 11462.5741 11482 2CC7 14 340.098 11144.3313 11144 2B88 31 350.42 11482.4643 11502 2CDA 15 340.705 11164.2214 11164 2B9C 32 351.03 11502.3544 11522 2CEE 16 341.312 11184.1116 11184 2BB0 33 351.62 11522.2446 11542 2D02 3.2 控制系統(tǒng)的設計 3.2.1 AT89S52單片機 1. 主要性能 與MCS-51單片機產品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 、 三級加密程序存儲器 、 32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數器 八個中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數據指針 、掉電標識符 。 2. 功能特性描述 AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位 定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口， 片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52 P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏 輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下， P0具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 　P1 口：P1 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2）和時器/計數器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能 P1.0 T2（定時器/計數器T2的外部計數輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口：P2 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時/計數器0) P3.5 T1(定時/計數器1) P3.6 WR(外部數據存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數據存儲器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。 RST——復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。 ALE/PROG——當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。 對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。 PSEN——程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。 如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器的指令。 FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 3.2.2 單片機復位電路的設計 復位電路目的：在需要的時候，單片機復位，保證正常的工作循環(huán)。 復位電路有各種各樣，但是工作環(huán)境惡劣，復位電路要求嚴格，本系統(tǒng)中 采用MAX5045芯片專做復位芯片。采用5045最主要特點有： (1) 512字節(jié)串行EEPROM； (2)集成了可編程看門狗定時器(可設定看門狗超時時間，典型時間200ms、600ms、1.4s或禁止)； (3)上電復位及低電壓檢測，即在上電和VCC低于檢測門限時，輸出復位信號。X5045輸出復位高電平有效，確保直至VCC=1V復位信號仍有效； (4)編程的復位門限。需加高