芯耀
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1 緒論
1.1 課題研究背景及意義
近年來，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車成為人類最主要的交通工具。隨著汽車保有量的不斷增長(zhǎng)和車流量的逐漸增大，道路交通事故已成為全球性安全問題之一，引起了全社會(huì)的普遍關(guān)注。因此，提高汽車的安全性能、避免交通事故或減輕道路交通事故造成的傷害已成為各國(guó)政府和社會(huì)日益關(guān)注的問題。根據(jù)2010年度道路交通事故的統(tǒng)計(jì)，發(fā)生交通事故219521起，死亡人數(shù)達(dá)到65225,受傷人數(shù)有254075，造成的直接財(cái)產(chǎn)損失有926335315元。其中由追尾相撞導(dǎo)致的事故有22273起，占總數(shù)的10.15%,死亡人數(shù)有8957人，受傷26686人，分別占總數(shù)的13.73%、10.50%。而夜間交通事故尤為嚴(yán)重，夜間交通事故(包括有路燈照明和無路燈照明)發(fā)生86502起，死亡人數(shù)30158人，分別占2010年交通總事故的39.4%和46.24%[1][2]。
毫米波雷達(dá)測(cè)距方式；攝像系統(tǒng)測(cè)距方式；激光測(cè)距方式；超聲波測(cè)距方式。毫米波雷達(dá)存在電磁波相互干擾問題，攝像系統(tǒng)則造價(jià)高昂，均難以在汽車上普及[3]。激光測(cè)距具有測(cè)量時(shí)間短、量程大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)汽車從低速前進(jìn)到高速前進(jìn)的測(cè)距需求，避免汽車高速行駛時(shí)因測(cè)距速度慢造成的測(cè)距失準(zhǔn)現(xiàn)象。超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)單，制作方便，成本比較低，但其只適用于較短距離低速測(cè)距，故將其應(yīng)用于汽車倒車時(shí)測(cè)距[4]。本文提出的將激光測(cè)距[5]和超聲波測(cè)距[6]相結(jié)合的安全報(bào)警系統(tǒng)，旨在幫助駕駛員在汽車多種行駛狀況、多方位探知并顯示車輛與周圍障礙物的距離，當(dāng)障礙物距離小于設(shè)定安全距離時(shí)給駕駛員警報(bào)，避免駕駛員反應(yīng)不及時(shí)引發(fā)交通事故。本設(shè)計(jì)適用于現(xiàn)實(shí)生活，具有高效率，低功耗，低成本的特點(diǎn)，適合當(dāng)下市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，有一定的經(jīng)濟(jì)效益，具有開發(fā)和研究的潛力及意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1研究現(xiàn)狀
2003年豐田公司推出的安全與碰撞系統(tǒng),通過安裝在車頭的毫米波雷達(dá),可以探測(cè)到前方車輛與自車的距離，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)發(fā)生碰撞的概率。當(dāng)存在碰撞危險(xiǎn)時(shí),會(huì)以聲音為信號(hào)來提醒駕駛員注意。當(dāng)存在極大碰撞可能性時(shí),制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入微制動(dòng)狀態(tài)，收緊安全帶來提高駕駛員的安全警惕性。當(dāng)碰撞不可避免時(shí)，加大制動(dòng)強(qiáng)度[7]。美國(guó)的汽車防碰撞技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn),福特汽車公司開發(fā)的汽車防碰撞系統(tǒng)的工作頻率為24.725 GHz，探測(cè)距離約106米。
相對(duì)于國(guó)外先進(jìn)的汽車避撞控制系統(tǒng)而言，我國(guó)在該方面的研究明顯落后,2008年,由南京理工大學(xué)陳錢教授研發(fā)的“激光探測(cè)汽車主動(dòng)防碰撞智能安全系統(tǒng)”研制成功。該系統(tǒng)可以通過激光來獲取汽車在行駛過程中的多種交通環(huán)境，結(jié)合信號(hào)分析與處理技術(shù)，自動(dòng)給汽車的執(zhí)行命令進(jìn)行控制，當(dāng)障礙物消失之后，汽車恢復(fù)正常行駛[8]。
2014年作者張安然在《一種倒車防碰撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》設(shè)計(jì)了一種由超聲波和語音提示為核心的輔助汽車泊車裝置，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可靠性,說明系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值[9]。但是由于超聲波檢測(cè)有一定的局限，因此安全性不高。
2016年作者邱宏超，劉教瑜，肖杰，方琳在《具有語音播報(bào)的測(cè)距儀的設(shè)計(jì)》中超聲波測(cè)距相比較于激光測(cè)距和紅外測(cè)距，更為貼近于生活民用，成本低，操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣，在近距離內(nèi)精度較高[10]。介紹超聲波測(cè)距的原理及控制方式，并使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)的語音播報(bào)的實(shí)現(xiàn)方式及調(diào)試過程中的常見問題。
2017年作者席在芳，令狐強(qiáng)，龍琦玉，黃夏妮在《基于激光測(cè)距的汽車防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中利用激光探測(cè)前方路況，并通過單片機(jī)控制預(yù)警和防撞系統(tǒng)幫助駕駛者對(duì)險(xiǎn)情提前進(jìn)行預(yù)判并采取相關(guān)措施（報(bào)警或者自動(dòng)制動(dòng))[11]。有效地減少汽車在公路上追尾碰撞等事故，但是該系統(tǒng)不能針對(duì)多種情況，結(jié)構(gòu)單一。
2017年作者李陽娟在《車輛前向防碰撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)》研究設(shè)計(jì)了一種車輛前向防碰撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng),系統(tǒng)通過毫米波雷達(dá)傳感器進(jìn)行車輛之間相對(duì)距離及相對(duì)速度監(jiān)測(cè)，通過卡爾曼濾波算法對(duì)前向有效目標(biāo)車輛進(jìn)行優(yōu)先監(jiān)測(cè)，通過兩級(jí)預(yù)警策略算法進(jìn)行預(yù)警，在車輛存在潛在的碰撞危險(xiǎn)時(shí),通過視覺、聽覺、觸覺三種方式發(fā)出報(bào)警信息[12]。
2019作者孟宓,程史靚在《行車防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)》通過對(duì)行車行駛測(cè)距測(cè)速及制動(dòng)停車過程的分析,利用微波雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的行車?yán)脝纹瑱C(jī)對(duì)多普勒頻移信號(hào)（與相對(duì)距離成正比)進(jìn)行處理,并控制點(diǎn)陣液晶顯示屏顯示行車相對(duì)距離及相對(duì)速度的自動(dòng)測(cè)量顯示儀器[13]。
2020年作者呂淑芳在《基于STC89C52單片機(jī)的汽車倒車防撞警報(bào)系統(tǒng)》設(shè)計(jì)以STC89C52為主控單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一款汽車倒車防撞警報(bào)系統(tǒng),由HC-RSO4超聲波測(cè)距模塊實(shí)時(shí)測(cè)量一旦超出安全距離就發(fā)出警報(bào)聲，幫助駕駛員在倒車過程中解決視角盲區(qū)的缺陷，避免駕駛過程中發(fā)生不必要的意外和傷害，從而提高駕駛的安全系數(shù)[14]。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理運(yùn)行穩(wěn)定，工作性能好,響應(yīng)速度快，通過計(jì)算實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，具有一定的測(cè)量精度可以滿足需求。
2020孫月發(fā),王炳章在《基于激光測(cè)距技術(shù)的汽車倒車控制系統(tǒng)研究》針對(duì)常規(guī)的汽車倒車控制系統(tǒng)中測(cè)試精度不足的問題，設(shè)計(jì)基于激光測(cè)距技術(shù)的汽車倒車控制系統(tǒng)[15]。通過激光測(cè)試的距離感知汽車倒車的周圍環(huán)境在硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上制定控制規(guī)則以此為依據(jù)采用模糊控制法實(shí)現(xiàn)汽車倒車控制。測(cè)試結(jié)果表明:與常規(guī)的汽車倒車控制系統(tǒng)相比設(shè)計(jì)的基于激光測(cè)距技術(shù)的汽車倒車控制系統(tǒng)測(cè)試精度更高該系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)的倒車控制系統(tǒng)。
1.2.2研究現(xiàn)狀綜述
針對(duì)國(guó)內(nèi)外汽車避撞系統(tǒng)的研發(fā)來分析,存在一個(gè)共性的特點(diǎn)﹐都是來解決縱向的制動(dòng)碰撞問題,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在一定的局限性。在現(xiàn)有控制系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，有必要通過專項(xiàng)避讓來躲避前方和后方障礙物的防碰撞系統(tǒng)。采用單片機(jī)為控制核心，不僅功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜、反應(yīng)快、只需要較少的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1.3本文主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排
根據(jù)本文目的，設(shè)計(jì)出一種基于單片機(jī)為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波、激光兩種方式的測(cè)距以及人機(jī)交互功能的汽車防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)。章節(jié)安排如下
(1)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)；
(2)系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)；
(3)系統(tǒng)硬件、軟件調(diào)試；
(4)總結(jié)與展望。
2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
2.1控制要求
為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，控制要求如下：
(1)微處理器穩(wěn)定運(yùn)行；
(2)實(shí)時(shí)與超聲波、紅外激光傳感器通信并且接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后判斷；
(3)數(shù)據(jù)顯示、語音提示、安全閾值參數(shù)調(diào)整，可以人機(jī)交互。
2.2系統(tǒng)框架
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由八部分組成。超聲波測(cè)距模塊、激光測(cè)距模塊共同組成采集外部環(huán)境數(shù)據(jù)部分，按鍵模塊單獨(dú)為外部輸入部分，電源模塊單獨(dú)組成外部供電部分，經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，繼而控制繼電器制動(dòng)，將實(shí)時(shí)信息顯示到顯示模塊上，并且控制報(bào)警模塊和語音播報(bào)模塊提示用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。
圖2.1系統(tǒng)框架原理圖
2.3模塊選型
2.3.1主控微處理器方案
本文設(shè)計(jì)一款將激光測(cè)距和超聲波測(cè)距相結(jié)合的汽車防碰撞系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及低成本，高效率。對(duì)單片機(jī)進(jìn)行選型：
方案一：傳統(tǒng)的8051內(nèi)核8位單片機(jī)，相比較STC89C52RC，現(xiàn)如今有增強(qiáng)型的51單片機(jī)，兼容51指令，運(yùn)行速率為前者的12倍，大大提高了系統(tǒng)效率。
因此可以選擇此方案。
方案二：選擇AVR單片機(jī)，該單片機(jī)有8位和16位種類的，片內(nèi)外設(shè)比較豐富，滿足設(shè)計(jì)需求，但同等使用需求下，價(jià)格比方案一類型單片機(jī)高。
因此選擇STC宏晶公司生產(chǎn)的8051內(nèi)核的15系列單片機(jī)，型號(hào)為STC15W4K32S4，在運(yùn)行速度、外設(shè)數(shù)量、存儲(chǔ)空間等方面比傳統(tǒng)的51單片機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)。見圖2.2STC15W4K32S4引腳圖。
2.2 STC15W4K32S4引腳圖
2.3.2測(cè)距模塊方案
選擇合適的測(cè)距模塊，能夠及時(shí)反應(yīng)距離信息。系統(tǒng)中測(cè)距一共分為前向測(cè)距和后向測(cè)距。因此根據(jù)需求選擇合適的測(cè)距模塊，
方案一：選擇超聲波模塊測(cè)距傳感器。此模塊對(duì)液體、固體的穿透性強(qiáng)，發(fā)射的聲波遇到遮擋物后會(huì)反射成回波。原理簡(jiǎn)單，只需對(duì)模塊兩個(gè)信號(hào)腳中的Trig引腳發(fā)送啟動(dòng)脈沖，利用單片機(jī)檢測(cè)Echo引腳的回響。開啟定時(shí)器計(jì)時(shí)運(yùn)用聲波在空氣中的傳播速度公式就能得出距離。因?yàn)檫@個(gè)特性，超聲波不易在速度很快的的情況下使用，所以在前向測(cè)距時(shí)，超聲波并不適用，反而能使用倒車速度變換很慢的情況下使用。
方案二：選擇激光車測(cè)距傳感器。該模塊比較與超聲波模塊，測(cè)量的精度這類傳感器利用自身的激光二極管發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器激光傳感器工作時(shí)，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。根據(jù)這個(gè)特性可知，激光測(cè)距傳感器適合在高速的情況下使用，能夠精確測(cè)得到距離信息。
選定超聲波作為檢測(cè)后距的測(cè)距傳感器，激光作為檢測(cè)前距的測(cè)距傳感器。
圖2.3超聲波實(shí)物圖
GY-53L1 是一款紅外激光測(cè)距傳感器模塊。利用紅外LED燈發(fā)光的原理，配合接收經(jīng)遮住物反射的回波計(jì)算距離值，測(cè)量比超聲波更為精確。通信方式為串口也可以為IIC，因此有利于設(shè)計(jì)開發(fā)的選擇。見圖2.4激光測(cè)距模塊實(shí)物圖。
圖2.4激光測(cè)距模塊實(shí)物圖
2.3.3語音播報(bào)模塊方案
用來播報(bào)的語音芯片種類繁多，大致可以分為兩類。對(duì)應(yīng)兩個(gè)方案：
方案一：采用OTP類型語音芯片，這種芯片外電電路簡(jiǎn)單，成本很低，在很多玩具設(shè)備中能看到它的身影，把需要的語音內(nèi)容提前燒錄進(jìn)芯片，驅(qū)動(dòng)后通過外放喇叭就能使用。這里可以使用它實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的語音播報(bào)功能。
方案二：采用MTP類型語音信，該芯片可多次燒錄反復(fù)使用，雖然性能比方案一介紹的芯片好，但是外圍電路復(fù)雜驅(qū)動(dòng)難度高，情況不復(fù)雜的前提下不建議使用該類型的芯片。
見圖2.6OLED實(shí)物圖（IIC接口）。整個(gè)方案的費(fèi)用為節(jié)省 30%-50% 左右。工作電壓 2.2-5.5V，200mah 適用范圍很寬。輸出方式：PWM 。見圖2.5語音芯片引腳圖。
圖2.5語音芯片引腳圖
2.3.4顯示模塊方案
顯示器件有很多可以選擇，首先排除數(shù)碼管，因?yàn)閿?shù)碼管體積大占用資源多，不利于顯示更多的數(shù)據(jù)，那么就還有如下選擇；
方案一：使用LCD1602作為顯示器件，它能夠顯示16*2的數(shù)據(jù)，比數(shù)碼管使用方便，有一定的字庫，在顯示漢字的時(shí)候就顯得不足了，因此在這里還是不選擇作為顯示器件。
方案二：使用LCD12864作為顯示器件，此器件可以一次性顯示的內(nèi)容就比LCD1602多一些，但是體積就增加了一倍，引腳數(shù)量也多了，增加了電路的整體難度，因此也不選擇。
方案三：使用OLED作為顯示器件，該器件在亮度、功耗上性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)比數(shù)碼管、LCD1602、LCD12864強(qiáng)上很多。同時(shí)引腳占用微處理器的I/O也比較少操作方便，功能豐富。見圖2.6OLED實(shí)物圖（IIC接口）。
圖2.6 OLED實(shí)物圖（IIC接口）
2.3.5按鍵模塊方案
用到按鍵開關(guān)又叫輕觸開關(guān)，應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域，根據(jù)本文設(shè)計(jì)要求采用輕觸開關(guān)作為按鍵，輕觸開關(guān)是一種電子開關(guān)，只需要點(diǎn)擊按鈕就能使其導(dǎo)通，當(dāng)松開手時(shí)按鍵開關(guān)既斷開，電子開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)依靠金屬彈片受力彈動(dòng)來完成通斷的。有的三腳兩腳四腳，它的種類非常多，但是使用的原理完全相同，這里直接采用6*6*5規(guī)格的按鍵。見圖2.7按鍵實(shí)物圖。
圖2.7按鍵實(shí)物圖
2.3.6制動(dòng)方式方案
繼電器在工業(yè)上也很常見，規(guī)格不一。柜門的開關(guān)可以用用繼電器進(jìn)行模擬，因?yàn)橄到y(tǒng)采用的5V直流供電，則就不用考慮12V、24V、ha220V、380V等規(guī)格的繼電器而是直接在這里5V繼電器。使用繼電器關(guān)閉導(dǎo)通配合一個(gè)LED的閃滅模擬汽車的剎車制動(dòng)。繼電器有很多種類型，本文采用額定電壓為直流5V， 型號(hào)是SRD-5VDC-SL-C，一路開關(guān)，額定電流為 10A， 品牌是SONGLE/松樂，觸點(diǎn)形式為轉(zhuǎn)換型，觸點(diǎn)切換電流10A，防護(hù)特征為 密封式，觸點(diǎn)負(fù)載是中功率。見圖2.8繼電器實(shí)物圖。
圖2.8繼電器實(shí)物圖
3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要圍繞超聲波傳感器、激光傳感器感知汽車車前車尾與障礙物的距離信息反饋給微處理器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示、執(zhí)行。采用STC公司15系列的STC15W4K32S4單片機(jī)為主控，該單片機(jī)一共可用I/O口為38個(gè)，GY-53紅外激光占用一個(gè)串口資源為2個(gè)I/O口、HC-SR04超聲波傳感器占用一個(gè)定時(shí)器資源為2個(gè)I/O口、有源蜂鳴器占用1個(gè)I/O口、OLED顯示采用模擬IIC通信占用兩個(gè)I/O口，按鍵占用3個(gè)I/O口、語音播報(bào)占用3個(gè)I/O口、繼電器占用一個(gè)I/O口，總計(jì)分配14個(gè)I/O口資源。見圖3.1系統(tǒng)總電路圖。
圖3.1系統(tǒng)總電路圖
3.2主要硬件電路設(shè)計(jì)
3.2.1控制核心電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用的STC15W4K32S4，不需要像傳統(tǒng)51單片一樣帶復(fù)位電路、晶振電路，省去了外圍電路集成了在芯片內(nèi)部，這大大節(jié)省了設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間。為了保證單片工作穩(wěn)定正常，故在電源引腳并上了一個(gè)104和一個(gè)10UF的電容濾波穩(wěn)壓。通信下載口依舊是引腳P3.1(TXD)引腳P3.0(RXD)。下載程序之前，設(shè)置好單片機(jī)主頻頻率為11.0592MHz。復(fù)位電路則是連上P5.4（RST）引腳，觸發(fā)按鍵按下，受到高電平脈沖立即復(fù)位。圖3.2主控制電路圖。
圖3.2最小系統(tǒng)電路圖
3.2.2 HC-SR04超聲波檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)的P1.5連接Trig引腳，P1.6連接Echo引腳。啟動(dòng)超聲波時(shí)，需要給Trig引腳啟動(dòng)脈沖電平，隨即等待Echo的回響電平。通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式：uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是：距離=高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2；見圖3.3超聲波測(cè)距電路圖。
圖3.3超聲波測(cè)距電路圖
3.2.3 GY-53激光檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
采用的GY-53激光傳感器有2種通信方式，分別是IIC和串口通信為了節(jié)省軟件的編寫，降低調(diào)試難度，選用串口通信。占用單片機(jī)的一個(gè)串口2資源，連接單片機(jī)的P3.6（TXD）P，3.7（RXD）引腳連接傳感器。
例：一幀數(shù)據(jù)
< 5A- 5A- 15- 03- 0A- 20- 06- FC >
Distance =(0x0A<<8)|0x20=2592 mm(距離值 2.592 m)
RangeStatus=(0x06>>4)&0x0f=0;(距離值可靠)
Time=(0x06>>2)&0x0f=1; (測(cè)量時(shí)間為 110ms)
Mode= 0x06&0x03=2; (測(cè)量模式為中距離模式，量程為 50~4000mm)
見圖3.4激光測(cè)距電路圖。
圖3.4激光測(cè)距電路圖
3.2.4OLED顯示電路設(shè)計(jì)
這里使用的OLED顯示屏通信方式采用IIC，與傳統(tǒng)的LCD1602、LCD12864相比，功耗大大降低，占用單片機(jī)資源減少，SDA（數(shù)據(jù)線）連接單片機(jī)的P4.2、SCL（時(shí)鐘線）連接P4.1引腳。見圖3.5 OLED顯示電路圖。
圖3.5 OLED顯示電路圖
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
4.1主程序流程
軟件根據(jù)C語言模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)。在主程序中實(shí)際上掃描的主體是按鍵函數(shù)和一些變量標(biāo)志位，這樣不僅僅大大提高了程序的實(shí)時(shí)性和CUP的整體效率，通過按鍵和這些變量標(biāo)志位調(diào)用想要的功能函數(shù)。那么首先是主體程序初始化，包括單片機(jī)引腳模式、變量、外部器件通信等，接下來就是在編寫的體現(xiàn)系統(tǒng)功能的邏輯函數(shù)中循環(huán)掃描了。見圖4.1主程序流程圖。
