【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不同之處，但最終作用都是通過前方返回的探測(cè)信息判斷車后方障礙物與本車之間的相對(duì)距離，并根據(jù)程序中定義好的危險(xiǎn)等級(jí)做出相應(yīng)的預(yù)防措施 [8]。下面對(duì)五種不同的測(cè)距技術(shù)方案進(jìn)行介紹和比較。方案一：激光測(cè)距激光測(cè)距裝置是一種光子雷達(dá)系統(tǒng)，它具有測(cè)量時(shí)間短、量程大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前在汽車上應(yīng)用較廣的激光測(cè)距系統(tǒng)可分為非成像式激光雷達(dá)和成像式激光雷達(dá)。非成像式激光雷達(dá)根據(jù)激光束傳播時(shí)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(jīng)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(biāo)上，其反射光經(jīng)掃描鏡、接收物鏡及回輸光纖，被導(dǎo)入到信號(hào)處理裝置內(nèi)光電二極管，利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)激光二極管啟動(dòng)脈沖與光電二極管的接收脈沖問的時(shí)間差，即可求得目標(biāo)距離。利用掃描鏡系統(tǒng)中的位置探測(cè)器測(cè)定反射鏡的角度即可測(cè)出目標(biāo)的方位。成像式激光雷達(dá)又可分為掃描成像激光雷達(dá)和非掃描成像激光雷達(dá) [9]。6掃描成像激光雷達(dá)把激光雷達(dá)同二維光學(xué)掃描鏡結(jié)合起來，利用掃描器控制激光的射出方向，通過對(duì)整個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)量，即可獲得視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的三維信息。非掃描成像式激光雷達(dá)將光源發(fā)出的經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制的激光經(jīng)分束器系統(tǒng)分為多束光后沿不同方向射出，照射待測(cè)區(qū)域。由于非掃描成像激光雷達(dá)測(cè)點(diǎn)數(shù)目大大減少，從而提高了系統(tǒng)三維成像速度。在汽車測(cè)距系統(tǒng)中，激光測(cè)距的應(yīng)用具有局限性。盡管非成像激光雷達(dá)更同成像式激光雷達(dá)相比，具有造價(jià)低、速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。由于激光雷達(dá)測(cè)距儀器處在高速運(yùn)動(dòng)的車體中，振動(dòng)大，對(duì)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(shí)激光測(cè)距方式受天氣狀態(tài)、汽車的震動(dòng)及反射鏡表面磨損、污染等因素影響較大，測(cè)距精度難以保證。所以在汽車防撞領(lǐng)域激光測(cè)距方式?jīng)]有得到發(fā)展 [10]。方案二：毫米波雷達(dá)測(cè)距 毫米波是指波長(zhǎng)介于 1~10mm 之間的電磁波，雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波反射來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置的。汽車上應(yīng)用的雷達(dá)采用的是 30GHz 以上的毫米波雷達(dá)，毫米波雷達(dá)測(cè)距在原理上和以上幾種測(cè)距方式類似。毫米波頻率高、波長(zhǎng)短，一方面可縮小從天線輻射的電磁波射束角幅度，從而減少由于不需要的反射所引起的誤動(dòng)作和干擾，另一方面由于多普勒頻移大，相對(duì)速度的測(cè)量精度高。毫米波雷達(dá)的主要特征有兩個(gè)，一個(gè)是具有穩(wěn)定的探測(cè)性能，不受被測(cè)物體表面形狀、顏色等的影響，對(duì)大氣紊流、氣渦等具有適應(yīng)性。另一個(gè)是具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，毫米波雷達(dá)的穿透能力很強(qiáng)，其測(cè)距精度受雨、雪、霧及陽光等天氣因素和雜音、污染等環(huán)境的影響較小，可以保證車輛在任何天氣下的正常運(yùn)行。作為車載雷達(dá)，目前適用的主要有脈沖多普勒雷達(dá)、雙頻 CW 雷達(dá)和 FM 雷達(dá)三種 [11]。應(yīng)用雷達(dá)測(cè)距，需要防止電磁波干擾，雷達(dá)彼此之間的電磁波和其他通信設(shè)施的電磁波對(duì)其測(cè)距性能都有影響。毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用于防撞，以避免高速公路上發(fā)生追尾碰撞。但是，由于應(yīng)用毫米波雷達(dá)測(cè)距易受電磁干擾，而且成本太高，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，它的價(jià)格又昂貴，市場(chǎng)價(jià)格在1500 元以上，一般只使用于高檔轎車，不能大眾化。方案三：攝像系統(tǒng)測(cè)距 CCD 攝像機(jī)是一種用來模擬人眼的光電探測(cè)器。它具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗小、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、光計(jì)量準(zhǔn)確、其線掃描輸出的光電信號(hào)有利于后續(xù)信號(hào)處理等優(yōu)良特性，在汽車行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。利用面陣 CCD，可獲得被測(cè)視野的二維圖像，但無法確定與被測(cè)物體之間的距離。只使用一個(gè) CCD 攝像機(jī)的系統(tǒng)稱為單目攝像系統(tǒng)，在汽車上常用于倒車后視系統(tǒng)，輔助駕駛員獲得后視死角信息，以避免倒車撞物。為獲得目標(biāo)三維信息，模擬人的雙目視覺原理，利用間隔固定的兩臺(tái)7攝像機(jī)同時(shí)對(duì)同一景物成像，通過對(duì)這兩幅圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析處理，即可確定視野中每個(gè)物體的三維坐標(biāo)，這一系統(tǒng)稱為雙目攝像系統(tǒng)。它模仿人體視覺原理，測(cè)量精度高。但目前價(jià)格較高，同時(shí)由于受軟件和硬件的制約，成像速度較慢，而且探頭容易磨損，使得探測(cè)距離精確程度降低，一般減少至原來的 1/2~1/3[12]。方案四：紅外線測(cè)距 紅外線測(cè)距和激光、超聲波測(cè)距在原理上基本相同，均是根據(jù)發(fā)射波和反射時(shí)間來判斷目標(biāo)的距離，車載儀器通過發(fā)射并接收前方物體反射回的紅外線，依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱及波長(zhǎng)的不同，同時(shí)分析時(shí)問差，可分析出前方物體的性質(zhì)及與汽車的距離。紅外線的最大探測(cè)距離為 10m，測(cè)距時(shí)響應(yīng)的時(shí)問較慢。紅外線測(cè)距在技術(shù)上難度不大，構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)成本較低，但是在惡劣的天氣和長(zhǎng)距離探測(cè)方面仍然不能滿足汽車防撞的要求。同時(shí)，紅外線的波長(zhǎng)比可見光線長(zhǎng)，是肉眼看不見的光，有顯著的熱效應(yīng)和較強(qiáng)的穿透云霧的能力。由于任何物體在任何時(shí)候都會(huì)發(fā)出紅外線，而且人類肉眼感知不到紅外線，具有極強(qiáng)的隱蔽性。夜間同樣不妨礙測(cè)距儀的工作，故該種測(cè)距儀廣泛應(yīng)用在軍用汽車上 [13]。方案五：超聲波測(cè)距 超聲波簡(jiǎn)單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍。在彈性媒質(zhì)中。如果波源所激起的縱波的頻率在 20Hz 到 20kHz 之間，就能引起人的聽覺。在這一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)稱為聲振動(dòng)，聲振動(dòng)所激起的縱波稱為聲波。頻率高于 20kHz 的機(jī)械波稱為超聲波，頻率低于 20Hz 的機(jī)械波稱為次聲波。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播 [14]。電磁波的傳播速度為 3108m/s，超聲波在空氣中的傳播速度約為 340m/s(常溫下)，其速度與電磁波相差 6 個(gè)等級(jí)，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，并且利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因而超聲波經(jīng)常用于多距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)，在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。由上述敘述可知，超聲波測(cè)量能夠達(dá)到系統(tǒng)中所要求的測(cè)量精度，一般應(yīng)用在汽車倒車系統(tǒng)上 [15]。 從以上五種測(cè)距技術(shù)方案的介紹可以看出各個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：超聲波技術(shù)主要用于短距離探測(cè)，其成本低、制作安裝簡(jiǎn)便、能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境；紅外線技術(shù)一般用于夜間環(huán)境，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較差，測(cè)量不準(zhǔn)確；毫米波雷達(dá)測(cè)距和激光測(cè)距相對(duì)于超聲波測(cè)距來講精度更高，定位更準(zhǔn)確；攝像系統(tǒng)技術(shù)價(jià)格較貴，毫米波雷達(dá)技術(shù)和激光技術(shù)的成本很高，所以運(yùn)用其原理進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備價(jià)格也是相當(dāng)高的，因而8現(xiàn)在只是在比較高級(jí)的轎車中才有所應(yīng)用。綜合以上考慮和實(shí)際應(yīng)用條件，本系統(tǒng)的測(cè)距模塊采用的是第五種方案，超聲波測(cè)距，它成本低，制作安裝簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)。 控制方案的選擇方案一：AT89C51 芯片作為硬件核心采用 AT89C51 芯片作為硬件核心，內(nèi)部具有 4KB Flash ROM 存儲(chǔ)空間，能以3V 的超低壓工作，而且與 MCS51 系列單片機(jī)完全兼容。但是運(yùn)用于電路設(shè)計(jì)中時(shí)由于不具備 ISP 在線編程技術(shù)，當(dāng)在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，對(duì)芯片的多次拔插會(huì)對(duì)芯片造成一定的損壞 [16]。方案二：AT89S52 芯片作為硬件核心采用 AT89S52，片內(nèi) ROM 全都采用 Flash ROM；能以 3V 的超低壓工作；同時(shí)也與 MCS51 系列單片機(jī)完全兼容，該芯片內(nèi)部有 8KB ROM 的存儲(chǔ)空間，同樣具有AT89C51 的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不需要對(duì)芯片多次拔插，避免對(duì)芯片造成損壞 [17]。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇 AT89S52 作為主控制系統(tǒng)的核心。 顯示方案的選擇方案一：采用 LED 數(shù)碼管顯示采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描，LED 數(shù)碼管價(jià)格適中， 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于安裝，對(duì)于顯示數(shù)字最合適，而且采用動(dòng)態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí)，占用的單片機(jī)口線少。但顯示的數(shù)據(jù)量有限。方案二：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較適合，如用來顯示數(shù)字有點(diǎn)太浪費(fèi)了，特別是其價(jià)格相對(duì)較高 [18]。方案三：采用 LCD 液晶顯示采用 LCD 液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字、圖形、顯示多樣、清晰可見、美觀、編程靈活方便，和單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)也較簡(jiǎn)單方便 [19]。綜合課題的實(shí)際要求、考慮單片機(jī)的接口資源，本系統(tǒng)采用 LCD 液晶作為輸出設(shè)備，LCD 液晶能夠同時(shí)顯示溫度與距離兩組數(shù)據(jù)。 測(cè)溫方案的選擇方案一：采用 AD590 測(cè)溫9 AD590 是美國(guó)模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，通過對(duì)電流的測(cè)量可得到溫度值，供電電壓范圍為 3~30V，可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，測(cè)溫范圍為55 ℃~+150℃，輸出電流 223μA~423μA，輸出電流變化 1μA 相當(dāng)于溫度變化1℃，最大非線性誤差為177?！妗D590 輸出電流信號(hào)傳輸距離可達(dá)到 1km 以上 [20]。作為一種高阻電流源，最高可達(dá) 20MΩ，所以它不必考慮選擇開關(guān)或 CMOS 多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差，適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的控制。 方案二：采用 DS18B20 測(cè)溫DS18B20 是數(shù)字式傳感器，其接線方便，耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。它的測(cè)量溫度范圍寬，測(cè)量精度高。DS18B20 的測(cè)量范圍為55℃+125℃，在10℃+85℃范圍內(nèi)，精度為177?！?。在使用中不需要任何外圍元件，測(cè)量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送 [21]。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用了 DS18B20，其具有接線簡(jiǎn)單，可直接數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)。 本章小結(jié)　 本章首先根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，確定了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)的四個(gè)模塊：測(cè)距模塊、控制模塊、顯示報(bào)警模塊和溫度補(bǔ)償模塊分別進(jìn)行了方案選擇，確定了本系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為核心，用超聲波發(fā)射器和接收器來測(cè)距、用 LCD 顯示距離、并用溫度補(bǔ)償來提高測(cè)距精度的汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的方案。10第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思想 該測(cè)距裝置是由超聲波發(fā)射/接收電路、單片機(jī)控制電路、測(cè)溫電路、 LCD 顯示和蜂鳴器報(bào)警電路組成。首先單片機(jī)給超聲波發(fā)射電路輸入頻率為 40KHz 的信號(hào)波，發(fā)射出超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波遇到障礙物發(fā)生反射，反射波返回到超聲波傳感器上。反射回的正弦波信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、整形后輸入單片機(jī)的 INT0端，產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。測(cè)出從超聲波發(fā)射脈沖群時(shí)刻到接收回波信號(hào)時(shí)刻差，超聲波在同溫同介質(zhì)中的傳播速度由測(cè)溫系統(tǒng)得知，將時(shí)刻差與聲速相乘，得出距離，并通過 LCD 液晶顯示出來，當(dāng)距離小于設(shè)定的距離時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。 控制模塊的設(shè)計(jì) 單片機(jī) AT89S52單片機(jī)是將中央處理器（CPU） 、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM） 、只讀存儲(chǔ)器（ROM） 、定時(shí)器芯片和一些輸入/輸出接口電路集成在一個(gè)芯片上的微控制器。 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在芯片上，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(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。AT89S52 主 要 性 能 有 ：可與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容，8K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ROM，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，1288 位內(nèi)部 RAM，32 個(gè)可編程 I/O 口線，3 個(gè) 16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，8 個(gè)中斷源，全雙工 UART 串行通道，看門狗定時(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針，低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒，可編程串行通道，片內(nèi)振蕩器和時(shí)11鐘電路 [22]。 外部引腳說明AT89S52 是控制系統(tǒng)的中心元件，它具有輸入信息、整理數(shù)據(jù)、輸出命令等功能，它有 40 個(gè)引腳。引腳圖如圖 所示。現(xiàn)將各引腳分別說明如下：圖 AT89S52 外部引腳圖1. P0 口P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口 P0 口寫 1 時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，此組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 FLASH 編程時(shí) P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)要求外接上拉電阻。2. P1 口P1口是一組帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸出口。作輸入口使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。與AT89S51 不同之處是，部計(jì)數(shù)輸入和觸發(fā)器輸入。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口接收低8位地址字節(jié)。P1口除了作為一般的I/O口線外，部分引腳還具有第二功能。表 P1 口的第二功能管腳 第二功能 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入，時(shí)鐘輸出12 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制 MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） 3. P2口P2 口是一組具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)