【文章內(nèi)容簡介】 不同之處，但最終作用都是通過前方返回的探測信息判斷車后方障礙物與本車之間的相對距離，并根據(jù)程序中定義好的危險等級做出相應(yīng)的預(yù)防措施 [8]。下面對五種不同的測距技術(shù)方案進(jìn)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(dá)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(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)入到信號處理裝置內(nèi)光電二極管，利用計數(shù)器計數(shù)激光二極管啟動脈沖與光電二極管的接收脈沖問的時間差，即可求得目標(biāo)距離。利用掃描鏡系統(tǒng)中的位置探測器測定反射鏡的角度即可測出目標(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，通過對整個視場進(jìn)行逐點掃描測量，即可獲得視場內(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，照射待測區(qū)域。由于非掃描成像激光雷達(dá)測點數(shù)目大大減少，從而提高了系統(tǒng)三維成像速度。在汽車測距系統(tǒng)中，激光測距的應(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，具有造價低、速度快、穩(wěn)定性高等特點。由于激光雷達(dá)測距儀器處在高速運動的車體中，振動大，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(lǐng)域激光測距方式?jīng)]有得到發(fā)展 [10]。方案二：毫米波雷達(dá)測距 毫米波是指波長介于 1~10mm 之間的電磁波，雷達(dá)是利用目標(biāo)對電磁波反射來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其位置的。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)測距在原理上和以上幾種測距方式類似。毫米波頻率高、波長短，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作和干擾，另一方面由于多普勒頻移大，相對速度的測量精度高。毫米波雷達(dá)的主要特征有兩個，一個是具有穩(wěn)定的探測性能，不受被測物體表面形狀、顏色等的影響，對大氣紊流、氣渦等具有適應(yīng)性。另一個是具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，毫米波雷達(dá)的穿透能力很強，其測距精度受雨、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)施的電磁波對其測距性能都有影響。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，它的價格又昂貴，市場價格在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)測距 CCD 攝像機是一種用來模擬人眼的光電探測器。它具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗小、噪聲低、動態(tài)范圍大、光計量準(zhǔn)確、其線掃描輸出的光電信號有利于后續(xù)信號處理等優(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，可獲得被測視野的二維圖像，但無法確定與被測物體之間的距離。只使用一個 CCD 攝像機的系統(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7攝像機同時對同一景物成像，通過對這兩幅圖像進(jìn)行計算機分析處理，即可確定視野中每個物體的三維坐標(biāo)，這一系統(tǒng)稱為雙目攝像系統(tǒng)。它模仿人體視覺原理，測量精度高。但目前價格較高，同時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(jù)發(fā)射波和反射時間來判斷目標(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)信號的強弱及波長的不同，同時分析時問差，可分析出前方物體的性質(zhì)及與汽車的距離。紅外線的最大探測距離為 10m，測距時響應(yīng)的時問較慢。紅外線測距在技術(shù)上難度不大，構(gòu)成的測距系統(tǒng)成本較低，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，有顯著的熱效應(yīng)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，具有極強的隱蔽性。夜間同樣不妨礙測距儀的工作，故該種測距儀廣泛應(yīng)用在軍用汽車上 [13]。方案五：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)的振動稱為聲振動，聲振動所激起的縱波稱為聲波。頻率高于 20kHz 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，超聲波是一種彈性機械波，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 個等級，其速度相對電磁波是非常慢的。由于超聲波指向性強，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(dá)到工業(yè)實用的要求，因而超聲波經(jīng)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(xiàn)，在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。由上述敘述可知，超聲波測量能夠達(dá)到系統(tǒng)中所要求的測量精度，一般應(yīng)用在汽車倒車系統(tǒng)上 [15]。 從以上五種測距技術(shù)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(shù)主要用于短距離探測，其成本低、制作安裝簡便、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，對環(huán)境適應(yīng)性較差，測量不準(zhǔn)確；毫米波雷達(dá)測距和激光測距相對于超聲波測距來講精度更高，定位更準(zhǔn)確；攝像系統(tǒng)技術(shù)價格較貴，毫米波雷達(dá)技術(shù)和激光技術(shù)的成本很高，所以運用其原理進(jìn)行測量的設(shè)備價格也是相當(dāng)高的，因而8現(xiàn)在只是在比較高級的轎車中才有所應(yīng)用。綜合以上考慮和實際應(yīng)用條件，本系統(tǒng)的測距模塊采用的是第五種方案，超聲波測距，它成本低，制作安裝簡便，抗干擾能力強。 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 存儲空間，能以3V 的超低壓工作，而且與 MCS51 系列單片機完全兼容。但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備 ISP 在線編程技術(shù)，當(dāng)在對電路進(jìn)行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插會對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；同時也與 MCS51 系列單片機完全兼容，該芯片內(nèi)部有 8KB ROM 的存儲空間，同樣具有AT89C51 的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，在對電路進(jìn)行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，不需要對芯片多次拔插，避免對芯片造成損壞 [17]。綜上所述，本設(shè)計選擇 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)碼管動態(tài)掃描，LED 數(shù)碼管價格適中， 設(shè)計簡單，易于安裝，對于顯示數(shù)字最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時，占用的單片機口線少。但顯示的數(shù)據(jù)量有限。方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯示采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合，如用來顯示數(shù)字有點太浪費了，特別是其價格相對較高 [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，和單片機的接口設(shè)計也較簡單方便 [19]。綜合課題的實際要求、考慮單片機的接口資源，本系統(tǒng)采用 LCD 液晶作為輸出設(shè)備，LCD 液晶能夠同時顯示溫度與距離兩組數(shù)據(jù)。 測溫方案的選擇方案一：采用 AD590 測溫9 AD590 是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到溫度值，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?！?。AD590 輸出電流信號傳輸距離可達(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，適用于多點溫度測量和遠(yuǎn)距離溫度測量的控制。 方案二：采用 DS18B20 測溫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)字測溫和控制領(lǐng)域。它的測量溫度范圍寬，測量精度高。DS18B20 的測量范圍為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)計采用了 DS18B20，其具有接線簡單，可直接數(shù)字化的優(yōu)點。 本章小結(jié)　 本章首先根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，確定了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，對系統(tǒng)的四個模塊：測距模塊、控制模塊、顯示報警模塊和溫度補償模塊分別進(jìn)行了方案選擇，確定了本系統(tǒng)以 AT89S52 單片機為核心，用超聲波發(fā)射器和接收器來測距、用 LCD 顯示距離、并用溫度補償來提高測距精度的汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的方案。10第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計思想 該測距裝置是由超聲波發(fā)射/接收電路、單片機控制電路、測溫電路、 LCD 顯示和蜂鳴器報警電路組成。首先單片機給超聲波發(fā)射電路輸入頻率為 40KHz 的信號波，發(fā)射出超聲波，同時啟動定時器計時，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經(jīng)過放大、濾波、整形后輸入單片機的 INT0端，產(chǎn)生中斷，計數(shù)器停止計數(shù)。測出從超聲波發(fā)射脈沖群時刻到接收回波信號時刻差，超聲波在同溫同介質(zhì)中的傳播速度由測溫系統(tǒng)得知，將時刻差與聲速相乘，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，蜂鳴器報警。 控制模塊的設(shè)計 單片機 AT89S52單片機是將中央處理器（CPU） 、隨機存儲器（RAM） 、只讀存儲器（ROM） 、定時器芯片和一些輸入/輸出接口電路集成在一個芯片上的微控制器。 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲技術(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 單片機產(chǎn)品兼容，8K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ROM，三級程序存儲器鎖定，1288 位內(nèi)部 RAM，32 個可編程 I/O 口線，3 個 16位定時器/計數(shù)器，8 個中斷源，全雙工 UART 串行通道，看門狗定時器，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 個引腳。引腳圖如圖 所示?，F(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，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口 P0 口寫 1 時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，此組口線分時轉(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 P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時輸出指令字節(jié)，校驗時要求外接上拉電阻。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口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫 1，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口使用時，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，部計數(shù)輸入和觸發(fā)器輸入。在flash編程和校驗時， 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 定時器/計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入，時鐘輸出12 定時器/計數(shù)器 T2 的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制 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 4 個