【文章內(nèi)容簡介】 證所以在汽車防撞領(lǐng)域激光測距方式?jīng)]有得到發(fā)展 方案二毫米波雷達測距 毫米波是指波長介于 l～ l0mm 之間的 電磁波雷達是利用目標(biāo)對電磁波反射來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定其位置的 作為車載雷達目前適用的主要有脈沖多普勒雷達雙頻 CW雷達和 FM雷達三種應(yīng)用雷達測距需要防止電磁波干擾雷達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)用毫米波雷達測距易受電磁干擾而且成本太高結(jié)構(gòu)復(fù)雜其價格昂貴市場價格在 1500 元以上一般使用于高檔轎車 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 雙目攝像系統(tǒng)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 l2～ 13 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間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)的時間較慢約 ms 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 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 20210Hz 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 20210Hz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電磁波的傳播速度為 ms 超聲波在空氣中的傳播速度約為 340ms 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 由于超聲波指向性強能量消耗緩慢在介質(zhì)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)實用的要求因而超聲波經(jīng)常用于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到系統(tǒng)中所要求的測量精度可以應(yīng)用在汽車倒車系統(tǒng)上 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成本低制作安裝簡便適應(yīng)惡劣環(huán)境紅外線技術(shù)一般用于夜間環(huán)境對環(huán)境適應(yīng)性差微波雷達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技術(shù)和激光技術(shù)的成本很高所以運用其原理進行測量的設(shè)備價格也是相當(dāng)高的因而現(xiàn)在只是在比較高級的轎車中才有所應(yīng)用具體性能比較見表 3l 為各種傳感器測距方式的比較 表 31 各 種傳感器測距性能比較 超聲波 紅外線 攝像系統(tǒng) 毫米波雷達 激光 最 大 探 測 距 離 10m 10m 大于 100m 大于 150m 可達 150m 響應(yīng)時間 較快約為 15ms 慢 ms 取決于處理時間 快可達到 1ms 很快約 10ms 探頭磨損污染等因素的影響 幾乎沒有影響 影響不大 大直接影響分辨能力 較小 很大使探測距離減少 1213 成本比較 探頭約 20 元一支工作機理簡單探頭易安裝 約 80 元 大于 1000 元 大于 1500 元價格昂貴結(jié)構(gòu)復(fù)雜 約 500元 環(huán)境適應(yīng)性 好可以工作在惡劣環(huán)境中 差但在能見度低時比 其他光學(xué)系統(tǒng)好 差可見性不好條件下無法工作 較好不受能見度影響 差受惡劣環(huán)境影響 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 二超聲波測距方案設(shè)計 方案一取輸出脈沖的平均值電壓該電壓 其幅值基本固定 與距離成正比測量電壓即可測得距離但比例系數(shù)不易測定 方案二測量輸出脈沖的寬度即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t 被測距離為 S vt／ 2此方法可用單片機程序計算超聲波發(fā)射接收的時間差進而計算出距離簡單可行精確度較高 故本測量電路采用第二種方案由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)如果溫度變化不大則可認(rèn)為聲 速基本不變?nèi)绻麥y距精度要求很高則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ暡y距適用于高精度的中長距離測量因為超聲波在 20 的空氣中的傳播速度為 334米秒由單片機負(fù)責(zé)計時單片機使用 120晶振所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級 三控制系統(tǒng)方案設(shè)計 在控制系統(tǒng)的方案選擇上由于整個系統(tǒng)的設(shè)計涉及到數(shù)據(jù)處理控制實時性等問題選用基于微控制器的系統(tǒng)電路的實現(xiàn)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)需要微控制器有很強的抗干擾能力而且要求微控制器內(nèi)部有看門狗定時器以便在程序走飛時能自動復(fù)位執(zhí)行 指令速度要快以便能高速處理采集到實時數(shù)據(jù) 方案一采用上位下位機 PLC 的控制系統(tǒng) 上下位機 PCPLC 技術(shù)是基于工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的可編程序控制器 PLC 控制程序發(fā)展而來的可編程序控制器 PLC 在 PCPLC 技術(shù)中作為下位機其運行可靠性得到了一致認(rèn)可 PLC 在系統(tǒng)中的作用是通過現(xiàn)場檢測元件各類傳感器采集系統(tǒng)運行參數(shù)將運行參數(shù)送至 PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)送到 PLC 控制主機由 PLC 的主機 CPU 對數(shù)據(jù)進行處理最后通過總線網(wǎng)絡(luò)送至上位工業(yè)控制計算機 主控機 PC 但是用 可編程控制器 PLC通過數(shù)據(jù)采集控制多個傳感器的方式這種方式多用于工業(yè)生產(chǎn)中體積大安裝不方便而且成本高 方案二微控制器選用 ATMEL 公司的 AT89C52 單片機的控制系統(tǒng) AT89C52 是一個 8k 字節(jié)可編程 FPEPROM 的高性能微控制器具有內(nèi)存較大功能強抗干擾能力強軟硬件資源都比較豐富等特點其外圍接口電路簡單具有很高的性價比成本低而且它經(jīng)過多年的發(fā)展技術(shù)也相當(dāng)?shù)某墒焖c工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51的指令和引腳兼容因而是一種功能強大的微控制器它對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高度靈活有效的解決方案 圖 32 單片機控制系 統(tǒng) 綜合以上比較方案一系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理任務(wù)控制實時性要求高但設(shè)計復(fù)雜體積較大成本高而方案二設(shè)計簡單體積小安裝簡易成本低等特點本系統(tǒng)采用的是第二種方案作為控制系統(tǒng) 四顯示報警系統(tǒng)方案設(shè)計 顯示器是一個典型的輸出設(shè)備而且其應(yīng)用是極為廣泛的幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已最簡單的顯示器可以使用 LED 發(fā)光二極管設(shè)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(guān)量信息而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的 LCD液晶屏其成本在幾十元到百元不等 一數(shù)碼管 方案一 LCD液晶 顯示器 LCD液晶顯示器是利用光的偏振現(xiàn)象來顯示的既能顯示簡單的字符也能顯示各種復(fù)雜的圖形和自定義的字符因此應(yīng)用比較廣泛 LCD液晶器具有本身不發(fā)光靠反射或者透射其他光源的優(yōu)點同時具有功耗小可靠性高壽命長體積小電源簡單等特點非常適合于嵌入式系統(tǒng)移動設(shè)備和掌上設(shè)備的使用 方案二 LED顯示器是由 LED發(fā)光二極管發(fā)展過來的一種顯示器件是發(fā)光二極管的改型 LED 是發(fā)光二極管的簡稱是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的設(shè)備本身也是一種光源 LED 顯示器是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件它采用低電壓掃描驅(qū)動具有耗電少使用壽命長成本低亮度高故障 少視角大可視距離遠等特點 簡單地說 LCD與 LED是兩種不同的顯示技術(shù) LCD是由液態(tài)晶體組成的顯示屏而 LED 則是由發(fā)光二極管組成的顯示屏但是 LED 顯示器與 LCD 顯示器相比 LED在亮度功耗可視角度和刷新速率等方面都更具優(yōu)勢 所以本設(shè)計采用方案二 二顯示方式 方案一靜態(tài)顯示所謂靜態(tài)顯示就是當(dāng)顯示器顯示某一字符時相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止該方式每一位都需要一個 8 位輸出口控制靜態(tài)顯示時較小的電流能獲得較高的亮度且字符不閃爍但當(dāng)所顯示的位數(shù)較多時靜態(tài)顯示所需的 IO 口太多造成了資源的浪費 方案二動態(tài)顯示所謂動態(tài)顯示 就是一位一位的輪流點亮各個位對于顯示器的每一位來說每隔一段時間點亮一次利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示但必須保證掃描速度足夠快字符才不閃爍顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)也與點亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)調(diào)整參數(shù)可以實現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示動態(tài)顯示節(jié)省了 IO 口降低了能耗 本設(shè)計從節(jié)省 IO 口和降低能耗出發(fā)采用方案二 三報警方式 報警信號通常有三種類型一是閃光報警因為閃動的指示燈更能提醒人們注意二是鳴音報警發(fā)出特定的音響作用于人的聽覺器官易于引起和加強警覺三是語音報警不僅能起到報警作用還能直接給出警報種類的信息 1． 閃光報警 閃光報警是最簡單也是最常用的一種報警方式單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的閃光報警就是在控制指示燈的程序中加入定時程序按一定的時間間隔來交替點亮與熄滅指示燈閃光報警在硬件連接上非常簡單通?？衫?AT89C52的 I口直接驅(qū)動發(fā)光二極管實現(xiàn) 圖 34 鳴音報警電路 五復(fù)位電路方案設(shè)計 單片機在啟動時都需要復(fù)位以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)并從初態(tài)開始工作 89 系列單片機的復(fù)位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時且振蕩器穩(wěn)定后如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期 24 個振蕩周期 以上則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動復(fù)位 一上電復(fù)位 上電復(fù)位電路如圖 35 所示只要在 RST 復(fù)位輸入引腳上接一個電容至 Vcc端下接一個電阻到地即可對于 CMOS 型單片機由于在 RST 端內(nèi)部有一個下拉電阻故可將外部電阻去掉而將外接電容減至 1μ F 上電復(fù)位的工作過程是在加電時復(fù)位電路通過電容加給 RST端一個短暫的高電平信號此高電平信號隨著 Vcc對電容的充電過程而逐漸回落即 RST 端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位 RST端的高電平信號必須維持 足夠長的時間上電時 Vcc的上升時間約為 10ms 而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率如晶振頻率為 10MHz起振時間為 1ms 晶振頻率為 1MHz 起振時間則為 10ms 在圖 35 的復(fù)位電路中當(dāng)Vcc 掉電時必然會使 RST 端電壓迅速下降到 0V 以下但是由于內(nèi)部電路的限制作用這個負(fù)電壓將不會對器件產(chǎn)生損害另外在復(fù)位期間端口引腳處于隨機狀態(tài)復(fù)位后系統(tǒng)將端口置為全 l 態(tài)如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復(fù)位則程序計數(shù)器PC 將得不到一個合適的初值因此 CPU 可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序 圖 35 上電復(fù)位電路 二手動復(fù)位 圖 36 手動復(fù)位電路 手動復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST上加入高電平圖 36一般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個按鈕當(dāng)人為按下按鈕時則 Vcc 的 5V 電平就會直接加到 RST 端手動按鈕復(fù)位的電路如圖所示由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒所以完全能夠滿足復(fù)位的時間要求 本設(shè)計采用手動復(fù)位電路 六時鐘電路方案設(shè)計 時鐘電路用于產(chǎn)生 MCS51 單片機工作所必需的時鐘信號時鐘電路有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種方式 一內(nèi)部時鐘方式 8052 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器圖 37 是 MCS51 單片機內(nèi)部時鐘方式的振蕩器電路 圖 37 片內(nèi)時鐘電路 外接晶體以及電容和構(gòu)成并聯(lián)諧振電路接在放大器的反饋回路中對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求但電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低振蕩器的穩(wěn)定性起振的快速性和溫度穩(wěn)定性外接晶體時和的值通常選擇為 30pF 左右外接陶瓷諧振器時和的典型值約為 47pFMCS51 單片機常選擇振蕩頻率為 6MHz 或12MHz 的石英晶體 二外部時鐘方式 外部時鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號常用于多片 MCS51 單片機同時工作以便于同步對外部脈沖信號只要求高電平持續(xù)時間大于 20μ s一般為低于 12MHz的方波這時外部振蕩器的信號接至 XTAL2即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端 XTAL1應(yīng)接地如圖 38 由于 XTAL2 端的邏輯電平不是 TTL 的故建議接一個上拉電阻 圖 38 外部時鐘電路 本設(shè)計只采用一片單片機所以采用片內(nèi)時鐘電路 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 可視倒車?yán)走_預(yù)警系統(tǒng)主要實現(xiàn)汽車尾部到障礙物之間的距離測量硬件設(shè)計包括測距系統(tǒng)設(shè)計 超聲波發(fā)射接收系統(tǒng) 單片機控制系統(tǒng)設(shè) 計和顯示報警系統(tǒng)設(shè)計其中測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊構(gòu)成控制系統(tǒng)設(shè)計主要對 AT89C52 單片機系統(tǒng)進行設(shè)計顯示報警系統(tǒng)設(shè)計主要對數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換蜂鳴器和動態(tài)顯示電路進行設(shè)計軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想可使程序設(shè)計思路清晰便于調(diào)試