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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，引起了全社會的普遍關注。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政府和社會日益關注的問題。根據(jù)2010年度道路交通事故的統(tǒng)計，發(fā)生交通事故219521起，死亡人數(shù)達到65225,受傷人數(shù)有254075，造成的直接財產(chǎn)損失有926335315元。其中由追尾相撞導致的事故有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]。
毫米波雷達測距方式；攝像系統(tǒng)測距方式；激光測距方式；超聲波測距方式。毫米波雷達存在電磁波相互干擾問題，攝像系統(tǒng)則造價高昂，均難以在汽車上普及[3]。激光測距具有測量時間短、量程大、精度高等優(yōu)點，適應汽車從低速前進到高速前進的測距需求，避免汽車高速行駛時因測距速度慢造成的測距失準現(xiàn)象。超聲波測距原理簡單，制作方便，成本比較低，但其只適用于較短距離低速測距，故將其應用于汽車倒車時測距[4]。本文提出的將激光測距[5]和超聲波測距[6]相結(jié)合的安全報警系統(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，當障礙物距離小于設定安全距離時給駕駛員警報，避免駕駛員反應不及時引發(fā)交通事故。本設計適用于現(xiàn)實生活，具有高效率，低功耗，低成本的特點，適合當下市場經(jīng)濟，有一定的經(jīng)濟效益，具有開發(fā)和研究的潛力及意義。
1.2 國內(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,可以探測到前方車輛與自車的距離，準確的預測發(fā)生碰撞的概率。當存在碰撞危險時,會以聲音為信號來提醒駕駛員注意。當存在極大碰撞可能性時,制動系統(tǒng)會進入微制動狀態(tài)，收緊安全帶來提高駕駛員的安全警惕性。當碰撞不可避免時，加大制動強度[7]。美國的汽車防碰撞技術已經(jīng)相當先進,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，探測距離約106米。
相對于國外先進的汽車避撞控制系統(tǒng)而言，我國在該方面的研究明顯落后,2008年,由南京理工大學陳錢教授研發(fā)的“激光探測汽車主動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)合信號分析與處理技術，自動給汽車的執(zhí)行命令進行控制，當障礙物消失之后，汽車恢復正常行駛[8]。
2014年作者張安然在《一種倒車防碰撞系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》設計了一種由超聲波和語音提示為核心的輔助汽車泊車裝置，最后對系統(tǒng)進行測試驗證了系統(tǒng)的準確性及可靠性,說明系統(tǒng)具有一定的實用價值[9]。但是由于超聲波檢測有一定的局限，因此安全性不高。
2016年作者邱宏超，劉教瑜，肖杰，方琳在《具有語音播報的測距儀的設計》中超聲波測距相比較于激光測距和紅外測距，更為貼近于生活民用，成本低，操作簡單，適用范圍廣，在近距離內(nèi)精度較高[10]。介紹超聲波測距的原理及控制方式，并使用單片機實現(xiàn)測距同時進行實時的語音播報的實現(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，龍琦玉，黃夏妮在《基于激光測距的汽車防碰撞系統(tǒng)設計》中利用激光探測前方路況，并通過單片機控制預警和防撞系統(tǒng)幫助駕駛者對險情提前進行預判并采取相關措施（報警或者自動制動)[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)不能針對多種情況，結(jié)構單一。
2017年作者李陽娟在《車輛前向防碰撞主動預警系統(tǒng)設計》研究設計了一種車輛前向防碰撞主動預警系統(tǒng),系統(tǒng)通過毫米波雷達傳感器進行車輛之間相對距離及相對速度監(jiān)測，通過卡爾曼濾波算法對前向有效目標車輛進行優(yōu)先監(jiān)測，通過兩級預警策略算法進行預警，在車輛存在潛在的碰撞危險時,通過視覺、聽覺、觸覺三種方式發(fā)出報警信息[12]。
2019作者孟宓,程史靚在《行車防碰撞系統(tǒng)設計》通過對行車行駛測距測速及制動停車過程的分析,利用微波雷達傳感器設計了一個運動中的行車利用單片機對多普勒頻移信號（與相對距離成正比)進行處理,并控制點陣液晶顯示屏顯示行車相對距離及相對速度的自動測量顯示儀器[13]。
2020年作者呂淑芳在《基于STC89C52單片機的汽車倒車防撞警報系統(tǒng)》設計以STC89C52為主控單片機，實現(xiàn)了一款汽車倒車防撞警報系統(tǒng),由HC-RSO4超聲波測距模塊實時測量一旦超出安全距離就發(fā)出警報聲，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)電路設計合理運行穩(wěn)定，工作性能好,響應速度快，通過計算實時顯示測量數(shù)據(jù)，具有一定的測量精度可以滿足需求。
2020孫月發(fā),王炳章在《基于激光測距技術的汽車倒車控制系統(tǒng)研究》針對常規(guī)的汽車倒車控制系統(tǒng)中測試精度不足的問題，設計基于激光測距技術的汽車倒車控制系統(tǒng)[15]。通過激光測試的距離感知汽車倒車的周圍環(huán)境在硬件設計完成的基礎上制定控制規(guī)則以此為依據(jù)采用模糊控制法實現(xiàn)汽車倒車控制。測試結(jié)果表明:與常規(guī)的汽車倒車控制系統(tǒng)相比設計的基于激光測距技術的汽車倒車控制系統(tǒng)測試精度更高該系統(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
針對國內(nèi)外汽車避撞系統(tǒng)的研發(fā)來分析,存在一個共性的特點﹐都是來解決縱向的制動碰撞問題,系統(tǒng)的設計存在一定的局限性。在現(xiàn)有控制系統(tǒng)技術的基礎上，有必要通過專項避讓來躲避前方和后方障礙物的防碰撞系統(tǒng)。采用單片機為控制核心，不僅功能強大、價格便宜、反應快、只需要較少的外圍電路就可以實現(xiàn)系統(tǒng)設計。
1.3本文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排
根據(jù)本文目的，設計出一種基于單片機為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波、激光兩種方式的測距以及人機交互功能的汽車防碰撞系統(tǒng)設計。章節(jié)安排如下
(1)系統(tǒng)總體方案設計；
(2)系統(tǒng)硬件、軟件設計；
(3)系統(tǒng)硬件、軟件調(diào)試；
(4)總結(jié)與展望。
2系統(tǒng)總體方案設計
2.1控制要求
為了實現(xiàn)設計目的，控制要求如下：
(1)微處理器穩(wěn)定運行；
(2)實時與超聲波、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，可以人機交互。
2.2系統(tǒng)框架
系統(tǒng)的設計主要由八部分組成。超聲波測距模塊、激光測距模塊共同組成采集外部環(huán)境數(shù)據(jù)部分，按鍵模塊單獨為外部輸入部分，電源模塊單獨組成外部供電部分，經(jīng)過單片機進行數(shù)據(jù)分析與處理，繼而控制繼電器制動，將實時信息顯示到顯示模塊上，并且控制報警模塊和語音播報模塊提示用戶。系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖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
本文設計一款將激光測距和超聲波測距相結(jié)合的汽車防碰撞系統(tǒng)，根據(jù)設計要求以及低成本，高效率。對單片機進行選型：
方案一：傳統(tǒng)的8051內(nèi)核8位單片機，相比較STC89C52RC，現(xiàn)如今有增強型的51單片機，兼容51指令，運行速率為前者的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，該單片機有8位和16位種類的，片內(nèi)外設比較豐富，滿足設計需求，但同等使用需求下，價格比方案一類型單片機高。
因此選擇STC宏晶公司生產(chǎn)的8051內(nèi)核的15系列單片機，型號為STC15W4K32S4，在運行速度、外設數(shù)量、存儲空間等方面比傳統(tǒng)的51單片機有很大的優(yōu)勢。見圖2.2STC15W4K32S4引腳圖。
2.2 STC15W4K32S4引腳圖
2.3.2測距模塊方案
選擇合適的測距模塊，能夠及時反應距離信息。系統(tǒng)中測距一共分為前向測距和后向測距。因此根據(jù)需求選擇合適的測距模塊，
方案一：選擇超聲波模塊測距傳感器。此模塊對液體、固體的穿透性強，發(fā)射的聲波遇到遮擋物后會反射成回波。原理簡單，只需對模塊兩個信號腳中的Trig引腳發(fā)送啟動脈沖，利用單片機檢測Echo引腳的回響。開啟定時器計時運用聲波在空氣中的傳播速度公式就能得出距離。因為這個特性，超聲波不易在速度很快的的情況下使用，所以在前向測距時，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：選擇激光車測距傳感器。該模塊比較與超聲波模塊，測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，被光學系統(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傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定目標距離。根據(jù)這個特性可知，激光測距傳感器適合在高速的情況下使用，能夠精確測得到距離信息。
選定超聲波作為檢測后距的測距傳感器，激光作為檢測前距的測距傳感器。
圖2.3超聲波實物圖
GY-53L1 是一款紅外激光測距傳感器模塊。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算距離值，測量比超聲波更為精確。通信方式為串口也可以為IIC，因此有利于設計開發(fā)的選擇。見圖2.4激光測距模塊實物圖。
圖2.4激光測距模塊實物圖
2.3.3語音播報模塊方案
用來播報的語音芯片種類繁多，大致可以分為兩類。對應兩個方案：
方案一：采用OTP類型語音芯片，這種芯片外電電路簡單，成本很低，在很多玩具設備中能看到它的身影，把需要的語音內(nèi)容提前燒錄進芯片，驅(qū)動后通過外放喇叭就能使用。這里可以使用它實現(xiàn)本系統(tǒng)的語音播報功能。
方案二：采用MTP類型語音信，該芯片可多次燒錄反復使用，雖然性能比方案一介紹的芯片好，但是外圍電路復雜驅(qū)動難度高，情況不復雜的前提下不建議使用該類型的芯片。
見圖2.6OLED實物圖（IIC接口）。整個方案的費用為節(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，因為數(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、功耗上性能遠遠比數(shù)碼管、LCD1602、LCD12864強上很多。同時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實物圖（IIC接口）。
圖2.6 OLED實物圖（IIC接口）
2.3.5按鍵模塊方案
用到按鍵開關又叫輕觸開關，應用在工業(yè)、醫(yī)療、教育等領域，根據(jù)本文設計要求采用輕觸開關作為按鍵，輕觸開關是一種電子開關，只需要點擊按鈕就能使其導通，當松開手時按鍵開關既斷開，電子開關內(nèi)部結(jié)構依靠金屬彈片受力彈動來完成通斷的。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按鍵實物圖。
圖2.7按鍵實物圖
2.3.6制動方式方案
繼電器在工業(yè)上也很常見，規(guī)格不一。柜門的開關可以用用繼電器進行模擬，因為系統(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。使用繼電器關閉導通配合一個LED的閃滅模擬汽車的剎車制動。繼電器有很多種類型，本文采用額定電壓為直流5V， 型號是SRD-5VDC-SL-C，一路開關，額定電流為 10A， 品牌是SONGLE/松樂，觸點形式為轉(zhuǎn)換型，觸點切換電流10A，防護特征為 密封式，觸點負載是中功率。見圖2.8繼電器實物圖。
圖2.8繼電器實物圖
3系統(tǒng)硬件設計
3.1系統(tǒng)總體設計
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單片機為主控，該單片機一共可用I/O口為38個，GY-53紅外激光占用一個串口資源為2個I/O口、HC-SR04超聲波傳感器占用一個定時器資源為2個I/O口、有源蜂鳴器占用1個I/O口、OLED顯示采用模擬IIC通信占用兩個I/O口，按鍵占用3個I/O口、語音播報占用3個I/O口、繼電器占用一個I/O口，總計分配14個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主要硬件電路設計
3.2.1控制核心電路設計
本系統(tǒng)采用的STC15W4K32S4，不需要像傳統(tǒng)51單片一樣帶復位電路、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)省了設計開發(fā)時間。為了保證單片工作穩(wěn)定正常，故在電源引腳并上了一個104和一個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，設置好單片機主頻頻率為11.0592MHz。復位電路則是連上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超聲波檢測電路設計
單片機的P1.5連接Trig引腳，P1.6連接Echo引腳。啟動超聲波時，需要給Trig引腳啟動脈沖電平，隨即等待Echo的回響電平。通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式：uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是：距離=高電平時間*聲速（340M/S）/2；見圖3.3超聲波測距電路圖。
圖3.3超聲波測距電路圖
3.2.3 GY-53激光檢測電路設計
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。占用單片機的一個串口2資源，連接單片機的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; (測量時間為 110ms)
Mode= 0x06&0x03=2; (測量模式為中距離模式，量程為 50~4000mm)
見圖3.4激光測距電路圖。
圖3.4激光測距電路圖
3.2.4OLED顯示電路設計
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，占用單片機資源減少，SDA（數(shù)據(jù)線）連接單片機的P4.2、SCL（時鐘線）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)軟件設計與實現(xiàn)
4.1主程序流程
軟件根據(jù)C語言模塊化進行設計。在主程序中實際上掃描的主體是按鍵函數(shù)和一些變量標志位，這樣不僅僅大大提高了程序的實時性和CUP的整體效率，通過按鍵和這些變量標志位調(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。
