汽車倒車測距儀系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23768汽車倒車測距儀系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計案例 1195811系統(tǒng)硬件設(shè)計 1102441.1主控制模塊設(shè)計 187661.2復(fù)位電路設(shè)計 2103841.3超聲波測距模塊設(shè)計 292921.4報警電路的設(shè)計 4317321.5顯示模塊的設(shè)計 5285631.6驅(qū)動電路的設(shè)計 5213401.7剎車模擬的設(shè)計 683842系統(tǒng)軟件設(shè)計 7287422.1主程序的設(shè)計 7135232.2子程序程序及流程圖 8325792.3報警子程序 88602.4信號處理程序 824982.5數(shù)據(jù)內(nèi)部處理 91系統(tǒng)硬件設(shè)計基本工作原理：先設(shè)置警戒值通過按鍵電路，超聲波傳感器發(fā)出超聲，進行間距丈量，然后呈送到單片機，單片機進行處理運算，將結(jié)果通過數(shù)碼管呈示，并在計算所得數(shù)值小于警戒值時啟動蜂鳴器報警模塊報警，并進行剎車模擬。就系統(tǒng)的功能進行分析，將系統(tǒng)的工作模塊分為：電源模塊、主控模塊、測距模塊、顯示模塊、按鍵模塊、驅(qū)動模塊和報警模塊REF_Ref70867510\r\h[5]。總體電路圖見附錄1。1.1主控制模塊設(shè)計如圖1.1所示是單片機主最小系統(tǒng)電路。其中p0.0到p0.7接上拉電阻，輸出低電平為0

輸出高電平為高組態(tài)，p31.0到p1.3分別接數(shù)碼管的位選；INT1和INT0接超聲波傳感器的接收發(fā)送引腳；VCC和VPP接電源5v；p1.4到p1.7接按鍵電路；p1.0接蜂鳴器報警電路；X1和X2接驅(qū)動電路。圖1.1單片機主控電路1.2復(fù)位電路設(shè)計對比其他系列單片機，STC具有很多其它單片機所不具有長處。本論文單片機采用STC系列其一，執(zhí)行速率快的長處；其二，抗干擾能力很強。單片機的復(fù)位電路在剛接通電時，剛開始電容是沒有電的，電容內(nèi)的電阻很低，通電后，5V的電源通過電阻給電解電容進行充電，電容兩端的電會由0V慢慢的升到4V左右（此時間很短一般小于0.3秒），正因為這樣，復(fù)位腳由低電位升到高電位，引起了內(nèi)部電路的復(fù)位工作；當按下復(fù)位鍵時，電容兩端放電，電容又回到0V了，于是又進行了一次復(fù)位工作REF_Ref70867510\r\h[6]。如下圖1.2所示：圖1.2復(fù)位電路1.3超聲波測距模塊設(shè)計有多種選擇方案在測距模塊的設(shè)計中，比如，如雷達微波測距，激光測距和本次論文自己所使用用的超聲波測距。而最主要的是微波雷達不能安裝在不停移動的物體上在汽車倒車過程中。其中微波雷達測距原理是：只適用于單純無移動物體移動影響的環(huán)境中只要有回波產(chǎn)生，其就認定為完成一次測距，設(shè)備收到回波。而激光測距同理也是通過光來完成，對物體發(fā)出光信號，在光接觸物體后反射回來光，設(shè)備收到光信號。這就完成了測量。在測量過程中，我們要排除因環(huán)境的不同，光的不穩(wěn)定帶來的亮暗不同以及物體本身顏色對光的吸收以及反射造成的誤差。因而我們不采用激光測距。超聲波測距其唯一的缺點便是受外界溫度影響，基本原理是：聲波的發(fā)射和接收，所測得距離=時間間隔*聲波速度。而這種影響我們可以采用驅(qū)動電路進行消除。本設(shè)備的考慮以上情況后，采用超聲來實現(xiàn)對距離的測量。本設(shè)備超聲波模塊由發(fā)射器、接收器與控制電路超聲波組成，在此本論文將直接使用ＨＣ－ＳＲ０４來作為超聲波模塊，此模塊在此段時間內(nèi)與物體沒有實質(zhì)性挨上。感測功能距離為2cm-5.5m。HC-SRO4的基本參數(shù)如下表：表1.3HC-SRO4參數(shù)表基本工作原理：公式是所測設(shè)備到物體的距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。Gnd（接地線），vcc（5V電源），回聲信號的接口由四線構(gòu)成，輸入信號-trig進行接觸后發(fā)出指令支配。trig接I0口，高電平信號-10us;波形-40khz(8個自由發(fā)送)。若有發(fā)現(xiàn)由自己檢測到自己發(fā)發(fā)出的信號；IO口有一個Echo的高電平（有信號返回），而超聲波從設(shè)備到接觸物體后所經(jīng)過的時間和高電平出現(xiàn)到消失的時間相同。如下圖實物1.4。圖1.4超聲波接口電路圖圖1.5超聲波時序電路如圖1.5所示，設(shè)備隨機的發(fā)送消息給物體，并且在發(fā)送時記下一個時間點，在物體收到消息后在記下一個時間點，計算出兩個時間點的差，通過已知聲音在地球上的速度為340m/s，當設(shè)備接收器在接收到返回波時，此時將停止秒表的計時。計時器設(shè)為t，為此設(shè)備到物體的距離(s)為：s=340t/2就是所謂的時間差測距法。圖1.6測距原理1.4報警電路的設(shè)計如下圖所示，接到單片機的引腳上組成聲音報警電路包括三極管、Speaker和電阻。如圖1.6所示的聲音報警電路。當設(shè)備系統(tǒng)運算處理時，單片機會把一個低電平信號傳輸給蜂鳴器，蜂鳴器開始報警，表示距離信號小于事先規(guī)定的警戒值；圖1.6聲音報警電路圖1.5顯示模塊的設(shè)計本設(shè)備中，電路的顯示模塊的作用是電壓值測量顯示。在本設(shè)備，P2口產(chǎn)生的位選碼連接的是S引腳端的位選端。本次設(shè)計經(jīng)過我的仔細考慮以及綜合自己的實際情況，認為動態(tài)掃描是最合適方式。它是一個共陽極的數(shù)碼管，用于接收單片機的P1口。無論在任何時間段內(nèi)，顯示的過程中只存在一個顯示工作狀態(tài)數(shù)碼管，并一直處于動態(tài)掃描中。顯示部分如圖1.7，數(shù)碼管顯示接口電路，動態(tài)方式的優(yōu)點是十分明顯的，即耗電省，本模塊由由一個4位一體的7段LED數(shù)碼管構(gòu)成。圖1.7數(shù)碼管電路1.6驅(qū)動電路的設(shè)計為了減小誤差，一般單片機的晶振工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)。這樣才能在溫漂等誤差和負載電容的影響下，測得的是晶振的頻率。單片機的機器周期=12秒/晶振頻率，一般由12個時鐘周期組成。而時鐘周期=1秒/晶振頻率，所以單片機用12M晶振，運行速度為1M，由12個時鐘周期所組成。負載電容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C[6]。如圖1.8硬件結(jié)構(gòu)所示。圖1.8晶振電路圖1.7剎車模擬的設(shè)計剎車判斷是否進行的過程分為兩步，第一步在排除其他因素后從測距傳感器得到距離的值和方向；第二步判斷是否會發(fā)生碰撞，是否進行剎車，車是否安全。本次模擬采用5V的步進電機進行模擬剎車，驅(qū)動方式用芯片ULN2003驅(qū)動來實現(xiàn)，其參數(shù)如下圖1.9所示：圖1.9步進電機圖參數(shù)表剎車的原理是該車距離障礙物的距離，在設(shè)備檢測到到其車輛減速制動后，沒有接觸或碰到后面物體的距離。根據(jù)車子所處的路面狀況情景（濕/干）、后面車的距離以及速度以及對向行駛過來車速和距離，計算出"臨界車間距離"，根據(jù)路程的各種情況估計實際距離，來確定真是的距離。判斷安全/危險的方法，就是所得的除了誤差以外實際計算測量的距離等于或小于臨界車間距離時，剎車系統(tǒng)啟動。圖2.0步進電機原理圖2系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件主要模塊組成分別是主程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、報警程序，信號處理程序。而本設(shè)計的功能需要硬件和軟件共同實現(xiàn)，因此在我們完成硬件電路的基礎(chǔ)上，進行有軟件設(shè)計與完成。2.1主程序的設(shè)計運用代碼進行距離的實現(xiàn)時，計算距離實現(xiàn)過程會遇到復(fù)雜的代碼以及測量誤差帶來的影響，也就是距離的估算時，由于受其它因素影響，這是要做的精確。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化。在初始化結(jié)束后，調(diào)用距子程序，由設(shè)備產(chǎn)生一個脈沖，加載到發(fā)送端，通過發(fā)送端發(fā)送載波，為了讓發(fā)送端與接收端的直射波接觸，并導(dǎo)致觸發(fā)，這時，即可得被測物體與測距儀之間的距離。如圖2.1主程序的流程圖所示。2.1主程序流程圖2.2子程序程序及流程圖在超聲波部分，我們通過上述的設(shè)備51單片機進行處理，把分析型位結(jié)論通過代碼運行后呈現(xiàn)并發(fā)送到到數(shù)碼管。也是此程序的主要功能。圖2.2顯示子程序流程圖2.3報警子程序讓駕駛員更為明確的得知障礙物到車尾的距離是顯示的目，并且就此做出正確的判斷。而系統(tǒng)測距的目的是輔助駕駛員在進行倒車。沒有距離的顯示，只是進行報警，這個報警就是不完美的，其沒有起到輔助作用。為此，駕駛員對設(shè)備到物體的距離就沒有直觀的判斷，也就沒有很好的把握與控制。由于人的視覺會暫留，為此會受到斷電時數(shù)碼管的斷點余暉影響，動態(tài)顯示數(shù)碼管能極好的解決此類問題，最小系統(tǒng)單片機完全可以實現(xiàn)。因為這個系統(tǒng)要顯示出距離，如果采用靜態(tài)顯示，則I/0口資源多被占用的，考慮到系統(tǒng)資源的節(jié)約，我們采用動態(tài)顯示法。這樣就簡化電路，用8個I/O來掌控8個段，這是基于降低成本以及并聯(lián)所有的問的段選線在一起等方面考慮。動態(tài)掃描顯示依靠的是人眼睛具有視覺停留，人的眼睛看到的是靜態(tài)的一張張圖片，其實數(shù)碼管就是利用人的眼睛看到的視覺是靜止停留的，數(shù)碼管是一個一個依次發(fā)光來顯示，間隔十毫秒，而且在每個數(shù)碼管熄滅時會有一定的光輝，在人看過來發(fā)現(xiàn)都是發(fā)光的。為此，每位顯示的間隔時間在設(shè)計時要考慮。也就是如果要讓led發(fā)光熄滅的位的時間不超過100ms，，我們假定位為N=7，，每一位間隔的時間t為：t≤100ms/(N-1)led的位選控制口為PC口，報警模塊的啟用是在單片機處理所得最小距離小于警戒值時啟用，步進電機模擬剎車啟動；當兩者距離大于設(shè)備自主設(shè)定值時停止報警。聲音報警在一定程度上能夠在聽覺上提示駕駛員，是駕駛員提高警惕，讓自己發(fā)現(xiàn)車身距離過小，自己的車處于危險中，在這期間對駕駛員的提示就需要報警系統(tǒng)實現(xiàn)。2.4信號處理程序因為空中有各種干擾信號，如喇叭的鳴叫聲，汽車廢氣排出聲。在這些噪聲成分中，存在的諧波成分為，3*LIREF_Ref70867510\r\h。如果在放大器情況下信號放大，會出現(xiàn)一些其他的情況，如信號的干擾。另外，汽車在發(fā)動時，各種干擾因素也會有很多，如何在這么多的干擾因素中找出正確信號就成為這個處理的關(guān)鍵。為此，我們通過各種手段進行抗干擾，如進行硬件裝置的補救，還有軟件中利用代碼程序的實現(xiàn)抗干擾?；蛲ㄟ^回波信號脈寬來篩選出正確信號。但信號一般是微弱的，我們必須采用一種方法來增強信號。在電路處理當中，我們選擇高增益的放大電路。同時，我們也要防止在外環(huán)境下，各種不同條件下的信號干擾，為此，我們需考慮濾波處理。當我們的設(shè)備接收到信號時，不是直接顯示，而是在存滿4個信號時，與原來的信號對比，從中得出一個正確信號。2.5數(shù)據(jù)內(nèi)部處理傳感器所接收并計算的距離是初始距離，這其中有的不是直線最小距離，需要把設(shè)備到物體的距離的信號運算處理，然后在考慮呈現(xiàn)還是不呈現(xiàn)，報警還是不報警。況且如果數(shù)據(jù)不進行處理，則會受到障礙物與車位處置面角度，環(huán)境溫度的影響。這樣會有誤差，因而必須數(shù)據(jù)處理是。在進行數(shù)據(jù)進行處理后，消除了環(huán)境因素以及角度因素對系統(tǒng)數(shù)據(jù)所造成的誤差影響。具有代表性和說服力是設(shè)備到物體的最小垂直距離而不是物體到設(shè)備的距離。數(shù)據(jù)處理流程圖如下圖2.2.圖2.3數(shù)據(jù)處理流程圖因為我們所需要呈示的是遇到障礙后，障礙物到車身的最小垂直距離，而我們通過超聲波所得的的距離，是障礙到超聲波傳感器的距離，因此要對接收到的距離數(shù)據(jù)，通過一系列進行比對，然后出處理。三角形推理方法在此處采用正合適。具