毕业论文--基于单片机控制的泊车辅助系统设计

毕业论文--基于单片机控制的泊车辅助系统设计内容摘要：

压电晶片的固有震荡频率时，压力晶片将会发生共振，并带动共振板振动，将机械的能转为电信号的这一过程，这就成了超声波探头的工作原理。 为了更好地研究超声波和利用起来，人们已经设计和制造出很多超声波发声器，超声波探头加以运用在使用汽车倒车雷达上。 这种原理用在一种非接触检测技术上 ，用于测距来说其计算简单 ,方便迅速 ,易于做到实时控制，距离准确度达到工业实用的要求。 倒车雷达用于测距上，在某一时刻发出超声波 信号，在遇到被测物体后的射回信号波，被倒车雷达接收到，得用在超声波信号从发射到接收回波信号这一个时间而计算出在介质中的传播速度，这就可以计算出探头与被探测到的物体的距离。 探测盲区 虽然 倒车雷达 给我们带来很多方便，但不能过分依赖，因为雷达也有盲区，在以下这几种情况下，雷达是不会做出反应的： 过于低矮的障碍物 一般来说低于探头中心 10~15cm 以下的障碍物就有可能被探头所忽视，而且障碍物距离车位距离越近，这一高度值也就会随之降低，危险性也随之增大。 过细的障碍物 由于雷达探头发射的声波信号较窄，因此在探测较细的障碍物是存在着较大的盲 5 区，一些道路上用来阻隔车辆的隔离桩，电线杆上的斜拉钢缆都是危险物品。 沟坎 雷达是用来探测障碍物的，车后有着沟坎，那么雷达是绝对不会做出反应的。 6 第 2 章 泊车辅助系统的 设计 方案 测距方式和提示方式比较 测距方式 测距方式对系统测量精度及稳定性都有较大影响。 因此选择一种合适的测距方式对系统性能提高有很大帮助。 目前汽车倒车探测器使用的距离测量方式多种多样，主要有激光测距、红外线测距、 CCD 摄象机和超声波测距这几种，它们各有优缺点，下面对它们各自的特点进行详细分析和比较。 一、 激光测距 激光测距装置是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。 目前在汽车上应用 较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。 非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。 它的工作原理是 :从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内的光电二极管，利用计数器计算激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。 利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。 成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描 成像激光雷达。 扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标的三维信息。 非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。 由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成像速度。 在汽车测距系统中，非成像式激光雷达更具有实用价值。 同成像式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等特点。 但由于激光雷达测距仪器工作环境是处于高速运动的车体中，振动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考虑省电、低价、对人眼安全等因素。 目前，在汽车上，上述各种激光雷达测距仪均有应用，但成像式激光雷达还在进一步研究之中。 二、 红外线测距 红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，波长为 ～ 1000μ m。 有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。 同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。 车载传感器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。 但其由于波长及大小很难准确分辩，因此 红外传感器角度分辨率高，而距离分辨率低。 由于红外线人类肉眼感知不到，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车 7 上。 但是 ,它比较容易受到光源和热源影响。 三、 CCD 摄像机 CCD ( Charge Coupled Device)摄像机即电荷耦合器摄像机，它是一种用来模拟人眼的光电探测器。 它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。 利用面阵 CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。 只使用一个 CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。 为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。 双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。 但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。 随着计算机软硬件性能的提高，最终将得到广泛应用。 四、 超声波测距 超声波一般指频率在 40KHz 以上的机械波，具有穿透性较强 、衰减小、反射能力强等特点，超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。 工作时，超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。 超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲。 最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。 超声波在空气中传播的速度会受到温度、湿度、大气压力等因素的影响，在这些因素中，温度对其速度的影响更大一些，而且环境温度的变化更为经常。 研究表明，声速v与热力学温度θ的平方根成正比， 温度越高声速越大，温度越低声速越小。 0℃时，空气中声速的实验值为 / s，而空气中声速的近似表达式为： 3 3 1 .4 1 / 2 7 3c  (m/s)，根据计时器记录的时间 t，可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即 : /2s ct。 这就是所谓的时间差测距法。 超声波测距仪原理简单，在自身特性谐振点 40KHz 附近可获得较高的灵敏度；谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制得很窄，有利于抗声波干扰设计；不受无线电频谱资源限制，易于抗电磁干扰 设计；超声波测距系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。 但其在高速行驶的汽车上的应用有一定局限性，这是因为超声波的传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样；另一方面是对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱，使得灵敏度下降。 故超声波测距常用于在短距离测距，最佳距离为 45m，一般应用在汽车倒车防撞系统上。 通过对以上几种测距方式的分析比较，可以看出超声波测距方式在短距和低速测量方面比上述其它几种技术更具优越性。 因此本设计采用超声波测距方式。 8 预警提示方式 预警提示方式好坏是设计的汽车倒 车探测器是否实用的重要标志。 目前主要有轰鸣器提示、数码波段显示、液晶荧屏显示，魔幻镜显示，音响提示等单个或多种方式相结合的提示方式，下面对这几种提示方式进行分析和比较。 一、 轰鸣器提示 车体与障碍物距离的改变使电路中电压或电流变化不同给蜂鸣器不同信号，轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。 此方式没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对司机帮助不大。 二、 数码波段显示 数码和波段组合在一起，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由 3种颜色来区别：绿色代表安全距离，一般表 示障碍物与车体的距离有 以上；黄色代表警告距离，一般表示与障碍物的距离只有 － ；红色代表危险距离，一般表示与障碍物之间只有不到 的距离。 这种方式比较实用，一目了然，但没有声响，警示效果不好。 三、 液晶荧屏显示 动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。 不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。 四、 魔幻镜显示，音响提示 其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置，颜色款式多样。 语音提示比较方便， 避免驾驶员过度关注显示器，分散注意力。 但需要专业集成芯片，技术上较为复杂。 此方案造价较高，比较适合高档汽车，可以按照个人需求和车内装饰选配。 五、 声音＋数码距离显示＋指示灯 数码管显示距离，声音、指示灯提示，比较实用，直观，方便。 通过对预警提示方式的分析，综合其特点，采用声音、 LED 数码管灯相结合的提示方式。 方案确定 本次设计方案采用超声测距方式， DS1820芯片测温， AT89C2051单片机做处理器，处理数据并计算声速及距离，用 LED数码管显示距离，用报警器、示意指示灯报警。 倒车时倒档启动 探测器系统，单片机 AT89C2051作为主控器，控制 DS1820芯片并处理所测得的温度数据。 控制由 555定时器及超声波换能器 CSB40T组成的发射电路发射超声波，同时启动内部定时器 T0开始计时。 当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，经滤波电容，放大器，电压比较器传给单片机的 INT0口。 如果 INT0接收的信号由高电平变 9 AT89C2051单片机系统 超声波换能器驱动电路 超声波换能 器 CSB40T 超声波换能 器 CSB40R 隔直滤波 三级放大 电压比较器 ， 阀值电压可调 扩 音 器 报警电路 温 度 测 量 D S 1 8 2 0 数码管 距 离 显 示 发光二极管 为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断，关闭定时器。 再把定时器中的数据经过换算结合由所测温度值换算出的声速值就可以得出车体与障碍物之间的距离。 根据计算的车体与障碍物之间的距离值及其与 设定距离值的比较结果给显示电路及提醒电路不同提醒信号，产生不同的声光效果，引起驾 驶人员注意，以便采取相应行动。 图 系统结构 测距探测器方案 除了上述方案分析比较中讲述的超声波测距所独有的优点外超声波测距在某些特定场合还有着显著的优点，超声波测距系统是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量，所以它能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。 考虑到所设计产品是主要服务于普通用户，而且要求结构简单、制作方 便、成本低廉实用性强。 因此选择利用超声波传感器来作为探测器。 由发射波束特性知，由于扩散角的原因，超声波的角度分辨率较低，但距离分辨率较高 (1cm左右 )，目前最大探测距 15m，最小盲区。 超声波传感器具有反应灵敏、探测速度快 (一个测量周期仅需几十毫秒 )的优点，而且结构简单，体积小，成本低。 传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损 10 失，障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。 工作频率的确定主要基于以下几点考虑 : (1)如果测距的能力要求很大，声波传播损 失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。 (2)工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高， “细节 ”容易辩识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。 (3)从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。 综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大 因而选择测距仪工作频率在 40KHz，发射角与接收角均为 60 度的锥角。 这样传感器方向性尖锐，且 避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。 所以本方案选用的探头是收发分体式 40KHz 的超声传感器。 超声波发射方案 发射电路通常有调谐式和非调谐式。 在调谐式电路中有调谐线圈 (有时装在探头内 )，调谐频率由调谐电路的电感、电容决定。 发射出的超声脉冲频带较窄。 在非调谐式电路中没有调谐元件。 发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频 带 较宽。 本文采用非调谐式。 为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声波，电路频率的选择应该满足发射传 感器的固有频率 40KHz。 这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。 发射电压从理论上是越高越好，因为对同一个发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。 但是，每一个实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值以后，会对传感器的内部造成不可回复的损害。 因此，工作电压不能超过这个极限值。 发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压只达毫伏级，甚至微伏。 要对这样小的信号进行处理就必 须放大到一定的幅度。 本文采用由 555定时器构成的多谐震荡器驱动超声波传感器，驱动频率为 40KHz。 超声波回波接收方案 在超声波发射完毕后，再延迟一小段时间才能进行接收，目的是为了避免单片机对发射头直接传送到接收头的信号进行响应而不能正常工作。 超声波。