汽車(chē)行車(chē)安全距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫曉峰

（上海海軍702廠 上海市 200434）

1 緒論

1.1 研究背景

隨著科學(xué)研究的深入，電子測(cè)量技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。目前眾多的工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于測(cè)量精度的要求越來(lái)越高，同時(shí)也催生了一系列的測(cè)距方式。其中超聲波測(cè)距是目前非常流行的測(cè)距方式。超聲波是一種利用頻率高于20KHz的聲波去測(cè)量的方式。相比于傳統(tǒng)的方式，該方式具有測(cè)量精度高，成本低，容易操作，可維護(hù)性強(qiáng)等一系列的特點(diǎn)，正受到越來(lái)越多人的青睞。超聲波測(cè)距的原理比較簡(jiǎn)單，主要是利用機(jī)械波在傳播過(guò)程中遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射和折射的現(xiàn)象，發(fā)射端可以記錄和計(jì)算往返的時(shí)間進(jìn)而得到距離值。本課題通過(guò)接收超聲波的反射信號(hào)，通過(guò)計(jì)算往返時(shí)間就可以確定汽車(chē)行車(chē)安全距離。

1.2 研究意義

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，目前越來(lái)越多的電子設(shè)備搭載了智能化的芯片，這些核心控制器能夠起到綜合管理系統(tǒng)的作用。其中單片機(jī)是微控制器領(lǐng)域中非常重要的應(yīng)用。單片機(jī)是電子通信類相關(guān)專業(yè)最重要的技能之一，因此通過(guò)學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)單片機(jī)相關(guān)的系統(tǒng)，可以綜合的鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，而且還可以更好地拓展學(xué)生的創(chuàng)造性思維，進(jìn)而完成更加個(gè)性化的設(shè)計(jì)。這種過(guò)程是非常重要的嘗試，對(duì)于后續(xù)的工作也有重要的指導(dǎo)意義。

2 系統(tǒng)方案選擇與整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案選擇

2.1.1 主控制器方案選擇

方案一：使用FPGA控制。FPGA是近幾年新興起的一種核心控制器。FPGA采用與或門(mén)組成因此具有高速，保密性好等特點(diǎn)，但是目前FPGA技術(shù)使用比較復(fù)雜，使用Verilog語(yǔ)言或者VHDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)流程長(zhǎng)，工序復(fù)雜，同時(shí)價(jià)格非常的昂貴，因此一般用于軍工領(lǐng)域和火箭航天等領(lǐng)域。如果使用FPGA將會(huì)有大量的資源被閑置。因此不是很適合本課題的需要，所以考慮使用其他的方式。

方案二：使用單片機(jī)控制，隨著集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的設(shè)計(jì)，目前單片機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，單片機(jī)的產(chǎn)品目標(biāo)很明確，關(guān)于民用和軍工都有明確的區(qū)分。同時(shí)單片機(jī)技術(shù)比較成熟，各大半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)的單片機(jī)都具有兼容性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，價(jià)格低廉等一系列的特點(diǎn)，所以很適合嵌入式領(lǐng)域使用。在本設(shè)計(jì)中主要需要超聲波測(cè)距信號(hào)，顯示設(shè)置的距離閾值以及驅(qū)動(dòng)報(bào)警。使用STC12C5A60S2單片機(jī)已經(jīng)可以滿足要求。所以綜合成本和性能單片機(jī)是一個(gè)非常好的選擇。

2.1.2 顯示模塊方案選擇

為了實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互界面，需要設(shè)計(jì)顯示模塊，顯示當(dāng)前的狀態(tài)。

圖1：系統(tǒng)整體框圖

方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管雖然價(jià)格較低，使用起來(lái)也比較簡(jiǎn)單，但是進(jìn)行多方位數(shù)據(jù)顯示的時(shí)候，連線和驅(qū)動(dòng)就變得非常復(fù)雜，電路的功耗也增加了很多。同時(shí)由于數(shù)碼管只能顯示數(shù)字不能顯示文字，所以可以承載的信息量有限，人機(jī)交互方面也比較差，所以無(wú)法顯示各種預(yù)設(shè)閾值這些提示信息，而且數(shù)碼管的顯示效果也比較差。所以使用數(shù)碼管顯示的方案不是特別好，本課題考慮其他的方案。

方案二：采用LCD1602液晶顯示。LCD1602液晶具有功耗低，可以顯示多行內(nèi)容，所以在很多場(chǎng)合都有非常廣泛的應(yīng)用。LCD1602液晶顯示內(nèi)容豐富，成本很低，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，因此本系統(tǒng)選擇LCD1602進(jìn)行顯示。

2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的主要可以分為單片機(jī)最小系統(tǒng)，按鍵模塊，超聲波模塊，顯示模塊和報(bào)警模塊幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的本質(zhì)是一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)部具有CPU,RAM,ROM和定時(shí)/計(jì)數(shù)器等資源。本系統(tǒng)選用的是宏晶公司推出的STC89C52。該單片機(jī)具有40個(gè)引腳，晶振頻率為11.0592MHz或者12MHz.支持通過(guò)串口直接燒錄程序。同時(shí)該單片機(jī)具有5個(gè)中斷源，支持外部中斷，串口中斷和定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷等。

單獨(dú)的單片機(jī)是無(wú)法工作的，必須要給單片機(jī)配備時(shí)鐘電路才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的時(shí)鐘。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率直接決定了芯片的機(jī)器周期和指令周期。晶振電路一般是使用石英晶體和電容組成振蕩電路。本設(shè)計(jì)中使用30pf的電容配合11.0592MHz的石英晶體共同構(gòu)成單片機(jī)的晶振電路。晶振電路與單片機(jī)的第18,19兩個(gè)引腳相連。這2個(gè)引腳分別為XTAL1和和XTAL2。

低端的單片機(jī)一般采用裸機(jī)控制的方式，沒(méi)有操作系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備的管理，這時(shí)候需要有一種方式使得單片機(jī)從錯(cuò)誤狀態(tài)中恢復(fù)到初始化狀態(tài)。所以單片機(jī)的芯片提供了一個(gè)RST復(fù)位管腳，該管腳高電平有效。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種復(fù)位電路，分別是上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。其中按鍵復(fù)位可以讓設(shè)計(jì)中隨時(shí)使系統(tǒng)進(jìn)入到復(fù)位狀態(tài)。上電復(fù)位是每次整個(gè)系統(tǒng)上電的時(shí)候都會(huì)首先復(fù)位然后再進(jìn)行程序執(zhí)行的操作。本系統(tǒng)通過(guò)外接上拉電阻到5V電平上，然后上電之后可以直接復(fù)位，用戶也可以通過(guò)按鍵進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)位電路中，當(dāng)按鍵被按下，系統(tǒng)通過(guò)10K的上拉電阻將單片機(jī)的RST引腳電平拉高，實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)一上電的時(shí)候，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。

3.2 超聲波模塊設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距模塊是本課題選用目前非常常用的HC-SR04，該模塊的工作原理很簡(jiǎn)單，不需要外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的檢測(cè)。在使用過(guò)程中，本課題利用單片機(jī)的管腳給超聲波模塊10us以上的高電平信號(hào)，模塊就可以自動(dòng)的發(fā)送8組40KHz的方波信號(hào)，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，會(huì)輸出高電平到單片機(jī)管腳上，這樣單片機(jī)在發(fā)出驅(qū)動(dòng)超聲波模塊工作的高電平信號(hào)后迅速的開(kāi)始計(jì)數(shù)，等接收到超聲波模塊返回的高電平后，測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。超聲波模塊與單片機(jī)管腳的P2.1和P2.2兩個(gè)引腳進(jìn)行連接。

3.3 按鍵模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為了方便使用，設(shè)計(jì)按鍵控制電路，用戶可以較為方便的實(shí)現(xiàn)安全距離的設(shè)置。本系統(tǒng)使用三組按鍵開(kāi)關(guān)，分別代表進(jìn)入設(shè)置模式，安全距離增加和安全距離減少的操作。按鍵設(shè)計(jì)是共地設(shè)計(jì)，由于單片機(jī)引腳默認(rèn)電平為高電平，所以當(dāng)有某個(gè)按鍵被按下，單片機(jī)管腳就會(huì)被拉低，這時(shí)候單片機(jī)就可以獲知有按鍵被按下。本設(shè)計(jì)中按鍵模塊分別于單片機(jī)P1.0,P1.1和P1.2三個(gè)管腳相連。

3.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用LCD1602液晶模塊顯示預(yù)設(shè)閾值和實(shí)測(cè)安全距離。LCD1602是一種常用的液晶顯示模塊，本系統(tǒng)使用的10K的電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶背光調(diào)節(jié)。LCD1602液晶與單片機(jī)的P0口相連。

3.5 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

為了完成實(shí)測(cè)距離超出預(yù)設(shè)閾值系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)報(bào)警的功能，本系統(tǒng)加入了蜂鳴器，由于單片機(jī)的管腳電平較弱，因此需要接入一個(gè)三極管進(jìn)行放大，這樣報(bào)警聲更大，可以更好地提醒用戶進(jìn)行注意。蜂鳴器的管腳與單片機(jī)的P2.0連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)與開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

4.1.1 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

C語(yǔ)言是目前非常流行的語(yǔ)言之一，在與硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)中，C語(yǔ)言具有舉足輕重的地位。匯編語(yǔ)言往往與C語(yǔ)言混用的，共同滿足我們想要的功能。匯編語(yǔ)言的突出缺點(diǎn)是無(wú)法進(jìn)行移植，這就大大限制了匯編語(yǔ)言的使用。C語(yǔ)言支持指針操作，可以在硬件設(shè)計(jì)中直接物理尋址。這使得C語(yǔ)言的操作效率很高，同時(shí)C語(yǔ)言作為一種高級(jí)語(yǔ)言，程序的可讀性也比匯編高出很多，同時(shí)C語(yǔ)言支持模塊化開(kāi)發(fā)，模塊化縮短了開(kāi)發(fā)周期，使得程序編寫(xiě)過(guò)程可以同步直寫(xiě)。同時(shí)C語(yǔ)言的執(zhí)行效率也比較高，C語(yǔ)言的指針可以直接訪問(wèn)硬件這種設(shè)計(jì)大大的增強(qiáng)了C語(yǔ)言的靈活性。同時(shí)C語(yǔ)言具有豐富的庫(kù)函數(shù)，在開(kāi)發(fā)的時(shí)候大量的函數(shù)已經(jīng)被寫(xiě)好了，只需要加載對(duì)應(yīng)的庫(kù)就可以直接使用。綜上所述，C語(yǔ)言是硬件開(kāi)發(fā)相關(guān)工作中主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。

4.1.2 Keil軟件

關(guān)于嵌入式的開(kāi)發(fā)設(shè)備有很多，比如TI公司的IAR可以進(jìn)行430單片機(jī)的開(kāi)發(fā)，CCS可以作為DSP芯片的開(kāi)發(fā)。Keil編譯器是最廣泛的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具之一，該編譯器支持多種單片機(jī)的開(kāi)發(fā)。同時(shí)具備完善的調(diào)試功能。用戶可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中自由設(shè)置斷點(diǎn)和單步調(diào)試等操作。因此keil是一種常用的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具。

4.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程較為清晰。首先系統(tǒng)上電，進(jìn)入到初始化狀態(tài)。這時(shí)候用戶開(kāi)始設(shè)置系統(tǒng)閾值，系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)距，并將測(cè)量到的距離實(shí)時(shí)顯示，一旦實(shí)測(cè)距離小于預(yù)設(shè)閾值，那么就會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試

圖2：軟件流程圖

調(diào)試總結(jié)：整個(gè)系統(tǒng)在硬件電路完成之后，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，由于系統(tǒng)的穩(wěn)定性未知，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試才能滿足實(shí)際需要，我們先根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖來(lái)設(shè)計(jì)和焊接實(shí)際的硬件電路，我們?cè)谟布娐吩O(shè)計(jì)好之后，開(kāi)始著手軟件部分的程序編寫(xiě)。將編譯通過(guò)的程序燒錄到單片機(jī)中，然后對(duì)系統(tǒng)上電，觀察系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。

在系統(tǒng)的硬件調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了以下幾個(gè)主要的問(wèn)題：

（1）在給單片機(jī)進(jìn)行燒寫(xiě)程序的時(shí)候，一開(kāi)始根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的通信，而且單片機(jī)的溫度瞬間提高了很多，立刻停止了相關(guān)的操作。經(jīng)過(guò)檢查，這是由于在安裝單片機(jī)的時(shí)候把芯片接反了，造成了單片機(jī)的短路。所幸停止的很及時(shí)，單片機(jī)，沒(méi)有被燒毀，在排除該故障之后，程序可以正常的燒錄。

（2）在蜂鳴器設(shè)計(jì)過(guò)程中，出現(xiàn)了蜂鳴器不工作的情況，系統(tǒng)的軟件部分沒(méi)有錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)是由于在蜂鳴器模塊的焊接過(guò)程中出現(xiàn)了漏焊的情況，導(dǎo)致電路不通，在糾正了漏焊情況之后，系統(tǒng)可以正常的工作。

6 總結(jié)

通過(guò)本次的設(shè)計(jì)提高了自己對(duì)資料的查閱、信息的獲取和處理的能力，同時(shí)熟練使用了本專業(yè)的各種工具軟件，尤其是對(duì)proteus和keil這兩款在電子類開(kāi)發(fā)人員最常用的開(kāi)發(fā)軟件的學(xué)習(xí)。

本系統(tǒng)同樣也存在一些不足，存在超聲波測(cè)距的誤差問(wèn)題，存在控制模式較為單一的問(wèn)題，后續(xù)的研究方向應(yīng)該朝著更加精確和控制模式的多樣化進(jìn)行發(fā)展。實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的誤差縮小和上位機(jī)的智能控制等工作。