3674
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
近年来，随着汽车工业的飞速发展，汽车成为人类最主要的交通工具。随着汽车保有量的不断增长和车流量的逐渐增大，道路交通事故已成为全球性安全问题之一，引起了全社会的普遍关注。因此，提高汽车的安全性能、避免交通事故或减轻道路交通事故造成的伤害已成为各国政府和社会日益关注的问题。根据2010年度道路交通事故的统计，发生交通事故219521起，死亡人数达到65225,受伤人数有254075，造成的直接财产损失有926335315元。其中由追尾相撞导致的事故有22273起，占总数的10.15%,死亡人数有8957人，受伤26686人，分别占总数的13.73%、10.50%。而夜间交通事故尤为严重，夜间交通事故(包括有路灯照明和无路灯照明)发生86502起，死亡人数30158人，分别占2010年交通总事故的39.4%和46.24%[1][2]。
毫米波雷达测距方式；摄像系统测距方式；激光测距方式；超声波测距方式。毫米波雷达存在电磁波相互干扰问题，摄像系统则造价高昂，均难以在汽车上普及[3]。激光测距具有测量时间短、量程大、精度高等优点，适应汽车从低速前进到高速前进的测距需求，避免汽车高速行驶时因测距速度慢造成的测距失准现象。超声波测距原理简单，制作方便，成本比较低，但其只适用于较短距离低速测距，故将其应用于汽车倒车时测距[4]。本文提出的将激光测距[5]和超声波测距[6]相结合的安全报警系统，旨在帮助驾驶员在汽车多种行驶状况、多方位探知并显示车辆与周围障碍物的距离，当障碍物距离小于设定安全距离时给驾驶员警报，避免驾驶员反应不及时引发交通事故。本设计适用于现实生活，具有高效率，低功耗，低成本的特点，适合当下市场经济，有一定的经济效益，具有开发和研究的潜力及意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1研究现状
2003年丰田公司推出的安全与碰撞系统,通过安装在车头的毫米波雷达,可以探测到前方车辆与自车的距离，准确的预测发生碰撞的概率。当存在碰撞危险时,会以声音为信号来提醒驾驶员注意。当存在极大碰撞可能性时,制动系统会进入微制动状态，收紧安全带来提高驾驶员的安全警惕性。当碰撞不可避免时，加大制动强度[7]。美国的汽车防碰撞技术已经相当先进,福特汽车公司开发的汽车防碰撞系统的工作频率为24.725 GHz，探测距离约106米。
相对于国外先进的汽车避撞控制系统而言，我国在该方面的研究明显落后,2008年,由南京理工大学陈钱教授研发的“激光探测汽车主动防碰撞智能安全系统”研制成功。该系统可以通过激光来获取汽车在行驶过程中的多种交通环境，结合信号分析与处理技术，自动给汽车的执行命令进行控制，当障碍物消失之后，汽车恢复正常行驶[8]。
2014年作者张安然在《一种倒车防碰撞系统的设计与实现》设计了一种由超声波和语音提示为核心的辅助汽车泊车装置，最后对系统进行测试验证了系统的准确性及可靠性,说明系统具有一定的实用价值[9]。但是由于超声波检测有一定的局限，因此安全性不高。
2016年作者邱宏超，刘教瑜，肖杰，方琳在《具有语音播报的测距仪的设计》中超声波测距相比较于激光测距和红外测距，更为贴近于生活民用，成本低，操作简单，适用范围广，在近距离内精度较高[10]。介绍超声波测距的原理及控制方式，并使用单片机实现测距同时进行实时的语音播报的实现方式及调试过程中的常见问题。
2017年作者席在芳，令狐强，龙琦玉，黄夏妮在《基于激光测距的汽车防碰撞系统设计》中利用激光探测前方路况，并通过单片机控制预警和防撞系统帮助驾驶者对险情提前进行预判并采取相关措施（报警或者自动制动)[11]。有效地减少汽车在公路上追尾碰撞等事故，但是该系统不能针对多种情况，结构单一。
2017年作者李阳娟在《车辆前向防碰撞主动预警系统设计》研究设计了一种车辆前向防碰撞主动预警系统,系统通过毫米波雷达传感器进行车辆之间相对距离及相对速度监测，通过卡尔曼滤波算法对前向有效目标车辆进行优先监测，通过两级预警策略算法进行预警，在车辆存在潜在的碰撞危险时,通过视觉、听觉、触觉三种方式发出报警信息[12]。
2019作者孟宓,程史靓在《行车防碰撞系统设计》通过对行车行驶测距测速及制动停车过程的分析,利用微波雷达传感器设计了一个运动中的行车利用单片机对多普勒频移信号（与相对距离成正比)进行处理,并控制点阵液晶显示屏显示行车相对距离及相对速度的自动测量显示仪器[13]。
2020年作者吕淑芳在《基于STC89C52单片机的汽车倒车防撞警报系统》设计以STC89C52为主控单片机，实现了一款汽车倒车防撞警报系统,由HC-RSO4超声波测距模块实时测量一旦超出安全距离就发出警报声，帮助驾驶员在倒车过程中解决视角盲区的缺陷，避免驾驶过程中发生不必要的意外和伤害，从而提高驾驶的安全系数[14]。该系统电路设计合理运行稳定，工作性能好,响应速度快，通过计算实时显示测量数据，具有一定的测量精度可以满足需求。
2020孙月发,王炳章在《基于激光测距技术的汽车倒车控制系统研究》针对常规的汽车倒车控制系统中测试精度不足的问题，设计基于激光测距技术的汽车倒车控制系统[15]。通过激光测试的距离感知汽车倒车的周围环境在硬件设计完成的基础上制定控制规则以此为依据采用模糊控制法实现汽车倒车控制。测试结果表明:与常规的汽车倒车控制系统相比设计的基于激光测距技术的汽车倒车控制系统测试精度更高该系统优于常规的倒车控制系统。
1.2.2研究现状综述
针对国内外汽车避撞系统的研发来分析,存在一个共性的特点﹐都是来解决纵向的制动碰撞问题,系统的设计存在一定的局限性。在现有控制系统技术的基础上，有必要通过专项避让来躲避前方和后方障碍物的防碰撞系统。采用单片机为控制核心，不仅功能强大、价格便宜、反应快、只需要较少的外围电路就可以实现系统设计。
1.3本文主要研究内容及章节安排
根据本文目的，设计出一种基于单片机为控制核心，能够实现超声波、激光两种方式的测距以及人机交互功能的汽车防碰撞系统设计。章节安排如下
(1)系统总体方案设计；
(2)系统硬件、软件设计；
(3)系统硬件、软件调试；
(4)总结与展望。
2系统总体方案设计
2.1控制要求
为了实现设计目的，控制要求如下：
(1)微处理器稳定运行；
(2)实时与超声波、红外激光传感器通信并且接收数据，经过数据处理后判断；
(3)数据显示、语音提示、安全阈值参数调整，可以人机交互。
2.2系统框架
系统的设计主要由八部分组成。超声波测距模块、激光测距模块共同组成采集外部环境数据部分，按键模块单独为外部输入部分，电源模块单独组成外部供电部分，经过单片机进行数据分析与处理，继而控制继电器制动，将实时信息显示到显示模块上，并且控制报警模块和语音播报模块提示用户。系统结构框图如图2.1所示。
图2.1系统框架原理图
2.3模块选型
2.3.1主控微处理器方案
本文设计一款将激光测距和超声波测距相结合的汽车防碰撞系统，根据设计要求以及低成本，高效率。对单片机进行选型：
方案一：传统的8051内核8位单片机，相比较STC89C52RC，现如今有增强型的51单片机，兼容51指令，运行速率为前者的12倍，大大提高了系统效率。
因此可以选择此方案。
方案二：选择AVR单片机，该单片机有8位和16位种类的，片内外设比较丰富，满足设计需求，但同等使用需求下，价格比方案一类型单片机高。
因此选择STC宏晶公司生产的8051内核的15系列单片机，型号为STC15W4K32S4，在运行速度、外设数量、存储空间等方面比传统的51单片机有很大的优势。见图2.2STC15W4K32S4引脚图。
2.2 STC15W4K32S4引脚图
2.3.2测距模块方案
选择合适的测距模块，能够及时反应距离信息。系统中测距一共分为前向测距和后向测距。因此根据需求选择合适的测距模块，
方案一：选择超声波模块测距传感器。此模块对液体、固体的穿透性强，发射的声波遇到遮挡物后会反射成回波。原理简单，只需对模块两个信号脚中的Trig引脚发送启动脉冲，利用单片机检测Echo引脚的回响。开启定时器计时运用声波在空气中的传播速度公式就能得出距离。因为这个特性，超声波不易在速度很快的的情况下使用，所以在前向测距时，超声波并不适用，反而能使用倒车速度变换很慢的情况下使用。
方案二：选择激光车测距传感器。该模块比较与超声波模块，测量的精度这类传感器利用自身的激光二极管发射激光脉冲，经目标反射后向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器激光传感器工作时，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。根据这个特性可知，激光测距传感器适合在高速的情况下使用，能够精确测得到距离信息。
选定超声波作为检测后距的测距传感器，激光作为检测前距的测距传感器。
图2.3超声波实物图
GY-53L1 是一款红外激光测距传感器模块。利用红外LED灯发光的原理，配合接收经遮住物反射的回波计算距离值，测量比超声波更为精确。通信方式为串口也可以为IIC，因此有利于设计开发的选择。见图2.4激光测距模块实物图。
图2.4激光测距模块实物图
2.3.3语音播报模块方案
用来播报的语音芯片种类繁多，大致可以分为两类。对应两个方案：
方案一：采用OTP类型语音芯片，这种芯片外电电路简单，成本很低，在很多玩具设备中能看到它的身影，把需要的语音内容提前烧录进芯片，驱动后通过外放喇叭就能使用。这里可以使用它实现本系统的语音播报功能。
方案二：采用MTP类型语音信，该芯片可多次烧录反复使用，虽然性能比方案一介绍的芯片好，但是外围电路复杂驱动难度高，情况不复杂的前提下不建议使用该类型的芯片。
见图2.6OLED实物图（IIC接口）。整个方案的费用为节省 30%-50% 左右。工作电压 2.2-5.5V，200mah 适用范围很宽。输出方式：PWM 。见图2.5语音芯片引脚图。
图2.5语音芯片引脚图
2.3.4显示模块方案
显示器件有很多可以选择，首先排除数码管，因为数码管体积大占用资源多，不利于显示更多的数据，那么就还有如下选择；
方案一：使用LCD1602作为显示器件，它能够显示16*2的数据，比数码管使用方便，有一定的字库，在显示汉字的时候就显得不足了，因此在这里还是不选择作为显示器件。
方案二：使用LCD12864作为显示器件，此器件可以一次性显示的内容就比LCD1602多一些，但是体积就增加了一倍，引脚数量也多了，增加了电路的整体难度，因此也不选择。
方案三：使用OLED作为显示器件，该器件在亮度、功耗上性能远远比数码管、LCD1602、LCD12864强上很多。同时引脚占用微处理器的I/O也比较少操作方便，功能丰富。见图2.6OLED实物图（IIC接口）。
图2.6 OLED实物图（IIC接口）
2.3.5按键模块方案
用到按键开关又叫轻触开关，应用在工业、医疗、教育等领域，根据本文设计要求采用轻触开关作为按键，轻触开关是一种电子开关，只需要点击按钮就能使其导通，当松开手时按键开关既断开，电子开关内部结构依靠金属弹片受力弹动来完成通断的。有的三脚两脚四脚，它的种类非常多，但是使用的原理完全相同，这里直接采用6*6*5规格的按键。见图2.7按键实物图。
图2.7按键实物图
2.3.6制动方式方案
继电器在工业上也很常见，规格不一。柜门的开关可以用用继电器进行模拟，因为系统采用的5V直流供电，则就不用考虑12V、24V、ha220V、380V等规格的继电器而是直接在这里5V继电器。使用继电器关闭导通配合一个LED的闪灭模拟汽车的刹车制动。继电器有很多种类型，本文采用额定电压为直流5V， 型号是SRD-5VDC-SL-C，一路开关，额定电流为 10A， 品牌是SONGLE/松乐，触点形式为转换型，触点切换电流10A，防护特征为 密封式，触点负载是中功率。见图2.8继电器实物图。
图2.8继电器实物图
3系统硬件设计
3.1系统总体设计
本系统主要围绕超声波传感器、激光传感器感知汽车车前车尾与障碍物的距离信息反馈给微处理器，经过数据处理后显示、执行。采用STC公司15系列的STC15W4K32S4单片机为主控，该单片机一共可用I/O口为38个，GY-53红外激光占用一个串口资源为2个I/O口、HC-SR04超声波传感器占用一个定时器资源为2个I/O口、有源蜂鸣器占用1个I/O口、OLED显示采用模拟IIC通信占用两个I/O口，按键占用3个I/O口、语音播报占用3个I/O口、继电器占用一个I/O口，总计分配14个I/O口资源。见图3.1系统总电路图。
图3.1系统总电路图
3.2主要硬件电路设计
3.2.1控制核心电路设计
本系统采用的STC15W4K32S4，不需要像传统51单片一样带复位电路、晶振电路，省去了外围电路集成了在芯片内部，这大大节省了设计开发时间。为了保证单片工作稳定正常，故在电源引脚并上了一个104和一个10UF的电容滤波稳压。通信下载口依旧是引脚P3.1(TXD)引脚P3.0(RXD)。下载程序之前，设置好单片机主频频率为11.0592MHz。复位电路则是连上P5.4（RST）引脚，触发按键按下，受到高电平脉冲立即复位。图3.2主控制电路图。
图3.2最小系统电路图
3.2.2 HC-SR04超声波检测电路设计
单片机的P1.5连接Trig引脚，P1.6连接Echo引脚。启动超声波时，需要给Trig引脚启动脉冲电平，随即等待Echo的回响电平。通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；见图3.3超声波测距电路图。
图3.3超声波测距电路图
3.2.3 GY-53激光检测电路设计
采用的GY-53激光传感器有2种通信方式，分别是IIC和串口通信为了节省软件的编写，降低调试难度，选用串口通信。占用单片机的一个串口2资源，连接单片机的P3.6（TXD）P，3.7（RXD）引脚连接传感器。
例：一帧数据
< 5A- 5A- 15- 03- 0A- 20- 06- FC >
Distance =(0x0A<<8)|0x20=2592 mm(距离值 2.592 m)
RangeStatus=(0x06>>4)&0x0f=0;(距离值可靠)
Time=(0x06>>2)&0x0f=1; (测量时间为 110ms)
Mode= 0x06&0x03=2; (测量模式为中距离模式，量程为 50~4000mm)
见图3.4激光测距电路图。
图3.4激光测距电路图
3.2.4OLED显示电路设计
这里使用的OLED显示屏通信方式采用IIC，与传统的LCD1602、LCD12864相比，功耗大大降低，占用单片机资源减少，SDA（数据线）连接单片机的P4.2、SCL（时钟线）连接P4.1引脚。见图3.5 OLED显示电路图。
图3.5 OLED显示电路图
4系统软件设计与实现
4.1主程序流程
软件根据C语言模块化进行设计。在主程序中实际上扫描的主体是按键函数和一些变量标志位，这样不仅仅大大提高了程序的实时性和CUP的整体效率，通过按键和这些变量标志位调用想要的功能函数。那么首先是主体程序初始化，包括单片机引脚模式、变量、外部器件通信等，接下来就是在编写的体现系统功能的逻辑函数中循环扫描了。见图4.1主程序流程图。
