秦連升，曹詩詠，李明海，王玉博

(1.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都，610500;2.中海油湛江分公司，湛江，524057)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，智能型小車也逐漸受到人們的關(guān)注，自動(dòng)駕駛則是人們對(duì)小車技術(shù)的急切要求［1］。所以，如何實(shí)現(xiàn)一種在行車過程中，能夠使小車達(dá)到智能距離控制的目的，則是自動(dòng)駕駛的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)［2］。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，而且硬件容易實(shí)現(xiàn)，因此在自動(dòng)駕駛技術(shù)的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由超聲波測距、步進(jìn)電機(jī)控制、LED顯示以及報(bào)警電路組成。系統(tǒng)的控制核心是由AT89S52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)輸出脈沖驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送器發(fā)送超聲波、接受超聲波，通過計(jì)算求出被測距離，通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)字顯示。然后調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步數(shù)，控制車子與障礙物保持一定的安全距離。當(dāng)距離超過限制時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。GPS定位裝置能夠幫助用戶準(zhǔn)確定位當(dāng)前位置，并通過8255擴(kuò)展I/O口電路驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示器，顯示出車輛的當(dāng)前位置、時(shí)間、海拔高度信息，這是實(shí)時(shí)監(jiān)測車子狀態(tài)的一種關(guān)鍵指標(biāo)。本系統(tǒng)還特別安裝了人體紅外傳感器，它可判斷車子前方是否有人，然后通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)語音裝置，使車子進(jìn)行緊急語音提醒。智能車距離控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 智能車距離控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

智能車距離控制系統(tǒng)主要由五部分單元電路組成，分別是：AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)，超聲波測距系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，GPS定位系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)。下面將一一介紹各部分電路。

2.1 AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)

主控制器主要由單片機(jī)AT89S52、振蕩器和復(fù)位電路3部分組成，它是單片機(jī)工作的必要組成部分，又稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。它是整個(gè)測距系統(tǒng)的控制中樞，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。在測距系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用：控制超聲波的發(fā)射;處理超聲波接收電路信號(hào);時(shí)間轉(zhuǎn)化成距離的數(shù)據(jù)處理;步進(jìn)電機(jī)的控制;GPS信息的處理;發(fā)送位置信息到LCD去顯示等。AT89C52單片機(jī)，是一種低功耗、高性能的含有8k字節(jié)快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)，計(jì)數(shù)精度達(dá) μs，8位數(shù)據(jù)總線［3］。有一個(gè)可編程全雙工串行通信接口，能同時(shí)進(jìn)行串行發(fā)送和接收。

2.2 超聲波測距系統(tǒng)

超聲波是指頻率高于20kHz的機(jī)械波。超聲波測距的主要原理是，超聲波在均勻媒質(zhì)里的傳播速度一定，不隨聲波頻率的變化而變化，只要計(jì)算出超聲波從A地傳播到B地的時(shí)間，就能計(jì)算出AB兩地之間的距離［4］。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。超聲波測距系統(tǒng)包括超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，這兩個(gè)電路主要由LM386和CX20106A這兩塊芯片及其外部電路組成。LM386具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，利用LM386的驅(qū)動(dòng)放大功能將單片機(jī)產(chǎn)生的40 kHz方波放大輸出，使得硬件電路相對(duì)簡單。CX20106A是一款紅外線檢波接收的集成電路，考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實(shí)驗(yàn)證明，它其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。

單片機(jī)AT89S52控制振蕩源發(fā)出40kHz的脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口產(chǎn)生的方波信號(hào)太弱了，需放大該信號(hào)。放大后的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送器，發(fā)出超聲波。單片機(jī)在發(fā)送第一個(gè)超聲波脈沖的同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T0計(jì)時(shí)，工作在方式1。當(dāng)超聲波遇到障礙物后產(chǎn)生回波，該回波被超聲波接收器接收。超聲波接收電路通過超聲波傳感器接收回波信號(hào)并將其濾波放大，之后將放大的信號(hào)整形為數(shù)字信號(hào)，作為中斷信號(hào)送STC89C52RC外中斷器，使其產(chǎn)生中斷，關(guān)閉定時(shí)器，停止計(jì)時(shí)。這樣可以得到從發(fā)射超聲波到接收到超聲波的時(shí)間T。然后利用公式S=CT/2求出被測距離，還要通過程序進(jìn)行距離值的修正，然后將距離數(shù)值送LCD顯示。超聲波發(fā)射接收電路，如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射接收電路

2.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制［5］。通過單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字—角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。單片機(jī)將超聲波的測量值與實(shí)際要控制的距離值進(jìn)行比較，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，達(dá)到距離控制的目的。圖3顯示了步進(jìn)電機(jī)的控制電路。由單片機(jī) P1.1、P1.2、P1.3、P1.4 發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)光電隔離后分別向驅(qū)動(dòng)芯片L298N的IN1、IN2、IN3、IN4端口，經(jīng)過L298N的整流放大，將單片機(jī)發(fā)送來的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行所需的一定幅值的脈沖信號(hào)，再由其輸出口OUT1－OUT4輸出到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而OUT1－OUT4分別接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A、B、/A、/B，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制圖

2.4 GPS 定位系統(tǒng)

GPS優(yōu)點(diǎn)很多，如全天候、全球覆蓋、三維定速定時(shí)高精度、快速省時(shí)高效率、應(yīng)用廣泛多功能等，這使得GPS應(yīng)用相當(dāng)廣泛［6］。本文的GPS模塊選了EB－3531，GPS裝置接收多顆衛(wèi)星的定位信息，進(jìn)行處理后按一定的格式輸出串行數(shù)據(jù)，8250實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，通過總線與單片機(jī)通信，最后通過8255驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度。

液晶屏分四行顯示：

第一行時(shí)間：TIME：年月日 時(shí)分秒

第二行經(jīng)度：LONG：+經(jīng)度值+E/W

第三行緯度：LAT：+緯度值+N/S

第四行高度：HIGH：高度值 +高度單位M+定位有效A：0/1(1時(shí)有效)

2.5 報(bào)警系統(tǒng)

為了使系統(tǒng)更完美，本文還添加了報(bào)警系統(tǒng)。人的安全是第一重要的，在車子行駛的過程中，如果車子前方有人，報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)的話，那將減少很多交通事故。由此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了人體紅外報(bào)警系統(tǒng)部分。人體紅外傳感器用于檢測人體發(fā)出的特定波長的紅外線，進(jìn)行非接觸式距離較遠(yuǎn)的檢測［7］，當(dāng)系統(tǒng)檢測出車子周圍有人體發(fā)出的特定波長的紅外線后，然后使單片機(jī)產(chǎn)生中斷，最后驅(qū)動(dòng)語音芯片執(zhí)行語音報(bào)警提示。另外當(dāng)車子與障礙物的距離超過限制時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)框圖

智能車距離控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)軟件主要由主程序、初始化程序、超聲波發(fā)射子程序、GPS信息接收子程序、中斷子程序、顯示子程序組成。系統(tǒng)上電后首先初始化，初始化8250、8255，設(shè)置定時(shí)器、計(jì)數(shù)器工作方式，設(shè)置GPS模塊輸出格式，打開總中斷，顯示端口清零等。

圖4 智能車距離控制系統(tǒng)程序流程圖

超聲波發(fā)射子程序的作用是通過P1.2口在定時(shí)器的設(shè)定時(shí)刻取反交替產(chǎn)生的高低電平輸出方波脈沖。為避免從發(fā)射頭發(fā)出的超聲波直接被接收頭作為回波接收，在調(diào)用定時(shí)器中斷子程序后設(shè)置0.2 ms的延時(shí)，主程序檢測到回波接收成功后將計(jì)數(shù)器T0中的值T0按公式計(jì)算即可得測量距離。將所得的距離值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，控制距離值。然后將所得數(shù)值通過P0口直接傳入液晶顯示。顯示程序?qū)⒔邮盏降臅r(shí)間、經(jīng)緯度、海拔信息通過8255傳入液晶顯示。中斷子程序流圖如圖5所示。

圖5 中斷子程序流圖

4 結(jié)束語

本文成功設(shè)計(jì)了智能車距離控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于自動(dòng)駕駛過程中的距離控制單元，自帶的GPS定位系統(tǒng)，能完成車子當(dāng)前位置，時(shí)間，海拔高度信息的準(zhǔn)確顯示;人體紅外報(bào)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車子周圍的人體判別，也是自動(dòng)駕駛的一項(xiàng)很重要技術(shù)。總之，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展有很大的推進(jìn)作用。

［1］喬維高，徐學(xué)進(jìn).無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及方向［J］.上海汽車，2007，(7)：40-13.

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