汽车智能倒车系统 毕业论文

摘要随着越来越多的高科技产品逐渐融入了日常生活中，倒车雷达系统发生了巨大的变化。仿生学、声学等前沿学科的技术的日趋成熟与实用化，赋予了倒车雷达系统新的研究方向与意义。倒车雷达全称叫倒车防撞雷达，又称泊车辅助系统，或倒车电脑警示系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。本文描述了一个由三个超声波测距模块构成的，提供语音报警功能和视频显示画面图像的智能倒车雷达系统。该系统采用凌阳16位单片机SPCE061A为核心，分别控制三个超声波模块，每一个超声波测距模块都被设定面向不同方向，以探测不同方向的障碍物。系统采用单片机控制时间计数和超声波的发射和接收，利用超声波回波的间隔时间，得出实测距离，并采用了LCD显示、LED报警显示以及USB的连接摄像头实现实时视频显示画面功能。该系统具有结构简单、工作安全可靠、精度高、使用便捷等特点。关键词SPCE061A单片机；超声波测距；语音提示；LCD显示ABSTRACTASWELLASTHEHIGHTECHNOLOGYHIGHTECHPRODUCTSGRADUALLYINTEGRATEDINTOTHEDAILYLIFE,THEPARKINGDISTANCECONTROLSYSTEMHASUNDERGONETREMENDOUSCHANGESTHEPARKINGDISTANCECONTROLSYSTEMHASBEENGIVENTHENEWDIRECTIONOFTHERESEARCHANDSIGNIFICANCEBYTHEDEVELOPMENTSOFTHEBIONICS,ACOUSTIC,ETCTHISARTICLEDESCRIBESARADARSYSTEMOFINTELLIGENTBACKINGWHICHCONTAINSTHREEULTRASONICRANGINGMODULESANDTHERESULTSCANBEPRONOUNCEDINREALTIMETHEFULLNAMEOFBACKDRAFTRADARISREVERSEANTICOLLISIONRADAR,ORTHEREVERSEPARKINGAUXILIARYSYSTEM,COMPUTERWARNINGSYSTEMITISACARPARKINGSAFETYDEVICES,TOVOICEORMOREINTUITIVETOSHOWTHATTHEDRIVER,SHOULDREMOVEOBSTACLESAROUNDTHEDRIVERWHENVISITSAROUNDTHEPARKINGCAUSEDPROBLEMSANDHELPPILOTREMOVEDTHEVIEWOFTHEBLINDANDVISION,IMPROVETHEDRIVINGSAFETYDEFECTSTHETHREEULTRASONICRANGINGMODULESARESETINGTOTHREEDIFFERENTDIRECTIONSTODETECTTHEROADBLOCKTHISTHREEMODULESARECONTROLEDBYTHESYSTEMWHICHISBASEDONSUNPLUSSPCE061AMICROPROCESSORTHETIMECOUNTINGANDBOTHTHETRANSMITTINGANDRECEIVINGOFTHEULTRASONICWAVEARECONTROLLEDBYTHEMICROPROCESSORSYSTEMADOPTSSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLTIMECOUNTINGANDULTRASONICTRANSMISSIONANDRECEPTION,ULTRASONICECHOINTERVALS,ANDTHEMEASUREDDISTANCE,LCDDISPLAY,LEDDISPLAYANDUSBCONNECTIONALARMVIDEOCAMERAREALIZESREALTIMEDISPLAYSCREENTHESYSTEMISSIMPLEINSTRUCTURE,RELIABLEWORKING,HIGHPRECISION,EASYTOUSE,ETCKEYWORDSSPCE061AMICROPROCESSOR；ULTRASONICRANGING；VOICEPROMPTS；LCDDISPLAY目录摘要I第1章绪论111课题背景目的和意义112国内外倒车雷达系统发展历史213倒车雷达系统的发展方向与展望314课题任务及要求415课题内容及安排5第2章汽车智能倒车系统设计的总体方案论证621汽车智能倒车系统设计的硬件方案论证622汽车智能倒车系统软件方案论证8第3章汽车智能倒车系统的硬件设计931SPCE061A精简开发板电路原理9311SPCE061A最小系统9312电源模块9313放音模块1032超声波测距模块电路的设计11321超声波测距PWM信号硬件实施11322超声波测距PWM信号软件实施12323超声波谐振频率调理电路的设计12324超声波回波信号处理电路的设计14325超声波测距模式选择电路的设计14326转接板的电路设计1533显示电路的设计17331二极管闪烁报警电路的设计17332LCD显示报警电路的设计17333USB设备及图像处理电路设1834各模块接口分配22第4章汽车智能倒车系统的软件设计2341各模块程序的设计23411主程序的设计23412超声波测距程序的设计24413语音播放程序的设计27414二极管闪烁程序的设计28415LCD初始化及驱动程序的设计29第5章汽车智能倒车系统的整体调试31总结33参考文献34致谢35附录汽车智能倒车系统的硬件原理图36附录程序清单37附录外文翻译61第1章绪论11课题背景目的和意义汽车智能倒车系统又称泊车辅助系统。一般由超声波传感器、控制器、显示器等部分组成。现在市场上的倒车系统大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时的警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。随着汽车工业的发展，城市汽车数量迅速增加。尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量更是逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个典型问题。由于存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故。为了减少因此带来的损失，需要有一种专门的辅助装置帮助司机安全倒车。目前用于辅助司机倒车的装置主要有语音告警装置、后视系统以及倒车雷达等。语音告警装置用于播放提示语以提醒车后的行人注意避让正在倒车的汽车。这种装置价格便宜，使用方便，其缺点是只能对车后的行人起告警作用，对于其他障碍物则不起作用，所以其应用范围有限。后视系统是由视频捕捉装置和视频播放装置组成，通过后视系统司机可以直观地看到车后的障碍物，消除视觉盲区。由于这类装置的价位较高，目前还没有普遍推广使用。本文设计分析的基于SPCE061A单片机的智能汽车倒车雷达系统即是根据这一实际情况而应运而生的，具有非常高的性价比。系统运用微计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等的交叉融合，进行优化设计，通过液晶显示障碍物与汽车的距离，并根据其距离远近实时发出报警等级。但其主流产品仅仅是独立的控制单元，无法与汽车数字化信息平台接轨。围绕汽车电器网络化实现倒车雷达数据传递信息共享，具有良好的发展前景。倒车雷达系统走进人们的视野中，大约是在汽车的普及化之后的。随着经济技术的不断进步，倒车雷达无论是在外型还是在功能上都发生了巨大的变化。从记忆中的“倒车请注意”到现在可以在一块LCD屏幕上显示障碍物的各种信息，每一次的变革都让人耳目一新。12国内外倒车雷达系统发展历史倒车雷达系统已经过了五代的技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这五代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。第一代倒车喇叭提醒“倒车请注意”想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有小部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。第二代蜂鸣器提示这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后18米15米处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。这种倒车雷达没有语音提示，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，对驾驶员帮助不大。第三代数码波段显示比第二代先进很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在18米开始显示；如果是人，在09米左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有08米以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0608米；红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到06米的距离，你必须停止倒车。第四代LCD显示这一代产品有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。LCD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。第五代魔幻镜倒车雷达结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统12。13倒车雷达系统的发展方向与展望倒车安全新思路1、增加光学辅助后视镜这是一种在英国较为欢迎的后视镜。其辅助后视镜安装到标准后视镜之上，并且可相对于标准后视镜进行角度调节，以扩大其后视范围。辅助后视镜有主体部分和相对主体转动的壳体组成，壳体内有用于保持镜子的带凸肩的倾斜部分，壳体的下表面中心有轴套，自由端有一副相背安装支架，辅助后视镜主体在同边上有许多齿，其中心分叉式轴用于在其连接时插入壳体轴套，在壳体转动时，支架的齿与主体的齿相啮合，这样就固定了其相互的位置，同时镜子相对主体倾斜，主体可用胶固定到标准后视镜上。此辅助后视镜的直径约4050M，安装在标准后视镜之上，对整车的风阻没有影响。然而，它仍有较大的盲区，且制造较为复杂，制作成本较高。2、汽车列车的侧后视镜这种可调式后视镜结构在转向或倒车时特别对于列车具有最佳的视野。在共用的壳体内安装一副侧镜一个动的和一个不动的，活动的侧镜相对于不动侧镜转动并可形成不同的线角，活动侧镜用电动机经杆件连接转动，两个侧镜与壳体一起，也可相对固定支架垂直轴转动。而其盲区仍旧很大，且使整车宽度增大，不够美观。3、智能技术随着电子技术的发展，许多智能化技术被广泛应用到汽车上。据粗略统计，单用于汽车安全的智能技术就有20多种，智能化的后视技术层出不穷。如GENTEX公司正在研究用一个数字辅助的后视镜系统来加强驾驶员的视觉。这个系统并不仅仅反映能看到的景物，还用若干个传感器捕捉和显示不明显的视觉信息，传感器能改变物体间光线的反差，使在黑暗中不容易看见的物体显现出来，还能发现在前照灯照不清楚或阳光眩目的地方的危险障碍物。A智能测距、显示倒车雷达技术采用雷达激光、超声波测距原理制成的各种系统或装置被广泛用于汽车上。它能比较准确地测量出波源与障碍物之间的距离，并以数字形式显示于装在驾驶员可视范围的仪表上或发出警报或两者兼而有之。B红外夜视技术利用红外线可改善汽车夜间行驶的视野情况。戴姆勒克莱斯勒公司利用具有与远光灯同样照度的两束激光红外线光束照射汽车前方的景物，然后由放置在汽车顶部的一架红外线摄像机拍摄下所有驾驶员不能看到的东西行人、骑自行车的人等。拍摄的图像传输到驾驶座前方的风窗玻璃与仪表板之间的一个类似电视的荧屏上。这样一来，驾驶员犹如戴上一副红外线望远镜，车前方的景物清晰可辨。C可视监控倒车电子屏技术倒车电子屏系统是在行李箱盖或后保险杠上装设摄像机，并将拍摄到的画面传递到驾驶座前方的电子屏幕上，驾驶员只要看眼前的电子屏幕就能知道车后的情况。这一技术目前已有应用，并解决了反向、夜视等问题。在底特律国际车展上，通用公司的PRECEPT概念车装了DONNELLY公司生产的以摄像机为基础的后视镜系统。该系统用一个内后视镜和两个外后视镜采集汽车周围的景象，三个景象合成一个全景图像在中控台的视屏上显示出来，还用文字说明来传达信息。摄像机也可在倒车时使用，当车后近处有消火栓等障碍物时，就及时让驾驶员知晓。经过多年的研究与生产实践，倒车雷达逐渐摆脱了以往功能单一，报警不准确的问题。目前倒车雷达主要有两个方向发展。一、与其他车内娱乐设备的集成；二、提高报警的准确性。越来越多的倒车雷达已经不再仅限于提供倒车报警的单一功能，集成多种报警娱乐等功能的倒车雷达已经成为一种现实。军用技术的民用化，使的倒车雷达预警范围，报警精度都有极大的提高。仿生学、声学、电磁学等科学技术的进步，都将会倒车雷达推向一个新的阶段。随着卫星定位技术的成熟，以车载卫星定位系统GPS作为倒车雷达，也离实用化越来越近34。14课题任务及要求本次设计的汽车智能倒车系统设计是以SPCE061A单片机为控制器，搭配3个超声波测距模块及LCD、二极管、语音、视频监控4部分组成的报警模块所构成。其测量结果应符合以下标准1可以语音提示模块探测范围内035M15M的障碍物；2语音提示可指明哪一个方向或区域有障碍物在探测范围内；3利用三个LED发光二极管表示三个传感器探测范围内是否有障碍物，当在探测范围内有障碍物时，发光二极管以一定频率闪烁，闪烁的频率以距离定，距离越近频率越高；4后视倒车视频显示。15课题内容及安排本文对汽车智能倒车系统设计的设计进行了详细的介绍，共分五章。第1章简要介绍了整个课题的研究背景、目的、意义及整个任务的要求安排；第2章是针对此次课题的任务进行方案论证，尤其重要的对SPCE061A单片机其16位的处理能力及内嵌的语音对本设计的影响进行详细的阐述；第3章具体介绍了智能倒车雷达系统的硬件设计，包括超声波测距模块电路，转接板电路，显示电路的设计；第4章阐述了智能倒车雷达系统的软件设计，包括超声波测距子程序，数据处理子程序，显示子程序，语音子程序的设计。第5章是针对硬件调试、软件调试和整机调试进行了具体的分析和说明。第2章汽车智能倒车系统设计的总体方案论证本次设计的汽车智能倒车系统是以单片机为控制器，借助传感器以及辅助电路来完成设计内容和要求。虽然超声波测距很早就开始研究应用，但如何实现测量的快速性和准确性至今仍是生产和科研的课题。随着微电子技术的发展及普及，更多高性能的单片机应用使得超声波测距的快速性和准确性都有了极大的提高。超声波测距的关键在于发射信号的脉冲时长，接收信号的数据处理，及消除其本身的余波干扰。21汽车智能倒车系统设计的硬件方案论证方案一基于新型总线和IC的汽车智能倒车雷达系统此系统应用XYCNBUS，这是一种一点对多点的总线通讯系统。采用专用控制芯片模块，设计研究中的倒车雷达系统主要由上位机和下位机两部分组成，通过总线完成上位机与下位机的通信。具有自动登录功能，此功能可完成设备的自动登录、结点中断报警等双向可中断的先进的通讯功能。总线隔离设备具有总线故障隔离性能，保证部分总线发生故障时，其它部分仍然正常通讯。以该芯片为核心构成的总线通讯系统可广泛应用于智能家庭控制网络、工业现场控制、消防报警及联动网络、小区智能化控制网络、中央空调控制系统等567。方案二基于凌阳单片机的汽车智能倒车雷达系统89此设计系统采用凌阳16位单片机SPCE061A为核心，分别控制三个超声波模块，每一个超声波测距模块都被设定面向不同方向，以探测不同方向的障碍物。本系统采用单片机控制时间计数和超声波的发射和接收，利用超声波回波的间隔时间，得出实测距离，并且采用了USB连接摄像头视频实时显示功能。具有成本低、设计简单、工作安全可靠、精度高、设计先进等特点。此设计使用凌阳16位单片机SPCE061A为超声波测距的控制器，其较高的数据处理能力和丰富的指令系统，从硬件和软件两部分来改善系统性能，使研制成的超声波倒车雷达系统具有很好的快速性和准确性，且具有较高的抗干扰能力，很符合要求。而采用XYCNBUS接口显然复杂而昂贵，功耗大、备电功能使用复杂更使其不能使用于现场设备的控制。综上，采用方案二。倒车雷达实现的功能就是探测可能存在的障碍物，通过数据处理将障碍物的位置信息显示出来。要实现这一功能，就必须把障碍物相对测量系统的位置量转换成单片机所能识别的电量。当超声波测距模块探测到障碍物的存在时，会接收到若干脉冲数目的反射信号，信号脉冲个数即反映了障碍物与测试系统的位置关系。返回的信号经过SPCE061A进行相应的数据运算，便可将障碍物的位置信息通过语音、二极管、LCD及视频的方式显示出来，其硬件总体方案设计框图如图21所示。图21汽车智能倒车系统的结构框图1传感器传感器是超声波测距模块，它是整个倒车雷达系统的核心。本设计方案拟使用3个相同的超声波测距模块，对后方，右后方，左后方三个不同的方向进行障碍物的探测。2转接板由于使用3个超声波测距模块，而SPCE061A的I/O口数目不满足3个测距模块同时直接相接，故使用集成芯片CD4052实现软件对不同传感器的选通与屏蔽。3SPCE061A凌阳16位单片机SPCE061A是本倒车雷达系统的控制器，也是数据处理的中心。它直接控制超声波测距模块进行测距、处理模块返回值并控制实现对外的报警功能4语音报警SPCE061A作为16位单片机，其具有较强的运算能力，可以通过其内置的DAC及自动增益控制AGC功能，实现对外的语音报警。该部分电路已集成于SPCE061A转接板传感器传感器传感器LCD显示语音报警LED报警USB设备及图像处理器摄像头SPCE061A精简开发板上。5LCD显示电路使用LCM1602A液晶显示模块实现LCD显示。由于LCM1062A仅能显示2行共32个字符，故实际显示为3个超声波测距模块中，测得距离最近的那个值。6发光二极管LED闪烁报警电路三个发光二极管分别对应三个超声波测距模块。当对应的超声波测距模块探测到障碍物存在时，障碍物距离测距模块越近，发光二极管闪烁的频率就会越高。7USB设备及图像处理电路本设计中的设备是USB摄像头，USB主机由USB主机控制器、微处理器及驱动软件构成。视频显示信号的采集一般选择USB摄像头来实现。USB摄像头SPCA561A集成了镜头、CMOS传感器、USB图像处理器以及USB控制器。22汽车智能倒车系统软件方案论证软件设计是汽车智能倒车系统设计中最关键的部分。软件设计分为超声波测距程序、语音播报程序、中断程序、系统程序、LCD驱动程序、USB驱动程序、主程序七部分。各个部分函数都可相互调用又相对独立可调，保证调试的便利与程序的可读性。整个汽车智能倒车系统软件流程图如图22所示。开始初始化超声波测距子程序数据处理子程序显示及报警子程序结束图22软件原理流程框图第3章汽车智能倒车系统的硬件设计硬件设计是本设计的的一个重要部分。本章将详细叙述汽车智能倒车系统各部分硬件设计内容、元器件选择及所设计的硬件电路实现的各项功能。31SPCE061A精简开发板电路原理311SPCE061A最小系统SPCE061A最小系统包括SPCE061A芯片及其外围基本模块。其外围基本模块有晶振输入模块OSC、锁相环电路PLL、复位电路RESET、指示灯LED等。其电路原理图如图31所示10。图31SPCE061A最小系统原理图312电源模块SPCE061A的内核供电电压为33V。而I/O端口可接33V也可接5V，考虑到超声波测距模块需要供电电压在45V以上时才能正常工作，所以使用车载电源提供的12V，运用LM7805转换为精简开发板上所能使用的5V电源。电源模123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYC29104C31104D6D7R36330R371KVDDSLEEPC28104R3847KS1RES_BC33104C32100UC30100UC34100UC36104C37104C38100UIOB41IOB32IOB23IOB14IOB05XRESB6VDD7VCP8VSS9NC10NC11OSC32O12OSC32I13XTEST14VDD15XICE16XICECLK17XICESDA18VSS19PVIN20DAC121DAC222VREF223VSS24AGC25OPI26MICOUT27MICN28PFUSE29NC30NC31NC32MICP33VCM34VRTPAD35VDD36VMIC37VSS38NC39NC40IOA041IOA142IOA243IOA344IOA445IOA546IOA647IOA748VSS49VSS50VDDH51VDDH52IOA853IOA954IOA1055IOA1156IOA1257IOA1358IOA1459IOA1560XROMT61VSS62XSLEEP63IOB1564IOB1465IOB1366IOB1267IOB1168PVPP69NC70NC71NC72NC73NC74VDDH75IOB1076IOB977IOB878IOB779IOB680IOB581NC82NC83NC84SPCE061AVSSVSSPIOA0IOA1IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7IOA9IOA10IOA11IOA12IOA13IOA14IOA15IOB0IOB1IOB2IOB3IOB4IOB5IOB6IOB7IOB8IOB9IOB10VDDHVCPVDD_PRES_BMICPVCNVRTVDD_AVMICVSSVSSVDDHVDDHIOA8OSCOOSCIVDDICE_ENICE_SCKICE_SDAVSSAPVINDAC1DAC2VREF2VSSAAGCOPIMICOUTMICNPFUSEVSSXSLEEPIOB11IOB12IOB13IOB14IOB15VCCAVSS1C35100UC2620PC2720PY132768OSCOOSC1C40104C39100U12J7CON2VRTAVSS1VREF21J9CON1DAC2R3533KC24104C253300PVCP块的电路原理图如图32所示。图32电源模块的电路原理图313放音模块由于本汽车智能倒车系统实现语音提示障碍物的不同方向，故放音模块便不可缺少。在SPCE061A精简开发板上便集成了以下放音模块，放音利用的是SPCE061A内部的DAC。图33中的SRY0030是凌阳公司的产品。和LM386相比，SPY0030还是比较有优势的，比如LM386工作电压需在4V以上，而SPY0030仅需24V两颗电池即可工作；LM386输出功率100MW以下，SPY0030约700MW左右，较低的工作电压，又能有很好的输出效果，这使得本系统即使脱离固定电源，仅使用电池供电，也能完全正常工作。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYC4104C610412J10CON2D1D2R5R6R7R8R9R10R115VV5V3VDD_AVDD_PVDDVDDH3GNDAVSS1AVSS2C3220UC5220UGND1VI2VO3U3SPY0029123J5CON3V5VDDHVDDH312123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYC20033C2103312V5VINPUT1GND2OUTPUT3LM7805图33放音模块的电路原理图32超声波测距模块电路的设计321超声波测距PWM信号硬件实施为了符合探测障碍物所需要的测量精度的设计要求，超声波发射探头需要一个稳定的PWM信号，驱动发射脉冲信号。此PWM信号可由集成芯片NE555搭配合适的外围电路构成1112。其电路如图34所示图34NE555构成的PWM信号提供电路此硬件实施方案具有如下特点123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBY123J6CON3R121KC10104C7104C11104C8100UR131KLS1SPEAKERVDDHAVSS2DAC1C910412367845SPY0030123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYTRIG2Q3R4CVOLT5THR6DIS7VCC8GND1U1NE555R118KR3510R251KR41605VVCCPLUS_EN1C1103C21031NE555外围电路容易搭建，驱动电压与SPCE061A一致，无需另接电源；2硬件电路输出稳定，不易受干扰。上图显示的是由NE555构成的40KHZPWM驱动信号电路，该电路最大特点是与SPCE061A具有较好的兼容性及较高抗干扰性，符合整个设计对测量精度的要求。322超声波测距PWM信号软件实施除了直接用硬件来提供超声波测距所需要的PWM信号以外，也可以用SPCE061A提供的PWM脉宽调制输出功能，用软件进行处理。用软件进行处理的优势在于，发射超声波所需要的PWM信号和其反射信号的计算都是由同一个单片机完成，可以利用程序编写的灵活性，极大的削弱发射与接收之间的余波干扰，使测距更加精确。它与硬件实现电路相比有以下几个优点1PWM信号是用程序实现的，减少了整个设计的成本；2SPCE061A具有16位的处理能力，其输出的PWM信号无论是在频率的精度，或是持续输出的稳定性上，都具有极佳的表现；由SPCE061A同时控制PWM信号输出和反射信号的计算，具有更好的灵活性，容易实现高精度的测量。综合比较软件和硬件方案的优劣，选择软件提供超声波测距所需要的PWM信号，主要原因有如下几点1超声波测距的精度与给予的PWM信号质量有很大的关联，使用软件提供PWM信号除了能提供更高品质的信号外，又没有增加设计的成本，很适合毕业设计的要求。2使用软件提供PWM信号虽然会增加代码编写的工作量，但从整个系统的角度来看，超声波信号的发射与接收都使用软件实现，会更易于综合调试，整个测距过程也更易于控制1314。323超声波谐振频率调理电路的设计NE555和电容电阻组成的电路产生40KHZ的方波，以使超声波传感器产生谐振；而后面的CD4049则对40KHZ频率信号进行调理。PLUS_EN1是超声波信号发射的使能控制端口，当该端口接低电平时，模组将不能发射超声波信号，即40KHZ的方波15。超声波谐振频率调理电路原理图如图35所示。图35超声波谐振频率发生电路、调理电路原理图由SPCE061A提供本电路工作所需要的40KHZ方波，该信号经CD4049进行频率调理，以使超声波传感器发生谐振。CD4049引脚图如图36所示。图36CD4049引脚图从电路图可以看出CD4049是由6个非门构成的六反相缓冲器/变换器。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比，使用CD4049能使由SPCE061A发出的振荡信号的幅度增大一倍使超声波传播距离明显的增长，测距的范围得到扩大。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYTRIG2Q3R4CVOLT5THR6DIS7VCC8GND1U1NE555R118KR3510R251KR41605VVCCPLUS_EN1U2ACD4049UB/FPU2BCD4049UB/FPU2CCD4049UB/FPU2DCD4049UB/FPU2ECD4049UB/FPU2FCD4049UB/FPUS1SUPERSOUND_1WAVB1WAVBC1103C2103C13224C12224C23104C2222U5V为了防止绝缘电阻下降而导致超声波转换性能的下降，在超声波传感器与信号调理电路之间需要串如一个耦合电容。通过它可以将直流电压转换为等幅的交变电压，保证了超声波发射电路能够长时间稳定可靠的工作。324超声波回波信号处理电路的设计超声波回波信号处理电路原理图如图37所示图37超声波回波信号处理电路原理图由于超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，其接收到的回波信号的幅值的单位通常在毫伏级甚至更小，所以超声波回波信号处理电路的前级就需要提供很高的放大信号，使单片机能够正常工作。本系统采用NE5532搭配外围电路构成10000倍放大器来对接收到的信号进行放大处理。经过处理的信号输入至LM311的正端与3脚提供的基准电压相比较然后输出，若输出为低电平，则说明无回波信号或信号太小，若输出为高电平，则被SPCE061A接收后进行数据处理1617。325超声波测距模式选择电路的设计超声波测距模式选择电路的作用是为回波信号处理电路中LM331提供电压比较的基准电压，其电路原理图如图38所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYUS1SUPERSOUND_1VAVEVAVE1R2610KR2810KR2710KR291MR3010KR311MR321MR3310KEMIT1IN2IN3VCC4BLC5STRB6OUT7VCC8COLU6LM311_8VCCCOM_LINEVCC5VBLACK_PLUSC181000PC1930PC1730PC16224C15104123U5ANE5532123U5BNE5532Q1PNPR3433K12J8CON2COM_EN图38超声波测距模式选择电路原理图由电路图可知，该电路可为LM331提供3组不同的电压，分别对应短距离测距，中距离测距和可调测距三种不同的测距模式。虽然本系统只需工作在短距离测试模式即可满足设计的性能指标，但为了软件标定的便利，及其他场合的应用，该模块依旧保留其他两种模式测距的选择跳线。326转接板的电路设计本方案采用的三个超声波测距模组都是利用其接口，每个模组接出两个控制、检测端口，然后会通过CD4052模拟开关进行选通，所以在实际使用当中，是分时地对每一个模组进行操作。超声波测距模组的接口VCC_5在本方案当中由61板供电，即5V。转接板的电路设计文前已说明转接板是在SPCE061AI/O数目不足，传感器数量较多的情况下，针对超声波测距模块的输入输出信号都是数字信号这一特点，没有选择扩展SPCE061A的口线，而是使用CD4052模拟开关来控制三个传感器的选通与否。该部分电路图如图39所示。图中J1直接与61板的J6相接，即与61板的IOB口低八位接口相接，可知图中的VDD为61板供电，即5V；而A0和A1分别接SPCE061A的IOB0和IOB1，以控制CD4052的两个地址位，以控制通道的选通。IOB2接PLUS_B，作为回波信号的检测输入，不过经过CD4052的选通，接到哪一个模组，由IOB0和IOB1的输出决定；同样COM_EN为超声波测距模组的信号发射使能控制，接到SPCE061A的IOB3。CD4052的另外一端，接出COM_EN1/2/3分别接三个模组的发射使能，另外还用三个10K的电阻下拉到地，以保证没有选通的模组不会发射出超声波信号10。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYR1451KR1511KR1620KR1720KR1820KR1910KVCCCOM_LOWCOM_HIGCOM_LOW图39转接板电路原理图CD4052芯片引脚图如图310所示。图310CD4052引脚图123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYY0B1Y2B2ZB3Y3B4Y1B5EE6VEE7VSS8A19A010Y3A11Y0A12ZA13Y1A14Y2A15VDD16CD4052R2510KR2410KR2310KC1410312345678910J1CON10U4COM_EN1COM_EN2COM_EN3PLUS_B1PLUS_B2PLUS_B3VDDPLUS_BCOM_ENA0A1A0A1PLUS_BVDD12345678910J2CON10COM_EN1VDD12345678910J3CON10VDD12345678910J4CON10VDDCOM_ENCOM_EN2COM_EN3PLUS_B1PLUS_B2PLUS_B3CD4052相当于一个双刀四掷开关，开关接通哪一通道，由输入的2位地址码A0、A1来决定。其真值表见下表。“/E”是禁止端，当“/E”1时，各通道均不接通。此外，CD4052还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD5V，VSS0V，当VEE5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。33显示电路的设计331二极管闪烁报警电路的设计二极管闪烁报警电路结构比较简单，二极管直接与SPCE061A的I/O口相连，串联一个限流电阻即可完成设计要求，该部分电路如图311。图311二极管闪烁报警电路原理图332LCD显示报警电路的设计由于使用的LCM1602A液晶模块已经模块化，外围电路较为简单，不再给出。LCM1602A各引脚定义见表31所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBYR20300R21300R22300D3D4D5IOA8IOA9IOA10表31LCM1602A引脚定义表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地8D2数据口2VDD电源正极10D3数据口3VL显示偏压信号11D4数据口4RS数据/命令选择端12D5数据口5R/W读/写选择端13D6数据口6E使能端14D7数据口7D0数据口15BLA背光源正极8D1数据口16BLK背光源负极333USB设备及图像处理电路设USB系统包含主机和物理设备两个最基本的元素，一个USB系统只能有一个USB主机，但可以连接多个物理设备。本设计中的设备由USB摄像头，USB主机控制器及驱动软件3部分构成。USB系统工作层次分明USB接口层提供主机控制器和设备的物理连接；设备层中，USB主机调用驱动程序通过端点0发送并获取USB设备的控制信息；功能层进行实际数据的传输，主机必须选择合适的接口和端点，调用底层驱动提供的接口函数获取USB摄像头的视频数据流。视频信号的采集一般选择USB摄像头来实现，视频显示则由液晶来实现。视频信号的采集一般选择USB摄像头来实现。如图312所示，USB摄像头SPCA561A集成了镜头、CMOS传感器、USB图像处理器以及USB控制器。SPCA561A提供了一种单芯片摄像头解决方案，它将一个GIF的CMOS传感器、一个图像处理器和USB控制器集成于单芯片，从而大大降低了成本和开发难度；缺点是只有10万像素，每秒帧数较少，然而非常适合应用于图像要求不高的小型监控系统。图312SPCA561A芯片示意图视频数据采集过程如图313所示，视频信号由摄像头SPCA561A采集得到，经过内部的图像处理芯片后编码为规定的格式，一般为RGB或者YUV格式，但是SPCA561采用比较特殊的S561图像格式类似于RGB格式。主机控制器用同步方式接收每个信包，并去除包头合并成S561格式的数据，组成一个完整的图像帧。最后由软件将此图像帧预编码成为YUV420格式的图像数据，以便后续的压缩处理。原始视频数据S561格式数据多帧发送缓冲接收缓冲多帧S561格式数据YUV格式数据转换分割编码合并FIFOFIFO图313视频数据采集示意图USB摄像头驱动的实现USB摄像头并非标准的USB外设。与其他USB外设不同的是，每个厂商的摄像头芯片都有自己定义的设备请求，而这些摄像头芯片数据手册并不对外公开，所以编写摄像头驱动的难度很大，想要驱动支持更多的摄像头，程序会非常复杂。本设计只介绍SPCA561A摄像头驱动的方法。图像传感器图像处理器USB控制器镜头DD初始化一个USB摄像头有两个步骤，第一步是摄像头的枚举，第二步是摄像头的自定义设置。1设备枚举设备的枚举就是标准设备请求的过程，这部分内容包含于USB协议第9章。对USB摄像头来说，枚举的过程依次如下1获取设备描述符。通过设备描述符得到端点0的负载，也就是最大传送包容量。2设置地址。给设备分配一个默认地址0之外的地址。3获取配置描述符。这个过程包括两个阶段，第1次获取的配置描述符的前4个字节得到配置描述符的真实长度；再以真实长度第2次获取配置描述符，此描述符包含了设备的配置信息和多个接口信息。4设置配置信息。设置的主要信息是配置描述符中的第5个字段BCONFIGURATIONVALUE。5设置接口。USB摄像头不同的接口号对应不同的信包负载。本设计选定的接口号为2，对应信包负载是128字节。2自定义设置USB摄像头并不是标准USB外设，需要很多自定义设置，可以称之为“自定义设备请求”，它是用标准设备请求包方式传送的，目的是修改内部寄存器，对采集图像和压缩方式进行配置。标准设备请求和自定义设备请求包的不同内容如表32所列。自定义设备请求的内容非常丰富，它包含以下几个方面1时序产生设置。包括图像采集频率和振荡器的设置等。2图像处理设置。包括图像窗口大小、压缩类型、色彩分配等配置属性。3存储器设置。对图像缓冲进行设置。4控制及状态设置。包括启动及停止图像采集、数据传输方式、当前状态等配置属性。表32标准设备请求与自定义设备请求请求数据格式标准设备请求自定义设备请求BMREQUESTTYPE传输类型传输类型BREQUEST请求类型寄存器号WVALUE类型字段寄存器数据WINDEX0寄存器偏移WLENGTH0/接收字节长度0/接收字节长度初始化结束后，可以根据需要进行图像格式的设定，SPCA561A支持SQVGA160120、QCIF176144、QVGA320240、CIF352288四种格式。设定结束后启动摄像头采集，进行数据传输。USB接口模组USB接口模组的U7接口将PDIUSBD12的数据线（D0D7）、控制线（INT_N、RESET_N、CS_N、ALE、WR_N、RD_N）、电源线（VCC、GND）引出，方便使用USB接口模组与各种型号的MCU连接；PDIUSBD12芯片，用于完成USB接口的所有硬件功能；电容C42的作用是完成PDIUSBD12芯片的上电复位；晶振供PDIUSBD12芯片使用；L1L4磁珠起抗干扰作用，保证数据传输的正确；USB接口完成设备之间的连接；指示灯在USB接口模组工作的时候点亮，在传递数据的时候闪烁；电源跳线用来改变USB接口模组的供电方式，或者改变外设的供电方式。图314USB接口模组电路原理图USB接口模组板上的器件比较少，主要是PDIUSBD12芯片及使芯片工作的晶振、复位等外围电路，另外为了提高系统的抗干扰性，采用了磁珠（L1L4）。USB接口模组U7端口的详细说明如表33所示表33USB接口模组端口的说明VCCNCNCINT_NRESET_NCS_NALEWR_NRD_NGND1PIN123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11JUN2009SHEETOFFILECDOCUME1ADMINI1LOCALS1TEMPRARDDBDRAWNBY1234567891011121314151617181920U7HEADER10X21234J11VDDVDDVDD1VCCVCCVCCGNDGNDRD_NWR_NALECS_NRESET_NINT_ND0D1D2D3D4D5D6D7Y26MC4322PFC4468PFUSB_EXTAL2USB_EXTAL1D8LINKR4310KR44470R4510KC4210UVDD1DMACK_NLINK_NRESET_NGND1122334477889910101111121213131414151516161717181819192020212122222323242425252626272728285566PDIUSBD12U8D0D1D2D3D4D5D6D7ALECS_NINT_NGNDR40100R3910KVDD1USBA0R4110KGNDR4618R481MR491MR4718L1L2L3L41234J12CON4GNDC41104R4210KVDD1USB_EXTAL1USB_EXTAL2VDD1RESET_NDMACK_NLINK_NRD_NWR_NEOT_NPDIUSBD12_25PDIUSBD12_26VCCD0D1D2D3D4D5D6D7GND2PINUSB接口模组U7各个端口的说明如表34所示表34USB接口模组U7各个端口的说明端口符号类型说明VCCPOWER电源GNDPOWER地NC无用INT_NOUTPUT中断控制（低电平有效）RESET_NINPUT复位（低电平有效）CS_NINPUT片选（低电平有效）ALEINPUT地址锁存使能WR_NINPUT写选通（低电平有效）RD_NINPUT读选通（低电平有效）D0D7OUTP