【《基于单片机的汽车驾驶辅助系统设计与实现》9600字】

PAGE1基于单片机的汽车驾驶辅助系统设计与实现摘要：本文基于单片机，设计了一个超声波测距、显示，和语音报警系统。主要功能是自动检测并实时显示行驶中的车辆与周围物体的距离，并根据当前行车速度判断危险距离，达到这一距离时发出语音，警告某方位有物体过近。系统可以通过按键选择市区内行驶和高速路行驶两种模式。测试表明，该系统具有性价比高、稳定性强等优点，和实用性强、成本低、灵敏度高等特点。关键词单片机；超声波测距；距离检测；语音警报目录TOC\o"1-3"\h\u16023基于单片机的汽车驾驶辅助系统 389581.前言 3152542.驾驶辅助系统总体方案设计 5172422.1驾驶辅助技术的研究意义 537372.1.1车辆间距测量方法 5162952.1.2安全车距的影响因素 612252.2超声波测距工作原理 6149642.3危险距离报警工作原理 783072.4汽车驾驶辅助系统的设计目标 7222442.5汽车驾驶辅助系统方案 8168862.6汽车驾驶辅助系统硬件总体框图 8159992.7控制系统的设计思路 953353.汽车驾驶辅助系统硬件选择及电路设计 10241693.1单片机的选择 11244383.1.1单片机的支撑电路 12244983.1.2单片机的硬件电路 14150213.2超声波测距传感器 14251603.2.1超声波传感器工作原理 1595573.2.2超声波测距传感器的选型及其参数确定 1590243.2.3超声波测距传感器的硬件布局 1634353.3显示模块 17266293.3.1显示元件的选用 17179243.3.2显示模块的硬件布局 1834143.4语音报警模块 20213473.4.1BY8301-16P的参数及使用 2037983.4.2语音报警模块硬件电路 2250093.5按键模块 2274793.6汽车驾驶辅助系统总电路图与实物图 23115704.汽车驾驶辅助系统软件程序设计 2523354.1软件程序流程介绍 25319424.2超声波测距模块程序 27105124.3LCD显示模块程序 28162604.4模式选择按键程序 31177514.5本章小结 32288275.测试情况及分析 3326186.结论 3628426参考文献 371.前言在人们的生活当中，安全往往是最核心的问题，特别是在近十几年，随着社会的进步，我们的生活质量有着明显的提升，汽车产业蓬勃发展，汽车的人均拥有量和人均使用量在不断地提升。然而，随着汽车使用越来越普及，交通事故发生的数量和严重程度也在明显上升。据统计2019年一年中国交通事故死亡人数就达到62763人，不仅如此，在这一数据的基础上还在持续上升中。目前，汽车在行驶的过程中面对的安全问题越来越严峻。在设计小汽车的时候，设计师们必须在汽车的安全性能上花费更多的精力，为了减缓发生交通事故时汽车对乘客造成的伤害，为汽车开发出很多被动的安全配置，如：安全带、安全气囊等。但是，这一些措施并不能降低交通事故的发生几率，只能做到在交通事故发生之后保护乘客的安全，仅靠这些措施并不能全方位的解决问题。要想彻底解决这些问题，就必须从源头上减少交通事故发生的频率，把可能发生的交通事故扼杀在摇篮中，全方位提高汽车的安全性能，保障车内人员的人身安全。因为驾驶员应急能力差、视野开阔程度不足、驾驶视野盲点等原因，经常会导致汽车在行驶过程中发生追尾、碰撞、挤压等交通事故。这些事故通常是由于驾驶员的反应时间不够长产生的。根据我国相关机构对许多汽车交通安全事故的分析报告显示：大部分的汽车追尾都是由于驾驶员的精力不集中或者道路的视野盲区造成的，如果给司机0.6秒以上的反应时间来判断汽车与其他车辆或者建筑物之间的距离，那么至少有三分之二的追尾事故可以有效避免。该报告还指出，在绝大部分的两车相撞的交通事故中，相撞部位都是后车的前部与前车尾部、侧面。根据以上材料，我们不难得出：汽车驾驶员发现危险的敏捷程度和反应速度，即是否能及时踩住刹车、让汽车完成制动是交通事故是否会发生的关键REF_Ref19212\r\h[1]。根据以上的分析，汽车的驾驶辅助系统便被人们研发了出来。它具有运行稳定、不被外界各种环境因素所影响的优点。比如：温度、湿度以及路面的车况等等。而且该系统能够根据汽车当前的行驶速度、行驶道路环境制定当前的预警安全距离，并实时显示在屏幕上，并在汽车与障碍物距离在危险距离内时及时发出语音警报，为驾驶者对汽车做出合理操作提供参考依据。本文首先对安全距离预警技术、超声波测距等原理进行分析，明确了驾驶辅助系统的功能需求以及该系统的总体设计方案。然后，在理论知识的支持下，根据方案的计算结果选择了相应的硬件设施组成系统各个模块的电路，完成不同的功能。单片机的型号选择的是STM32单片机，可以实时监测系统的运行状态，一旦发现异常立马报警。最后，把设计的各个模块有机地结合起来，根据最开始预设的功能完成对整个辅助驾驶系统的设计步骤，让超声波测距模块能够在行驶过程中测出当前汽车与障碍物之间的距离，并令液晶屏实时显示当前汽车与障碍物之间的距离，并根据预设数值判断是否达到语音报警条件，当汽车与其他车辆或障碍物的距离在预设危险距离内时及时驱动语音报警模块，进行语音报警。驾驶辅助系统总体方案设计汽车的驾驶辅助系统是随着现代计算机网络技术的飞速发展和越来越复杂的交通环境下产生的发明。其在设计的过程中包括了传感技术、自动驾驶技术、信息收集以及处理技术、人工智能技术等现代化高端技术。合材料与我国道路安全现状，本文制定了设计驾驶辅助系统的步骤和整体方案，方案的设计是整个系统的基础，决定了系统设计的方向以及合理性。驾驶辅助技术的研究意义根据对我国许多汽车安全事故的研究可以得知，大部分汽车安全事故的重要因素主要是驾驶员驾驶车辆与前车或前侧方车辆间距过小。驾驶辅助系统技术产生的意义就是利用超声波原理，在一些视野盲区或者驾驶员注意力不集中的时候时刻监测车辆和周围建筑物以及行驶的汽车之间的距离，一旦汽车和其他建筑物或汽车距离太近，自动辅助系统就会自动报警，及时警示正在开车的驾驶员，让驾驶员有充足的反应时间去调整汽车的运行轨迹，及时有效地避免可能发生的追尾、相撞等交通事故。目前我国的汽车数量与日俱增，开发和设计这样一套辅助系统对减少交通事故具有很大的现实意义。2.1.1车辆间距测量方法根据前文的描述可以得出，如何正确地测量两辆正在高速行驶的汽车之间的距离是该系统是否能够被成功设计的关键。如果两车之间的距离测量不准确，测量结果偏大可能会导致驾驶员没有充足的反应时间，测量结果偏小则有可能导致报警过于频繁，影响驾驶员的正常驾驶。目前来说，实现测量较为成熟的方式是利用超声波、激光等手段。测量有一个阈值，该阈值就是所谓的安全距离，当道路上两辆车的距离既能够保证两车能够给驾驶员足够的反应时间，又不会因为距离太大而影响交通时，该距离就被称之为安全距离。系统设计最重要的一步就是结合车辆的速度、制动性能、行驶道路的摩擦系数等因素，研究出真正可以保证汽车安全驾驶的最短预警距离，一旦汽车与其他车辆之间的距离小于该数值，系统将会自动报警。2.1.2安全车距的影响因素汽车在行驶过程中的安全距离并不是一成不变的，它受到很多因素的影响，比如说REF_Ref21746\r\h[2]：(1)驾驶员的年龄以及专注度：一般来说，驾驶员越年轻，其专注度就会越高，反应时间就会越小，相应的安全距离就会更短一些；(2)天气因素：一般来说，在下雨或者下雪等气候条件下，汽车会由于地面潮湿而发生制动距离变长的情况，这时候安全距离就会增加，在大雾天气，由于驾驶员的视线被阻隔，安全距离也会变长；(3)道路交通情况：在一些道路比较拥挤的路段，车速较慢，汽车之间的安全距离会有所减小，而在高速公路等汽车高速行驶的路段，安全距离就会有所增加。2.2超声波测距工作原理超声波指的是频率大于20000赫兹，超过人耳能够接收极限的声波。相较于低频率的声波而言，超声波具有能够穿透障碍物、传播范围远、传播过程十分稳定等优点[11]。只要声音的频率超过了20000赫兹的声波都被统称为超声波，超声波的传播距离也和自身的频率息息相关。一般来说，超声波频率越大，其能够传播的距离反而更小，它们两者是反比的关系。在这种特征下，一般人们所使用的超声波频率都会控制在40000Hz—50000Hz之间。而当超声波在空气中传播的时候，其速度和空气的温度成一定的数学关系，超声波的速度和空气的温度之间的表达式如下：（2-1）其中，t——空气的温度，单位为℃；V——超声波的传播速度，单位为m/s。本文所采用的测量速度的方法是在一个空旷的地方向某个方向发射超声波，超声波在空中运行了一段时间后碰到预设的障碍物返回发射点，根据时间以超声波的速度来确定两物体之间的距离。其中，测量时间的准确性在很大程度上决定了该实验的精确度。本文使用STC89C52RC单片机来操控系统内部的计时器，当接收器接收到反射回来的超声波信号的一瞬间计时器停止计时。根据速度公式可以得知，两障碍物之间的距离的一半就是该时间与超声波速度的乘积，具体表达式如式2-2所示：（2-2）其中，V——超声波在空气中的传播速度，单位为m/s；T——超声波从发射到接收的总时长，单位为s；D——两障碍物之间的距离，单位为m。2.3危险距离报警工作原理单片机随着近几十年的发展，已经变成了一个十分成熟的产品，具有稳定性好、安全可靠、功能强大等优点。在这种情况下，本文选取单片机作为汽车驾驶辅助系统的中央控制单元，根据驾驶辅助系统前、后、左、右四个方向模型的功能要求，搭建满足系统要求的功能元件，各个传感元件在获取外界的数据信息后把信息转换成数据文件传输到CPU中进行计算以及分析，并快速计算出结果后根据结果发出相应的指令到执行元件中去，指挥执行元件进行超声波测距、实时显示、语音报警等操作，从而保证驾驶人员在驾驶过程中的人身安全，降低车辆行驶的危险性。2.4汽车驾驶辅助系统的设计目标汽车驾驶辅助系统是现代汽车行业在计算机技术以及传感器技术的支持下最先进的产品之一。其具有在路况不好或者驾驶员注意力不集中等紧急状态下提前预警的功能，让司机有足够的反应时间去作出调整，最大限度地避免事故的发生。是现代社会应对日益增加的汽车数量和频繁发生的交通事故的一个十分有效的措施。该系统设计的主要目的有以下两点：1．利用传感器技术来检测车辆行驶过程中的车况信息，记录车辆周围其他汽车以及障碍物的信息，判断车辆的行驶状态；2．当汽车和其他物体的间距小于安全距离时，能够及时发出预警，让司机有充足的反应时间作出相应的调整。2.5汽车驾驶辅助系统方案本汽车驾驶辅助系统由单片机stm32f103c8t6控制，为了实现系统预设的利用超声波测量距离、路况显示、语音报警等功能；该系统配备了超声波探头测距组件、LCD液晶显示组件、语音报警组件、模式选择按键模块。此设计的运行机制为：单片机的控制中枢在汽车行驶的时候控制超声波探测器发出超声波信号，并利用传感器获取声波折返说话的时间信息，利用时间和声速计算出车辆和周围物体之间的距离信息。距离信息会在汽车前面的屏幕上实时播放给司机，当距离为安全距离时，并不会有任何提示音，司机可以根据屏幕上的车辆信息作出反应，调整驾驶速度；当距离低于安全距离时，会发出警告，如若司机没有反应，系统将采取强制制动措施，帮助司机远离危险。2.6汽车驾驶辅助系统硬件总体框图汽车辅助系统的总体框架图如下所示，中枢是单片机，整个系统包括显示模块、语音报警模块、电源模块、超声波测距模块以及模式选择模块等。图（2-2）汽车驾驶辅助系统硬件总框图从汽车驾驶辅助系统硬件总体框图可知，周围车辆车距信息采集是实现系统功能的前提条件。超声波测距探头在车辆上向四周发射超声波信号，并且由传感器接受其反射回来的信号，根据相应的公式计算出周围车辆和自己的距离。报警系统的核心就是超声波测距模块，距离测量的是否准确将直接影响系统所发出的一系列指令。超声波传感器将采集的数据信息提交给STM32单片机，单片机会根据系统反馈的距离信息判断汽车当时的驾驶环境是否安全。当车辆距离其他的建筑物或汽车太近时，单片机会判断当前状态为危险状态，就会启动报警模块对司机发出预警，提示司机改变行驶轨迹，及时避险。2.7控制系统的设计思路汽车驾驶辅助系统的设计是需要计算机技术、传感及技术、定位导航技术等多项尖端技术支撑的，其正常有效地运行需要各个软件以及相关硬件的配合，关于本控制系统的设计思路主要有以下几点：该系统的硬件选择必须要能够完成本系统需要达到的精度要求，同时还要能够耐受高温、低温、潮湿、干燥等一系列恶劣环境，并且具有一定的经济性，价格能够被大多数用户所接受。确定该系统的核心控制中枢的选型，本汽车驾驶辅助系统的中央控制元件选用STM32f103c8t6单片机，该单片机稳定性良好、抗干扰能力较强、封装体积小、性价比高，适合该系统。设计系统的超声波测距模块，为乐确保系统的准确性和可靠性，选用的超声波测距头笔记拥有较高的精度。其次梁的原理为在一个空旷的地方向某个方向发射超声波，超声波在空中运行了一段时间后碰到预设的障碍物返回发射点，根据时间以超声波的速度来确定两物体之间的距离。该模块的关键点就在于确定超声波来回所花的时间，因此选用的传感器必须足够精确，具有较好的性能。4.根据汽车驾驶辅助系统功能需要，设计车距数据呈现组件，选用LCD液晶显示器作为显示屏，在超声波模块的快感器测量出车辆周围其他车辆的位置信息后，由传感器中枢将距离信息发送到显示屏上，司机可以通过查看显示屏来获取周围的车辆信息，十分方便。5.根据汽车驾驶辅助系统功能需要，中枢单片机会根据系统反馈的距离信息判断汽车当时的驾驶环境是否安全。当车辆距离其他的建筑物或汽车太近时，单片机会判断当前状态为危险状态，就会启动报警模块对司机发出预警，提示司机改变行驶轨迹，及时避险。6.根据汽车驾驶辅助系统的运行机制，选取系统的中央处理器的型号以及规格、把各个功能模块按照一定的顺序搭建在一起，完成系统的整体设计。7.开发完成系统所需功能的程序，要求所写出的程序能够完美完成系统的任务以及功能需求，并留下一定的空间以后开发新的功能。汽车驾驶辅助系统硬件选择及电路设计为了确保系统能够正常有效的运行，所选择的硬件必须能够达到相应的技术指标，具有足够高的精度以及使用寿命。同时，考虑到本系统的普适性和未来的推广，所选的硬件还必须具有经济实惠的特性，方便未来量产。本章就是对该汽车驾驶辅助系统中所有涉及到的重要元件进行了选型和设计，确定了各单片机、传感器的参数信息，力求在能够完成系统功能的前提下选出一套最合理、最经济适用的硬件组合。单片机的选择目前在市场上单片机的种类十分繁多，不同单片机能够实现的功能也不一样。作为汽车辅助系统的控制中枢，选择一个合适的单片机是重中之重，如何选取单片机则是我们首先要面临的难题，一般来说，单片机的选择必须按照下表所示几点去考虑：序号指标具体说明①基础运行指标单片机能够用来储存代码和数据的容量大小、以及输入/输出脚的多少等②扩展能力是否具备防止程序出错的安全措施，也就是通俗说法中的看门狗③封装类型单片机是如何封装的，是否采用的是市面上比较流行的COB、SOP、LCC等封装形式④存储器种类比如一次性的可编程存储器或者闪存等⑤使用温度范围温度适用级别必须达到户外温度，能够适应高温以及低温的工作环境表3-1单片机的选择标准和其他诸多单片机相比，单片机具有储存能力强、扩展能力好、轻便小巧、经济实惠等优点，符合本设计的要求。因此本系统确定使用单片机作为系统中枢，其引脚图如图3-1所示：图（3-1)STM32f103c8t6引脚图3.1.1单片机的支撑电路电源电路根据STM32f103c8t6单片机的额定工作电压参数选取5V的电源，设计了一个为系统提供5V稳定工作电压的电源电路，如图3-2所示：图（3-2）电源模块电路其中，利用LM1117低压差电压调节器，为系统提供控制、稳定系统工作电压的功能，保护系统良好运行。其性能参数如图3-3：图（3-3）LM1117性能参数3.1.2单片机的硬件电路根据本系统功能，设计了单片机的对应电路图，如图3-4所示：图（3-4）STM32f103单片机电路图3.2超声波测距传感器3.2.1超声波传感器工作原理超声波传感器的主要由四部分构成，分别是：发送部分、接收部分、控制部分和电源部分REF_Ref20029\r\h[3]。①发送部分：发送部分主要是由发送器和换能器组成，换能器负责把压电晶片共振时产生的能量转换成超声波信号，并由发送器发射出去；②接收部分：该部分由换能器以及放大电路两部分组成，负责接收反射回来的超声波信号，并通过换能器把声信号转化为电信号，并由放大电路把电信号放大；③控制部分：控制整个传感器的工作系统，控制发射装置发射超声波，并检测接收装置接收的超声波信号是否为自己所发出的，同时还能识别超声波信号的大小；④电源部分：对整个传感器供电，确保其能够正常工作。3.2.2超声波测距传感器的选型及其参数确定在综合考虑了系统对传感器的精度要求以及市场上各种超声波传感器的参数后，本系统最终选用的超声波测距传感器为HC-SR04超声波测距模块，图3-5给出了HC-SR04超声波传感器的电气参数，图3-6为其实物图与实物规格：图（3-5）HC-SR04电气参数图（3-6）HC-SR04实物图及实物规格图3.2.3超声波测距传感器的硬件布局本系统的设计目的之一是达到实时监测行驶中车辆前方、左侧、右侧、后方四个方向与障碍物或其他车辆的距离，所以使用了4个HC-SR04超声波测距传感器分别测量四个方向，四个超声波测距传感器的电路图如图3-7所示：图（3-7）超声波测距传感器电路图3.3显示模块显示模块的主要功能是把传感器测出的距离信息在LED屏幕上显示出来，可以被驾驶员直观地看到，并根据屏幕上的车辆信息及时对自己的行驶速度以及方向作出调整。显示元件的选取必须经济实惠、低能耗且不影响司机的正常驾驶。3.3.1显示元件的选用本系统选用FY1602A字符型液晶显示模块作为系统显示模块，FY1602A字符型液晶显示模块可以同步显示四个方向的实时数据和当前的系统工作模式，可以添加文字标注便于分辨前后左右四个方向，符合本系统功能要求，同时兼具功耗低、环保等优点。FY1602A字符型液晶显示模块的主要参数如图3-8所示：图（3-8）FY1602A主要参数图3.3.2显示模块的硬件布局1.FY1602A引脚说明FY1602A的接口引脚分布如图3-9所示：图（3-9）FY1602A引脚说明显示模块的硬件电路根据FY1602A的引脚、参数、功能，结合本系统要求和STM32f103c8t6单片机的接口功能，显示模块的硬件电路图如图3-10所示：图（3-10）显示模块电路图3.4语音报警模块本系统语音报警模块需要播放音频，所以采用BY8301-16P语音模块搭配外接喇叭组合成本为语音报警模块。原理为：通过单片机PB12引脚输出音频数据BY8301-16P的RX引脚，再由BY8301-16P输出到外接喇叭播放音频，达到语音报警的功能。3.4.1BY8301-16P的参数及使用图3-11为BY8301-16P的主要参数图：图（3-11）BY8301-16P主要参数图3-12为BY8301-16P的引脚图，图3-13为其引脚功能说明图：图（3-12）BY8301-16P引脚图图（3-13）BY8301-16P引脚功能说明图3.4.2语音报警模块硬件电路根据系统功能与元件引脚，设计出匹配系统功能的语音报警模块硬件电路图如图3-14所示：图（3-14）语音报警模块电路图3.5按键模块由于本系统需要通过按键选择工作模式，所以设计了按键模块，按键模块电路图如图3-15所示：图（3-15）按键模块电路图3.6汽车驾驶辅助系统总电路图与实物图汽车驾驶辅助系统的总电路图与实物图最终如下图3-16和图3-17所示：图（3-16）总电路图图（3-17）系统实物图汽车驾驶辅助系统软件程序设计汽车驾驶辅助系统的程序设计是关乎整个系统能否正常运行、完成其预设功能的重要步骤。可以说，程序就是整个系统的大脑，程序的编写水平直接决定了整个系统所有的硬件的功能能否被很好地调用，系统能否可靠、准确的完成其任务以及该辅助系统是否能够成功进入市场等。所以，在编写程序的时候，一定要注意程序的质量，力求写出一套完美的符合本系统的程序，为该系统的工作提供一个强壮的“大脑”。在编写程序的时候必须要注意以下几点:1．写出的程序语言要尽量紧凑简洁、避免不必要的书写，保证其能够实现模块化编写，提高程序的编写速度。对于一些关键的程序语句，必须加以注释，方便后续检查。2．编写的程序逻辑清晰。尽量避免不必要的程序语句以及多余的书写，提高系统的运行速度。特别是对于该报警速度来说，系统的响应时间十分重要。遇到危险情况时必须保证系统能够在极短的时间内对驾驶人员作出预警。3．系统一定要能够流场地运行，对于可能出现的死机、系统陷入死循环的情况，必须设有能够让系统及时复位的应急程序。软件程序流程介绍系统的主函数第一步先对延时、LED端口、按键端口、定时器进行初始化，然后对四个超声波传感器进行初始化，数据呈现端口内部存储数据全部清除。然后发送10us的脉冲开始进行测距，随后根据返回的高电平时间利用距离计算函数进行计算，计算得出当前车辆与障碍物的距离并把数据传递到LCD显示模块进行实时的数据显示，然后进行判断，判断当前工作模式下车距是否在危险距离内，如果是则通过语音报警模块发出语音报警。主函数流程图如图4-1所示：图（4-1）主函数流程图超声波测距模块程序首先对超声波测距模块进行初始化设置，代码如图4-2所示：图（4-2）超声波模块初始化设置然后，设置UltrasonicWave_StartMeasure函数提供脉冲发送功能，用于开始测量距离，代码如图4-3所示：图（4-3）发送脉冲代码随后，根据返回的高电平时间进行计算，算出当前车距并判断当前工作模式下该距离是否小于安全距离，如果是则触发语音报警，代码如图4-4所示：图（4-4）计算距离代码同时提供四个方向报警语音文件存储地址，代码如图4-5所示：图（4-5）报警语音存储地址4.3LCD显示模块程序LCD显示模块为汽车驾驶辅助系统提供实时显示的功能，该模块开始时先对液晶使用的I/O口进行了初始化，代码如图4-6、图4-7所示;图（4-6）图（4-7）LCD初始化随后，通过函数控制液晶显示，将数据实时显示在屏幕上，其代码如图（4-8）—图（4-12）所示：图（4-8）液晶显示图(4-9)液晶显示图（4-10）液晶显示图（4-11）液晶显示图（4-12）液晶显示4.4模式选择按键程序汽车驾驶辅助系统具有两种模式，所以设计了模式选择功能，其代码如图所示：对按键对应的IO进行初始化，如图4-13所示;图（4-13）按键初始化然后，对模式选择的按键进行判断，选择对应的模式，如图4-14所示：图（4-14）按键判断4.5本章小结本章主要是介绍了汽车驾驶辅助系统的程序设计的重要性和要点，并根据这些要点完成了对该系统的程序的设计，并给出了在程序的作用下各个部分模块之间功能是如何实现的解释