汽車車門防撞系統(tǒng)的設計

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[鍵入文字] 目錄 目 錄 摘 要 IV Abstract V 第一章 緒 論 1 1.1課題的提出背景及意義 1 1.2課題的研究現(xiàn)狀 1 1.3汽車車門防撞系統(tǒng)的設計內容 2 第二章 車門防撞系統(tǒng)總體設計方案 3 第三章 測距方式選擇 4 3.1幾種測距方式的對比選定 4 3.2超聲波測距原理 4 第四章 車門防撞系統(tǒng)的組成 6 4.1單片機 6 4.2無線收發(fā)器 7 第五章 車門防撞系統(tǒng)的電路設計 9 5.1硬件系統(tǒng)設計總體方案 9 5.2單片機最小系統(tǒng) 10 5.3單片機的時鐘電路與復位電路設計 11 5.4液晶顯示模塊 12 5.5按鍵控制電路 12 5.6電源模塊 13 5.7聲光報警電路的設計 13 5.8無線傳輸模塊 14 第六章 軟件設計 15 6.1軟件設計原則 15 6.2主程序流程圖設計 15 6.3子程序設計 16 6.4調試 18 第七章 實驗 19 7.1驗證功能實驗 19 7.2 應用實驗 20 第八章 總結評價 30 參考文獻 31 致謝 32 附錄 33 40 [鍵入文字] 摘要 汽車車門防撞系統(tǒng)的設計 摘 要 隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，汽車使用越來越普及。交通也就隨之變得擁擠，汽車的安全使用得到進一步的重視。我發(fā)現(xiàn)日常生活中駕乘人員在開關門前首先要觀察后方環(huán)境，確定安全后才會開關車門。我設想設計出可以判斷汽車周圍安全環(huán)境并能夠提醒駕乘人員的系統(tǒng)，提高安全性。 本文首先提出總體的設計方案，選取超聲波的測距方式，選定STC89C52單片機為控制單元，選用NRF24L01無線收發(fā)器為信息傳輸裝置。畫出電路原理圖，完成實物焊接，對設計的實物進行功能驗證實驗。將裝置裝在汽車左右后視鏡下，進行對靜止的物體，移動的物體進行實驗。實驗發(fā)現(xiàn)裝置能夠實現(xiàn)監(jiān)測和提醒的功能，但是有靈敏度欠缺的問題。最后對汽車安全技術集成化、智能化發(fā)展前景展望，集成化將更多的安全系統(tǒng)被集成起來，形成互不相同但相互交叉的綜合系統(tǒng)，智能化一步步將人解放出來，給駕駛者提供更省心更安全的使用體驗。 關鍵詞：超聲波；單片機；無線收發(fā)器 [鍵入文字] Abstract Design of collision avoidance system for car door Abstract With the rapid development of social economy, the use of cars is becoming more and more popular. Traffic has also become more crowded, and the safe of use automobiles has been emphasized further. I found that in daily life, drivers will observe the rear environment before switching doors, and then they switch the door if it is safe. I plan to design a system that can judge the environment around the car and remind drivers and passengers to observe the environment, so as to improve safety of car using. My paper first puts forward the overall design scheme, selects the ultrasonic distance measuring method, the STC89C52 SCM as the control unit, and selects the NRF24L01 wireless transmitter as the information transmission device. Draw the schematic diagram of the circuit, complete the physical welding, carry out the functional verification experiment for the designed object. The device is mounted on the left and right rear view mirror of the car to carry out experiments on stationary objects and moving objects. It is found that the device is capable of monitoring and reminding, but there is a lack of sensitivity. Finally, the integrated and intelligent development prospect of automobile safety technology is expected. Integration will integrate more security systems to form a comprehensive system which is different but cross each other. For drivers, the intelligent one step will emancipate people and provide more secure and safer use experience. Key words: Ultrasonic;SCM; Wireless transmitter [鍵入文字] 第一章 緒論 第一章 緒 論 1.1課題的提出背景及意義 汽車業(yè)與電子業(yè)的深度發(fā)展，使得這汽車業(yè)與電子業(yè)更加緊密。如今交通環(huán)境復雜,電子方面的技術可以使汽車使用安全性能有巨大的進步。目前來看，倆者一體可以體現(xiàn)在現(xiàn)已經(jīng)存在的系統(tǒng)，比如自動安全氣囊、自動門鎖、自動空調、自動導航、自動車窗、自動頭燈、電動座椅等[1]。? 如今經(jīng)濟飛速發(fā)展，汽車使用越來越普及，這就會致使城市交通環(huán)境更加復雜危險。在日常上下車的時候，我們容易忽視汽車停止時的周圍安全狀況，發(fā)生一些不必要的碰撞事故。所以設想如果有一個系統(tǒng)能夠監(jiān)測危險物距離[2]，并且提醒駕乘人員，這樣就可以避免很多事故的發(fā)生。本設計要求設計的汽車在打開車門前，自動監(jiān)測周圍事物[3]，向乘員提供能否安全打開車門的信號，能有效的提高乘員上下車的安全性。 1.2課題的研究現(xiàn)狀 隨著聲、光、電的不斷發(fā)展進步，汽車安全系統(tǒng)的研究在不斷地深入。目前有五種自動防撞系統(tǒng)：超聲波測距系統(tǒng)，激光測距系統(tǒng)，機器視覺防撞系統(tǒng)，紅外汽車防撞預警系統(tǒng)，交互式智能化防撞預警系統(tǒng)[4]。 超聲波系統(tǒng)：超聲波系統(tǒng)運行過程是從發(fā)射器端發(fā)出脈沖開始計時到接收端收到回波計時結束，通過計算獲得物體的距離。超聲波系統(tǒng)的原理較簡單、使用成本較低、制作比較簡單，但汽車在較高速度行駛時，超聲波會受到天氣的較大影響，并且不同天氣下，由于其傳播介質有所不同，所以傳播速度不同，尤其對比較遠的障礙物進行測量時反應會有所下降。目前，超聲波應用用于汽車測距比較廣泛[5]。 激光測距系統(tǒng)：非成像式激光雷達和成像式激光雷達有著較為普遍的應用，該系統(tǒng)的長處是測距的速度快、能夠測量的距離較遠、有很高的精度，目前已經(jīng)在很多領域有應用。然而如果想把激光運用到汽車安全系統(tǒng)中，激光還受到很大的限制，因為激光在霧天中會被吸收，影響激光測距系統(tǒng)的正常運行，并且最大的限制是激光會傷害人的眼睛，另外激光系統(tǒng)的巨大體積也妨礙了其在汽車中的應用[6]。 機器視覺防撞系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過模仿人眼的攝像機探測周圍圖像，然后通過對數(shù)字信號進行分析處理。此系統(tǒng)的最大優(yōu)點在于體積小、功耗小，而其可視范圍卻很大，可以說是很低碳的。不過要模擬人眼成像，要實現(xiàn)該功能對軟硬件有很高的要求，并且在特殊天氣環(huán)境下會在距離上給人以視覺誤差，成像速度受到數(shù)字信號的不積極影響。有諸多劣勢，但和前幾種系統(tǒng)相比之下，機器視覺系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢，而且有專家認定，伴隨著信號處理器升級和加強，將取代超聲波、雷達等，推進汽車安全技術高速發(fā)展[7]。 紅外汽車防撞預警系統(tǒng)：該系統(tǒng)的工作原理是熱成像，通過對溫度信號的收集幫助人類在肉眼看不到的事物上有視覺上的感知，并將輻射圖轉化為圖像。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于感熱而非感光，所以此系統(tǒng)在雨霧等惡劣天氣情況下仍可正常的使用，正好應對了前幾種系統(tǒng)都會遇到的難以避免的難題。在屈指可數(shù)的高端品牌的頂配車型上，紅外夜視系統(tǒng)已經(jīng)有了應用，該系統(tǒng)主要的缺點在于需要較高的軟硬件配置來處理分析數(shù)據(jù)[8]。 交互式智能化防撞預警系統(tǒng)：該系統(tǒng)對于相關的配套設施要求很高，它主要是由信息交換網(wǎng)絡、MMDS 寬帶數(shù)字通信子站、車距信息無線交互車單元、無線車載前機單元組成。交互式智能化防撞預警系統(tǒng)在工作時并不會受天氣條件等因素的影響，而且精度高、監(jiān)控全面并且信息化程度高。如果投入使用，不僅對汽車個體的安全性能有很大的提升，而且在交通管理和交通安全方面都具有促進信息全面化的作用，這一系統(tǒng)的覆蓋面和社會意義都是不可估量的[9]。但是，交互式智能化防撞預警系統(tǒng)目前在短期內投產(chǎn)擁有很大的局限性，在現(xiàn)階段情況下，無線移動網(wǎng)絡首先要解決穩(wěn)定性方面的問題，而且該系統(tǒng)在初期投入巨大而且MMDS寬帶數(shù)字通信子站和路旁單元RSU的建立也是一個龐大的建設工程，該系統(tǒng)的使用所依靠的不僅是研究單位還包括、生產(chǎn)企業(yè)和汽車生產(chǎn)商方面[10]。 1.3汽車車門防撞系統(tǒng)的設計內容 本課題采用超聲波傳感器作為測量距離的裝置，在閱讀查找了相關資料和學習了必需的知識后，設計了基本框架，用單片機結合超聲波探測電路、LCD顯示電路、報警電路組成的防撞預警電路，裝置收集及時信息輸送至單片機進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過分析判斷處理后的信號數(shù)據(jù)發(fā)出工作指令。設定一個固定的安全距離，當在范圍內檢測到有物體在設定的安全距離內時，發(fā)出警報[11]，提醒駕駛者和乘員存在安全隱患，提醒駕乘人員觀察周圍環(huán)境。 [鍵入文字] 第二章 車門防撞系統(tǒng)總體設計方案 第二章 車門防撞系統(tǒng)總體設計方案 該系統(tǒng)主要是有兩個部分組成。第一部分是對障礙物距離的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的傳輸。第二部分裝置負責距離數(shù)據(jù)接收，處理、顯示和報警，并且可以自定義安全距離。 根據(jù)系統(tǒng)設計功能的要求，確定了系統(tǒng)由6個部分組成：主控制器、按鍵電路、無線發(fā)送電路、無線接收電路、LCD1602液晶顯示電路、聲光報警和電源電路。系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。 主 控 制 器 無線裝置發(fā)射模塊 無線裝置接收模塊 主 控 制 器 液晶顯示 電源 電源 超聲波測距裝置 聲光報警 按鍵模塊 圖2 汽車車門防撞系統(tǒng)結構框圖 [鍵入文字] 第三章 車測距方式選擇 第三章 測距方式選擇 3.1幾種測距方式的對比選定 雷達測距：雷達測距原理是發(fā)射電磁波，電磁波在遇到障礙物后反射，通過計算電磁波的來回時間計算障礙物的距離，較為穩(wěn)定，不會受到障礙物形狀或顏色等因數(shù)的影響，在測量距離方面都有很大的優(yōu)勢。不過，過于靈敏會讓它很多時候會出現(xiàn)對道路情況的誤判。造價較為昂貴，在實際應用中很難有大的發(fā)展優(yōu)勢[12]。 激光測距：它的優(yōu)勢在于測時較短、測程較遠、精度較高，目前已經(jīng)在很多領域有應用。只是要想應用到汽車防撞系統(tǒng)中，激光不適合，霧天中激光會被吸收，影響系統(tǒng)的正常工作，會傷害人的眼睛，激光體型巨大影響了它的應用[13]。 攝像系統(tǒng)測距：利用傳統(tǒng)攝像機獲得被測視野的圖片。將間隔固定的兩臺攝像機同時對同一物體成像，然后通過對兩幅圖分析處理，獲得距離信息。但目前造價較高，對軟件硬件的要求高，目前難以廣泛應用。 3.2超聲波測距原理 超聲波測距的原理：通過檢測超聲波發(fā)射后反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差T，然后通過公式： 求出障礙物距離。 其中C為超聲波的傳播速度。我們確定環(huán)境下的聲速后，只要計出超聲波在往返過程所用的時間，即可通過公式求得距離。 由系統(tǒng)發(fā)出40 KHz超聲波頻率信號經(jīng)放大器輸出給升壓變壓器，通過由變壓器和壓電換能晶片構成的LC振蕩電路轉換成40KHz頻率的超聲波，組成20T(周期)為一超聲波發(fā)射波束，壓電換能晶片可將電能轉換成超聲波發(fā)射到被檢測物體，或把被檢測物體反射的聲波轉換成電信號。 換能晶片在系統(tǒng)控制單元送出的40 KHz信號，推動空氣發(fā)出超聲波，超聲波能在固體、液體和氣體類的彈性介質中傳播，所以不管是雨雪還是霧霾天氣，都能夠正常工作。因為換能晶片發(fā)出的超聲波自振效應越短越好，所以要給LC振蕩電路加阻尼電阻，來降低LC振蕩電路的Q值，使發(fā)出超聲波后的阻尼振蕩衰減，以等待接收障礙物反射回饋的超聲波信號。 在超聲波傳感器發(fā)出的聲波碰到障礙物后反射到換能晶片，在壓電反應下產(chǎn)生振蕩電壓送到運算放大器電路進行運算放大并整形后送至主機控制單元，主機根據(jù)發(fā)送和接收信號的時間差及相應的回波，得出距離。 超聲波信號經(jīng)超聲波傳感器發(fā)出去以后，遇到固體或者液面等障礙物后會反射回來，超聲波接收器接收到反射回來的超聲波，并且將其轉換為電信號輸出，根據(jù)接收到的發(fā)射波與發(fā)射波的時間差，就可以算出所測的距離，計算公式是： 其中：S是所測得的距離，V是超聲波在空氣中的傳播速度， 取331.4m/s，T是超聲波從發(fā)射到接收到第一個回波經(jīng)過的時間[14]。 [鍵入文字] 第四章 車門防撞系統(tǒng)組成 第四章 車門防撞系統(tǒng)的組成 4.1單片機 4.1.1單片機選取 在系統(tǒng)的設計中，選取合適的核心元件是完成系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)。單片機作為控制系統(tǒng)的核心，所以選取合適的單片機尤為重要。選擇到最佳的單片機作為系統(tǒng)核心能夠簡化許多的操作，得到適宜的功能，獲得比較高的可靠性。如今市場上的單片機各式各樣，而且各有各的優(yōu)勢與局限。我通過考慮以下幾點來選取單片機： 一、執(zhí)行輸入指令的快慢與存儲器的容量，引腳數(shù)； 二、一些相對于其他單片機的增強與不足點； 三、考慮工作時的溫度，選擇適合溫度環(huán)境的單片機； 四、選擇功耗比較低并且能完成設計功能的單片機； 五、要用到的單片機能否在市場上輕易買到，并且以比較便宜的價格獲得； 六、賣家是不是能給我買家提供完整的說明資料等。 綜合上述，我選取由深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)STC89C52單片機，因為它價格便宜，編程簡單，工作消耗低。我選取該單片機作為設計系統(tǒng)的核心元件。它由深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)。 4.1.2單片機部分引腳功能 STC89C52部分引腳的功能介紹，見引腳功能介紹表4.1。 表4.1 引腳功能 引腳 功能 RST 復位信號輸入端 RXD/P3.0 串行輸入口 TXD/P3.1 串行輸出口 INTO/P3.2 外部中斷0 INT1/P3.3 外部中斷1 XTAL2 接外部晶體和微調電容的一端。在單片機內部它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。 XTAL1 接外部晶體和微調電容的另一端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。 Vss 接地 Vcc 電源端，接+5v 4.2無線收發(fā)器 4.2.1 無線收發(fā)器選取　 NRF24L01是一款單片射頻收發(fā)器件,工作在2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。它內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊,其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。NRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設計更方便[15]。NRF24L01主要特性如下： 一、GFSK調制，硬件集成OSI鏈路層； 二、具有自動應答和自動再發(fā)射功能； 三、片內自動生成報頭和CRC校驗碼； 四、數(shù)據(jù)傳輸速率為l Mb/s或2Mb/s； 五、SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s； 六、125個頻道與其他NRF24系列射頻器件相兼容； 七、QFN20引腳4 mm×4 mm封裝； 八、供電電壓為1.9 V～3.6 V； 4.2.2 NRF24L01無線收發(fā)器的引腳功能 各引腳如圖4.2.2所示。CE：能發(fā)射或接收；CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置NRF24L01：IRQ：中斷標志位；VDD：電源輸入端； VSS：電源地；XC2，XC1：晶體振蕩器引腳； VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V； ANT1,ANT2：天線接口；IREF：參考電流輸入。 圖4.2.2 NRF24L01封裝圖 4.2.3 工作模式 通過配置寄存器可將NRF24L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表4.2.3所示。 表4.2.3 NRF24L01工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 - 發(fā)射模式 1 0 1 數(shù)據(jù)在TX_?FIFO?寄存器中 發(fā)射模式 1 0 1→0 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機模式2 1 0 1 TX_FIFO為空 待機模式1 1 - 0 無數(shù)據(jù)傳輸 掉電 0 - - - 待機模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；待機模式2則是在當FIFO寄存器為空且CE=1時進入此模式；待機模式下，所有配置字仍然保留。在掉電模式下電流損耗最小，同時NRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 [鍵入文字] 第五章 車門防撞系統(tǒng)的電路設計 第五章 車門防撞系統(tǒng)的電路設計 5.1硬件系統(tǒng)設計總體方案 超聲波無線測距器測出障礙物的距離，其距離數(shù)據(jù)經(jīng)過第一個單片機計算和分析后，NRF24L01無線裝置發(fā)射端將信號數(shù)據(jù)發(fā)送到對應連接的無線裝置的接收端。我在這采用STC89C52單片機作為主控單元，繪制出超聲波無線測距發(fā)射端總體原理圖如圖5.1.1所示： 圖5.1.1 超聲波無線測距采集端總體電路圖 NRF24L01無線裝置接收端收到發(fā)射端傳遞過來的距離信號后，將距離信息傳給單片機進行處理分析，然后在LCD液晶上進行顯示測得的障礙物距離，當檢測出的障礙物距離小于設置距離時，蜂鳴器和發(fā)光二極管進入工作狀態(tài)發(fā)出聲光報警。此外設計了按鍵電路，可以用來設置安全距離。如圖5.1.2所示為超聲波無線測距接收端總體電路圖。 圖5.1.2 超聲波無線測距接收端總體電路圖 5.2單片機最小系統(tǒng) 要使單片機工作起來最基本的電路構成為單片機最小系統(tǒng)，如圖5.2示。 圖5.2 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)由單片機、復位電路、時鐘電路構成。STC89C52 單片機的工作電壓范圍：4V-5.5V,所以通常給單片機外界5V直流電源。連接方式為單片機中的40腳VCC接正極5V，而20腳VSS接電源地端。 復位電路就是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機接通電源時產(chǎn)生復位信號，完成單片機啟動確定單片機起始工作狀態(tài)。當單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復位按鈕內部的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復位和外部按鍵手動復位，單片機在時鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。本設計采用的是外部手動按鍵復位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。 時鐘電路好比單片機控制著單片機的工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內振蕩器。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期。 5.3單片機的時鐘電路與復位電路設計 本系統(tǒng)采用STC系統(tǒng)列單片機，相比其他系列單片機具有很多優(yōu)點。一般STC單片機資源比其他單片機要多，而且執(zhí)行速度快；STC系列單片機使用串口對單片機進行燒寫,下載程序較為方便；STC89C52單片機內部集成了看門狗電路；且具有很強抗干擾能力。 本系統(tǒng)采用內部方式的時鐘電路和加電自復位的復位電路，如下圖5.3.1和圖5.3.2所示： 圖5.3.1 時鐘電路 圖5.3.2 復位電路 由于單片機P0口內部不含上拉電阻，為高阻態(tài)，不能正常地輸出高/低電平，因而該組I/O口在使用時必須外接上拉電阻。 5.4液晶顯示模塊 顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器，能夠清晰的在液晶上顯示字符和數(shù)字，看到能讓人感覺到舒服。液晶的命令操作腳是RS、RW、EN,數(shù)據(jù)腳接單片機的P0口。 圖5.4 顯示電路 5.5按鍵控制電路 超聲波無線測距系統(tǒng)主機有三個按鍵可以設定報警距離，一個是設置鍵，一個是參數(shù)加，一個參數(shù)減鍵，按著不放可以實現(xiàn)連加和連減功能?？梢愿斓脑O置好報警距離。按鍵電路圖如圖5.5所示 圖5.5按鍵連接電路圖 5.6電源模塊 超聲波無線測距系統(tǒng)的發(fā)射和接收我都采用3節(jié)1.5 V干電池共4.5V做電源，經(jīng)過實驗驗證系統(tǒng)工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。在本系統(tǒng)中采用的是NRF24L01無線距離的數(shù)據(jù)傳輸，所以需要一個3.3V的穩(wěn)壓電路，所以在本設計中采用了ASM1117-3.3V的直流穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓成3.3V，電容C6,C7濾波提供NRF24L01無線模塊的穩(wěn)定的3.3V電源。 電源接口電路如圖17，其中P1為電池接口，SW1為電源開關，R28為二極管的限流電阻，D5為電源指示燈。 圖5.6 電源接口電路 5.7聲光報警電路的設計 本設計中聲光報警電路采用NPN型S8550三極管，當單片機的P2.3口輸出低電平時，三極管的VE>VB>VC>0。三極管的發(fā)射結正偏，集電結反偏，三極管飽和導通，此時發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出聲光報警，當單片機的P2.3口輸出高電平時，三極管截止，聲光報警停止工作。具體電路圖如圖5.7所示。 圖5.7聲光報警電路 5.8無線傳輸模塊 超聲波無線測距采用NRF24L01無線模塊，電路接法如圖5.8所示，一個作為電能的發(fā)射，一個作為電能接收。 圖5.8NRF24L01無線發(fā)射與接收模塊接線圖 [鍵入文字] 第七章 軟件設計 第六章 軟件設計 6.1 軟件設計原則 應用系統(tǒng)中的應用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計的，應穩(wěn)定正確的實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。在本系統(tǒng)中，軟件設計要求做到以下幾點： 一、軟件結構清晰，簡捷，流程合理。 二、各功能程序實現(xiàn)模塊化。這樣，即便于調試，鏈接，又便于移植，修改。 三、程序存儲區(qū)，數(shù)據(jù)存儲區(qū)要合理規(guī)劃，既能節(jié)約內存容量，又使操作方便。 四、運行狀態(tài)實現(xiàn)標志化管理。各個功能程序運行狀態(tài)，運行結果以及運行要求都要設置狀態(tài)標志以便查詢，程序轉移，控制都可通過狀態(tài)標志條件來控制。 6.2主程序流程圖設計 6.2.1 發(fā)送部分 發(fā)送部分的一個循環(huán)的總體思路是這樣的先初始化超聲波的引腳，通過以STC89C52單片機為工作處理器核心，超聲波的原理是利用超聲波發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播時間來計算出傳播距離。將超聲波的距離寫入發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)組，然后初始化NRF24L01，將距離發(fā)送，其流程圖如圖6.2.1所示。 初始化 測量出距離 將距離數(shù)據(jù)寫入發(fā)射數(shù)組 發(fā)射數(shù)據(jù) 延時 開始 圖6.2.1超聲波無線測距發(fā)射部分總體流程圖 6.2.2接收部分 接收部分的總體思路是這樣的，首先還是初始化NRF24L01，然后進入大循環(huán)判斷狀態(tài)寄存器是否有接收中斷。如果有就從FIFO_buffer讀入二進制數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉換成十進制在LCD1602液晶上顯示出來，其流程圖如圖6.2.2所示。 LCD1602液晶顯示 圖6.2.2接收部分總體流程圖 6.3子程序設計 6.3.1無線發(fā)射模塊軟件設計 首先進行初始化操作，初始化包括設置單片機I／O和SPI相關寄存器兩部分其可以和NRF24L01通信。通過SPI總線配置射頻芯片使其進入正確的工作模式。發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將NRF24L01配置為發(fā)射模式。接著把發(fā)送端待發(fā)射數(shù)據(jù)的目標地址TX—ADDR和數(shù)據(jù)TX—PLD寫入NRF24L01緩沖區(qū)，延時后發(fā)射數(shù)據(jù)，其流程圖如圖6.3.1所示。 6.3.2 無線接收模塊軟件設計 接收數(shù)據(jù)時，首先將NRF24L01配置為接收模式。接著延遲進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包儲存在接收堆棧中，同時狀態(tài)寄存器中的中斷標志位RX—DR置高，產(chǎn)生中斷使IRQ引腳變?yōu)榈碗娖剑员阃ㄖ狹CU去取數(shù)據(jù)，其流程圖如圖6.3.2所示。 圖6.3.1無線發(fā)射軟件流程圖 圖6.3.2 無線接收軟件流程圖 6.3.3 超聲波探測程序流程圖 圖6.3.3超聲波探測流程圖 6.4調試 步驟一 繪制電路原理圖。 步驟二 完成硬件電路的焊接。 步驟三 首先將接收端STC89C52單片機燒入液晶顯示程序，檢驗液晶顯示有沒有問題。 步驟四 將其中一片STC89C52與液晶及按鍵模塊相連，寫入電表計數(shù)的程序。測試按鍵和液晶顯示。 步驟五 將NRF24L01的收發(fā)部分分別與兩片STC89C52相連，寫入發(fā)射一個常數(shù)的程序，檢測收發(fā)模塊及程序好使。 步驟五 將顯示、收發(fā)、超聲波顯示按鍵程序整合，檢測系統(tǒng)是否能將發(fā)送端的超聲波檢測的距離測量出來發(fā)送到接收端在液晶上顯示，檢測報警參數(shù)的設置和報警。 經(jīng)過調試裝置各組件的正常運行，達到預期的效果。 [鍵入文字] 第七章 實驗 第七章 實驗 7.1驗證功能實驗 我對系統(tǒng)正常啟動，距離測量誤差，報警準確性，報警靈敏度進行測試。 一、正常啟動的測試。在兩只機體的電池盒中裝入電池后，按下各自的開關，使電路閉合，觀察電源指示燈是否如預期亮起，接著觀察超聲波測距裝置的指示燈是否亮起。再然后觀察通過觀察無線設備連接指示燈是否亮起，液晶顯示器是否工作，亮起。如果電源指示燈沒有亮起，一方面要檢查電池電量是否足夠，如若電池電量低則需要我們更換電池；一方面則需要排查電路是否存在短路和斷路的故障，如若有這方面的問題，則需要排查連線是否存在質量問題，熔斷設備連接，查出問題后改正連接方式。一步步排查超聲波測距裝置是否出故障，液晶顯示器是否損壞等元件的完好。經(jīng)過反復數(shù)十次接通電路，斷開電路。驗證電路不存在斷路和短路的狀況，元件工作指示燈正常，元件正常工作。系統(tǒng)中的元件都處于正常的運行狀態(tài)。 二、距離測量誤差分析。將帶有超聲波測距裝置的機體固定在空曠處，在正對方向9.0米到11.0米處，取出20個距離樣本。11.0米到13.0米處同樣取出20個樣本距離。13.0米到15.0米處取出20個距離樣本，算出并校核超聲波測距的誤差。實驗數(shù)據(jù)如表7.1.1 表7.1.1 測量距離誤差表 實際距離（單位米） 超聲波測出距離（單位米） 誤差（百分比） 實際距離（單位米） 超聲波測出距離（單位米） 誤差（百分比） 9.0 8.96 0.45 11.9 11.82 0.32 9.1 9.02 0.32 12.0 11.92 0.35 9.2 9.12 0.64 12.1 12.32 0.41 9.3 9.25 0.38 12.2 12.18 0.43 9.4 9.34 0.34 12.3 12.34 0.46 9.5 9.42 0.44 12.4 12.37 0.42 9.6 9.56 0.40 12.5 12.43 0.43 9.7 9.65 0.38 12.6 12.54 0.20 9.8 9.76 0.35 12.7 12.64 0.46 9.9 9.85 0.42 12.8 12.69 0.50 10.0 9.92 0.34 12.9 12.83 0.43 10.1 10.08 0.43 13.0 12.91 0.48 10.2 10.15 0.36 13.1 13.01 0.44 10.3 10.24 0.35 13.2 13.14 0.44 10.4 10.34 0.33 13.3 13.25 0.43 10.5 10.45 0.36 13.4 13.36 0.46 10.6 10.53 0.31 13.5 13.51 0.35 10.7 10.61 0.37 13.6 13.56 0.35 10.8 10.74 0.36 13.7 13.71 0.37 10.9 10.82 0.30 13.8 13.76 0.43 11.0 10.89 0.30 13.9 13.85 0.34 11.1 10.899 0.35 14.0 14.15 0.46 11.2 11.233 0.42 14.1 14.13 0.53 11.3 11.345 0.43 14.2 14.23 0.51 11.4 11.367 0.36 14.3 14.28 0.52 11.5 11.432 0.38 14.4 14.34 0.50 11.6 11.534 0.36 14.5 14.56 0.34 11.7 11.678 0.38 14.6 14.59 0.33 11.8 11.789 0.33 14.7 14.64 0.32 由實驗可得到超聲波距離測量的誤差在千分之三十到千分之五十之內。在允許誤差內，測距準確性得到驗證。 三、報警準確性測試。設置報警距離為10米、12米、14米、16米測試物體在這設定距離附近的報警準確性。 實驗結果如表7.1.2所示。 表7.1.2 報警實驗結果 設定報警距離（單位米） 實際距離（單位米） 是否報警 10 9.5 是 10.5 否 12 11.5 是 12.5 否 14 13.5 是 14.5 否 16 15.5 是 16.5 否 綜上一系列測試實驗可以得出裝置的連接沒有出現(xiàn)問題，各個裝置正常運行，能夠準確測距，準確報警。實現(xiàn)設計功能。 7.2 應用實驗 本系統(tǒng)設計的初衷是提醒駕乘人員在上下車時注意周圍環(huán)境，以達到降低由于駕乘人員分心致使的事故發(fā)生幾率。所以我們需要將設計出來的設備來切實地運用到實際之中。實際生活中上下車時的安全隱患可以靜止的物體、移動的物體。初步計劃將裝置置于左后視鏡下，和車尾部。 一、首先將裝有超聲波測距氣的機體固定在交車左后視鏡的下部。根據(jù)現(xiàn)有的條件做了幾項障礙物正對車輛左后視鏡的實驗。 （1）對報警距離內的靜物的實驗。報警距離設置為0.5米與10米，以0.5米為間隔。靜物選擇靜止蹲著的人、靜止站著的人、靜止電動車如圖7.2.1。并且離裝置的距離都小于或等于設定的報警距離實驗數(shù)據(jù)如表7.2.2。 表7.2.2 報警實驗表 報警距離 是否報警 報警距離 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0.5m 是 是 是 5.5m 是 是 是 1.0m 是 是 是 6m 是 是 是 1.5m 是 是 是 6.5m 是 是 是 2m 是 是 是 7m 是 是 是 2.5m 是 是 是 7.5m 是 是 是 3m 是 是 是 8m 是 是 是 3.5m 是 是 是 8.5m 是 是 是 4m 是 是 是 9 m 是 是 是 4.5m 是 是 是 9.5m 是 是 是 5m 是 是 是 10m 是 是 是 圖7.2.1 實驗實況圖 根據(jù)實驗結果發(fā)現(xiàn)設計的系統(tǒng)能夠對這些在報警距離內的靜物能夠進行檢測并報警。 （2）對報警距離內的橫向移動物體的實驗。報警距離同樣設置為0.5米與10米，以0.5米為間隔。實驗中移動物體包括人，自行車，電動車，如圖7.2.10。實驗數(shù)據(jù)如表7.2.3所示。 表7.2.3 移動物體實驗表 報警距離（單位米） 是否報警 報警距離（單位米） 是否報警 自行車 人 電動車 自行車 人 電動車 0.5 否 否 否 5.5 是 否 否 1.0 否 否 否 6 是 否 否 1.5 否 否 否 6.5 是 否 否 2 否 否 否 7 是 是 否 2.5 否 否 否 7.5 是 是 否 3 是 否 否 8 是 是 否 3.5 是 否 否 8.5 是 是 否 4 是 否 否 9 是 是 否 4.5 是 否 否 9.5 是 是 否 5 是 否 否 10 是 是 否 實驗結果是在安全距離設置為3米以上時行人能夠正常的報警，3米以內報警沒想行人便能撞上裝置。而自行車在安全距離設置為7米以上時能夠正常報警，7米以內同樣出現(xiàn)幾乎撞上度沒能報警的情況。而電動車在我實驗所取得安全距離沒有能成功觸發(fā)警報的。通過實驗結果發(fā)現(xiàn)當我將報警距離設置更長后，系統(tǒng)能夠監(jiān)測更快的移動物體，但是移動速度較快的物體側系統(tǒng)失效，沒能夠及時有效的報警。由此能得出該設計的系統(tǒng)的靈敏度太低，所以本系統(tǒng)能對靜止的物體，和運動速度較低的物體作用明顯，但是對于速度較快的物體則會出現(xiàn)有時失效的情況，工作遲緩，所以要考慮提高裝置的靈敏度。 （3）考慮到安全隱患可以來自多個方向，不僅僅正對著后視鏡，還會出現(xiàn)在車身側面的情況。我以超聲波測距裝置正對方向為0線，以障礙物和超聲波裝置為兩點連線為轉過的角度線。兩線共同構成一個扇形區(qū)域，實驗實況如圖7.2.11。我要通過實驗來測得該設計裝置的最大扇形區(qū)域。將安全距離統(tǒng)一設置為2米，進行實驗物體均靜止，實驗數(shù)據(jù)如表7.2.4。 表7.2.4 安全距離2米扇形范圍實驗數(shù)據(jù) 所在位置角度（度） 是否報警 所在位置角度（度） 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0 是 是 是 18 否 否 否 1 是 是 是 19 否 否 否 2 是 是 是 20 否 否 否 3 是 是 是 21 否 否 否 4 是 是 是 22 否 否 否 5 是 是 是 23 否 否 否 6 是 是 是 24 否 否 否 7 是 是 是 25 否 否 否 8 是 是 是 26 否 否 否 9 是 是 是 27 否 否 否 10 是 是 是 28 否 否 否 11 是 是 是 29 否 否 否 12 是 是 是 30 否 否 否 13 是 是 是 31 否 否 否 14 是 是 是 32 否 否 否 15 是 是 是 33 否 否 否 16 否 否 否 34 否 否 否 17 否 否 否 35 否 否 否 18 否 否 否 36 否 否 否 如實驗結果可見將裝置裝在汽車左后視鏡下，系統(tǒng)所發(fā)覆蓋的扇形區(qū)域大概是28度，但不然發(fā)現(xiàn)測量較低物體時扇形區(qū)域會變得更小，比如此次實驗中的蹲著的人，測得的區(qū)域開角只有11度。 將安全距離設置為3米，實驗數(shù)據(jù)如表7.2.5。 圖7.2.11 實驗實況圖 表7.2.5 安全距離3米扇形范圍實驗數(shù)據(jù) 所在位置角度（度） 是否報警 所在位置角度（度） 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0 是 是 是 18 否 否 否 1 是 是 是 19 否 否 否 2 是 是 是 20 否 否 否 3 是 是 是 21 否 否 否 4 是 是 是 22 否 否 否 5 是 是 是 23 否 否 否 6 是 是 是 24 否 否 否 7 是 是 是 25 否 否 否 8 是 是 是 26 否 否 否 9 是 是 是 27 否 否 否 10 是 是 是 28 否 否 否 11 是 是 是 29 否 否 否 12 是 是 是 30 否 否 否 13 是 是 是 31 否 否 否 14 是 是 是 32 否 否 否 15 是 是 是 33 否 否 否 16 否 是 是 34 否 否 否 17 否 否 否 35 否 否 否 18 否 否 否 36 否 否 否 安全距離設置為4米，實驗數(shù)據(jù)如表7.2.6。 表7.2.6 安全距離4米扇形范圍實驗數(shù)據(jù) 所在位置角度（度） 是否報警 所在位置角度（度） 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0 是 是 是 18 否 否 否 1 是 是 是 19 否 否 否 2 是 是 是 20 否 否 否 3 是 是 是 21 否 否 否 4 是 是 是 22 否 否 否 5 是 是 是 23 否 否 否 6 是 是 是 24 否 否 否 7 是 是 是 25 否 否 否 8 是 是 是 26 否 否 否 9 是 是 是 27 否 否 否 10 是 是 是 28 否 否 否 11 是 是 是 29 否 否 否 12 是 是 是 30 否 否 否 13 是 是 是 31 否 否 否 14 是 是 是 32 否 否 否 15 是 是 是 33 否 否 否 16 否 是 否 34 否 否 否 17 否 否 否 35 否 否 否 18 否 否 否 36 否 否 否 安全距離設置為5米，實驗數(shù)據(jù)如表7.2.7。 表7.2.7 安全距離5米扇形范圍實驗數(shù)據(jù) 所在位置角度（度） 是否報警 所在位置角度（度） 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0 是 是 是 18 否 否 否 1 是 是 是 19 否 否 否 2 是 是 是 20 否 否 否 3 是 是 是 21 否 否 否 4 是 是 是 22 否 否 否 5 是 是 是 23 否 否 否 6 是 是 是 24 否 否 否 7 是 是 是 25 否 否 否 8 是 是 是 26 否 否 否 9 是 是 是 27 否 否 否 10 是 是 是 28 否 否 否 11 是 是 是 29 否 否 否 12 是 是 是 30 否 否 否 13 是 是 是 31 否 否 否 14 是 是 是 32 否 否 否 15 是 是 是 33 否 否 否 16 否 否 否 34 否 否 否 17 否 否 否 35 否 否 否 18 否 否 否 36 否 否 否 安全距離設置為6米，實驗數(shù)據(jù)如表7.2.8。 表7.2.8 安全距離5米扇形范圍實驗數(shù)據(jù) 所在位置角度（度） 是否報警 所在位置角度（度） 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0 是 是 是 18 否 否 否 1 是 是 是 19 否 否 否 2 是 是 是 20 否 否 否 3 是 是 是 21 否 否 否 4 是 是 是 22 否 否 否 5 是 是 是 23 否 否 否 6 是 是 是 24 否 否 否 7 是 是 是 25 否 否 否 8 是 是 是 26 否 否 否 9 是 是 是 27 否 否 否 10 是 是 是 28 否 否 否 11 是 是 是 29 否 否 否 12 是 是 是 30 否 否 否 13 是 是 是 31 否 否 否 14 是 是 是 32 否 否 否 15 否 是 是 33 否 否 否 16 否 否 否 34 否 否 否 17 否 否 否 35 否 否 否 18 否 否 否 36 否 否 否 安全距離設置為7米，實驗數(shù)據(jù)如表7.2.9。 表7.2.9 安全距離7米扇形范圍實驗數(shù)據(jù) 所在位置角度（度） 是否報警 所在位置角度（度） 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0 是 是 是 18 否 否 否 1 是 是 是 19 否 否 否 2 是 是 是 20 否 否 否 3 是 是 是 21 否 否 否 4 是 是 是 22 否 否 否 5 是 是 是 23 否 否 否 6 是 是 是 24 否 否 否 7 是 是 是 25 否 否 否 8 是 是 是 26 否 否 否 9 是 是 是 27 否 否 否 10 是 是 是 28 否 否 否 11 是 是 是 29 否 否 否 12 是 是 是 30 否 否 否 13 是 是 是 31 否 否 否 14 是 是 是 32 否 否 否 15 否 否 否 33 否 否 否 16 否 否 否 34 否 否 否 17 否 否 否 35 否 否 否 18 否 否 否 36 否 否 否 通過實驗數(shù)據(jù)可以畫出最小可監(jiān)測區(qū)域的扇形圖，如圖7.2.10。系統(tǒng)的作用區(qū)域較小為14度，但考慮檢測區(qū)域應該是左右對稱的，為此我猜想，裝置的檢測區(qū)域是可以通過調整所對的方向來擴大，為此我調整了超聲波測距裝置的指向，適當將其向左側調整方向，轉過14度，如圖7.3.1。依然以車身的側面線為0度。安全距離設置為2米，實驗數(shù)據(jù)如表7.3.2。 140 圖7.2.10 扇形區(qū)域圖 表7.3.2 安全距離2米扇形范圍實驗數(shù)據(jù) 所在位置角度（度） 是否報警 所在位置角度（度） 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0 是 是 是 19 是 是 是 1 是 是 是 20 是 是 是 2 是 是 是 21 是 是 是 3 是 是 是 22 是 是 是 4 是 是 是 23 是 是 是 5 是 是 是 24 是 是 是 6 是 是 是 25 是 是 是 7 是 是 是 26 是 是 是 8 是 是 是 27 是 是 是 9 是 是 是 28 是 是 是 10 是 是 是 29 是 是 是 11 是 是 是 30 是 是 是 12 是 是 是 31 否 是 是 13 是 是 是 32 否 否 否 14 是 是 是 33 否 否 否 15 是 是 是 34 否 否 否 16 是 是 是 35 否 否 否 17 是 是 是 36 否 否 否 18 是 是 是 37 否 否 否 安全距離設置為3米。實驗數(shù)據(jù)如表7.3.3所示。 表7.3.3 安全距離3米扇形范圍實驗數(shù)據(jù) 所在位置角度（度） 是否報警 所在位置角度（度） 是否報警 蹲著的人 站著的人 電動車 蹲著的人 站著的人 電動車 0 是 是 是 19 是 是 是 1 是 是 是 2