(毕业论文46页25701字)摘要：针对汽车行驶安全问题，本文提出了一种基于单片机的多传感器障碍物检测系统的方案，并进行了详细的硬件电路设计。多传感器的使用是本设计的特色所在，结合ATmega8L单片机，系统可以接收并处理相关外界信息，计算得出检测的结果。本设计包括障碍物探测电路、障碍物距离检测电路、温度检测电路、车速检测电路、显示电路、声音提示电路等。在恶劣天气等能见度低的情况下，本设计能够对前方道路状况进行实时监控，发现并检测可能存在危险的障碍物，并将结果给司机进行提示。本设计结构简单，成本低廉，经过对系统的硬件调试结果，证明设计基本可以实现上述功能。
关键词：单片机；多传感器；障碍物检测
The Hardware Design of Multiple Sensor Obstacle Detection System
Abstract: Focus on vehicle safety problem, this dissertation presents a design about a kind of multiple sensor obstacle detection system which based on the monolithic processor. The use of multiple sensor is a special characteristic in this design. The system could receive and calculates the related message from outside and elicits the detected answer after combining the ATmega8L monolithic processor. This design mainly include: obstacle detection circuit, obstacle ranging circuit, temperature measurement circuit, speed measurement circuit, display circuit, voice alarm circuit and so on. This could give the driver alarm after instant detecting the front road’s status and finding the possible dangerous obstacle. This design’s structure and cost is simple and low. Through the system’s hardware debug result, this design could be basically validated the function as mention before.
Keywords: monolithic processor; multiple sensor; obstacle detection
目 录
第1章 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国外研究现状 2
1.3 本文主要研究的内容 4
第2章 总体方案论证 5
2.1 系统主要概念 5
2.1.1 传感器的概念 5
2.1.2 多传感器的概念 5
2.1.3 障碍物检测的概念 5
2.2 系统总体功能及方案选择 5
2.2.1 系统需实现的功能 6
2.2.2 各功能模块方案选择 6
2.3 系统传感器介绍 15
2.3.1 微波雷达传感器 15
2.3.2 超声波传感器 16
2.3.3 温度传感器 19
2.3.4 速度传感器 19
本章小节 19
第3章 系统总体硬件设计 21
3.1 单片机最小系统 21
3.1.1 ATmega8L单片机的引脚分布 21
3.1.2 最小系统的硬件电路 23
3.2 障碍物探测电路 24
3.3 障碍物检测电路 24
3.3.1 超声波检测电路 24
3.3.2 温度检测电路 27
3.4 车速检测电路 27
3.5 显示电路 28
3.6 声音提示电路 29
3.7 电源电路 29
本章小节 30
第4章 系统实物连接及调试 31
4.1 焊接顺序及器件的布局 32
4.2 硬件的联机调试 32
4.2.1 系统程序介绍 32
4.2.2 硬件基本功能验证 32
4.2.3 障碍物检测功能验证 33
4.3 误差分析 36
结论 37
致谢 38
参考文献 39
附录 系统总体硬件电路图 40
第1章 绪论
1.1 选题背景及意义
本设计中的多传感器障碍物检测系统的主要功能是检测汽车行驶过程中前方是否存在具有潜在危险的障碍物。
随着科学技术的发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。如今，测试技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。而多传感器的使用，可以使得一个系统的功能更为全面，弥补了单一传感器测量的局限性。
现代道路交通的迅猛发展，使得车辆行驶安全问题越来越受到人们的关注。随着中国经济的持续增长和汽车价格的持续下降，越来越多的家庭拥有自己的汽车。在享受汽车给我们带来的便利的同时，汽车碰撞事故的发生却成为了让人头痛的问题。车辆之间、车辆与人、车辆与建筑物等障碍物之间的碰撞事故时有发生。因此，如何在汽车行驶过程中去对道路前方障碍物进行检测，成为一项与车辆行驶安全密切相关的课题而被广泛关注，障碍物检测技术是避免汽车碰撞的主要技术之一，而利用多传感器进行障碍物检测，可以使系统的检测能力大大提高。
近年来由于电子技术的飞跃发展，各种与生活密切相关的电子产品也越来越多地被人们所应用。汽车电子作为一个新兴产业的迅速发展使得研制高度信息化、电子化的车辆有了基础。从目前的发展趋势来看，越是高档的汽车，车上所配置的电子设备越多，例如宝马公司的760i车型就配备有近150多种汽车电子产品，许多先进技术被引入了汽车的安全性和舒适性设计。各大汽车厂家也在提高燃油经济性、降低汽车排放的同时，越来越多地注重提高汽车的舒适性能和安全性能，使得司机在轻松和舒适的驾驶环境中还能更安全的驾驶汽车。众多技术中，障碍物检测技术的产生和发展，对于提高汽车驾驶安全性具有重要的意义。
根据公路交通汽车事故分析表明：80%以上的车祸是由于司机反应不及时或判断失误造成的。计算表明：司机反应迟缓1秒钟，时速60km的汽车可前进约17m，由此可能会产生不堪设想的严重后果。在夜间或是恶劣天气条件下，能见度低，司机视距小，中高速行驶时很难及时发现前方障碍物并采取必要措施，这也增加了汽车驾驶的安全隐患。统计表明：在撞车事故中，45%是司机未看清前方有车，30%的司机虽发现有车但来不及采取措施。根据德国Daimler-Benz公司对汽车事故研究证明：若司机能提早0.5秒钟意识到危险并采取措施，可避免迎面碰撞事故30%，尾撞事故50%，若提早1秒钟采取措施则绝大多数事故可避免。所以在出现危险情况之前，提前进行安全预警，有重要的意义。车用障碍物技术就是基于这个目的而产生的，相关产品的应用，对减少汽车碰撞事故的发生率会起到很大的作用。
本设计的设计目标是，在夜间或恶劣天气中，利用多传感器的设计，当车辆前方预定距离范围内出现障碍物时系统能够及时检测到，并对司机做出提示，以便司机及时了解前方道路状况并提早采取相应措施。本设计进行障碍物检测主要是为了帮助司机，从成本角度考虑，设计的功能主要放在发现前方障碍物，测量障碍物距离以及对司机的预警提示这几部分上，在尽量保证系统精简的前提下，实现本设计的关键功能。低成本的设计符合我国市场的需求而又可以增加设计的实用性。
1.2 国外研究现状
从70年代起，美国、英国、法国、德国、意大利、日本和原苏联均意识到了研制车用障碍物检测系统的重要性并着手投入了大量的人力和物力进行研制。从目前掌握的技术来讲，车用障碍物检测系统可用超声波、激光和微波雷达技术实现。世界各大汽车公司已经开始采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等技术来用于汽车行驶过程中障碍物的检测，应用在其所开发的高级汽车上。
Daimler-Benz公司开发出了供大型商用车使用的电子刹车系统，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，由一个中央处理芯片来对雷达收集到的信息进行处理，形成虚拟图像。之后再借助演算法的辅助来判断何种情况下需要进行刹车。未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但因它对系统性能要求比较高，所以硬件成本很高，价格昂贵，这限制了它应用的普遍性。这种系统的特点是不光可以提示司机前方的道路情况，而且可以在紧急情况下参与汽车的制动。
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，这种系统还采用特殊镜头实现夜视的功能以适应全天候工作，增加了该系统的实用性。
德国无线电通信研究所研制出一种装备于大众帕萨特汽车的调频连续波（FMCW）汽车障碍物检测系统。该系统中设计了一种自适应智能行驶控制系统（AICC），汽车的刹车和加油均由AICC计算机根据路况分析后进行自动控制，只有汽车方向由人掌握。该系统大大减轻了司机的工作压力，并且提高了车辆行驶的安全性。瑞典Celsius Tech电子公司研制的77GHz的AICC特别适用于高速公路。在前方无车辆时，系统以驾驶者设定的速度行驶；快接近前方车辆时，系统根据雷达传感器测得的本车与前面车间的距离及接近速度来控制本车的速度，从而与同一车道上离得最近的车辆保持安全距离，并自动跟踪这辆车；当该车转向或加速并超过本车设置速度时，系统就会放弃跟踪，进入恒速运动状态。以上的两种AICC均可根据道路情况自行控制汽车的速度。
美国VOPAD汽车障碍物检测系统已广泛应用于各种大型卡车，装在Greyhound车队试用的第一年，事故就减少了25%，是该车队事故记录最少的一年。由此可见将障碍物技术用于汽车，对于减少道路交通事故的发生率是很有效的。
国内外关于障碍物检测系统的研究，有很多的工作是关于不同传感器的研究，因为基于各种不同的传感器就有不同性能的检测方案，当前主流的用于障碍物探测的传感器的性能对比如表1-1所示：
表1-1 主流传感器性能比较
超声波 红外线 激光 视频 毫米波
最大探测距离 10m 10m 波束能量集中，传输距离可达150m 大于100m 大于150m，取决于波束宽度和接收灵敏度
响应时间 较快，约15ms 慢，1×103ms 较快，约10ms 取决于处理时间 快，可达1ms
探头磨损、污染等因素影响 几乎没有影响 影响不大 很大，使探测距离减少1/2-1/3 大，直接影响分辨能力 较小
成本比较 探头约20元一支，工作机理简单，探头易安装 约80元 约500元 大于1000元 大于1500元，价格昂贵，结构复杂
环境适应性 好，可以工作在恶劣环境中 差，但在能见度低时比其它光学系统好 差，受恶劣的天气、汽车激烈的震动影响 差，能见度不好的条件下无法工作 较好，不受能见度的影响
1.3 本文主要研究的内容
本文对多传感器障碍物检测系统的硬件设计过程进行了完整的描述。
第1章的前两节介绍了本课题的国内外研究现状，列举了相关的技术。第2章提出系统所需实现的功能，并分别阐述了针对每一功能模块的硬件方案选择过程，针对所选择的方案，分析其工作原理，完成了器件的选型。第3章介绍了系统总体硬件设计，包括各部分和整体的电路图，完全了一个基于ATmega8L芯片的单片机系统的整体设计。第4章是系统硬件的联机调试过程，并针对调试过程中遇到的问题进行了分析和解决，分析了系统的误差的可能成因。在论文的结论部分总结了设计过程中所做的工作及系统可改进的地方，以及通过设计过程对相关知识的了解以及思考产生的对于相关产品发展方向的见解。
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