李媛媛， 童添柱， 顏孫兵， 薛鵬沖， 黃牡丹

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院， 上海 201620)

0 引 言

倒車影像和超聲波測距系統(tǒng)是汽車泊車或倒車時的安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。

通常，倒車裝置由超聲波傳感器、控制器和顯示器(或蜂鳴器)等部分組成，一般采用超聲波測距原理，在控制器的控制下，由傳感器發(fā)射超聲波信號。當(dāng)遇到障礙物時，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理、判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出其他警示信號，得到及時警示，從而使駕駛者倒車時做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。

近些年，隨著技術(shù)發(fā)展和用戶需求的變化，倒車控制器經(jīng)過五代的發(fā)展。第一代：倒車時通過喇叭提醒。從某種意義上說，它對司機并沒有直接的幫助，不是真正的倒車雷達。價格便宜，基本屬于淘汰產(chǎn)品。第二代：用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是車載倒車系統(tǒng)的真正開始。但沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠，對駕駛員幫助不大。第三代：數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離范圍。把數(shù)碼和波段組合在一起，比較實用，但安裝在車內(nèi)不太美觀。第四代：液晶熒屏動態(tài)顯示。這一代產(chǎn)品有質(zhì)的飛躍，特別是屏幕顯示開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不過液晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強，所以誤報也較多。第五代：魔幻鏡倒車雷達。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用了最新仿生超聲雷達技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準確地測知2 m以內(nèi)的障礙物，能以不同等級的聲音提醒駕駛員，但該產(chǎn)品缺乏可視化的顯示，不能直觀地告知駕駛員車后障礙物的具體形狀。

因此，本文提出開發(fā)下一代車載倒車裝置，即能夠?qū)⒂耙粝到y(tǒng)整合在一起的產(chǎn)品，該車載可視倒車裝置利用單片機技術(shù)，通過攝像頭模塊進行車后障礙物圖像的采集，并通過單片機處理之后在TFT-LCD薄膜晶體管型液晶顯示屏上顯示，使駕駛員能更清晰的看清障礙物圖像，同時通過超聲波測距模塊進行距離監(jiān)測，根據(jù)車與障礙物的距離進行蜂鳴器預(yù)警，通過該可視倒車裝置能使倒車安全得到更好的保障。

1 基本原理及設(shè)計思路

1.1 基本工作原理

車載倒車裝置通過傳感器和攝像頭感知車輛周圍的物體，如圖1所示。當(dāng)傳感器感應(yīng)到障礙物時攝像頭也將障礙物攝入視頻，同時傳感器進行測距，保證駕駛員在看到障礙物的同時也能迅速掌握障礙物距離車輛的實際距離，從而更加有效地調(diào)整行車狀態(tài)。

圖1 車載倒車裝置安裝位置示意圖

1.2 設(shè)計思路

本文設(shè)計的車載可視倒車裝置主要由單片機處理器、攝像頭模塊、超聲波測距模塊、顯示模塊、報警模塊組成，系統(tǒng)總體工作結(jié)構(gòu)如圖2所示。攝像頭模塊把采集到的障礙物圖像傳送給STM32單片機，經(jīng)過單片機處理在TFT顯示屏實時顯示采集到的圖像，超聲波測距模塊將障礙物與車的測距信號通過串口通信輸入STM32單片機上，經(jīng)處理后在5110LCD液晶屏上顯示出障礙物與車的距離，并由紅藍綠三盞燈的亮滅來指示障礙物的遠近，如果距離非常近，紅燈亮，蜂鳴器急促的響，表示有危險；如果距離接近，黃燈亮起，蜂鳴器平緩的響，表示即將進入危險區(qū)；如果在安全距離內(nèi)，綠燈亮且蜂鳴器不發(fā)出警報。整個系統(tǒng)通過USB供電。

圖2 汽車側(cè)方障礙物信號檢測模擬圖

2 硬件設(shè)計

2.1 超聲波測距模塊

DYP-ME007超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3 mm，模塊包括超聲波發(fā)射器[7-9]、接收器與控制電路。其基本工作原理如下(實物圖見圖3)。

(1) 用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10 μm的高電平信號。

(2) 模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回。

若有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間,其公式如下：

圖3 超聲波測距傳感器

2.2 STM 32 單片機

本文單片機在選擇上考慮了需求，功耗、價格、穩(wěn)定性和開發(fā)難易程度等因素，采用的單片機型號為STM32F1032ET6，如圖4所示。

本文主控單片機在系統(tǒng)中的作用有：

(1) 控制超聲波發(fā)射電路在固定的發(fā)射時段內(nèi)發(fā)射超聲波，在接收時段內(nèi)停止發(fā)射超聲波。

(2) 控制超聲波接收電路在接收時間段內(nèi)檢測超聲波，并接收回波信號。

(3) 通過超聲波接收電路接收的回波信號來計算超聲波在空氣中傳播所需要的渡越時間，通常，是通過芯片內(nèi)部定時器的計時功能完成的。

圖4 STM 32 單片機

(4) 讀取攝像頭的圖像并顯示在TFT液晶屏上。

(5) 在顯示模塊上顯示所測到的距離值。

(6) 控制蜂鳴器及LED燈，根據(jù)距離進行報警。

2.3 CF7670C攝像頭模塊

本文采用的攝像頭模塊為CF7670C-V2模塊，視頻采集能力強，響應(yīng)速度快，低功耗，其性能特點如下：

(1) 帶380 kB 大容量的FIFO AL422B，非常適合慢速MCU直接通過I/O采集圖象數(shù)據(jù)。

(2) 帶24 MHz有源晶振。

(3) 帶OV7670必須的2.8 V 穩(wěn)壓LDO。

(4) 單工作電源3.3 V(+/-0.1 V) ，工作溫度0～50℃。

(5) 鏡頭為全玻璃鏡片，鏡頭(含座)為鎂鋁合金材料，鏡頭焦距3.6 mm, 650 nm波段。

(6) PCB為黑色FR-4 優(yōu)質(zhì)沉金板，有效防止PCB漏光問題。

2.4 2.8寸TFT彩屏觸摸模塊

顯示屏為2.8寸TFT彩屏觸摸屏，支持SD卡，支持DATAFLASH(可以做字庫)，支持16位/8位模式。其默認i8080 16位并行接口，可選8位并行接口方式。轉(zhuǎn)接板上R7開路是選擇16位模式，R7短路時選擇8位模式。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計的硬件電路版

本系統(tǒng)以單片機為控制核心，通過縝密的設(shè)計最后把所有模塊集成在一塊電路板上，能夠更好地進行后續(xù)開發(fā)和大批量生產(chǎn)。如圖5所示，倒車影像和超聲波測距系統(tǒng)主線路板的3D模擬圖像，如圖6所示。

圖5 倒車影像和超聲波測距系統(tǒng)主線路圖

圖6 倒車影像和超聲波測距系統(tǒng)主線路板(3D模擬圖像)

3 軟件程序調(diào)試

基本流程圖如圖7所示。

圖7 程序基本流程圖

其中部分主程序如下：

int main(void)

{

ifdef DEBUG

debug();

endif

/* Intialize the STM32 SYSTEM_Init */

SYSTEM_Init();

LCD_write_english_string(5,66+16,".....2102

BSC SEUS",0Xf800,0X0000);

//LCD_write_english_string(5,66,"SUES CAOSHENGBO 2012",0Xf800,0X0000);

kkk=LCD_ReadID();

FIFO_Set_GPIO_Config();

FIFO_GPIO_INPUT();

FIFO_CS_L();

FIFO_WE_H();

Delay(500);

while(1!=Sensor_init())//初始化CMOS Sensor

{

}

LCD_write_english_string(5,66+16,"OK........2102 BSC SEUS",0Xf800,0X0000);

Sensor_EXTI_Config();

Sensor_Interrupts_Config();

bn=0;

////////////////////////////////////////

FIFO_RRST_L();

FIFO_RD_L();

FIFO_RD_H();

FIFO_RD_L();

FIFO_RRST_H();

FIFO_RD_H();

////////////////////////////////////////

while(1)

{

Delay(1);

cls();

hanzi1();

hanzi2();

locate(6,1);

printf("-----sues-----");

locate(4,36);

printf("%.2fcm",distanceValue);

if(distanceValue>=0&&distanceValue <15)

{

GPIO_SetBits(GPIO_LED,DS3_PIN); //紅燈亮

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS2_PIN); //黃燈滅

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS1_PIN); //綠燈滅

GPIO_SetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*開啟蜂鳴器*/

Delay(7);

GPIO_ResetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*關(guān)閉蜂鳴器*/

}

else if(distanceValue>=15&&distanceValue <30)

{

GPIO_SetBits(GPIO_LED,DS2_PIN); //黃燈亮

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS3_PIN); //紅燈滅

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS1_PIN); //綠燈滅

GPIO_SetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*開啟蜂鳴器*/

Delay(10);

GPIO_ResetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*關(guān)閉蜂鳴器*/

}

else if(distanceValue>=30&&distanceValue <1000)

{

GPIO_SetBits(GPIO_LED,DS1_PIN); //綠燈亮

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS2_PIN); //黃燈滅

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS3_PIN); //紅燈滅

GPIO_ResetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*蜂鳴器*/}

4 系統(tǒng)總體調(diào)試及測試

該裝置實物圖如圖8所示，本系統(tǒng)采用模塊化集成設(shè)計，因此系統(tǒng)所搭載的外形十分小巧，外觀設(shè)計簡潔，可視化程度高，可用性很強，系統(tǒng)下方配有4個可移動輪來更仿真地模擬汽車倒車的整個過程。

圖8 倒車影像和超聲波測距裝置實物圖

實物測試過程如圖9所示，2.8寸TFT彩色液晶屏中顯示的是障礙物圖像， LCD液晶屏上實時顯示出與障礙物的距離，此時距離為47.00 cm。

圖9 倒車影像和超聲波測距裝置實物圖

此外，由距離的遠近控制紅藍綠三盞燈亮滅，如果距離非常近(<20.00 cm)，紅燈亮，蜂鳴器響起而氣促，表示有危險；如果距離接近(20.00～40.00 cm)，黃燈亮起，蜂鳴器平緩的響，表示即將進入危險區(qū)；如果在安全距離內(nèi)(>40.00 cm)，綠燈亮且蜂鳴器不發(fā)出警報。上述距離報警區(qū)間可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)。其過程分別圖10，圖11所示。圖10所示距離為20.80cm，黃燈亮，蜂鳴器平緩的響，表示即將進入危險區(qū)。圖11所示距離為4.60 cm，紅燈亮，蜂鳴器響起而氣促，表示進人了危險距離。

圖10 黃燈顯示與后方障礙物距離即將進入危險區(qū)

圖11 紅燈顯示與后方障礙物距離已進入危險區(qū)

5 結(jié) 語

本文設(shè)計一款提升倒車安全系數(shù)的裝置。超聲波測距模塊DYP-ME007測量傳感器與障礙物的距離，并將采集到的信號通過串口形式傳輸給單片機STM32F1032ET6，再由單片機控制蜂鳴器的響應(yīng)頻率、3個LCD燈的亮滅以及5110LCD距離的實時顯示。CF7670C攝像頭模塊把采集到的圖像傳送給STM32單片機，經(jīng)過單片機處理，把圖像傳輸?shù)?.8寸TFT(ICI8328控制器)上顯示出來。經(jīng)測試，該裝置性能良好，性價比高，具有實際應(yīng)用的價值。

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·名人名言·

大學(xué)的榮譽,不在它的校舍與人數(shù);而在于它一代一代人的質(zhì)量。

——柯南特