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激光测距学士学位论文
摘要
现代社会高速公路的迅猛发展和汽车制造水平的快速提高，导致了汽车的行驶速度不断上升。
现在，各种汽车在高速公路上每小时跑上100-120公里，己经是很平常的事了。
但是自然界中的恶劣气候及驾驶员的疲劳不适等诸多因素，随时都有可能引发各种意外交通事故。
而高速公路上一旦发生意外交通事故，恐怕就会出现类似于“多米诺骨牌”的效应,数辆甚至是数十辆汽车高速的碰撞在一起，彼此碰的残头破面、支离破碎。
为防止汽车与前方物体发生碰撞，使汽车始终在安全车速下行驶，减少事故的发生，设计了一种基于激光测距和单片机最小系统的汽车安全报警装置，在出现跟车距离小于安全距离等紧急情况时，发出报警来提醒驾驶员注意并采取减速或制动措施，从而达到有效预防追尾碰撞事故发生的目的，提高了汽车的主动安全性。
关键词：
激光测距；单片机；最小系统
Abstract
Therapiddevelopmentofmodernsocietyandtherapidincreaseinhighwayautomobilemanufacturinglevel,leadingtoadrivingspeedofvehiclesontherise.Now,allkindsofcarsonthehighwayran100-120kilometersperhour,hasbeenaverycommonthing.Butthenatureoffatigueandbadweatherdriver'sdiscomfortandmanyotherfactors,mayatanytimecausevariousunexpectedaccidents.Theaccidentonthehighwayintheeventofaccidents,Iamafraidtherewillbesimilartothe"domino"effect,thenumberofvehiclesorevendozensofcarsspeedcollisionwithanothertouchofresidualheadbrokethesurface,fragmented.Topreventcarcollidedwiththefrontoftheobject,sothatthecarisalwaysatasafespeeddriving,reduceaccidents,thedesignofautomotivesafetyalarmdeviceandalaserrangingsystembasedonthesmallestsingle-chip,appearssafefollowingdistanceislessthanthedistanceWhenanemergencyalarmtoalertthedrivertoslowdownorbrakeandtakemeasuresinordertoachievethepurposeofeffectivelypreventrear-endcollisionaccidents,improveactivesafetycar.
Keywords:
LaserRanging;microcontroller;minimumsystem
目录
1绪论1
1.1课题的背景和研究意义1
1.2国内外概况1
1.2.1国外概况1
1.2.2国内概况2
1.3本课题的主要研究内容4
2系统总体设计5
2.1总体设计5
2.2系统硬件结构6
3系统硬件设计8
3.1相关软件介绍8
3.1.1Protel软件的介绍8
3.1.2Protel软件的使用9
3.1.3特殊元件的布局11
3.2各部分电路设计12
3.2.1主控制模块12
3.2.2电源设计14
3.2.3激光测距模块14
3.2.4时钟电路设计15
3.2.5复位电路设计15
3.2.6声光报警电路设计16
3.2.7显示模块17
3.2.8时间芯片18
3.2.9按键电路19
3.3PCB板制作19
4系统软件设计29
4.1系统软件流程图29
5电路测试与结果30
5.1测试方法和结果30
5.1.1电源部分安装调试30
5.1.2STC12C5A60S2单片机调试30
5.1.3液晶显示电路调试30
5.2整体电路显示结果30
结论32
致谢33
参考文献34
附录A英文原文35
附录B汉语翻译41
1绪论
1.1课题的背景和研究意义
当今社会高速公路的快速发展和汽车制造技术水平的快速提高，导致了汽车的行驶速度不断加快。
现在，各种汽车在高速公路上的时速达到每小时100-120公里，己经是很平常的事了。
但是自然界中的恶劣气候及驾驶员的疲劳不适等很多因素，随时都有可能引发各种意外交通事故。
而在高速公路上一旦发生意外交通事故，恐怕就会出现像“多米诺骨牌”的效应,数辆甚至是数十辆汽车高速碰撞在一起的现象，彼此碰的残头破面、支离破碎。
而这时最为可怕的却还是车内的乘员，因为他们要以自己的血肉之驱去和如此巨大的钢铁撞击相抗争。
而能够生还的希望往往却是非常的渺茫！
据来自公安部门的数据表明：
2005年内，全国发生交通事故450254起,因车祸造成98738人死亡，伤残人469911数人，直接财产损失18.8亿元。
其中下午至晚间时段交通死亡事故多发；下午至晚间时段（14:
00～22:
00）发生交通死亡事故比例较高，共死亡44835人，占总数的45.4%。
主要原因是机动车驾驶超速行驶、疲劳驾驶等。
对公路交通事故的分析表明：
80%以上的车祸是由于驾驶员反应不及所引起的追尾相撞、侧面相撞。
对各类交通事故的研究表明:
若驾驶员能够提早1s意识到有事故危险并采取相应的正确措施,则绝大多数的交通事故都可以避免。
此外，还有相当一部分驾驶员在倒车时，由于视线不良，很容易发生危险。
老驾驶员们可凭数年的经验，凭感觉进行倒车。
但对新手，倒车就不是件容易的事了。
倒车时不易抓住倒车距离，左右后方不易抓住倒车角度；行李箱太高，挡住倒车视线；夜间、下雨或有雾等天气及狭窄空间停车，都会给倒车带来烦恼。
因此，本系统的根本之目的，就是要充分利用各种先进的高新科学技术和手段，对运行中各种型号的汽车实施主动性的测速、测距分析和报警，要把各种汽车撞车事故和车祸尽可能的防患于未然，消除在无形之中。
1.2国内外概况
1.2.1国外概况
激光测距机是激光器在军事上最早应用的项目。
世界上第一台激光测距机诞生在美国休斯飞机公司，称为柯利达I型，之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在不对进行试验和鉴定，结果证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。
1971年美国陆军首先装备了AN/GVS-3型红宝石激光测距机，供炮兵前方观察员或观察所使用。
此后，各种型号的侦查用激光测距机相继装备各国的军队。
经过30年的发展，军用激光测距机已更新了两代，研制发展了三代。
第一代激光测距机采用发射0.6943um红宝石激光器和光电倍增管探测器，是最早问世的激光测距机，20世纪70年代初期少量装备部队，如美国的AN/GVS-3、日本的70式，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。
第二代激光测距机采用发射1.06um近红外钕光器（主要是Nd:
YAG激光器，少数为钕光器）和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器。
第二代比第一代隐蔽性好、效率高、轻小、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化沿着发展迅速。
1977年美国研制成功称之为AN/GVS-5型的第一个手持使用的小型Nd:
YAG激光测距机，该机的外形结构首次采用了事宜手持使用的双目望远镜式结构，在技术上首次成功采用轻小、成本低、不耗电的BDN被动料片Q开关和工作电压为350V的低压硅学崩光电二极管探测器，用大规模集成电路实现接收的固体组件化。
此后，应用AN/GVS-5的研制成果，很多国家都相继研制成类似与AN/GVS-5的各种型号的手持激光测距机装备部队，如挪威研制的正式装备仪器。
由于这些低成本、小型手持激光测距机的研制成功，从20实际70年代末到80年代中，Nd:
YAG激光测距机进入了大批生产装备和广泛应用阶段，称为军用激光市场上军方最带采购项目，如1977-1987年，美国军方采购了8000台AN/GVS-5型激光测距机装备美陆军和出口。
第三代激光测距机，即人眼安全的激光测距机。
目前已研制成工作波长为10.6um和1.54um的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机的预研样机和工程样机，预计在90年代进入生产和应用阶段。
1.2.2国内概况
国内汽车防碰撞技术方面的研究起步较晚，90年代中期以来，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪国际上智能交通系统（ITS）的发展，交通部将只能交通系统的研究纳入了科技发展“九五”计划和2010年发展纲要，并于1998年1月成立了智能交通运输系统工程研究中心，国家科技部筹建了中国ITS政府协助小组。
在国家政策的支持下，我国在汽车防碰撞系统研究上也取得了一定的进步。
我国汽车防碰撞预警系统的研究主要在一些大型汽车企业和科研院所开展，如：
长春一汽、上海大众、东风汽车、交通部科学研究所、武汉汽车研究所、清华大学汽车研究所、北京理工大学机械系、长安大学汽车学院、吉林大学和东南大学等。
但是只是探索性的研究，尚无可以批量生产的产品。
航天工业总公司8358所激光研究室采用窄脉冲半导体激光测距技术，所开发的汽车防碰撞装置作用距离大于30米，测距精度小于1米，但仍然存在一些关键技术问题未解决，而且价格偏高。
广西大学计算机与信息工程科学院及华中理工大学电信系共同研制的一种毫米波汽车雷达系统采用线性调频连续波（LFMCW）雷达体制，发射调频率按周期性三角波调制，前端主要包括收发天线、定向耦合器、混频器、调频振荡器，控制单元部分用单片机系统实现，还有由NRD波导构成的集成收发前端及小型化菲涅尔天线。
上海汽车电子工程中心研制的SAE-100型毫米波防碰撞系统样机，采用零差FMCW体制，工作频率35GHZ，测距范围大于100m，测速范围大于100km/h。
系统采用了增益为26dm的小型喇叭天线，发射功率40mw的波导结构前端，以及先进的DSP数据处理技术。
整个系统由上下两部分构成：
上面部分包括天线、前端和中频放大模块，输出信号为经过放大了的中频信号；下面部分为数据处理和显示报警模块，可以显示目标距离和相对运动速度。
当目标小于100m时，根据距离的不同可以用三种不同的音量进行报警。
江苏赛博电子有限公司有成熟的产品，研制成功的汽车雷达防碰撞预警系统使用38HZ毫米波技术和高速DSP数字信号处理器，监视前向车道上静止的和行驶的车辆，提供20个目标的距离和接近速度数据判断潜在碰撞危险目标，虚惊率为1%，最小探测距离为1米。
当汽车前方200米距离范围内，发生潜在追尾碰撞时，能自动发出报警信号，并根据不同的危险情况发出相应的神光警报。
长安大学（原西安公路交通大学）交通工校所于1999年便着手于告诉公路汽车防追尾碰撞预警系统的开发研究，其中李柏川教授在汽车防碰撞预警方面做了大量的研究；2001年，汽车学院的李晓霞等人在理论建模的基础上，设计卡发了一套汽车追尾碰撞预警系统。
在该设计中，对汽车的临界跟车距离进行了修正，认为汽车的临界跟车距离与路面附着状况有关，并由此确定了一种计算临界跟车距离的新方法。
2002年，清华大学的侯德藻等人在分析了现代汽车主动避撞系统特性的基础上，综合考虑驾驶员的驾驶特性，设计了汽车主动避撞报警系统。
2005年6月，上海微系统与信息科技研究所射频与微波课题组副组长余稳介绍：
“我国已经首次研制成功了小型防碰撞雷达，其中关键的雷达前端芯片是国内首次研制成功，拥有独立知识产权，但成本较高，将来彻底市场化，成本可能降低。
”
此外电子科技大学在汽车行驶安全跟车距离模型方面作了有益的研究；湖南大学增云教授在红外线车辆自动刹车控制方面作了探索。
1.3本课题的主要研究内容
利用激光测距传感器，以单片机为核心，开发设计汽车防碰撞预警装置硬件电路，并进行试验调试，证明设计的合理性。
主要包括以下几个内容;
1.单片机最小系统硬件设计；
（1）复位电路采用上电自动复位和手动复位。
（2）晶振电路采用无源晶振电路。
（3）发光二极管电路。
2.液晶显示硬件电路设计；
（1）选用12864液晶显示器。
3.激光测距传感器串行数据接口电路；
（1）采用RS232C串行通信电路。
4.预警声光报警提示电路；
（1）报警输出电路采用发光二极管和扬声器进行报警。
5.各硬件部分功能测试程序。
（1）对各个模块进行调试。
（2）对整体惊醒调试。
2系统总体设计
2.1总体设计
一个完整的单片机系统的设计是非常复杂。
在硬件设计方面，设计者不仅要对单片机系统本身设计，还要根据具体的应用方面设计外围设备的接口电路和驱动电路。
软件设计方面，则需要根据具体硬件结构来实现单片机系统的功能。
在实际的应用中，根据应用环境不同，设计者还应当考虑到温度、功率、产品体积、可靠性、抗干扰性、实时性等众多问题，并提供硬件的或软件的解决方案，以保证最终产品的可靠性，其复杂程度远比通常所说的微机系统更高。
单片机应用系统的设计应按照以下几个步骤来进行：
1、总体方案设计
设计者需要考虑实际应用环境的需要，设计系统的整体设计方案。
首先进行可行性分析。
其次是对系统中的核心单片机的选型，这要考虑到应用系统本身对数据处理能力的要求，还有是否有其他方面的特殊需要（低功耗、工作温度、接口电路）。
最后对系统各项功能的划分，确认软件和硬件的分工问题。
经过这一阶段的设计，设计者应该已经有比较完整的系统设计框架，对软硬件系统的分工有较明确的方案。
此时，可以开始进行系统的硬件设计了。
2、系统软件设计
系统软件设计阶段，包括单片机软件系统的设计，外围各个功能模块的选择，I/O口的分配，单片机与外围模块和PC机之间通信线路的选择。
当具体的软件系统功能框图完成后，可以使用PROTEL绘制电路的原理图，同时设计者还要对电路设计进行进一步的验证。
一个完整的单片机系统只有原理图还不能工作，必须有软件来控制整个系统的运行。
单片机系统的软件设计主要是汇编语言或C语言在KEIL中编译。
单片机的软件部分，主要任务包括小键盘的扫描，复位电路，时钟电路，延时电路，可靠性和抗干扰等方面的程序设计。
软件的设计可以分两个阶段。
首先，设计者可以按照最初的设计思路完成部分软件的设计工作，然后在PROTEL环境中进行仿真，以检测这部分是否正确。
当硬件部分的制作完成后，设计者还需要根据硬件将事先完成的软件部分的各个部分进行调试。
3、系统硬件设计
系统硬件设计阶段，设计者应当根据绘制的PROTEL图进行硬件部分的制作。
把实物焊接在电路板上，同时检测硬件方面的错误。
2.2系统硬件结构
以单片机STC125A60S2作为系统的控制器，利用RS232C串行通信向激光测距传感器发射测距命令,传感器接受命令发射一束光信号，经障碍物反射回的光信号在传感器内部转换一系列号码，再经过RS232C串行通信将障碍物的距离返回给单片机接收，并利用液晶显示器实时显示距离；用激光测距仪作为测距技术，用发声器件构成报警电路，用液晶显示器显示实时显示车与物体的距离。
系统硬件原理框图如图2.1
图2.1系统硬件原理框图
复位电路采用上电自动复位和手动复位，上电自动复位由CE1充电来实现，按键手动复位通过复位端的电阻和VCC接通来实现。
晶振电路采用无源晶振电路在引脚XTAL1和XTAL2之间连接晶振Y1和电容C1、C2就构成了内部震荡方式。
发光二极管电路LED导通端由VCC通过上拉电阻RS1加电，并由P1低电平控制LED发光，选用Nokia5110液晶显示器，可显示84*48的点阵LCD可以显示4行汉字，上半部分显示时间，下半部分显示距离。
在电路中采用串行接法，让单片机给15脚PSB一低电平来实现液晶显示的串行工作。
报警输出电路采用扬声器和发光二极管，进行声光报警，当距离小于安全距离时，进行报警提示。
该系统能充分发挥STC125A60S2的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态，提高系统的灵敏度。
该报警器基于单片机最小系统设计，从而具有体积小、使用方便的特点。
若将安全距离设为50m，就可作为汽车防追尾报警器，提高汽车行驶安全性。
3系统硬件设计
3.1相关软件介绍
3.1.1Protel软件的介绍
PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL2004。
是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。
2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本AltiumDesigner6.0。
AltiumDesigner6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。
AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。
Protel 2004引入了集成库的概念，这使您在原理图中选择的元器件就已经有了您需要的封装，Protel 2004附带了68,000多个元件的设计库，包括原理图FPGA设计的即调即用及预综合元件集成库，并且这些封装都能完全符合您的要求，当然如果您不满意，也可以修改这个元器件的封装为您所需，当然您还可以在PCB库编辑器制作您所需要的封装。
Protel 2004共可进行74个板层设计，包含32层Signal（信号走线层）; 16层Mechanical（机构层）; 16层Internal Plane（内层电源层）;2层Solder Mask（防焊层）; 2层Paste Mask（锡膏层）; 2层Silkscreen（丝印层）; 2层钻孔层（钻孔引导和钻孔冲压）; 1层Keep Out （禁止层）; 1层Multi-Layer （横跨所有的信号板层） 。
Protel 2004布线模式：
Oblique（任意角走线）；45 deg（45度角走线）；45 deg with arcs（45度角圆弧走线）；90 deg（90度角走线）；90 deg with arcs（90度角圆弧走线 ）。
Protel 2004交互式布线模式：
Ignore Obstacles（忽略障碍模式）；Avoid Obstacles（避开障碍模式）；Push-and-Shove（推挤障碍模式）。
3.1.2Protel软件的使用
在WINDOWS95/98或NT界面下双击Protel99图标，点击File（文件）中“new”项，新建设计数据库，如图3.1所示。
图3.1新建设计库界面
在Browse选项中选取需要存储的文件夹，然后点击“OK”即可建立自己的设计数据库。
1．设计组（DesignTeam）
我们可以先在DesignTeam中设定设计小组成员，Protel99可在一个设计组中进行协同设计，所有设计数据库和设计组特性都由设计组控制。
定义组成员和设置他们的访问权限都在设计管理器中进行，确定其网络类型和网络专家独立性不需要求助于网络管理员。
无限制数量的设计组成员能同时访问相同的设计数据库。
每个组成员都能看到什么文件当前是打开的以及谁在编辑，并能锁定文件以防止意外重写。
访问设计数据库可以通过建立设计组成员和指定其权限来控制。
设计组成员建立在成员文件夹中。
在成员文件夹中单击右键就会弹出浮动菜单，选择新成员。
为保证设计安全，为管理组成员设置一个口令。
这样如果没有注册名字和口令就不能打开设计数据库。
提示：
成员和成员权限只能由管理员建立。
2．回收站（RecycleBin）
相当于Windows中的回收站，所有在设计数据库中删除的文件，均保存在回收站中，可以找回由于误操作而删除的文件．
3．设计管理器（document.）
所有Protel99设计文件都被储存在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。
在Protel99中与设计的接口叫设计管理器。
使用设计管理器，可以进行对设计文件的管理编辑、设置设计组的访问权限和监视对设计文件的访问。
组织设计文件过去组织和管理40个或更多的原理图、PCB、Gerber、Drill、BOM和DRC文件，要花费几天的时间，而Protel99把设计文件全部储存在唯一的设计数据库。
在设计数据库内组织按分层结构文件夹建立的文件显示在右边的个人安全系统设计数据库有一文件夹叫设计文件，这个文件夹中是主设计文件（原理图和PCB），还有许多的子文件夹，包括了PCB装配文件、报告和仿真分析。
这里对在设计数据库中创建文件夹的分层深度没有限制。
设计数据库对存储Protel设计文件没有限制你能输入任何类型的设计文件进入数据库，如在MSWord书写的报告、在MSExcel准备的费用清单和AutoCAD中制的机械图。
简单双击设计数据库里的文件图标，在适当的编辑器打开文件，被更新的文件自动地保存到设计数据库。
MSWord和Excel文件可以在设计管理器中直接编辑。
提示：
在文件夹上单击右键会显示浮动菜单，然后选择在设计数据库新建文件。
在综合设计数据库中用Protel99的设计管理器管理设计文件是非常轻松的。
设计管理器的工作就象MSWindows的文件管理器一样，可用它来导航和组织设计数据库里文件。
使用设计管理器在设计数据库创建分层结构的文件夹，使用标准文件操作命令来组织这些文件夹内设计文件。
设计管理器的心脏就是左边的导航面板。
面板显示的树状结构是大家熟悉的Protel软件特性。
在Protel99中，这个树不仅仅显示的是一个原理图方案各文件间的逻辑关系，它也显示了在设计数据库中文件的物理结构。
在导航树中活跃的文件夹是PCB装配文件夹。
如同Windows文件管理器，
升级会员 