第1章緒論基于單片機的智能倒車系統設計和實現目錄TOC\o"1-3"\h\u31012基于單片機的智能倒車系統設計和實現 118741引言 212211第1章緒論 3311261.1背景 3244591.2設計依據及研究內容 3286071.3國內外研究現狀 44630第2章智能倒車系統的設計 599002.1理論分析 5227352.2主要器件工作原理 527252.2.1超聲波測距原理 552672.2.2LCD1602液晶顯示 7286502.2.3WT588D語音模塊 7113102.3系統總體設計 880582.4本章小結 821631第3章硬件電路設計 9130953.1系統硬件原理圖 9242453.2超聲波電路 98723.3語音播報電路 9259643.4主控芯片選擇 9142593.5按鍵控制電路 1376343.6本章小結 136466第4章軟件系統設計 14158654.1算法 14269894.2程序架構 14159284.2.1主程序架構 1437304.2.2LCD1602顯示流程圖 14298944.2.3超聲波測距流程圖 14128194.2.4按鍵子程序 1623954.2.5報警流程圖 16310144.2.6語音流程圖 1780134.3本章小結 182291第5章系統調試 19168025.1系統制作 19227495.1.1焊接 19104395.1.2實物圖片 1911245 20283495.2功能調試 2047905.3實驗總結 21117785.3.1測距實驗誤差 2184875.3.2測距實驗誤差分析 21103765.4本章小結 218234結論 22引言在現代生活中人們的日常生活已經離不開車輛，所以近些年車輛日益曾多，因汽車造成的事故也變得多了起來，在這些事故中大部分來源于車輛的盲區以及觀察不充分，所以需要一個輔助裝置能夠輔助駕駛人員克服這些問題，提供更加安全便捷的行駛。在經過調查和詢問過程中發現在目前的生活中有類似的倒車裝置，但這些裝置存在很多不成熟的地方，如只能利用蜂鳴器進行距離過近的提示而無法精確的得知具體數值，還有成本高和測量距離、精度不夠等。所以本次設計針對以上缺點進行優化和改良，在充分思考后將本次設計的功能定為是以STM32為核心擁有超聲波測距、天黑時開啟LED進行亮度調節、LCD1602顯示距離和語音播報功能的智能倒車系統。結合STM32所帶有的功能，連接超聲波測距所需的模組，外接LCD1602模塊和WT588D語音模塊，設計一個精度高、成本低的超聲波智能倒車系統，該系統測距是依靠計算超聲波模塊通過發射超聲波信號與超聲波信號在遇到障礙物后返回之間的時間的差，再根據超聲波信號在空氣中的速度，以此來算出該裝置與障礙物的間隔距離，在STM32的控制下發送給LCD1602進行顯示，并用WT588D語音播報模塊進行距離播報，在小于安全距離時會提醒駕駛者小心駕駛，另外在天黑或者光線昏暗時系統會點亮LED進行燈光的調節，給駕駛員提供更安全、方便的駕駛環境。第1章緒論1.1背景因為汽車的出現給交通帶來了很大的好處，大幅度的縮短了人們趕路的時間。而且在國家的快速發展中，汽車的價格也越來越親民，所以社會車輛的數目也越來越多，但由于在汽車的駕駛過程中會有很多盲區并且轉彎或者掉頭時環顧四周時也會有一些比較繁瑣的動作，而且駕駛員在駕駛過程中都會有一定程度的疲憊，這短短的幾秒就會毀掉一個人的家庭，給人們帶來巨大的災難，所以需要一個輔助倒車的智能系統來提高駕駛的安全性，輔助汽車駕駛的超聲波智能倒車系統通過單片機驅動超聲波模塊來發射與接收超聲波信號，利用信號被阻擋時會被反射回來的原理來判斷需要探測的方位是否有障礙物，當檢測到有障礙物時STM32會驅動語音模塊播報聲音來提示駕駛員車后障礙物的距離，以此緩解了駕駛人員在啟動車輛和倒車時環顧四周的一系列繁瑣動作，并且起到對駕駛人員的警示作用解決了因為盲區和視線模糊對駕駛人員造成的困擾，從而大幅度的增加了駕駛人員在車輛行駛中的安全性和便捷性。1.2設計依據及研究內容隨著近些年智能機器人技術的快速發展,非接觸式測距的使用也逐步由工業轉向日常生活的各個領域。因為機器人需要進行自主活動，需要擁有測距功能來檢測周圍的環境，判斷是否有障礙物，從而實現自動繞障、尋跡、測距等功能，在非接觸式測距方法中，CCD探測有檢測精度高、檢測效率快、量子功率高、節省人工成本等優點，但靈活度低且可識別的產品較為單一，因此識別具有局限性REF_Ref20159\r\h[1]。雷達測距探測遠距離的目標時抗干擾能力強，而且有一定程度的穿透能力，但該測距適合短距離探測、探測較長距離時精度會有所下降。激光測距的探測方法在精度、方向性、單色性等方面都有著較為明顯的優勢，但因其花費高、處理數據相對復雜，導致目前僅應用在高端科技REF_Ref20462\r\h[2]。較于其他種類測量距離的方法而言，超聲波測距所需花銷較低,測量精度也較為準確,而且超聲波測距在工作時周圍環境的影響較小,使用便捷，所以我們通常會將這個模塊和紅外傳感器等模塊結合在一起來共同實現智能機器人的自動尋路和躲避障礙等功能。在單片機的選擇時，通過查閱大量資料和詢問老師最后選擇采用比傳統AT89C52芯片功能更加強大的STM32F103C8T6單片機。該單片機與傳統的AT89C52單片機相比而言集成度更高、價格更便宜、功能更全面、且應用起來更簡單。采用超聲波模塊檢測車距，按鍵系統設計自己理想的與障礙物之間的最小距離。液晶顯示器件采用的是LCD1602液晶顯示模塊，該模塊不僅彌補了傳統數碼管信息量少、顯示的內容有限等缺點，而且可以實現更為全面的顯示功能。應用WT588D模塊實現最小安全距離實時語音播報功能。1.3國內外研究現狀近些年中，由于非接觸式測距的使用已經開始遍布日常生活的各個領域。機器人已經走進了尋常百姓的家庭里，這些機器人進行自主活動時需要擁有測距功能來檢測周圍的環境，判斷是否有障礙物，從而實現自動繞障、尋跡、測距等功能，所以近幾年有很多國內外的專家學者開始著手于測距技術的研究，這些頂尖專業的研究團隊主要通過對超聲波的回波信號、換能器等方面的完善和改良來提高超聲波測距的準確性以及抗干擾性，使得超聲波智能倒車系統的測量誤差得到了大幅度的減小，方便性也得到了大幅度的提高，所以該車的安全性能和舒適性能都有了很大的提高。目前，我國汽車電子行業下的超聲波智能倒車系統已逐漸成長為一個十分具有發展前景的產品。但還存有一些不成熟的地方，如只能傳統的倒車系統只能利用利用蜂鳴器對障礙物進行距離過近的提示而無法精確的得知具體數值，除此之外還有系統設計成本高和測量距離、精度不夠等，本系統將針對這些缺點進行提升和改進，設計出一款能夠播報與障礙物實時距離且成本較低的智能倒車系統。

第2章電荷泵電路的原理設計第2章智能倒車系統的設計2.1理論分析本次設計微控制器選擇的是STM32，利用超聲波模塊進行車距的檢測處理，LCD1602模塊會將超聲波模塊檢測到實時車距利用具體的數字顯示出來，安裝按鍵系統可以隨時調節語音模塊需要播報與障礙物之間的最小距離，選擇WT588D模塊進行語音播報處理,光敏電阻會通過感應周圍光線亮度從而改變阻值，當光線暗時會打開LED進行調節REF_Ref20590\r\h[3]。系統結構原理圖如圖2.1所示STM32LCD1602顯示WT588D語音播報STM32LCD1602顯示WT588D語音播報按鍵掃描超聲波測距光敏檢測報警電路LED指示燈圖2.1系統結構原理圖2.2主要器件工作原理2.2.1超聲波測距原理目前利用超聲波進行測距的方法主要有測量誤差最小，但測量范圍較為狹小、電路也較為復雜的相位檢測法，成本較為廉價、但誤差較大的幅度法以及誤差、測量范圍較為居中的、且電路也較為簡單的時間檢測法REF_Ref20518\r\h[4]。當超聲波模塊發射信號的瞬間進行計時操作,當信號因遭到障礙物的阻擋而返回，該模塊中的接收裝置會立即接收該信號并中止計時器的計時,通過計算出兩個信號的間隔時間。最后利用波速在空氣的速度和該模塊中定時器記錄發射出的信號與反射回來被接收器接收到的信號兩者間隔時間，推算出該裝置與障礙物所間隔的距離。超聲波模塊如圖2.1.1所示圖2.1.1超聲波模塊超聲波模塊時序圖如圖2.1.2所示圖2.1.2超聲波模塊時序圖2.2.2LCD1602液晶顯示LCD1602模塊由HD44780為主控芯片組成，顯示較為全面如字母、數字、符號等都可以顯示出來，具有使用便捷、體積小、重量輕功耗低、性價比高的優點，因此深受設計者的青睞，但要注意它的顯示范圍REF_Ref20665\r\h[5]。LCD1602模塊如圖2.2所示圖2.2LCD1602模塊2.2.3WT588D語音模塊WT588D是一種性能齊全并且可進行重復擦除的芯片,具有體積小、播放語音時無噪音、性能好等優點，能夠保證語音模塊不管在什么惡劣的環境都能正常的進行工作REF_Ref20711\r\h[6]。使用時操作簡單，界面操作友好，所以被廣泛應用于語音模塊。WT588D模塊如圖2.3所示圖2.3Wt588d模塊2.3系統總體設計該智能超聲波倒車系統由軟件系統和硬件系統兩個系統結合而成。其中硬件系統指的是構成單片機的物理設備，包括的單片機類型的選擇、傳感器類型的選擇、各個模塊的挑選如超聲波測距模塊、語音播報模塊、液晶顯示模塊等。當單片機及傳感器的種類和型號挑選完成后，就可以跟據功能的需求進行電路的整體構思和設計，之后根據自己的設計進行焊接，驗證各模塊有無短路虛接問題等PAGEREF_Ref20746\h[7]。當進行軟件調試環節時，先了解學習各模塊的功能，構思出各模塊的流程圖，在組合到一起從而準確地的實現本次設計，最后進行設計的功能調試，測試是否達到本次設計的理想功能。2.4本章小結本章通過查閱資料以及向老師請教從而成功的分析出了各個應用模塊原理，在繁多的模塊中挑選適合的模塊，并在這些模塊中挑選適合本次設計的型號，對每個模塊進行了初步的了解研究，對接下來的設計所需的理論有了基礎，接下來分析了系統構成，將設計所需的硬件系統和軟件系統確認好后進行本次設計，通過各模塊功能的充分利用，從而實現本次設計所需的功能，完成設計。

第3章原理圖的繪制與仿真第3章硬件電路設計3.1系統硬件原理圖STM32作為整個設計的核心處理器，該智能超聲波倒車系統整體分為超聲波距離檢測部分、LCD1602顯示部分、WT588D語音播報部分REF_Ref20789\r\h[8]。檢測部分通過超聲波進行數據采集，顯示部分則應用LCD1602顯示模塊將采集到與障礙物之間的距離顯示出來。語音報警模塊則是先用按鍵設置好危險報警距離后，當單片機檢測到低于所設置的報警危險距離距離時，單片機會驅動wt588d模塊進行語音進行實時距離的播報以及距離過近的報警提示REF_Ref20825\r\h[9]。硬件電路原理圖如圖3.1.1所示,Pcb圖如圖3.1.2所示3.2超聲波電路在進行全方面的對比中，選擇了價格較為便宜且精度和距離都較為不錯的超聲波模塊進行距離的測量，在工作的開始STM32單片機會發出大于20微秒的脈沖通過I/O端口傳遞給超聲波模塊，超聲波模塊的trig引腳收到STM32單片機發送的高電平信號后開始工作，發送信號并不斷地檢測發射的信號有無被障礙物阻擋反射回給超聲波模塊。若信號由于遭到障礙物的阻擋再返回給該模塊,echo引腳會立即輸出一個高電平信號,在高電平變為低電平的瞬間超聲波模塊內部的計時器停止計時記錄高電平持續的時間,通過這段時間便可以推算出在所側角度上該超聲波智能倒車系統和障礙物之間的距離REF_Ref20903\r\h[10]。其電路原理圖如圖3.2所示3.3語音播報電路經過仔細地挑選與比較，最后決定應用wt588d模塊做該智能倒車系統的語音播報模塊。在超聲波進行測距后，利用該模塊進行實時語音播報處理，并且當檢測與障礙物之間的距離低于所設置的安全距離，STM32就會驅動wt588d模塊進行安全報警REF_Ref20933\r\h[11]。從而以更直觀的形式來提醒駕駛人員。語音播報電路如圖3.3所示3.4主控芯片選擇對于這個設計，我選擇了stm32單片機。STM32單片機和51單片機相比較的話，會發現STM32不僅本身自帶了很多51單片機不具備的功能，而且運行要比51單片機快上幾倍不止，還有著強大的通信功能和控制功能，且功耗低、接口簡單、數據處理運算方便，所以非常適合本次設計。TM32實物圖如圖3.4所示圖3.1.1系統原理圖圖3.1.2pcb繪制圖圖3.2超聲波測距電路圖圖3.3語音播報電路圖3.4STM32F103C8T6實物圖3.5按鍵控制電路本次倒車系統的按鍵電路是通過2個并聯的按動開關構成的，將它的一端連接到STM32單片機的I/O端口上，按鍵電路的另一端接地。當按鍵開關處于松弛狀態時，I/O引腳和地斷開，此時I/O引腳處于高電平狀態，當有人按壓按鍵時I/O引腳會接地，因此高電平被設置為低電平，低電平信號被返回給STM32REF_Ref20975\r\h[12]。通過查閱資料我們了解到按鍵控制電路的原理就是單片機對電平信號高低的檢測，以此來進入下一個狀態，但是由于電平變化時間過短，導致在按動按鍵時不可避免地存在微小的誤差，所以我們需要多編寫一個去抖函數來提高按鍵的穩定性REF_Ref21014\r\h[13]。在本次系統按鍵調節設計中，按鍵K1代表增加最小危險距離，按鍵K2代表減少最小危險距離。按鍵控制電路原理圖如圖3.6所示圖3.5按鍵控制電路原理圖3.6本章小結在進行硬件電路的分析和設計時,在清楚要實現什么功能后，把總設計分解成各模塊，對各模塊進行挑選，設計能實現該功能或相似功能的模塊電路，再在設計出每個模塊的電路圖后進行整合完整和，確保最后整體功能的實現。最后，看結果是否符合自己的要求，了解哪些才是自己需要的關鍵參數，以及能否看懂這些關鍵參數。第4章電荷泵版圖實現第4章軟件系統設計4.1算法首先利用超聲波模塊中的定時器測量trig引腳和echo引腳觸發的高電平時間t。通過超聲波的基本原理我們了解到該時間為超聲波信號在該倒車系統與障礙物之間傳輸時間的2倍，利用已知超聲波在空氣中的傳播速度(v)，推算出該倒車系統與障礙物所間隔的距離(s)。S=vt/2（1）4.2程序架構4.2.1主程序架構當各功能模塊的器件及型號選擇完成后，就要開始著手對軟件系統進行整體框架的構思和設計。第一步先通過設計所需要的功能進行整個系統的總體設計，當總體設計完成后從而進行下一步，將整個系統分解成各個小模塊，設計完整的流程圖，按照功能的先后將各模塊進行先后順序的排列。在驗證每個模塊時要注意先將各個硬件初始化，大致順序為STM32單片機開始配置各模塊的引腳，LCD1602初始化，超聲波模塊初始化，語音模塊初始化，在進行單個模塊功能的驗證，超聲波測距模塊首先進行測距相應的語音播報REF_Ref21057\r\h[14]。接下來是LCD1602進行顯示，WT588D進行語音播報以及LED的點亮與熄滅。主流程圖如圖4.1所示4.2.2LCD1602顯示流程圖當安裝好該模塊給該顯示模塊接上電源后，要注意進行模塊內部的初始化操作，將LCD1602上的顯示內容及內部存儲清空防止對實驗的數據造成誤差。初始化操作后LCD1602會與STM32雙向通信互相傳輸信息，延時一定時間后，STM32控制LCD1602顯示設置的最小安全距離和檢測到的實時距離REF_Ref21089\r\h[15]。LCD1602顯示流程圖如4.2所示：4.2.3超聲波測距流程圖首先給超聲波模塊進行供電，利用發射超聲波進行折射檢測的原理，計算出車距，并通過RX和TX引腳與單片機進行通信REF_Ref21125\r\h[16]，將信息發送給單片機。超聲波測距流程圖如圖4.3所示：開始WT588D語音芯片初始化光敏檢測當前光線強弱開始WT588D語音芯片初始化光敏檢測當前光線強弱超聲波初始化設置語音播報當前距離和速度當超聲波超過速度或者距離蜂鳴器報警LCD1602顯示按鍵掃描按鍵掃描下線上線結束開啟照明指示燈是否是否LCD初始化LCD清屏子程序入口顯示數據單片機向LCD寫數據單片機向LCD寫命令否LCD初始化LCD清屏子程序入口顯示數據單片機向LCD寫數據單片機向LCD寫命令否是子程序入口返回發送給單片機超聲波測距啟動信號圖4.2LCD1602初始化流程圖圖4.3超聲波測距流程圖4.2.4按鍵子程序本次設計按鍵電路功能不多，只有一個是設置最小安全車距的最小值，可以按照自己的心中的理想倒車距離來設置，操作簡單，在檢測過程中程序會進行循環檢測處理，等待有效的信號進入下一個狀態，在操作時要注意進行延時操作處理，從而有效地防止抖動等誤差。流程圖如4.4所示：4.2.5報警流程圖主函數執行后，一直檢測是否發生中斷，通過循環函數與按鍵設定好的下限值相比較，判斷其值是否低于下限，從而發出警報語音REF_Ref21207\r\h[17]流程圖如圖4.5所示：子程序入口子程序入口按鍵是否按下設置加減返回否是子程序入口是否達到設置的上線？報警返回否是圖4.4按鍵流程圖圖4.5報警流程圖4.2.6語音流程圖當程序開始工作后，會不斷地進行檢測系統與障礙物的距離，在通過按鍵設定最小警報距離后，檢測車距是否低于最小警報距離，一旦低于最小警報距離，單片機給語音芯片發送指令，控制揚聲器進行語音報警。語音播報流程圖如圖4.4所示：子程序入口子程序入口是否低于最小車距語音播報返回否是圖4.6語音播報流程圖4.3本章小結本章針對軟件系統開展了設計，依據整體功能構思清楚相應模塊的框架，將本次設計的總流程圖設計完畢后，按照傳感器的先后順序、以及每個傳感器所要實現的功能分別進行各自的系統設計，從而畫出各個模塊所需要的流程圖，最后檢查流程圖是否符合該模塊的功能以及是否正確。

第5闡電荷泵版圖驗證第5章系統調試5.1系統制作5.1.1焊接將本次設計所需要的模塊和工具準備完成后，依據之前設計完成的原理圖，標出個別需要區分正負極的模塊后，對該設計進行認真的焊接工作。在焊接時首先將插排、晶振和復位電路焊接上去，其次要對電路板進行區域的劃分，確定好每個模塊的位置，流出走線的位置，完成一系列準備工作后開始焊接各個功能模塊。模塊焊接完成后開始焊接連接的導線，要注意連接導線時不要虛焊和短路。焊接完成后用燒錄器將編譯好的軟件燒錄到STM32F103單片機中，最后插入到插排上，連接充電器看到指示燈亮起說明電源供電正常，按下LCD1602顯示模塊的開關，觀察打開開關后的屏幕上能否正常顯示測量和設置的數據。接下來開始檢測其他模塊是否能夠進行啟動工作，若各模塊啟動正常，則表明此次焊接調試成功，若出現某些問題如不顯示、不播報的情況時，要仔細檢查每一個焊接的地方以及購買的模塊是否正常，從而找到問題的關鍵，多次調試后解決問題。5.1.2實物圖片5.2功能調試在測量各模塊都能正常的進行工作后，就開始進行本設計的最后功能調試環節，測試各模塊的功能是否正確及整體設計的性能。首先斷開電源，重新給STM32上電進行初始化操作，重新啟動后觀察LCD1602顯示模塊是否出現兩行數據：第一行顯示當前系統與障礙物的的實時距離，第二行顯示自己所設置的最小安全距離，LCD1602模塊功能測試正常后，開始測試其余各個傳感器功能。 當手掌對著超聲波模塊時，可以在LCD1602顯示模塊第一行上看到與障礙物的距離數值以及夠聽到WT588D進行間隔距離的語音播報。調節加減按鍵，觀察顯示模塊第二行的最小安全距離是否可以增加和減小REF_Ref21259\r\h[18]。手掌緩慢靠近超聲波模塊，使手掌與超聲波模塊之間的距離小于設定的最小安全報警距離，觀察顯示模塊上的數據是否發生相應的變化以及WT588D語音芯片是否會控制揚聲器進行播報，最后用手指按住光敏電阻，看LED是否亮起，達到調節周圍光線的效果，當各模塊及整體功能正確是時，此次功能所有功能調試結束。5.3實驗總結5.3.1測距實驗誤差實際距離cm測量距離cm最大誤差mm20.119.920.119.920.220.320.120.220.1225.625.425.725.425.625.825.425.725.6232.532.432.732.632.432.532.632.732.4239.439.539.339.339.439.539.339.139.2345.645.645.545.445.345.645.745.445.53表5.1實驗誤差表5.3.2測距實驗誤差分析通過實驗數據可知隨著距離的增加，誤差也會隨之變大，通過分析和查閱文獻推斷出誤差主要是由于傳輸中時間會有細小的差距以及在不同的溫度環境中速度也