声光探测技术在汽车定位中的应用Word文件下载.docx
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摘要
（安康学院电子与信息工程系）
摘要声光探测技术在汽车定位中的应用主要是检测汽车的停车位置的参数以及车的几何参数。
在实际生活中被广泛应用于停车入库的外围监控、一些重要场地的位置监控，以及在一定范围内为一些高空作业提供其所需的平面数据，来保证其精准有序的工作。
以前，汽车定位系统较多使用基于视频图像的人工画界方式来进行监控定位，它的定位精度较低，可靠性差，而实际中我们需要实现的不仅是速度快、精度高，还要具有可靠性的定位系统。
声光探测技术在汽车定位系统中的采用，可以实现平面内物体的非接触定位。
它的定位速度、定位精度还有定位可靠性，都较以前的其他定位方式有明显的提高。
本设计通过超声波测距与红外线测量障碍物相结合的方法来实现汽车基于声光探测技术的定位。
当汽车进入测试区，红外线传感器移位扫描，确定了是否有汽车进入，同时超声波测距模块工作来测量车距左右两侧的距离，从而判断出汽车的位置与它的几何参数。
关键词声光探测技术；
汽车定位；
超声波测距；
红外测障
ApplicationofAcousto-opticDetectionTechnology
intheAutomobilePositioning
（DepartmentofElectronicandInformationEngineering,AnkangUniversity,
）
AbstractAcousto-opticsdetectiontechniqueanditsapplicationinvehiclepositioningkeyistodetectcarparkinglocationparametersandgeometricparametersofthecar.Inreallife,arewidelyusedinstoppingthestorageofpositionmonitoringforperimetermonitoring,anumberofimportantvenues,andwithinacertainscopefortheprovisionoftherequiredaerialflatdata,toensuretheirpreciseandorderlywork.Onceuponatime,morevehiclepositioningsystemusingartificialartbasedonvideoimagestomonitorpositioning,positioningaccuracyislow,poorreliability,andweneedtoachievenotonlyhighspeed,highprecision,topositioningsystemswithreliability.Acousto-opticsdetectiontechnologyusedinthevehiclepositioningsystemenablesnon-contactpositioningofanobjectintheplane.Itspositioningspeed,positioningaccuracy,andthereliabilityofpositioninghasbeensignificantlyimprovedthanotherpositioning.
Thedesignthroughacombinationofultrasonicandinfraredmeasurementobstaclestorealizationofautomobilebasedonacousto-opticdetectiontechnologyoflocation.Whenthecarintothetestingarea,infraredsensorshiftingscanning,determiningwhethervehiclesandultrasonicrangingmoduletomeasurethedistancebetweentheleftandrightsidesofthedistance,soastodeterminethelocationofcarsandit'
sgeometry.
KeyWordsacousto-opticdetection;
automobilepositioning;
ultrasonicdistancemeasurement;
infraredobstaclesmeasurement
第一章绪论
1.1引言
随着社会的进步，经济的发展，人们不断的产生各式各样的需求，促使科技日新月异的发展与更新。
为了满足人类生存与发展的客观需要，一切也在不停的创新。
进入21世纪，信息技术推动下知识社会的形成及其对技术创新的影响进一步被认识，科学界进一步反思对创新的认识：
技术创新是一个科技、经济一体化过程，是技术进步与应用创新“双螺旋结构”共同作用催生的产物。
目前各种概念产品的推出也让人们开始逐渐的深入了解和驾驭信息科学，并加以运用，以得到实践。
信息技术一直被广泛用于日常生活中，它是有关信息的获取、加工、传递、存储、处理、交流、表达、应用、管理和评价等有关的技术。
包括计算机技术、通信技术、微电子技术和传感技术等。
汽车的定位在人们的生活中也是得到普遍应用的，同样，这是离不开信息技术的。
目前，汽车的定位系统多种多样，人们也在不断的创新让其更加实用便捷和有效。
1.2课题设计的目的与意义
1.2.1课题设计的目的
随着科技的快速发展，声光探测技术的应用将愈加广泛。
人们的生活中也切实的需要汽车定位的系统，而如何进行一个有效的便捷的汽车定位，是生活所迫切需要的。
现在的测距技术非常之多，而精准快捷的技术却是有限的。
正是在这个蓬勃发展并有着无限前景的技术产业领域。
展望未来，声光探测技术都是有很大发展空间的。
它将朝着更加高定位高精度的方向发展，来满足当今以及未来的社会需求。
近年来，声光探测技术的应用越来越广泛。
由于它是非接触性式测量，在精密测量方面有着很好的应用前景。
它在医学、军事、工业、农业上有明显的作用。
目前该系统已被用于汽车物料自动取样控制系统中，在多个钢铁电力企业得到应用，运行效果良好。
军事中，有构想研制具有高定位的声光探测装置，这种装置有别于精密的军用光电探测器，技术含量与成本都较低。
该设备通过多个麦克风检测空气中激波探测超音速飞行的飞机和导弹，满足通过截获发动机噪音识别亚音速飞行的飞机和导弹，通过全向红外复眼探头监测空中微小的红外信号以探测到飞机、导弹的热辐射。
有摄像机与声光探测器组成随动系统，红外/可见光摄像机通过望远镜获取目标图像。
探测装置完全采用民用元件制造，而且都是常见元件，包括红外传感器，因此易于大量生产和广泛部署。
声光探测阵列主要用于探测中低空目标。
比如无人机、攻击机、直升机、巡航导弹等，而这些中低空目标是空袭的主力，同时又是一般雷达难以探测的。
在日常生活中应用也是非常广泛的，防火防盗是要维系我们社会安全所需要重视的，声光探测装置子在其中的应用也很有效。
比如防盗可以用到红外声光探测报警器，现在适用的方向非常多，现实生活中也有各种类型供人们选择。
它的核心部件是红外探测器件，即红外传感器，任何有温度的物体都会发射红外线，温度越高，发射量越大，它是根据人体红外光谱原理，通过光学系统的配合作用，它可以探测到位某一个立体防范空间内的热辐射的变化。
当防范区域内没有移动的人体等目标时，由于所有背景物体（如墙、家具等）在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发报警。
当有人体在探测区域内走动时，就会造成红外热辐射能量的变化。
红外传感器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转换为相应的电信号，经适当的处理后，送往报警控制器，发出报警信号。
另外还有烟雾声光探测装置，为开放区域提供了保护，是根据感应烟雾颗粒的原理来工作的。
探测器实时采集现场烟雾数据，对可见烟雾有良好反应，从而提供了安全的保障。
烟雾遮挡光束时，光探测器感应到光线的缺失，因此触发响铃。
适用于机房、住宅、商场、宾馆以及仓库等室内环境的烟雾监测。
毋庸置疑，声光探测技术将与自动化智能化接轨。
随着声光探测技术的进步，它将从单纯的判断功能发展到具有学习功能，完善各种欠缺及不足，最终发展到具有创造力。
在新的世纪，面貌一新的声光探测技术将在各个方向发挥更大的作用。
1.2.2课题设计的意义
在科技发展，人们生活水平逐渐提高，城市发展加快的这个年代，汽车定位系统也有较宽泛的发展。
从以前的人工画界视频不精确测量，不断地在改善。
特别是在这个节奏快的时代，精确的数据，高的效率，良好的可靠性，都是人们所最需要的。
不仅节约时间，节约人力，也节约了损耗。
现在的安全问题也是生活中人们所重视的，比如燃气泄漏，防盗等问题的出现，而声光探测技术对这些意外因素的出现也有着重要的作用，所以设计好的声光探测技术就显得非常重要了。
对于声光探测技术，是声光器件关于探测方面的应用。
追溯到上世纪三十年代，人们就开始对声光效应有了研究。
到了60年代，随着激光的问世和超声波技术的进步，声光效应的理论和应用研究得到了迅速的发展，声光效应及其器件在现代生活、科学研究中也被广泛应用。
由于可以利用声波对光波进行调制、开关以及对光束传播方向进行控制，因此利用声波对光波的控制作用而实现的集成声光器件可以广泛应用到光通信、光信息处理、光传感及显示等领域。
超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的分布，此时该介质如同一个相位光栅，当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射，这种现象就称为声光效应。
运用声光效应理论可以制作多种声光器件。
声光器件具有体积小、重量轻、驱动功率小、衍射效率高、调制度深、长期稳定性好、时间带宽积大、易于与计算机兼容和自动化控制等特点，因此它在医学、军事、工业、农业上有明显的作用。
因此，声光探测技术有着适应性好、精度高、测量时无需接触被测物体等特点。
本文中，我们关于声光探测技术在汽车定位系统中的应用做出相关设计以及讨论。
它对于日常生活中机械手工作所需要的定位参数的提供，有着重要的帮助，同时，也对监控定位起着重要的作用。
文中关于汽车参数的测量做出了设计。
1.3课题设计的任务要求及其内容安排
本文提出了一种基于声光探测技术的汽车定位系统，用来检测汽车的几何参数以及停车位置的参数。
要求了解声光探测技术的原理，设计硬件电路。
并实现电路模拟，显示测量结果。
本文的内容安排如下：
（1）第一章介绍了课题的目的和意义,了解了声光探测技术的应用领域。
（2）第二章重点设计了声光探测技术在汽车定位上的理念应用，详细叙述了整体定位系统以及个模块的原理与作用。
（3）第三章详细叙述了系统硬件的设计原理、构成及应用，包括系统中每个重要组成电路的硬件设计。
（4）第四章介绍了系统软件方面的设计，主要是关于控制系统工作的程序以及流程图。
（5）第五章介绍了硬件组装、调试与误差分析。
（6）第六章对全篇工作作出了相应总结。
第二章系统的设计原理及应用
2.1课题系统的设计
本设计采用STC89C52单片机作为主控器,结合超声波测距原理和红外传感器测障原理，来进行模拟汽车全部的定位以及参数测量。
主要组合了超声波测距与红外线测障。
考虑到它们各自的特点，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而它经常被用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。
同时，红外线常使用于探测障碍物的存在与否，任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。
红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。
因而设计了声光探测技术的定位系统，从基本上满足了速度快、精确度高的需求。
2.1.1汽车定位系统的工作原理
通过单片机STC89C52来控制整个系统的工作，当车进入测量区，因为红外发射端不断发射红外线，接收端接收红外信号，用来测量是否已有车进入，并判断其位置。
后方放置一个超声波模块用来测量车尾到后沿的距离。
与红外线测量障碍的模块相结合判断出车的具体长度。
在具体应用中为了精确，可以相应增加红外传感器的数量。
左右两侧的超声波模块即测量车距离两侧的距离，用来判断车的停放位置，最后通过液晶显示器显示出车距离后方、左方、右方的具体参数以及车辆本身的几何参数。
对于车辆参数的产生，如图2.1.2，假设L长两米，D长0.5米。
当第一组红外有中间有障碍物而第二组没有时，说时车长是L减去车尾距车尾沿的跑离加0.5米左右。
当第一组、第二组红外间有障碍物，而第三组没有时，说明车长是L-车尾距车尾沿的距离加1米左右。
以此类推。
之后，车与左、右、后沿的距离以及车的长度和宽度将被测出来，并显示到液晶显示屏上。
2.1.2系统原理框图
图2.1.2系统原理图
2.2各个模块的设计
2.2.1超声波测距模块的设计
（1）超声波测距的特点
超声波测量技术不受光线、被测对象颜色等的影响,在较恶劣的环境中具有较强的适应能力。
超声波作为一种频率超过20kHz的机械波,其波长比一般声波要短，并且易于定向发射，指向性强，强度好控制，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。
由于超声波的速度相对于光速来说要小的多，其传播时间比较容易检测，已被广泛用于超声测距，测速，清洗，焊接等方面。
利用超声波检测往往比较迅速，设计比较方便、计算处理也较为简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。
超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。
超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用，因此被广泛的应用。
（2）超声波测距模块的原理
超声波作定位技术就是由超声波发射装置发射不被人们听到的超声波，借助空气媒介传播，由障碍物反射回来的时间间隔长短与被发射的超声波的强弱判断障碍物性质或障碍位置的方法。
超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。
在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。
超声测距大致有以下方法：
①取输出脉冲的平均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离；
②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=1／2vt。
本测量电路采用第二种方案。
由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
本设计由三个方向（后、左、右）超声波测距模块来分别测量车距后沿以及左右方的距离。
超声波测距是利用超声波的发射和接收，根据传播时间来计算传播距离的。
超声波测距的方法很多,如相位检测法,声波幅值检测法和渡越时间检测法等。
本系统采用超声波往返时间检测法,其原理为:
检测从超声波发射器发出的超声波（假设传播介质为气体）,经气体介质的传播到接收器的时间,即往返时间。
往返时间与气体介质中的声速相乘,就是声波传输的距离。
而所测距离是声波传输距离的1/2。
若超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。
是声波返回的时刻，
是声波发声的时刻，
得出的是一个时间差的绝对值，假定
=0.03S，则有340m×
0.03S=10.2m。
由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到反射物返回的距离为L。
图3.1超声波测距方式图
2.2.2红外线测量障碍物模块的设计
红外测障模块是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。
红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。
任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。
（1）红外测障的特点
红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。
光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。
检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。
热敏元件应用最多的是热敏电阻。
热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。
光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。
红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。
例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；
利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；
采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。
（2）红外测障的原理
在自动感知障碍设备中，常使用于红外线探测障碍物的存在与否。
在本设计中，使用红外线传感器来探测每组发射端和接收端之间是否存在障碍物。
电源接通，红外发射端不断的发射红外线，红外接收端不断接收红外线，当红外传感器的接收被阻断，在发送端，如果收到反射的信号，就确认障碍物的存在。
即有车进入。
图2.2.2红外线侧障原理框图
2.3本章小结
本章重点介绍了基于声光探测技术的汽车定位的框架结构以及系统原理，并且强调了超声波测距模块以及红外线测障模块这两个主要模块在设计中的作用，测距的方法，它们各自的原理、特点及其应用。
第三章系统的硬件设计
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波测距电路和红外发射接收电路组成。
采用STC89C52单片机，12MHz高精度晶振，用以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
显示电路采用12864液晶显示模块。
3.1单片机最小系统
单片机最小系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路。
单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：
1.电源正常；
2.时钟正常；
3.复位正常。
在STC89C52单片机的40个引脚中：
电源引脚2根，晶振引脚2根，控制引脚4根，可编程输入输出引脚32根。
功能控制脚EA、晶振一般用11.0592的也可用12MHz的两个20PF瓷片电容
图3.1STC89C52单片机最小系统图
3.1.1STC89C52单片机的功能特点及原理
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
引脚功能如下：
p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。
作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。
对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，p0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，p0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
p1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。
对p1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。
此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/计数器2的触发输入（p1.1/t2ex），在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址字节。
p2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。
对p2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行movx@dptr）时，p2口送出高八位地址。
在这种应用中，p2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如movx@ri）访问外部数据存储器时，p2口输出p2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，p2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
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