基于PIC單片機(jī)的一種車載紅外夜視儀設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著汽車市場的快速發(fā)展和安防意識的日益強(qiáng)化，人們對汽車安全保障技術(shù)的要求越來越高，而現(xiàn)有汽車照明系統(tǒng)在雪夜、雪天或大霧等能見度較低情況下視距不遠(yuǎn)、效果不佳的弊病成為汽車行駛的安全隱患之一。更嚴(yán)重的是在夜晚行車時(shí)，駕駛員通常會被對方車輛的燈光干擾出現(xiàn)盲區(qū)，容易發(fā)生車禍。夜視系統(tǒng)卻可以在黑暗中幫助駕駛員導(dǎo)航，使駕駛員在有燈光和黑暗兩種情況下都能看清駕駛環(huán)境。因此開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性好、適用性強(qiáng)的汽車紅外夜視系統(tǒng)，具有重要的市場應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    1)系統(tǒng)原理
    根據(jù)工作原理的不同，紅外夜視系統(tǒng)分為被動紅外夜視系統(tǒng)和主動紅外夜視系統(tǒng)。主動紅外夜視系統(tǒng)利用其所攜帶的紅外光源主動照射目標(biāo)，由光學(xué)系統(tǒng)的物鏡接收目標(biāo)反射回來的紅外輻射，并在紅外變像管的光陰極面上形成目標(biāo)輻射的紅外圖象。變像管對目標(biāo)的紅外圖像進(jìn)行光譜轉(zhuǎn)換和亮度增強(qiáng)，最后在熒光屏上顯示出目標(biāo)的可見光圖像，人眼可通過目鏡觀察增強(qiáng)了的目標(biāo)圖像?？紤]到使用的耐久性、經(jīng)濟(jì)的合理性、器件的通用性等等，大多選擇主動式紅外夜視系統(tǒng)作為車載系統(tǒng)。
    根據(jù)功能目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由紅外照射燈、CCD攝像機(jī)、視頻處理系統(tǒng)及車載顯示器組成。
    2)硬件設(shè)計(jì)
    (1)攝像機(jī)選定
    攝像機(jī)又稱攝像頭或CCD，它能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾刹⒖蓪㈦姾蓛Υ婕稗D(zhuǎn)移，也可將儲存的電荷取出使電壓發(fā)生變化，是理想的攝像元件。其工作原理為：被攝像體反射光線，傳播到鏡頭，經(jīng)鏡頭聚焦到CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫面的電信號，經(jīng)過濾波、放大處理，通過攝像頭的輸出端子輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號。此處選擇WAT－902H2型攝像頭作為攝像機(jī)。它具有攝像效果好、易檢修、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)。
    (2)紅外照射部分的設(shè)計(jì)
    選用遠(yuǎn)紅外激光器作為光線發(fā)射器。它是一種單色性好、光束集中，體積小、壽命長、電光轉(zhuǎn)換效率高的激光發(fā)射器。由光纖耦合半導(dǎo)體激光器、驅(qū)動電路、溫控電路和光束整形鏡頭組成。核心部分為驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。選用DD312作為驅(qū)動芯片，它是一款專為大功率LED所設(shè)計(jì)的單通道恒流驅(qū)動芯片，為電流吸人式架構(gòu)，可提供最大1A的恒流輸出，并支持使能端開關(guān)功能，單片機(jī)指令信號通過光耦加到DD312的使能端，控制激光器的開關(guān)。驅(qū)動電路見圖1。

    (3)電源模塊的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中顯示器、單片機(jī)、MAX487通信芯片、CCD攝像機(jī)、激光發(fā)射器驅(qū)動電路都需要電源供電。其中單片機(jī)、DD312驅(qū)動芯片要求電源電壓比較穩(wěn)定、紋波小、電磁干擾小。采用LM2576模塊為單片機(jī)以及DD312驅(qū)動芯片提供穩(wěn)壓電源(圖2)。MAX4877芯片工作電壓比較高，范圍比較寬，采用NW1－05S05S功率變換模塊為之提供電源。
    (4)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    采用PIC16F877A、PIC16F876A兩種單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片，整個(gè)控制系統(tǒng)也即為一個(gè)小型的傳動系統(tǒng)。其中PIC16F877A單片機(jī)作為傳動系統(tǒng)的初始端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和“記憶”按鍵；Max487芯片為通信芯片，負(fù)責(zé)接收和傳遞信號。PIC 16F876A單片機(jī)作為傳動系統(tǒng)的接收端，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
    ①初端
    該部分核心是PIC16F877A單片機(jī)。它是由美國Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)，具有獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)。它連接各個(gè)終端設(shè)備，響應(yīng)主控機(jī)發(fā)送來的查詢命令，并將被測設(shè)備的狀態(tài)信息回送給主控機(jī)。單片機(jī)的I／O口與被測設(shè)備的終端相連，以獲取所需狀態(tài)信息。電路分為三部分：數(shù)據(jù)采集電路(圖3)、LED顯示電路、按鍵電路。
    單片機(jī)2腳外接溫度傳感器，將系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫度變化信號傳遞給單片機(jī)；3～7腳外接LED顯示電路，引腳低電平信號接通時(shí)，相應(yīng)的LED變亮；8、9腳外接激光器驅(qū)動電路，對激光器狀態(tài)進(jìn)行檢測；19腳外接半導(dǎo)體制冷器，搜集信息，并決定是否觸發(fā)半導(dǎo)體制冷器工作；22、25、26腳接通信電路，向主控芯片傳遞信號；27～40腳為云臺和鏡頭按鍵檢測信號，當(dāng)操作人員按面板上的按鍵時(shí)，單片機(jī)通過這些端口接收到按鍵信號，通過通信電路將這些信息發(fā)送到主控芯片，主控芯片收到信號后進(jìn)行分析、控制，執(zhí)行相應(yīng)的命令。

    ②通信電路
    通信電路連接傳動系統(tǒng)的初始端和接收端，主要功能是實(shí)現(xiàn)信號的接收與傳遞。采用Max487芯片，它是一款用于通信的低功率半雙工收發(fā)器件，內(nèi)部集成了一個(gè)驅(qū)動器和接收器。初始端首先對信號進(jìn)行編碼，接收端對信號進(jìn)行解碼，同時(shí)為了消除干擾，采用光耦對電路進(jìn)行了隔離。見圖4。

    ③末端
    末端控制芯片采用PIC 16F876A單片機(jī)。RA0-RA5、RC0、RC1引腳分別為檢測云臺上到位、下到位、左到位、右到位、上復(fù)位、下復(fù)位、左復(fù)位、右復(fù)位的八個(gè)信號輸入端口；RB0-RB7為控制鏡頭焦距、放大、云臺上下左右轉(zhuǎn)動的八個(gè)端口，外接繼電器電路控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。如圖5所示。
    3)軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)軟件分為主控機(jī)PIC 16F876A端和從控機(jī)PIC16F877A端。除了通信接口部分的軟件以外，主控機(jī)端軟件還包括用戶界面、數(shù)據(jù)處理等。從控機(jī)端軟件包括數(shù)據(jù)采集和MAX487通信程序。從控機(jī)端通信接口軟件流程如圖6所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖7為高速公路拍攝到的圖片。其中a為不使用夜視系統(tǒng)時(shí)的圖片，b為使用夜視系統(tǒng)時(shí)的圖片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：此系統(tǒng)能使司機(jī)在黑暗中準(zhǔn)確辨認(rèn)前方的道路，減少交通事故。

3 結(jié)束語
    本文利用PIC單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一整套紅外夜視系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于長途車駕駛，可以有效減少交通事故，具有十分良好的社會效益。