基于PIC单片机的一种车载红外夜视仪设计

0 引言
    随着汽车市场的快速发展和安防意识的日益强化，人们对汽车安全保障技术的要求越来越高，而现有汽车照明系统在雪夜、雪天或大雾等能见度较低情况下视距不远、效果不佳的弊病成为汽车行驶的安全隐患之一。更严重的是在夜晚行车时，驾驶员通常会被对方车辆的灯光干扰出现盲区，容易发生车祸。夜视系统却可以在黑暗中帮助驾驶员导航，使驾驶员在有灯光和黑暗两种情况下都能看清驾驶环境。因此开发一种结构简单、性能稳定、可靠性好、适用性强的汽车红外夜视系统，具有重要的市场应用前景。

1 系统总体设计
    1)系统原理
    根据工作原理的不同，红外夜视系统分为被动红外夜视系统和主动红外夜视系统。主动红外夜视系统利用其所携带的红外光源主动照射目标，由光学系统的物镜接收目标反射回来的红外辐射，并在红外变像管的光阴极面上形成目标辐射的红外图象。变像管对目标的红外图像进行光谱转换和亮度增强，最后在荧光屏上显示出目标的可见光图像，人眼可通过目镜观察增强了的目标图像。考虑到使用的耐久性、经济的合理性、器件的通用性等等，大多选择主动式红外夜视系统作为车载系统。
    根据功能目标和设计要求，本系统主要由红外照射灯、CCD摄像机、视频处理系统及车载显示器组成。
    2)硬件设计
    (1)摄像机选定
    摄像机又称摄像头或CCD，它能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存的电荷取出使电压发生变化，是理想的摄像元件。其工作原理为：被摄像体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。此处选择WAT－902H2型摄像头作为摄像机。它具有摄像效果好、易检修、经济实惠的优点。
    (2)红外照射部分的设计
    选用远红外激光器作为光线发射器。它是一种单色性好、光束集中，体积小、寿命长、电光转换效率高的激光发射器。由光纤耦合半导体激光器、驱动电路、温控电路和光束整形镜头组成。核心部分为驱动电路设计。选用DD312作为驱动芯片，它是一款专为大功率LED所设计的单通道恒流驱动芯片，为电流吸人式架构，可提供最大1A的恒流输出，并支持使能端开关功能，单片机指令信号通过光耦加到DD312的使能端，控制激光器的开关。驱动电路见图1。

    (3)电源模块的设计
    系统中显示器、单片机、MAX487通信芯片、CCD摄像机、激光发射器驱动电路都需要电源供电。其中单片机、DD312驱动芯片要求电源电压比较稳定、纹波小、电磁干扰小。采用LM2576模块为单片机以及DD312驱动芯片提供稳压电源(图2)。MAX4877芯片工作电压比较高，范围比较宽，采用NW1－05S05S功率变换模块为之提供电源。
    (4)控制系统的设计
    采用PIC16F877A、PIC16F876A两种单片机作为系统的控制芯片，整个控制系统也即为一个小型的传动系统。其中PIC16F877A单片机作为传动系统的初始端，负责数据采集和“记忆”按键；Max487芯片为通信芯片，负责接收和传递信号。PIC 16F876A单片机作为传动系统的接收端，控制电机的转动。
    ①初端
    该部分核心是PIC16F877A单片机。它是由美国Microchip公司生产的8位单片机，具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构。它连接各个终端设备，响应主控机发送来的查询命令，并将被测设备的状态信息回送给主控机。单片机的I／O口与被测设备的终端相连，以获取所需状态信息。电路分为三部分：数据采集电路(图3)、LED显示电路、按键电路。
    单片机2脚外接温度传感器，将系统实时温度变化信号传递给单片机；3～7脚外接LED显示电路，引脚低电平信号接通时，相应的LED变亮；8、9脚外接激光器驱动电路，对激光器状态进行检测；19脚外接半导体制冷器，搜集信息，并决定是否触发半导体制冷器工作；22、25、26脚接通信电路，向主控芯片传递信号；27～40脚为云台和镜头按键检测信号，当操作人员按面板上的按键时，单片机通过这些端口接收到按键信号，通过通信电路将这些信息发送到主控芯片，主控芯片收到信号后进行分析、控制，执行相应的命令。

    ②通信电路
    通信电路连接传动系统的初始端和接收端，主要功能是实现信号的接收与传递。采用Max487芯片，它是一款用于通信的低功率半双工收发器件，内部集成了一个驱动器和接收器。初始端首先对信号进行编码，接收端对信号进行解码，同时为了消除干扰，采用光耦对电路进行了隔离。见图4。

    ③末端
    末端控制芯片采用PIC 16F876A单片机。RA0-RA5、RC0、RC1引脚分别为检测云台上到位、下到位、左到位、右到位、上复位、下复位、左复位、右复位的八个信号输入端口；RB0-RB7为控制镜头焦距、放大、云台上下左右转动的八个端口，外接继电器电路控制电机转动。如图5所示。
    3)软件设计
    整个系统软件分为主控机PIC 16F876A端和从控机PIC16F877A端。除了通信接口部分的软件以外，主控机端软件还包括用户界面、数据处理等。从控机端软件包括数据采集和MAX487通信程序。从控机端通信接口软件流程如图6所示。

2 实验结果
    图7为高速公路拍摄到的图片。其中a为不使用夜视系统时的图片，b为使用夜视系统时的图片。实验结果证明：此系统能使司机在黑暗中准确辨认前方的道路，减少交通事故。

3 结束语
    本文利用PIC单片机，设计了一整套红外夜视系统，具有结构简单，可靠性高等优点。特别适用于长途车驾驶，可以有效减少交通事故，具有十分良好的社会效益。