智能倒车系统毕业设计

摘要 (Ⅰ)
ABSTRACT.................................................................................. ..Ⅰ1系统整体方案设计.. (1)
1.1 测距系统方案设计 (2)
1.2 控制系统方案设计 (3)
1.3 报警显示方案设计 (3)
1.4 系统整体方案设计 (3)
2系统硬件设计 (4)
2.1测距系统的设计 (4)
2.1.1 超声波传感器的结构 (4)
2.1.2超声波传感器的布点方案设计 (5)
2.1.3超声波发射电路设计 (5)
2.1.4 超波接收电路设计 (6)
2.1.5 测温电路的设计 (7)
2.2显示报警电路的设计 (8)
2.2.1显示电路的设计 (8)
2.2.2 报警电路设计 (9)
2.2.3 摄像头的选取 (9)
2.3控制系统的设计 (11)
2.3.1AT89S52单片机 (11)
2.3.2单片机复位电路设计 (11)
2.3.3单片机时钟电路设计 (14)
2.3.4电源电路设计 (14)
2.4换向选通电路设计 (15)
3.系统软件设计 (16)
3.1软件总体流程设计 (16)
3.2系统程序的构建 (17)
3.3智能倒车的意义 (17)
结束语 (18)
致谢 (19)
参考文献 (19)
随着我国汽车产业的高速发展，尤其是近几年来．我国开始进入私家车时代，汽车的数量逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。

汽车驾驶员越来越担心车的安全了。

其中倒车就是一个典型。

本文设计的汽车智能倒车系统主要是针对汽车倒车时单一的倒车影像或者
倒车报警系统无法清晰地反应倒车时车辆四周的情况而设计的。

系统运用微计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术、视频编码及解码、数字图像处理、视频显示等的交叉融合，进行优化设计，通过蜂鸣器对倒车距离进行报警，并利用液晶显示障碍物与汽车的距离以及倒车时车辆后方的情况。

本文对实现以上功能的各种软硬件的设计作了详细的介绍，对摄像头，蜂鸣器，单片机进行选型，并对各种功能的电路的设计思路作了解答。

关键词：超声波测距，摄像头，数字显示，蜂鸣器，AT89S52单片机
Abstract
With the rapid development of China's automobile industry, especially in recent years, China entered the era of private cars, the number of vehicles increases every year, resulting in roads, streets, parking lots, garages and so more and more crowded. Car drivers increasingly concerned about the safety of the car. Parking is a typical one.
This smart design of the car mainly for car reversing system with a single reversing image or just a reversing alarm system can not clearly response to the situation around the vehicle while reversing. This system uses technologies such as micro-computer technology and ultrasonic ranging technology, sensor technology, video encoding and decoding, digital image processing, video display, cross-fusion, to optimize the design, though alarm buzzer to alarm the distance the car had reversed, and using liquid crystal to display the distance between the car and the obstacles and the circumstances around the car.
In this paper I have described the design of the hardwares and softwares used to achieve the above functions in detial.On the other hand ,I have selected the type of camara,buzzer and SCM , and the idea of various functions of the circuite design are answered, too.
Key words: Ultrasonic ranging, camera, digital display, buzzer, A T89S52
Ⅰ
1.系统整体方案设计
1.1测距系统方案设计
目前汽车智能倒车系统测距技术主要有激光，红外线，超声波等一些测距技术，虽然他们都有各自不同的工作方式和原理，但是都能有效地探测障碍物和本车的距离，并根据艰巨的危险程度作出相应的反应。

下面针对以上三种不同的测距方案的特点进行介绍、比较和选择。

方案一：激光测距
激光测距是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。

激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。

脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。

光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。

脉冲法测量距离的精度是一般是在+/- 1米左右。

另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。

激光测距操作简单，速度快而准确，成本低，稳定性也比较高。

但由于激光测距仪工作在高速运动的汽车中，所以对其稳定性和可靠性有一定的要求，同时激光测距受天气状态、汽车震动及反射镜面磨损度、污染等因素影响较大，测距精度难以保证。

所以在汽车防撞领域激光测距方式没有得到发展。

方案二：红外线测距
红外线测距用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为1-5公里。

利用的是红外线传播时的不扩散原理，因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线。

而红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接受到，再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。

红外测距的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差。

红外线测距在技术上难度不大，成本较低，但在恶劣天气和长距离探测方面仍然不能满足倒车要求。

然而由于红外线波长短，肉眼不可见，且具有显著的热效应和较强的穿透云雾能力，以及较强的隐蔽性，在夜间依然能够正常工作，故改测距方法广泛应用于军车上。

方案三：超声波测距
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，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

(1)
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。

这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远，并且利用超声波检测往往比较简单、迅速、计算简单、易于实时控制，同时超声波测距的精度也能够满足工业实用要求，因此超声波常用于距离测量。

由上述可知，超声波测量能达到系统中所要求的测量精度，一般应用于汽车倒车系统上。

从以上三种测距方案介绍可知各种测距系统的优缺点：超声波技术主要用于短距离探测，成本低，制作安装简便，适应恶劣环境；红外线技术一般用于夜间环境，对环境适应性差；激光技术受天气影响较为严重。

表1 三种测距系统性能对比
综合考虑以上各种因素，决定采用超声波测距作为本设计的测距方案。

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1.2控制系统方案设计
在控制系统选择上，由于整个系统的设计涉及到数据处理，控制实时性等问题，选用基于微控制系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、能大大缩减整个系统的体积。

本系统要求控制器有很强的抗干扰能力，而且要求微控制器内部有看门后定时器，以便在程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处理采集到的实时数据。

综合考虑各种因素，选择采用ATMEL公司的AT89S52单片机的控制系统。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。

使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52 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。

1.3报警显示方案设计
本设计中所要显示的内容主要包括倒车影像和倒车距离（车辆与障碍物间的距离），将通过摄像头获得的倒车影像和通过超声波测距装置获得的倒车距离集成显示在显示器上。

显示器是属于电脑的I/O设备，即输入输出设备。

它可以分为CRT、LCD等多种。

它是一种将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的显示工具。

综合课题的实际要求、成本以及考虑单片机的接口资源，本设计采用LCD液晶显示器。

报警方面，在倒车时车辆与障碍物间的间隙小于设置的极限值时，ECU通过AT89S52给安装在车内的蜂鸣器一个信号，使蜂鸣器开始工作报警，同时将障碍物所在方向与倒车距离一同显示在LCD显示器上。

1.4系统整体方案设计
本设计采用AT89S52单片机作为控制器，超声波发射电路与接收电路、显示电路以及报警电路组成。

单片机是整个系统的核心部分，协调各部分的工作。

单片机在超声波信号开始发射的同时开始计时，超声波信号在空气中传播遇到障碍时返回，反射回来的信号经处理后传给单片机的INT1中断，计数器停止计数，通过计数器得到的脉冲数可得到超声波往返所需的时间，从而达到测距的目的。

在倒档位置设置传感器，当处于倒档时，传感器给AT89S52信号，单片机开始工作，把由摄像头采集的障碍物图像和
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由超声波测距装置测得的障碍物的距离值通过显示终端显示障碍物的准确信息。

将倒车时车辆后方的情况尽可能多的显示在液晶显示屏上，让驾驶员能更好地把握倒车环境，系统因此能以更加直观的方式指导驾驶员安全快捷地完成倒车动作。

系统整体框图如下图所示。

图 1 系统整体结构框图
2.系统硬件设计
2.1 测距系统的设计
2.1.1超声波传感器的结构
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ 范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。

常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。

在工业中应用主要采用纵向振荡。

超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。

另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。

在空气中传播超声波，其频率较低，，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。

在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。

利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。

有的超声波传感器既作发送，也能作接收。

这里仅介绍小型超声波传
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感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ 及40-45KHZ。

这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。

图2 超声波传感器
该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。

另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。

它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。

超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

超声波传感器由发送传感器 ( 或称波发送器 ) 、接收传感器 ( 或称波接收器 )、控制部分与电源部分组成。

发送器传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测 . 而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。

控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

超声波传感器电源 ( 或称信号源 ) 可用DC12V ± 10 % 或24V ± 10 % 。

2.1.2 超声波传感器的布点方案设计
由于单传感器扩散角小，导致传感器对空间信息检测的盲区较大，同时传感器工作周期较长，造成系统时域盲区大，实时性差，另外倒车时不仅要考虑车辆后方的障碍物，也要考虑车尾左右的障碍物情况，因此传感器的数量选择要保证在获取环境信息的同时达到信息的最小化，选定数量的情况下，尽量保持时间适用度参数达到最大值。

一般要求装4-6个比较合适，考虑到成本的问题，本设计布置4个传感器，其中在车辆两侧中后部各安装一个，在车尾左右各安装一个，4个距离值由单片机进行处理运算。

2.1.3 超声波发射电路设计
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。

陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。

电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。

高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向。

(5)
本设计采用UCM40T压电陶瓷传感器，他的工作电压是40KHz的脉冲信号。

电路的输出端接单片机扩展端口PB0，单片机执行输入的程序后，在PBO端口，单片机执行输入程序后，在PB0端口数出一个40KHz的脉冲信号，经过LM386放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40KHz的脉冲超声波，其持续发射。

LM386是一种音频集成功效，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器。

它是一个三级放大电路。

第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。

使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。

第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。

二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。

电路由单电源供电，故为OTL电路。

输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。

电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

超声波发射部分硬件电路如图2所示。

图3 超声波传感器发射部分的硬件电路
2.1.4 超声波接收电路设计
接收探头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。

IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。

调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P1.3和P1.4接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。

图3为超声波接收电路。

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图4 超声波传感器接收部分硬件电路
LM567 为通用锁相环电路音调译码器，LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。

LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。

用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。

主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。

如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。

2.1.5 测温电路的设计
温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内呈线性。

需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。

集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。

常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。

综上所述，本设计采用数字芯片DS18B20测量温度。

该传感器采用独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。

支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。

测量结果以9~12位数字量方式串行传送，在使用中不需要任何外围元件。

本设计的测温系统是用测温器件DS18B20与AT89S52共同组成的最小的测温系统。

测温点路如图4所示。

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图5 测温电路
2.2 显示报警系统的设计
2.2.1 显示电路的设计
车载显示设备就是汽车内的显示屏，是汽车影音系统的重要组成部分，其作用相当于家庭影院中的彩色电视机。

不过由于车载的特殊性，车载显示器除了播放节目外往往还具有其他功能。

比如连接后视雷达后可以在倒车时自动显示汽车背后的景物，方便倒车；此外还可能带有小音箱、小照明灯等其他附加功能。

由于汽车内空间比较狭小，汽车在移动中所处的环境变化比较多，因此车载显示设备还可能带有自动背光调节、防眩目、自动角度调节等功能，以适应汽车的特殊性。

车载显示设备通常是液晶显示屏，这是因为液晶屏的体积比较小，便于安装，可以安装到仪表盘附近、车顶、座椅靠背后，甚至安装在遮阳板上，方便在各种情况下使用。

此外，车载显示设备往往还集成了其他功能，比如带有简单的功放、电视接收功能、音频输出等，种类和功能比电视或者计算机显示器更繁多。

本设计采用索尼XAV-7W液晶显示器。

由于所选用的液晶显示屏的接口是USB，USB主机功能的扩展通过外接专用USB接口芯片SL811HS实现。

SL811HS 是一个嵌入式的主/从设备控制器，可以全速或低速与USB设备通信。

SL811HS 可以接微处理器，微控制器，DSP，或者直接接到多种总线上如：ISA,PCMCIA和其它。

SL811HS主机控制器遵从USB协议 1.1，嵌入式USB主/从设备控制器SL811HS把USB串行接口和内部全速低速收发器合为一体。

SL811HS支持和运转在USB12Mbps的全速模式下，或者在1.5Mbps的低速模式下，SL811HS的数据口微处理器接口提供8bit位数的I/O或者双向的DMA，通过中断允许简单接口到标准的微处理器或控制器，如：摩托罗拉，英特尔CPU或者其它。

SL811HS的内部，包含一个256字节用于控制寄存器和数据缓冲的随机存储器。

可用的封装有28针的PLCC（sl811hs）封装和48针的TQFP（sl811hst-ac）封装。

两者都运
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行在3.3伏的电压下。

I/O接口的逻辑兼容5伏电压。

图6 显示电路
2.2.2 报警电路设计
蜂鸣器的选取
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

本设计采用KSP-61L蜂鸣器。

KSP-61L通过信号输入控制和本体DIP拨码开关的切换可多达16种音调输出电子式警报器，宽工作电压12~24VDC/110V~220VAC。

采用Φ30mm安装孔卡式安装可以方便快捷的和多数主令控制元件集成安装，也具有表面安装的支架可选择，扬声器具有两种尺寸和四种颜色供选择。

可方便的调节输出音量，最大110分贝。

本设计是在P1.1短接音频放大模块的IN+端口，在音频放大模块的LM386的VOUT端接一个蜂鸣器。

图7 报警电路
2.2.3 摄像头的选取
倒车摄像头，是车载摄像头的通俗叫法，能非常实时的呈现视频和音频的功能为我们交通事故个处理和定位提供了更科学的依据，让我们的财产和人生安全得到了充分的保障。

实际上，车载摄像头除了包括倒车摄像头外，还包括前视摄像头（本文约定俗成采用“倒车摄像头”的说法）。

发展至今，无论是外形、芯片还是制作工艺等各个方面都发生了革命性的变化。

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9 CCD和CMOS芯片是组成倒车摄像头的重要组成部分，根据元件不同可分为CCD和CMOS主要应用，于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本、功耗较CCD低，缺点是CMOS摄像头对光源的要求较高；CCD，是应用在摄影、摄像方面的高端技术元件还附带有视频捕捉卡。

CCD和CMOS在技术上和性能差距很大，一般来说，CCD效果要好，但价格也贵些。

本设计实现了在51单片机系统中增加USB主机功能，设计中采用的Atmel 公司的AT89S52芯片，USB主机功能的扩展通过外接专用USB接口芯片SL811HS 实现的方案。

SL811HS是一款嵌入式USB主/从控制器，具备与全速USB或低速USB外设通信的能力。

SL811HS接口可面向微处理器、微控制器、数字信号处理器等器件，或者直接面向ISA、PCMCIA等总线。

SL811HS USB 主控制器符合USB 标准1.1，USB主/从控制器集成了包含内部全速/低速发送器在内的USB串口功能：1，支持USB全速模式，速率为12Mbps；2,支持低速1.5Mbps模式。

本设计采用博文BW-1219CCD摄像头，1/3'SONY CCD 芯片，感光0.05Lux，170°视角。

其连接电路如图8所示。

图8 摄像头连接电路
(10)。