李緩媛，張 強(qiáng)，黃敏捷，傅 倩，劉乾梟，王超一，劉 坤

(上海工程技術(shù)大學(xué)，電子電氣工程學(xué)院，上海201620)

0 引 言

目前市場(chǎng)上的倒車?yán)走_(dá)都是外置的，與音響不連在一起，倒車碰到障礙物時(shí)發(fā)出蜂鳴聲會(huì)和車內(nèi)音響音樂(lè)混淆，無(wú)法清晰地提醒駕駛員，不能100%地保證倒車安全。而車輛安全調(diào)節(jié)音量系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)靠近車輛周圍物體的距離，速度進(jìn)行預(yù)判，自動(dòng)減少和恢復(fù)駕駛室內(nèi)的音響播放狀態(tài)，能以聲音的改變告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。

1 基本原理及設(shè)計(jì)思路

1.1 基本工作原理

車輛安全調(diào)節(jié)音量系統(tǒng):①適用于行駛過(guò)程中，例如后方車輛貼近，想從側(cè)方超車，前方車內(nèi)播放的音樂(lè)電臺(tái)減弱了駕駛員的注意力，沒(méi)有察覺，這時(shí)系統(tǒng)積極響應(yīng)，減小音量，并發(fā)出蜂鳴警告聲;②在車內(nèi)播放音樂(lè)時(shí)進(jìn)行倒車，當(dāng)傳感器探測(cè)到有人或物體時(shí)系統(tǒng)工作。汽車倒車時(shí)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器測(cè)距，發(fā)出信號(hào)并接受數(shù)字信號(hào)，通過(guò)數(shù)字電位器轉(zhuǎn)化成電阻值，再進(jìn)行放大，從而改變音響的電阻值，達(dá)到改變音量的效果。

1.2 設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)作為一個(gè)安全裝置，具有實(shí)際的應(yīng)用潛力，即它可以承擔(dān)一些需要注意力、判斷力和技術(shù)性的工作，從而降低駕駛的強(qiáng)度，減少駕駛員的負(fù)擔(dān)，特別在超車這種思想高度集中的狀態(tài)下，適當(dāng)?shù)臏p輕音量會(huì)更有利于駕駛安全。因此具體的傳感器位置及單片機(jī)位置如圖1 所示，汽車側(cè)方障礙物信號(hào)檢測(cè)模擬圖如圖2 所示。

圖1 傳感器及單片機(jī)位置設(shè)計(jì)圖

圖2 汽車側(cè)方障礙物信號(hào)檢測(cè)模擬圖

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 測(cè)距傳感器HC-SR04

HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊可提供2 ～400 cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3 mm，模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器與控制電路。

其基本工作原理如下，實(shí)物圖如圖3 所示。①用IO 口TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs 的高電平信號(hào)。②模塊自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40 kHz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。

通過(guò)IO 口ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間×聲速(340 m/s))/2。

2.1.2 單片機(jī)(STC12C5A60S2)

STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8 ～12 倍。內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，2 路PWM，8 路高速10 bit A/D 轉(zhuǎn)換(250 KB/s，即25 萬(wàn)次/s)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。實(shí)物如圖4 所示。

圖3 超聲波測(cè)距傳感器

圖4 STC12C5A60S2 單片機(jī)

2.1.3 數(shù)字電位器(X9C103)

該電路由輸入控制，計(jì)數(shù)器和譯碼器、非易失存貯器及 電阻陣列三部分組成輸入控制部分類似一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的輸出被譯碼后，就接通一個(gè)單接點(diǎn)的電子開關(guān)，從而把電阻陣列上的一個(gè)點(diǎn)連接到滑動(dòng)輸出端。在某種條件下，計(jì)數(shù)器的內(nèi)容可以存貯到非易失性存貯器中，以便今后調(diào)用。電阻陣列中包含99 個(gè)單獨(dú)的電阻，它們以串聯(lián)的形式連接，在兩個(gè)端點(diǎn)和每個(gè)電阻之間有一個(gè)電子開關(guān)，它能把該點(diǎn)的電位傳輸?shù)交瑒?dòng)端。數(shù)控電位器:接受控制信號(hào)改變其阻值，調(diào)節(jié)音量(收音機(jī)音量調(diào)節(jié)采用的是電位器，會(huì)有一個(gè)動(dòng)片在電阻膜上滑動(dòng)，改變電阻，從而調(diào)節(jié)音量)，實(shí)物引腳如圖5 所示。

圖5 X9C103 數(shù)字電位器引腳圖

該器件推薦參數(shù)如下:①電源參數(shù):3 ～5 V;②電源電流:1 mA;③滑動(dòng)端電流:±1 mA(max);④滑動(dòng)端電阻:40 Ω(1 mA 時(shí));⑤端點(diǎn)間的電阻誤差:±20%;⑥電阻分辨率:1%;⑦額定功率:1 mW;⑧噪聲:＜－120 Db/Hz(基準(zhǔn)為1 V)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件控制基本策略及傳感器工作時(shí)序

當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)的距離不同時(shí)，單片機(jī)也發(fā)出不同的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電位器。

傳感器在小于50 cm 距離時(shí)候，單片機(jī)改變電位器抽頭，增大電阻直到在距離范圍外。

傳感器在大于50 cm 距離時(shí)候，單片機(jī)改變電位器抽頭，減小阻值直到超出距離400 cm。

以上時(shí)序圖(圖6 所示)表明只需要提供一個(gè)10 μs 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8 個(gè)40 kHz周期電平并檢測(cè)回波，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。距離=高電平時(shí)間×聲速/2，測(cè)量周期為60 ms 以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回波信號(hào)的影響。

圖6 測(cè)距傳感器的工作時(shí)序圖

2.2.2 傳感器部分主程序如下

3 系統(tǒng)硬件電路(如圖7 所示)

圖7 系統(tǒng)硬件電路圖

4 結(jié) 語(yǔ)

這是一款提升倒車安全系數(shù)的裝置。測(cè)距傳感器HC-SR04 測(cè)量倒車時(shí)傳感器到障礙物的距離，并把接受到的回波信號(hào)傳送給STC12C5A60S2 單片機(jī)。當(dāng)STC12C5A60S2 單片機(jī)接收到回波信號(hào)時(shí)，LED0 燈亮，當(dāng)單片機(jī)沒(méi)收到回波信號(hào)時(shí)，LED0 燈暗。STC12C5A60S2 單片機(jī)把數(shù)字信號(hào)傳遞給數(shù)字電位器，由數(shù)字電位器轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)，再進(jìn)行放大，從而改變音響的電阻值，經(jīng)測(cè)試該裝置能夠調(diào)節(jié)音響的電阻值，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 李曉霞，江宗法.車載距離探測(cè)技術(shù)比較［J］.自然科學(xué)版，2002，24(2):4-5.

［2］ 楊明發(fā).高性價(jià)比倒車?yán)走_(dá)的研究［J］. 機(jī)電技術(shù)季刊，2008，13(1):30-31.

［3］ 楊興明，賈保柱，萬(wàn) 莉，等.一種新的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.大氣與環(huán)境學(xué)學(xué)報(bào)，2008，19(2):3-12.

［4］ 胡福云.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀［J］. 科學(xué)咨詢(決策管理)，2008，11(8):21-23.

［5］ 李茂山，龔建明.JJG928-1998 超聲波測(cè)距儀［M］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2002:68-69.

［6］ Carullo A，Parvis M. An ultrasonic sensor for distance measurement in automotive applications［J］. IEEE Sensors Journal，2001，1(2):143-145.

［7］ 陳黎敏.傳感器技術(shù)及其應(yīng)用［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:128-134.

［8］ 陳桂年.增強(qiáng)型8051 單片機(jī)實(shí)用開發(fā)技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版，2010:208-215.

［9］ 朱愛紅，朱寧文.基于AT89C2051 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)［J］. 信息技術(shù)與信息化，2006，32(5):42-44.

［10］ 王吉忠.車用單片機(jī)系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009:44-45.

［11］ 李良光，張宏群. 模擬電子技術(shù)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2011:69-82.

［12］ 謝婉青.集成運(yùn)算放大器應(yīng)用原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997:145-146.

［13］ 張紅潤(rùn)，劉秀英，張亞凡. 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)200 例［M］:北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006:208-210.

［14］ YAMADA M HAMAMATSU. Japan，Car audio apparatus［P］，United States Patent(5349326)，2008.09

［15］ 王之道，周 靖，劉 旭.基于51 系列單片機(jī)的車用數(shù)顯報(bào)警系統(tǒng)［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009.19(9):113-115.