宋英豪

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汽車底盤水位檢測(cè)報(bào)警器

宋英豪

（東北師范大學(xué)附屬中學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130021）

本設(shè)計(jì)介紹了一種具有語音播報(bào)功能的高精度、小型化、超聲波測(cè)距報(bào)警。該警報(bào)器是一種基于51單片機(jī)、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、WT588D語音模塊及MAX485收發(fā)器的裝置。利用51單片機(jī)控制超聲波測(cè)距模塊發(fā)射超聲波，在接收電路接收回波，超聲波在遇到水面時(shí)會(huì)被反射，單片機(jī)根據(jù)聲波的速度和時(shí)間差計(jì)算超聲波的距離。同時(shí)結(jié)合WT588D語音模塊，在距離水面過近的時(shí)候進(jìn)行語音播報(bào)。

測(cè)距；報(bào)警；高精度；微型化

1 系統(tǒng)功能介紹

超聲波作為一種非接觸式測(cè)量方式[1-4]，包含以下的優(yōu)點(diǎn)：高性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性好、易開發(fā)等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲傳感器在測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在測(cè)距中。使用超聲波測(cè)距傳感器可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，如在霧氣環(huán)境中，有毒環(huán)境中，有害氣體環(huán)境中、能見度較低環(huán)境中等，因此在倒車?yán)走_(dá)和水平測(cè)量、建筑施工、液體流量等各種應(yīng)用領(lǐng)域中具有較大的實(shí)用價(jià)值[5-6]。

汽車在路上行駛經(jīng)過水位比較高的低洼地段時(shí)，如果在排氣孔位置沒有安裝檢測(cè)裝置，若水位過高，汽車并不會(huì)報(bào)警，這樣就容很易發(fā)生排氣管進(jìn)水的狀況，它最終會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在開車時(shí)熄火，甚至出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水的嚴(yán)重情況。多數(shù)司機(jī)都是通過水沒過車輪的程度來判斷水位，但是這并不能準(zhǔn)確地了解是否能夠安全的通過。本文設(shè)計(jì)了一款以單片機(jī)和超聲波測(cè)距傳感器為核心部件的汽車底盤水位檢測(cè)報(bào)警器。此報(bào)警器的發(fā)明，完全解決了這個(gè)隱患，它會(huì)在汽車行駛的過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)水位是否達(dá)到危險(xiǎn)高度，若危險(xiǎn)則發(fā)出語音警報(bào)，司機(jī)及時(shí)停車，避免了排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水的情況。

如圖1所示，將超聲波傳感器分別置于車前底部和車后排氣管下方位置處，并通過MAX485收發(fā)器用RS-485通訊線與車內(nèi)的主機(jī)相連接，從機(jī)通過超聲波測(cè)距模塊采集與水面的距離的信息，并將此信息傳遞給主機(jī)，由主機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理，當(dāng)與水面距離大于20cm時(shí)，主機(jī)兩個(gè)綠燈長(zhǎng)亮，此時(shí)為安全距離。當(dāng)與水面距離為10-20cm時(shí)，主機(jī)亮三個(gè)黃燈，表示比較危險(xiǎn)，并播報(bào)語音“水深減速慢行”。當(dāng)與水面距離小于10cm時(shí)，主機(jī)三個(gè)紅燈長(zhǎng)亮，表示極度危險(xiǎn)，并播報(bào)語音“危險(xiǎn)請(qǐng)停車”，連續(xù)收到小于10cm的信息時(shí)，主機(jī)只會(huì)播報(bào)一次，紅燈長(zhǎng)亮。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 各模塊原理分析

2.1 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊

本模塊主要利用超聲波測(cè)距原理，此原理是基于超聲波在空氣中傳播的速度，測(cè)量超聲波從發(fā)射到被水面反射回來的時(shí)間，再由從發(fā)射到接收的時(shí)間差計(jì)算出水面到發(fā)射點(diǎn)的實(shí)際距離。超聲波發(fā)射器先向水面發(fā)射超聲波，在超聲波發(fā)射的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中的傳播過程中碰到水面時(shí)就會(huì)立即反射回來，當(dāng)超聲波接收器接收到返回的超聲波時(shí)就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中以340m/s的速度傳播，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，可計(jì)算出障礙物面與發(fā)射點(diǎn)的距離s，即：s=（340*t）/2[7]。

2.1.1HC-SR04測(cè)距模塊基本工作原理

（1）利用單片機(jī)IO 口來控制TRIG引腳，并給TRIG至少10us的觸發(fā)脈沖信號(hào)。

（2）當(dāng)收到觸發(fā)信號(hào)后，模塊內(nèi)部產(chǎn)生8個(gè)40khz的脈沖波，并開始檢測(cè)回波信號(hào)。

（3）當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)時(shí)，接收端引腳輸出一個(gè)高電平，其持續(xù)時(shí)間為待測(cè)量的時(shí)間t，測(cè)試距離為s，所以s=(t*聲速)/2。

圖2 HC-SR04測(cè)距模塊實(shí)物圖

2.1.2超聲波時(shí)序圖

圖3表明只要在觸發(fā)引腳TRIG發(fā)射一個(gè)10us以上的高電平信號(hào)，測(cè)距模塊內(nèi)部會(huì)自動(dòng)發(fā)出8個(gè)周期脈沖并自動(dòng)檢測(cè)是否有回波，當(dāng)檢測(cè)到回波時(shí)，輸出回波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)的脈沖寬度與待測(cè)量距離成正比，從而計(jì)算待測(cè)距離。

圖3 HC-SR04測(cè)距模塊實(shí)物圖

2.2 注意事項(xiàng)

（1）此模塊不宜帶電連接，如果要帶電連接，則先讓模塊的GND端先連接。否則會(huì)影響模塊工作。

測(cè)距時(shí)，被測(cè)物體的面積不少于0.5平方米且要盡量平整，否則會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

3 WT588D語音模塊

本裝置中所用的模式為按鍵模式，但是要把按鍵取消，用單片機(jī)的IO口來控制。即為通過IO口控制管腳以觸發(fā)芯片的功能，驅(qū)動(dòng)芯片工作，可單獨(dú)設(shè)置每個(gè)管腳的觸發(fā)方式，按鍵觸發(fā)模式下包括多種模式，在本裝置中我們選擇脈沖可重復(fù)觸發(fā)方式。

圖4 脈沖可重復(fù)觸發(fā)方式的時(shí)序圖

備注：此種觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，當(dāng)檢測(cè)到下降沿時(shí)，開始播報(bào)語音，在此過程中若又檢測(cè)到下降沿，芯片會(huì)中止正在播放的語音，重新開始播放，只要檢測(cè)到下降沿，就會(huì)重新播報(bào)。

4 MAX485收發(fā)器

圖5 為MAX典型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用電路，主機(jī)可以與多個(gè)從機(jī)相連接實(shí)現(xiàn)半雙工通信[9]

MAX485是一款用于RS-485和RS-422通訊的低功耗收發(fā)器，帶有驅(qū)動(dòng)器和接收器，傳輸信號(hào)距離達(dá)到千米。本裝置是由MAX485構(gòu)成RS-485通信[8]，完成下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。MAX485驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換速率不受限制，傳輸速率最高可達(dá)2.5Mbps。 該器件在無負(fù)載或滿載條件下吸收120μA至500μA電流，所有設(shè)備均由5V單電源供電。驅(qū)動(dòng)器具備短路電流限制，可通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置于高阻態(tài)。接收器輸入具有故障安全功能，可在輸入時(shí)確保邏輯高輸出，具備很高的抗干擾功能。MAX485是目前市場(chǎng)上最常見的RS422芯片。[7-9]

5 結(jié)論

利用51單片機(jī)控制超聲波測(cè)距模塊發(fā)射超聲波，超聲波在傳播時(shí)遇到水面后會(huì)反射回來，而接收電路接收到返回波，根據(jù)聲波速度和時(shí)間差，單片機(jī)進(jìn)行距離計(jì)算。能夠有效的對(duì)車底盤處水位進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

[1] 蘭羽,周茜.超聲波測(cè)距系統(tǒng)接收電路研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012, 20（14）:81～83.

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[3] 李建中.單片機(jī)原理及應(yīng)用[Ｍ].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 2007.

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[5] 隋衛(wèi)平.高精度實(shí)時(shí)超聲測(cè)距技術(shù)研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2003.

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[9] Maxim Integrated 160 Rio Robles, San Jose, CA 95134 USA 1- 408-601-1000

[10] 石秀民.嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用[Ｍ].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

The water level detection alarm of automotive chassis

Song Yinghao

( High School Attached to Northeast Normal University, Jilin Changchun 130021 )

This design introduces an alarm which is of the function of voice broadcasts with high-accuracy, miniaturization and ultrasonic distance measurement. The alarm is based on 51 MCU, HC-SR04 Ultrasonic Range Module, WT588D Speech Module and MAX485 Transceiver. 51 MCU controls Ultrasonic Range Module when the module sends ultrasonic waves and receives return waves. Ultrasonic waves reflect when they arrive at the surface of water. By measuring the time interval of ultrasonic waves and return waves, the 51 MCU Calculates the distances between the alarm and water surface. WT588D Speech Module broadcasts when the alarm is close to water surface.

ranging; alarm; High precision; miniaturization

A

1671-7988(2018)24-199-03

U462

A

1671-7988(2018)24-199-03

U462

宋英豪，東北師范大學(xué)附屬中學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.071