基于超聲波測距的車輛音量調節(jié)系統(tǒng)

李緩媛，張 強，黃敏捷，傅 倩，劉乾梟，王超一，劉 坤

(上海工程技術大學，電子電氣工程學院，上海201620)

0 引 言

目前市場上的倒車雷達都是外置的，與音響不連在一起，倒車碰到障礙物時發(fā)出蜂鳴聲會和車內音響音樂混淆，無法清晰地提醒駕駛員，不能100%地保證倒車安全。而車輛安全調節(jié)音量系統(tǒng)通過傳感器對靠近車輛周圍物體的距離，速度進行預判，自動減少和恢復駕駛室內的音響播放狀態(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、倒車和起動車輛時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 基本原理及設計思路

1.1 基本工作原理

車輛安全調節(jié)音量系統(tǒng):①適用于行駛過程中，例如后方車輛貼近，想從側方超車，前方車內播放的音樂電臺減弱了駕駛員的注意力，沒有察覺，這時系統(tǒng)積極響應，減小音量，并發(fā)出蜂鳴警告聲;②在車內播放音樂時進行倒車，當傳感器探測到有人或物體時系統(tǒng)工作。汽車倒車時，由單片機驅動超聲波傳感器測距，發(fā)出信號并接受數(shù)字信號，通過數(shù)字電位器轉化成電阻值，再進行放大，從而改變音響的電阻值，達到改變音量的效果。

1.2 設計思路

該系統(tǒng)作為一個安全裝置，具有實際的應用潛力，即它可以承擔一些需要注意力、判斷力和技術性的工作，從而降低駕駛的強度，減少駕駛員的負擔，特別在超車這種思想高度集中的狀態(tài)下，適當?shù)臏p輕音量會更有利于駕駛安全。因此具體的傳感器位置及單片機位置如圖1 所示，汽車側方障礙物信號檢測模擬圖如圖2 所示。

圖1 傳感器及單片機位置設計圖

圖2 汽車側方障礙物信號檢測模擬圖

2 軟硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 測距傳感器HC-SR04

HC-SR04 超聲波測距模塊可提供2 ～400 cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到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，實物圖如圖3 所示。①用IO 口TRIG 觸發(fā)測距，給至少10 μs 的高電平信號。②模塊自動發(fā)送8 個40 kHz 的方波，自動檢測是否有信號返回。

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

2.1.2 單片機(STC12C5A60S2)

STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8 ～12 倍。內部集成MAX810 專用復位電路，2 路PWM，8 路高速10 bit A/D 轉換(250 KB/s，即25 萬次/s)，針對電機控制，強干擾場合。實物如圖4 所示。

圖3 超聲波測距傳感器

圖4 STC12C5A60S2 單片機

2.1.3 數(shù)字電位器(X9C103)

該電路由輸入控制，計數(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可逆計數(shù)器。計數(shù)器的輸出被譯碼后，就接通一個單接點的電子開關，從而把電阻陣列上的一個點連接到滑動輸出端。在某種條件下，計數(shù)器的內容可以存貯到非易失性存貯器中，以便今后調用。電阻陣列中包含99 個單獨的電阻，它們以串聯(lián)的形式連接，在兩個端點和每個電阻之間有一個電子開關，它能把該點的電位傳輸?shù)交瑒佣恕?shù)控電位器:接受控制信號改變其阻值，調節(jié)音量(收音機音量調節(jié)采用的是電位器，會有一個動片在電阻膜上滑動，改變電阻，從而調節(jié)音量)，實物引腳如圖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滑動端電流:±1 mA(max);④滑動端電阻:40 Ω(1 mA 時);⑤端點間的電阻誤差:±20%;⑥電阻分辨率:1%;⑦額定功率:1 mW;⑧噪聲:＜－120 Db/Hz(基準為1 V)。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

2.2.1 軟件控制基本策略及傳感器工作時序

當傳感器監(jiān)測的距離不同時，單片機也發(fā)出不同的信號來驅動電位器。

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

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

以上時序圖(圖6 所示)表明只需要提供一個10 μs 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內部將發(fā)出8 個40 kHz周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。距離=高電平時間×聲速/2，測量周期為60 ms 以上，以防止發(fā)射信號對回波信號的影響。

圖6 測距傳感器的工作時序圖

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 語

這是一款提升倒車安全系數(shù)的裝置。測距傳感器HC-SR04 測量倒車時傳感器到障礙物的距離，并把接受到的回波信號傳送給STC12C5A60S2 單片機。當STC12C5A60S2 單片機接收到回波信號時，LED0 燈亮，當單片機沒收到回波信號時，LED0 燈暗。STC12C5A60S2 單片機把數(shù)字信號傳遞給數(shù)字電位器，由數(shù)字電位器轉換成電阻信號，再進行放大，從而改變音響的電阻值，經測試該裝置能夠調節(jié)音響的電阻值，具有實際的應用價值。

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