基于超声波测距的车辆音量调节系统

李缓媛，张 强，黄敏捷，傅 倩，刘乾枭，王超一，刘 坤

(上海工程技术大学，电子电气工程学院，上海201620)

0 引 言

目前市场上的倒车雷达都是外置的，与音响不连在一起，倒车碰到障碍物时发出蜂鸣声会和车内音响音乐混淆，无法清晰地提醒驾驶员，不能100%地保证倒车安全。而车辆安全调节音量系统通过传感器对靠近车辆周围物体的距离，速度进行预判，自动减少和恢复驾驶室内的音响播放状态，能以声音的改变告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

1 基本原理及设计思路

1.1 基本工作原理

车辆安全调节音量系统:①适用于行驶过程中，例如后方车辆贴近，想从侧方超车，前方车内播放的音乐电台减弱了驾驶员的注意力，没有察觉，这时系统积极响应，减小音量，并发出蜂鸣警告声;②在车内播放音乐时进行倒车，当传感器探测到有人或物体时系统工作。汽车倒车时，由单片机驱动超声波传感器测距，发出信号并接受数字信号，通过数字电位器转化成电阻值，再进行放大，从而改变音响的电阻值，达到改变音量的效果。

1.2 设计思路

该系统作为一个安全装置，具有实际的应用潜力，即它可以承担一些需要注意力、判断力和技术性的工作，从而降低驾驶的强度，减少驾驶员的负担，特别在超车这种思想高度集中的状态下，适当的减轻音量会更有利于驾驶安全。因此具体的传感器位置及单片机位置如图1 所示，汽车侧方障碍物信号检测模拟图如图2 所示。

图1 传感器及单片机位置设计图

图2 汽车侧方障碍物信号检测模拟图

2 软硬件设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 测距传感器HC-SR04

HC-SR04 超声波测距模块可提供2 ～400 cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3 mm，模块包括超声波发射器，接收器与控制电路。

其基本工作原理如下，实物图如图3 所示。①用IO 口TRIG 触发测距，给至少10 μs 的高电平信号。②模块自动发送8 个40 kHz 的方波，自动检测是否有信号返回。

通过IO 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间×声速(340 m/s))/2。

2.1.2 单片机(STC12C5A60S2)

STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8 ～12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路，2 路PWM，8 路高速10 bit A/D 转换(250 KB/s，即25 万次/s)，针对电机控制，强干扰场合。实物如图4 所示。

图3 超声波测距传感器

图4 STC12C5A60S2 单片机

2.1.3 数字电位器(X9C103)

该电路由输入控制，计数器和译码器、非易失存贮器及 电阻阵列三部分组成输入控制部分类似一个可逆计数器。计数器的输出被译码后，就接通一个单接点的电子开关，从而把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。在某种条件下，计数器的内容可以存贮到非易失性存贮器中，以便今后调用。电阻阵列中包含99 个单独的电阻，它们以串联的形式连接，在两个端点和每个电阻之间有一个电子开关，它能把该点的电位传输到滑动端。数控电位器:接受控制信号改变其阻值，调节音量(收音机音量调节采用的是电位器，会有一个动片在电阻膜上滑动，改变电阻，从而调节音量)，实物引脚如图5 所示。

图5 X9C103 数字电位器引脚图

该器件推荐参数如下:①电源参数:3 ～5 V;②电源电流:1 mA;③滑动端电流:±1 mA(max);④滑动端电阻:40 Ω(1 mA 时);⑤端点间的电阻误差:±20%;⑥电阻分辨率:1%;⑦额定功率:1 mW;⑧噪声:＜－120 Db/Hz(基准为1 V)。

2.2 系统软件设计

2.2.1 软件控制基本策略及传感器工作时序

当传感器监测的距离不同时，单片机也发出不同的信号来驱动电位器。

传感器在小于50 cm 距离时候，单片机改变电位器抽头，增大电阻直到在距离范围外。

传感器在大于50 cm 距离时候，单片机改变电位器抽头，减小阻值直到超出距离400 cm。

以上时序图(图6 所示)表明只需要提供一个10 μs 以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8 个40 kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。距离=高电平时间×声速/2，测量周期为60 ms 以上，以防止发射信号对回波信号的影响。

图6 测距传感器的工作时序图

2.2.2 传感器部分主程序如下

3 系统硬件电路(如图7 所示)

图7 系统硬件电路图

4 结 语

这是一款提升倒车安全系数的装置。测距传感器HC-SR04 测量倒车时传感器到障碍物的距离，并把接受到的回波信号传送给STC12C5A60S2 单片机。当STC12C5A60S2 单片机接收到回波信号时，LED0 灯亮，当单片机没收到回波信号时，LED0 灯暗。STC12C5A60S2 单片机把数字信号传递给数字电位器，由数字电位器转换成电阻信号，再进行放大，从而改变音响的电阻值，经测试该装置能够调节音响的电阻值，具有实际的应用价值。

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