基于STC15W402AS单片机的汽车电笛设计

2018-03-06张金兰张泽礼

汽车实用技术 2018年3期

关键词：计数器喇叭车速

张金兰，张泽礼

（滨州职业学院，山东滨州 256600）

前言

小型汽车都配备了电笛，一些中高档汽车还配备了防盗喇叭。在汽车行驶过程中，驾驶员根据需要触发鸣笛喇叭，警告行人或引起其它车辆注意，同时，还可用于催行其它车辆，或传递其它信号等。

目前市场上的汽车电笛工作方式，多采用传统继电器控制的发音方式，城区低速行驶时，汽车喇叭产生高噪声造成噪声污染，容易造成行人的惊吓，而且，这种汽车电笛也会造成电能浪费。[3]

我国的汽车近几年发展十分迅猛，由此造成的噪音污染问题也十分突出。当前的汽车电笛控制方式，音量和音调不能同时调节，这已不能适应当前城市交通环境的需要，因此设计一种能够根据车速和路况自动调节电笛音量的电子电笛是十分必要的。

此外，目前的汽车喇叭按钮，在方向盘的不同位置按动效果不同，如果使用电子汽车电笛，可以设计成触摸开关，这种操作省力方便。

1 设计方案

设计方案能够实现根据车速和行驶环境对汽车电笛的音量、音调自动控制的汽车声响信号系统。车速超过40KM/小时而且附近没有人车则自动使用高音电笛，在附近有人车（车辆8米以内）以及车速低于40KM/小时，则自动使用低音喇叭。从而达到降低噪声、节省电能的目的。

电笛，即目前汽车上自带的高音汽车电喇叭，汽车电喇叭采用高频 PWM 调制方式来调节音量，调制频率 100KHz左右，其占空比D根据音频信号变化而变化。由于输出信号是开关信号，因此输出放大器工作开关状态，具有效率高、产热少等优点。

系统构成如图 1所示，由：单片机 MCU、开关功率放大器、喇叭SP、电笛继电器驱动电路，车速传感器、热释电传感器、电笛按钮SB组成。

其中，热释电传感器用于检测汽车附近的人流情况，热释电传感器装有菲涅尔透镜，检测距离可达8米。这样如果检测到人流，则自动降低电笛的音量。车速传感器用于检测车辆行驶速度，低速时使用低音电笛，高速时使用高音电笛。电笛音响选择开关S1，用于选择音乐的种类，驾驶员可以根据自己爱好进行选择。电笛开关用于响笛控制，借用汽车方向盘的喇叭开关，用于开关工作电流很小，可以省去汽车上原有的喇叭继电器。MCU即单片机，是系统的控制核心，既负责对输入指令及传感信号的处理，判断应该选择高音还是低音，并且对响度进行控制。单片机输出PWM信号经过开关功率放大器驱动喇叭 SP发出低音，输出的开关信号驱动电笛继电器，推动高音电笛工作。单片机输出的指示信号，用于显示高低音类型及音量。[1]

图1 汽车电笛电路结构图

选择开关 S1用于手动选择声响信号类型，电笛开关用于控制是否发出声响信号。车速传感器用于检测汽车的行进速度，当车速超过 40Km时才能够启用高音电笛，车速在40Km以下自动选用低音电笛。在车速40KM以下时依据热释电红外传感器检测选择电笛声响信号类型，以免对附近行人造成惊吓。

2 系统设计

2.1 单片机选型

从控制功能上看，选用8位单片机就能满足要求，要内集CCP模块和ADC模块，关键是PWM输出脉冲的频率要求高达 100KHz，这一方面多数单片机不能满足。单片机WPM模块有两种类型:一种溢出自动清零计数器并使得输出自动翻转的工作方式，这种方式PWM输出频率取决定时器时钟频率和预分频比；另一种是带有周期寄存器的PWM输出，特点是计数器计数值与周期寄存器匹配时自动清零，改变周期寄存器的值，即可以改变PWM脉冲频率。

选择STC15W402AS单片机，其PWM输出脉冲周期为时钟源周期256倍。三个PWM模块共用一个PCA定时器，其时钟可以是系统主时钟的1～12分频。STC15W402AS单片机有两种时钟源，内部RC振荡器时钟和外部晶振时钟。选择27MHz时，PWM输出频率可达100KHz以上，能够满足要求。引脚功能如图2所示。[2]

图2 STC15W402AS单片机引脚

2.2 电路设计

实验电路如图3所示。

图3 电路图

电路中电源取自汽车14V电源（发动机不启动为12V）,单片机工作电源由三端稳压N2降压产生+5V单片机工作电压。

SB为喇叭按钮，仍使用方向盘上的原汽车喇叭按钮，也可以改造成为触摸式按钮。

功率放大管V4采用开关功率器件IGBT，IGBT具有驱动功率小，开关速度快，功率容量大的优点，在变频器等功率电子设备中大量采用（也可以使用功率VDMOS管，效果基本相同。）。目前IGBT的开关速度已经达到100KHz，而且汽车喇叭是中低音，这样调制频率足以满足要求。

IGBT的驱动电路由三极管V1、V2、V3及电阻R3、R5构成的互补推挽放大电路构成，电阻R6及电容C4构成加速电路。

当单片机STC15S402AS的P1.1口输出高电平时，V1、V3导通，V2截止，IGBT（V4）截止，电喇叭不通电。当P1.1口输出高电平时V1、V3截止，V2导通，IGBT（V4）导通，电喇叭通电。由于P1.1口是CCP0模块的PWM输出口，响笛时，电笛两端承受的是断续电压。[5]

热释电红外传感器模块Q输出信号，接到模拟量输入端P1.2口，该口的第二功能是模拟量输入端。采用模拟量输入，可以有效提高检测的灵敏度。

速度传感器输出脉冲信号由稳压二极管限压接到 P3.0口。在单片机内部通过对脉冲频率的测量，判断汽车的行驶速度。这就需要单片机内部有较多的定时/计数器，在STC15W402单片机中有2个定时/计数器模块，用于车速测量。

2.3 程序编写

STC15W402AS单片机有T0、T2，两个16位可自动装载的定时/计数器模块，T0模块用作时基定时，主频27MHz时经过12分频后定时器工作时钟9/4MHz，时钟周期4/9微秒，如果定时器的设定值(65536-45000)，则一次中断定时间隔为20毫秒，累计3000次获得1分钟定时。[5]

汽车常用的车速传感器（车轮转速传感器）多为磁电式，以霍尔传感器为多。车速传感器输出的是矩形波脉冲，车辆行驶1Km输出脉冲数为机械速度传感器转637转。由于车辆和车厂的车型不同，机械传感器转一周产生的脉冲数有2、4、8、16等几种。

假设车速为 1Km/分钟（60Km/小时），车速传感器每转一圈，产生4个脉冲信号的情况，则车速传感器输出脉冲数：637×4＝2538。2548个脉冲是 1分钟产生的，即频率是2458/60=42.46Hz。如果车速为 40Km/H，每分钟脉冲数为1692。T2做计数器使用，每分钟测量脉冲个数在0～6000之间，STC15W402AS单片机的T2是16位定时/计数器，因此有较高的计数精度。这样每秒钟测量脉冲数在0～6000之间，由完全可满足测量要求。这样当每分钟测量脉冲数大于1692而且周围没有行人时，STC15W402的PWM脉冲占空比可为1，其工作情况与普通电笛一样。这样当每分钟测量脉冲数小于1692或者周围没行人时，STC15W402的PWM脉冲占空比小于1，降低音量。

PWM脉冲输出选择CCP0模块，必须与输出口P1.1选择一致。选择PCA计数器的时钟源为系统时钟且不分频，即PCA计数器的时钟频率为 27MHz，PWM 输出频率为略大于100KHz。[5]

采用查表的方法，按照车速不同修正PWM脉冲的占空比，实现电喇叭音量随车速自动调节。