多级式汽车电子喇叭设计

郑修磊，李艳伟，刘首彤，李世杰，石佳

（东北林业大学交通学院，哈尔滨150040）

1 引言

汽车鸣笛系统不应只提醒驾驶者，更应做到驾驶员与路人的路况处理，在鸣笛系统起作用时，保证被警示者的切身利益才是汽车喇叭系统的正确发展方向[1]。车身近距离靠近人声音强度超过100分贝时，便会损伤人的耳膜[2]，危害个人健康，会给驾驶员和路人造成双向损失。经济的快速发展，汽车已大众化，街头常有沉迷手机的“低头族”和行动迟缓的老年人以及嬉耍的孩童。当类似这几类人阻碍汽车正常行进时，若采用常规喇叭提醒，声音刺耳，可能会对其造成一定程度的惊吓，产生不良后果（如老年人突发心脏病等）。针对这种情况，本文设计一款多级式可调控汽车鸣笛系统，在保证正常汽车鸣笛警示功能的同时，根据不同的实际情况，选择合适的鸣笛类型，降低对行人的刺激性，提高行人和其他交通工具的安全性。人性化地达到信号警示效果，并适应于不同道路区域。

2 多级式汽车喇叭电路设计

2.1 总体设计方案

预计设计一款在路况行驶区域，可替代原车的喇叭使用的多级式汽车电子喇叭。所设计的多级式汽车电子喇叭主要包含STC89C52微控制器（由二极管和蜂鸣器组成的声响报警模块以及稳压电源模块组成）。该多级式喇叭系统使用车载12V电源，以STC89C52单片机为软件控制处理中心，根据数据信息自处理，提供多级预警方案，由IO口实现数据的发送和接收，产生持续电压脉冲，经稳压管和正反馈电路降频和整形后，通过电流放大电路和功率放大器产生脉动电流，控制电喇叭震动发声。总体电路图如图1所示。

2.2 电路设计

汽车电子喇叭采用以图1所示的集成电路为核心，由自激多谐振荡器、延时电路、语言存储器以及音频功率放大器四大部分组成。

2.2.1 STC89C52单片机

汽车多级式喇叭设计中，采用的核心器件是STC89C52单片机。STC89C52是一种带8K字节程序存储空间，512字节数据存储空间的可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，内带4K字节EEPROM存储空间，使用串口直接下载。其采用ATMEL高密度非易失存储器制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由STC89C52单片机来控制MCP4101数字电位器，LM358产生音频信号，经过数字电位器分压输出给TDA2030，由于分压的不同经TDA2030进行放大后发出高低不同的声音。此类单片机功能多、灵活性高，性价比高，在本次设计中给予选用。

单片机引脚。单片机芯片共40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见图2）左侧列引脚逆时针顺序，依次为1、2、3、4…40，其中芯片的1脚顶上有个凹点。在单片机的40个引脚中，电源引脚2根：VCC，GND；外接晶体振荡器引脚2根：XTAL1XTAL2；控制引脚 4 根：RST/VPP,ALE/PROG，PSEN，EA/VPP以及4组8位可编程I/O引脚32根。

图1 总体集成电路图

图2 单片机各管脚

2.2.2 复位电路

微机系统中电路正常工作需要电源为5V±5%，即4.75～5.25V供电。以确保电路稳定可靠工作，增加复位电路进行上电复位。微机电路是时序数字电路，需要稳定的时钟信号，电源上电时，4.75V＜VCC＜5.25V以及晶体振荡器稳定工作，撤除复位信号，微机电路正常工作。如图3所示。

图3 复位电路

图3中，STC89C52单片机需要在系统通电时使内部程序复位，通过初始化寄存器，使控制器整个系统处于可控的初始状态，指令输出时从初始状态运行。STC系列单片机的复位是给复位引脚RST输入一个至少两个机器周期宽度的高电平信号，保证系统的可靠复位。

2.2.3 晶振电路

晶振又称晶体振荡器，晶体在共振的状态下工作，可以使电能和机械能稳定转换，从而产生精确,稳定的单频振荡（时钟频率）,晶振频率绝对精度可达5/1000。晶振与锁相环电路可配合使用，更准确地达到系统所需时钟频率。结合单片机内部电路系统，提供基本的时钟信号，单片机在此基础上执行指令，晶振频率越高，单片机运行速度越快。

2.2.4 放大电路

将原蜂鸣器电路两端与三极管放大电路电源端并联连接，通过三极管放大电路将电压放大，保证原电压与汽车喇叭按规定频率震动的所需电压频率保持一致，当大电压输出到外加喇叭后，就实现了单片机对外加喇叭的控制。如图4所示。

图4 放大电路

2.2.5 实际电路板制作

针对以上所设计构思，购置元件，考虑机械结构、散热、电磁干扰及布线的方便综合考虑，进行单片机和相关元件的焊接，制作的实物电路板如图5所示。

3 喇叭构造

蜗牛喇叭：蜗牛喇叭是一对蜗牛状的汽车喇叭，又叫高低音喇叭，两个喇叭一个是高音，一个是低音。通过安装蜗牛状的助声腔，来改善音质，增强喇叭音量。材料采用高质量材料，可全天工作，防盐、防酸碱能力强，且能够抵抗粗砂碎石的剐蹭与撞击，能适应各种天气。其结构如图6所示。

图5 喇叭实物芯片

喇叭工作原理：按下喇叭按钮，接通电路，电磁线圈使铁芯5生成吸力，衔铁10被吸下，电路断路，去除铁芯吸力，使衔铁10回位，重新接通电路，重复以上整个触发过程，衔铁通过持续移动振动膜片，使蜂鸣器有共鸣产生，再由扬声器最终发声。用一个电容器及消弧电阻与触电并联，来消除触电间火花，避免触电损伤。

图6 喇叭的结构

4 控制程序设计

5 结语

多级式汽车喇叭系统设计有别于原汽车喇叭系统，通过单片机电路控制，实现外加喇叭在特定情况发出固定的音频效果，避免不良后果。单片机等集成电路原件安装在电路板上后，通过按动原汽车喇叭旁侧的开关，控制音频播放。多级式汽车喇叭系统不仅避免了与原喇叭系统的使用冲突，且操作简单，噪音低、安装方便，有效降低了成本的同时，体现了人性化的设计理念。