基于STC15W402AS單片機的汽車電笛設(shè)計

張金蘭，張澤禮

（濱州職業(yè)學(xué)院，山東 濱州 256600）

前言

小型汽車都配備了電笛，一些中高檔汽車還配備了防盜喇叭。在汽車行駛過程中，駕駛員根據(jù)需要觸發(fā)鳴笛喇叭，警告行人或引起其它車輛注 意，同時，還可用于催行其它車輛，或傳遞其它信號等。

目前市場上的汽車電笛工作方式，多采用傳統(tǒng)繼電器控制的發(fā)音方式，城區(qū)低速行駛時，汽車?yán)犬a(chǎn)生高噪聲造成噪聲污染，容易造成行人的驚嚇，而且，這種汽車電笛也會造成電能浪費。[3]

我國的汽車近幾年發(fā)展十分迅猛，由此造成的噪音污染問題也十分突出。當(dāng)前的汽車電笛控制方式，音量和音調(diào)不能同時調(diào)節(jié)，這已不能適應(yīng)當(dāng)前城市交通環(huán)境的需要，因此設(shè)計一種能夠根據(jù)車速和路況自動調(diào)節(jié)電笛音量的電子電笛是十分必要的。

此外，目前的汽車?yán)劝粹o，在方向盤的不同位置按動效果不同，如果使用電子汽車電笛，可以設(shè)計成觸摸開關(guān)，這種操作省力方便。

1 設(shè)計方案

設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)車速和行駛環(huán)境對汽車電笛的音量、音調(diào)自動控制的汽車聲響信號系統(tǒng)。車速超過40KM/小時而且附近沒有人車則自動使用高音電笛，在附近有人車（車輛8米以內(nèi)）以及車速低于40KM/小時，則自動使用低音喇叭。從而達(dá)到降低噪聲、節(jié)省電能的目的。

電笛，即目前汽車上自帶的高音汽車電喇叭，汽車電喇叭采用高頻 PWM 調(diào)制方式來調(diào)節(jié)音量，調(diào)制頻率 100KHz左右，其占空比D根據(jù)音頻信號變化而變化。由于輸出信號是開關(guān)信號，因此輸出放大器工作開關(guān)狀態(tài)，具有效率高、產(chǎn)熱少等優(yōu)點。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖 1所示，由：單片機 MCU、開關(guān)功率放大器、喇叭SP、電笛繼電器驅(qū)動電路，車速傳感器、熱釋電傳感器、電笛按鈕SB組成。

其中，熱釋電傳感器用于檢測汽車附近的人流情況，熱釋電傳感器裝有菲涅爾透鏡，檢測距離可達(dá)8米。這樣如果檢測到人流，則自動降低電笛的音量。車速傳感器用于檢測車輛行駛速度，低速時使用低音電笛，高速時使用高音電笛。電笛音響選擇開關(guān)S1，用于選擇音樂的種類，駕駛員可以根據(jù)自己愛好進(jìn)行選擇。電笛開關(guān)用于響笛控制，借用汽車方向盤的喇叭開關(guān)，用于開關(guān)工作電流很小，可以省去汽車上原有的喇叭繼電器。MCU即單片機，是系統(tǒng)的控制核心，既負(fù)責(zé)對輸入指令及傳感信號的處理，判斷應(yīng)該選擇高音還是低音，并且對響度進(jìn)行控制。單片機輸出PWM信號經(jīng)過開關(guān)功率放大器驅(qū)動喇叭 SP發(fā)出低音，輸出的開關(guān)信號驅(qū)動電笛繼電器，推動高音電笛工作。單片機輸出的指示信號，用于顯示高低音類型及音量。[1]

圖1 汽車電笛電路結(jié)構(gòu)圖

選擇開關(guān) S1用于手動選擇聲響信號類型，電笛開關(guān)用于控制是否發(fā)出聲響信號。車速傳感器用于檢測汽車的行進(jìn)速度，當(dāng)車速超過 40Km時才能夠啟用高音電笛，車速在40Km以下自動選用低音電笛。在車速40KM以下時依據(jù)熱釋電紅外傳感器檢測選擇電笛聲響信號類型，以免對附近行人造成驚嚇。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 單片機選型

從控制功能上看，選用8位單片機就能滿足要求，要內(nèi)集CCP模塊和ADC模塊，關(guān)鍵是PWM輸出脈沖的頻率要求高達(dá) 100KHz，這一方面多數(shù)單片機不能滿足。單片機WPM模塊有兩種類型:一種溢出自動清零計數(shù)器并使得輸出自動翻轉(zhuǎn)的工作方式，這種方式PWM輸出頻率取決定時器時鐘頻率和預(yù)分頻比；另一種是帶有周期寄存器的PWM輸出，特點是計數(shù)器計數(shù)值與周期寄存器匹配時自動清零，改變周期寄存器的值，即可以改變PWM脈沖頻率。

選擇STC15W402AS單片機，其PWM輸出脈沖周期為時鐘源周期256倍。三個PWM模塊共用一個PCA定時器，其時鐘可以是系統(tǒng)主時鐘的1～12分頻。STC15W402AS單片機有兩種時鐘源，內(nèi)部RC振蕩器時鐘和外部晶振時鐘。選擇27MHz時，PWM輸出頻率可達(dá)100KHz以上，能夠滿足要求。引腳功能如圖2所示。[2]

圖2 STC15W402AS單片機引腳

2.2 電路設(shè)計

實驗電路如圖3所示。

圖3 電路圖

電路中電源取自汽車14V電源（發(fā)動機不啟動為12V）,單片機工作電源由三端穩(wěn)壓N2降壓產(chǎn)生+5V單片機工作電壓。

SB為喇叭按鈕，仍使用方向盤上的原汽車?yán)劝粹o，也可以改造成為觸摸式按鈕。

功率放大管V4采用開關(guān)功率器件IGBT，IGBT具有驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，功率容量大的優(yōu)點，在變頻器等功率電子設(shè)備中大量采用（也可以使用功率VDMOS管，效果基本相同。）。目前IGBT的開關(guān)速度已經(jīng)達(dá)到100KHz，而且汽車?yán)仁侵械鸵簦@樣調(diào)制頻率足以滿足要求。

IGBT的驅(qū)動電路由三極管V1、V2、V3及電阻R3、R5構(gòu)成的互補推挽放大電路構(gòu)成，電阻R6及電容C4構(gòu)成加速電路。

當(dāng)單片機STC15S402AS的P1.1口輸出高電平時，V1、V3導(dǎo)通，V2截止，IGBT（V4）截止，電喇叭不通電。當(dāng)P1.1口輸出高電平時V1、V3截止，V2導(dǎo)通，IGBT（V4）導(dǎo)通，電喇叭通電。由于P1.1口是CCP0模塊的PWM輸出口，響笛時，電笛兩端承受的是斷續(xù)電壓。[5]

熱釋電紅外傳感器模塊Q輸出信號，接到模擬量輸入端P1.2口，該口的第二功能是模擬量輸入端。采用模擬量輸入，可以有效提高檢測的靈敏度。

速度傳感器輸出脈沖信號由穩(wěn)壓二極管限壓接到 P3.0口。在單片機內(nèi)部通過對脈沖頻率的測量，判斷汽車的行駛速度。這就需要單片機內(nèi)部有較多的定時/計數(shù)器，在STC15W402單片機中有2個定時/計數(shù)器模塊，用于車速測量。

2.3 程序編寫

STC15W402AS單片機有T0、T2，兩個16位可自動裝載的定時/計數(shù)器模塊，T0模塊用作時基定時，主頻27MHz時經(jīng)過12分頻后定時器工作時鐘9/4MHz，時鐘周期4/9微秒，如果定時器的設(shè)定值(65536-45000)，則一次中斷定時間隔為20毫秒，累計3000次獲得1分鐘定時。[5]

汽車常用的車速傳感器（車輪轉(zhuǎn)速傳感器）多為磁電式，以霍爾傳感器為多。車速傳感器輸出的是矩形波脈沖，車輛行駛1Km輸出脈沖數(shù)為機械速度傳感器轉(zhuǎn)637轉(zhuǎn)。由于車輛和車廠的車型不同，機械傳感器轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)有2、4、8、16等幾種。

假設(shè)車速為 1Km/分鐘（60Km/小時），車速傳感器每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生4個脈沖信號的情況，則車速傳感器輸出脈沖數(shù)：637×4＝2538。2548個脈沖是 1分鐘產(chǎn)生的，即頻率是2458/60=42.46Hz。如果車速為 40Km/H，每分鐘脈沖數(shù)為1692。T2做計數(shù)器使用，每分鐘測量脈沖個數(shù)在0～6000之間，STC15W402AS單片機的T2是16位定時/計數(shù)器，因此有較高的計數(shù)精度。這樣每秒鐘測量脈沖數(shù)在0～6000之間，由完全可滿足測量要求。這樣當(dāng)每分鐘測量脈沖數(shù)大于1692而且周圍沒有行人時，STC15W402的PWM脈沖占空比可為1，其工作情況與普通電笛一樣。這樣當(dāng)每分鐘測量脈沖數(shù)小于1692或者周圍沒行人時，STC15W402的PWM脈沖占空比小于1，降低音量。

PWM脈沖輸出選擇CCP0模塊，必須與輸出口P1.1選擇一致。選擇PCA計數(shù)器的時鐘源為系統(tǒng)時鐘且不分頻，即PCA計數(shù)器的時鐘頻率為 27MHz，PWM 輸出頻率為略大于100KHz。[5]

采用查表的方法，按照車速不同修正PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電喇叭音量隨車速自動調(diào)節(jié)。

3 測試情況

將制作電路安裝在家用轎車上實驗，在低速時和路上有行人時，汽車?yán)纫袅匡@著降低，但是音質(zhì)方面不夠理想，在電笛兩端反向并聯(lián)續(xù)流二極管，效果有提升。如果改造成樂音型電笛，則需要電動式揚聲器代替汽車電笛。

[1] 張華宇,謝鳳芹,李躍輝.AVR 單片機基礎(chǔ)與實例進(jìn)階[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2012:220.

[2] 張培仁.基于C語言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:171.

[3] 祝秋文,柳智.基于 ISD1730的汽車語音提示系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車實用技術(shù).2012,(4).

[4] 高顯生.STM8實戰(zhàn)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2016: 245.

[5] 丁向榮.單片機原理與接口技術(shù)（基于STC15系列單片機）[M].北京:電子工業(yè)出版社.2013:122.