汽車底盤水位檢測報警器

宋英豪

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汽車底盤水位檢測報警器

宋英豪

（東北師范大學附屬中學，吉林 長春 130021）

本設計介紹了一種具有語音播報功能的高精度、小型化、超聲波測距報警。該警報器是一種基于51單片機、HC-SR04超聲波測距模塊、WT588D語音模塊及MAX485收發器的裝置。利用51單片機控制超聲波測距模塊發射超聲波，在接收電路接收回波，超聲波在遇到水面時會被反射，單片機根據聲波的速度和時間差計算超聲波的距離。同時結合WT588D語音模塊，在距離水面過近的時候進行語音播報。

測距；報警；高精度；微型化

1 系統功能介紹

超聲波作為一種非接觸式測量方式[1-4]，包含以下的優點：高性能、結構簡單、可控性好、易開發等。隨著科學技術的發展，超聲傳感器在測量中得到了廣泛的應用，尤其是在測距中。使用超聲波測距傳感器可以適應各種惡劣的環境，如在霧氣環境中，有毒環境中，有害氣體環境中、能見度較低環境中等，因此在倒車雷達和水平測量、建筑施工、液體流量等各種應用領域中具有較大的實用價值[5-6]。

汽車在路上行駛經過水位比較高的低洼地段時，如果在排氣孔位置沒有安裝檢測裝置，若水位過高，汽車并不會報警，這樣就容很易發生排氣管進水的狀況，它最終會影響發動機，導致發動機在開車時熄火，甚至出現發動機進水的嚴重情況。多數司機都是通過水沒過車輪的程度來判斷水位，但是這并不能準確地了解是否能夠安全的通過。本文設計了一款以單片機和超聲波測距傳感器為核心部件的汽車底盤水位檢測報警器。此報警器的發明，完全解決了這個隱患，它會在汽車行駛的過程中實時檢測水位是否達到危險高度，若危險則發出語音警報，司機及時停車，避免了排氣管、發動機進水的情況。

如圖1所示，將超聲波傳感器分別置于車前底部和車后排氣管下方位置處，并通過MAX485收發器用RS-485通訊線與車內的主機相連接，從機通過超聲波測距模塊采集與水面的距離的信息，并將此信息傳遞給主機，由主機對信息進行處理，當與水面距離大于20cm時，主機兩個綠燈長亮，此時為安全距離。當與水面距離為10-20cm時，主機亮三個黃燈，表示比較危險，并播報語音“水深減速慢行”。當與水面距離小于10cm時，主機三個紅燈長亮，表示極度危險，并播報語音“危險請停車”，連續收到小于10cm的信息時，主機只會播報一次，紅燈長亮。

圖1 系統結構圖

2 各模塊原理分析

2.1 HC-SR04超聲波測距模塊

本模塊主要利用超聲波測距原理，此原理是基于超聲波在空氣中傳播的速度，測量超聲波從發射到被水面反射回來的時間，再由從發射到接收的時間差計算出水面到發射點的實際距離。超聲波發射器先向水面發射超聲波，在超聲波發射的同時計數器開始計時，超聲波在空氣中的傳播過程中碰到水面時就會立即反射回來，當超聲波接收器接收到返回的超聲波時就立即停止計時。超聲波在空氣中以340m/s的速度傳播，根據計時器記錄的時間，可計算出障礙物面與發射點的距離s，即：s=（340*t）/2[7]。

2.1.1HC-SR04測距模塊基本工作原理

（1）利用單片機IO 口來控制TRIG引腳，并給TRIG至少10us的觸發脈沖信號。

（2）當收到觸發信號后，模塊內部產生8個40khz的脈沖波，并開始檢測回波信號。

（3）當檢測到回波信號時，接收端引腳輸出一個高電平，其持續時間為待測量的時間t，測試距離為s，所以s=(t*聲速)/2。

圖2 HC-SR04測距模塊實物圖

2.1.2超聲波時序圖

圖3表明只要在觸發引腳TRIG發射一個10us以上的高電平信號，測距模塊內部會自動發出8個周期脈沖并自動檢測是否有回波，當檢測到回波時，輸出回波信號。回波信號的脈沖寬度與待測量距離成正比，從而計算待測距離。

圖3 HC-SR04測距模塊實物圖

2.2 注意事項

（1）此模塊不宜帶電連接，如果要帶電連接，則先讓模塊的GND端先連接。否則會影響模塊工作。

測距時，被測物體的面積不少于0.5平方米且要盡量平整，否則會影響測試結果。

3 WT588D語音模塊

本裝置中所用的模式為按鍵模式，但是要把按鍵取消，用單片機的IO口來控制。即為通過IO口控制管腳以觸發芯片的功能，驅動芯片工作，可單獨設置每個管腳的觸發方式，按鍵觸發模式下包括多種模式，在本裝置中我們選擇脈沖可重復觸發方式。

圖4 脈沖可重復觸發方式的時序圖

備注：此種觸發方式為下降沿觸發，當檢測到下降沿時，開始播報語音，在此過程中若又檢測到下降沿，芯片會中止正在播放的語音，重新開始播放，只要檢測到下降沿，就會重新播報。

4 MAX485收發器

圖5 為MAX典型網絡應用電路，主機可以與多個從機相連接實現半雙工通信[9]

MAX485是一款用于RS-485和RS-422通訊的低功耗收發器，帶有驅動器和接收器，傳輸信號距離達到千米。本裝置是由MAX485構成RS-485通信[8]，完成下位機與上位機的數據通信。MAX485驅動器的轉換速率不受限制，傳輸速率最高可達2.5Mbps。 該器件在無負載或滿載條件下吸收120μA至500μA電流，所有設備均由5V單電源供電。驅動器具備短路電流限制，可通過熱關斷電路將驅動器輸出置于高阻態。接收器輸入具有故障安全功能，可在輸入時確保邏輯高輸出，具備很高的抗干擾功能。MAX485是目前市場上最常見的RS422芯片。[7-9]

5 結論

利用51單片機控制超聲波測距模塊發射超聲波，超聲波在傳播時遇到水面后會反射回來，而接收電路接收到返回波，根據聲波速度和時間差，單片機進行距離計算。能夠有效的對車底盤處水位進行報警，實現系統功能。

[1] 蘭羽,周茜.超聲波測距系統接收電路研究[J].電子設計工程,2012, 20（14）:81～83.

[2] 蘭羽,具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計[J].電子測量技術, 2013,36(2): 85～87.

[3] 李建中.單片機原理及應用[Ｍ].西安:西安電子科技大學出版社, 2007.

[4] 朱旋.超聲波測距儀的研究[J]工業儀表與自動化裝置,2009（1）: 96-97.

[5] 隋衛平.高精度實時超聲測距技術研究[D].國防科學技術大學, 2003.

[6] 康梓義,張偉.隨鉆聲波測井儀井下信號采集處理電路設計[J].電子質量,2014(09):09-0059-07.

[7] 李旺,楊佩,白景濤.基于AT89S52的汽車倒車防撞報警器的設計[J].電腦知識與技術,2016(09):8-02.

[8] 陳輝煌,佘明輝.基于LED光源的溫室光環境監測與控制系統設計[J].電子技術,2012(8): 24-25.

[9] Maxim Integrated 160 Rio Robles, San Jose, CA 95134 USA 1- 408-601-1000

[10] 石秀民.嵌入式系統原理與應用[Ｍ].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

The water level detection alarm of automotive chassis

Song Yinghao

( High School Attached to Northeast Normal University, Jilin Changchun 130021 )

This design introduces an alarm which is of the function of voice broadcasts with high-accuracy, miniaturization and ultrasonic distance measurement. The alarm is based on 51 MCU, HC-SR04 Ultrasonic Range Module, WT588D Speech Module and MAX485 Transceiver. 51 MCU controls Ultrasonic Range Module when the module sends ultrasonic waves and receives return waves. Ultrasonic waves reflect when they arrive at the surface of water. By measuring the time interval of ultrasonic waves and return waves, the 51 MCU Calculates the distances between the alarm and water surface. WT588D Speech Module broadcasts when the alarm is close to water surface.

ranging; alarm; High precision; miniaturization

A

1671-7988(2018)24-199-03

U462

A

1671-7988(2018)24-199-03

U462

宋英豪，東北師范大學附屬中學。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.071