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3 控制系统的硬件设计
3.1 超声波测距设计
3.1.1 超声波测距原理
发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
表3.1 超声波波速与温度的关系表 温度（℃） 声速（m／s） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 313 319 325 323 338 344 349 386 3.1.2 超声波测距仪原理框图 单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。
超声波接收器 放大电路 锁相环 检波电路 单片机控制 定时器 显示器 超声波发射器
放大电路 图3-1 超声波测距仪原理框图
3.1.3 单片机实现测距原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C为超声波波速。 限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。 3.1.4 超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图3-2所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
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图3-2 超声波发射电路原理图
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 3.1.5 超声波检测接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图3-3)。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
图3-3 超声波检测接收电路
3.2 光强检测
3.2.1 光照检测方式
方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机I/O引脚。
方案二、采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值），然后通过运放后
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给单片机输入一个标准的数字信号。由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案一。 3.2.2 检测电路
如图3-4所示，当外界环境光照强时，光敏电阻R13阻值较小，则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R13阻值较大，则A点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否实现照明。
图3-4 系统硬件图电路
3.3 信号采集设计
汽车电子控制系统有三个主要的部分传感器、控制电路以及执行机构。其中，传感器部分负责将汽车行驶状态及外界环境状况的变化量转化为电信号，以便控制电路接受处理。控制电路是整个系统的核心，它将传感器输送进来关于汽车行驶状态、外界环境状况的变化量及司机的干预信息的电信号进行运算处理，并发出相应的指令，控制执行机构工作。执行机构是整个系统最后的操作者，它接受控制电路发出的指令，并按照指令执行相应的机械动作。对于汽车自适应照明控制系统，主要是通过控制电路驱动步进电机及继电器来执行完场动作的。本系统中，输入的信号主要有以下几种形式大连理大学硕十学位论文脉冲量车速信号开关量车高传感器，发动机和车门状态，接近开关数字量方向盘转角传感器，红外测距传感器。 3.3.1 车速信号的采集和处理 ?车速计算方法
实验用的捷达汽车的速度测量方法为脉冲式测速法。它利用与车轮同步旋转的脉冲发生器，产生与车轮转速成正比的脉冲数，再根据适当比例调整单位时间内的脉冲数的计数，就可表示车辆运行的速度。在对脉冲发生器进行测量时，脉冲周期过长或过短都会对测量产生很大的误差。周期过长，导致微控制器定时器溢出，引起误差；周期过短，导致微控
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制器读取定时器时间比例变大，引起误差。周期过短时，可利用计算在一定时间间隔内发生脉冲数量的方法来减小误差，称为定时累计平均值法。周期过长时，可以计算转速信号两个有效脉冲之间的时间间隔来计算转速，称为有效脉冲发生时刻法。
由于车速传感器脉冲数与车速真实比例相关信息未知，因此，无法计算出真实的车速值。实验时，实现了两种方法，固定脉冲数在不同的数值，在一定范围内进行了测量。在未进行真车实验之前，为方便进行系统汽车台架实验，这里约定一个脉冲间隔，汽车刚好行驶1米的距离。因此，车速采集节点传输给主控节点车速信息时，只需回传单位时间内的脉冲个数即可。
? 硬件原理图
车速采集节点的硬件电路设计包括CAN总线通讯电路设计与车速采集电路设计两部分，如图3-5所示。
图3-5 车速采集节点硬件原理图
? 车速采集实验方法
车速脉冲模拟时，产生固定车速是为了保证车速采集节点能够正确采集车速脉冲，产生随动车速是为了模拟真实车速传感器的脉冲信息。为了方便调试，在设计车速脉冲模拟器时，加上了八段数码显示管和多路开关，通过多路开关选择产生固定车速的不同车速值及随动车速的随动产生方式，通过八段数码显示现在的脉冲产生速度。
车速脉冲模拟器的硬件电路图如图3-6所示，将微控制器AT89C51的P3.6口做车速脉冲的输出口，外接多路开关来确定定时器调整方案，用八段数码显示管显示当前的车速值。外接开关接到AT89C51的P1.4-P1.7口上，八段数码管的八段显示管引脚通过限流电阻接到P0口上，选通引脚分别与P2.6、P2.7相连。
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