Двигаясь задним ходом, водитель автомобиля не может видеть определенную зону дорожного пространства. Эта зона имеет протяженность до двух метров, и в ней могут оказаться люди или животные, а также предметы, представляющие собой помеху для движения. Достижения современной техники позволяют создавать специальные устройства для обзора указанного пространства и информирования водителя в случае, если на пути автомобиля встречаются какие-либо объекты. Наиболее оптимально такая задача решается с помощью импульсной акустической локации. Известны успешные попытки построения подобных устройств (см., например, книгу Сига X., Мидзутани С. "Введение в автомобильную электронику". - М.: Мир, 1989). Однако из-за сложности и высокой стоимости эти локаторы пока не получили широкого применения.
Акустический локатор, предлагаемый читателям, выполнен на базе микроконтроллера Z8. Он отличается простотой, удобен для повторения радиолюбителями. При соответствующей доработке программы и конструкции его можно использовать в качестве незаменимого помощника для слепых, устройств охраны помещений, портативного эхолота рыболова-любителя, бесконтактного индикатора уровня жидкости и т. п.
Принципиальная схема локатора изображена на рис. 1. Его основа - микроконтроллер (МК) Z86E0208PSC (DD1).
Внешняя времязадающая цепь МК состоит из кварцевого резонатора ZQ1 на частоту 8 МГц и конденсаторов C3. С4. Ультразвуковой излучатель BQ3 подключен непосредственно к выводам порта Р2 МК. Размах возбуждающего напряжения на входе излучателя равен 10 В. длительность пачки импульсов - 1 мс. Отраженный сигнал, принятый ультразвуковым приемником BQ1, поступает на вход трехкаскадного резонансного усилителя, выполненного на транзисторах VT1-VT3. С его выхода сигнал с постоянной составляющей 2.5 В подается на неинвсртирующий вход (Р32) встроенного компаратора МК. На инвертирующий вход компаратора (РЗЗ) поступает образцовое напряжение 2.7 В с делителя R1R3. что обеспечивает выделение полезного отраженного сигнала на уровне принятых помех. Цепь образцового напряжения дополнительно защищена от помех ограничительным диодом VD1 и конденсатором С1. Диоды VD2 и VD3 ограничивают мгновенное значение отраженного сигнала уровнями 0 и 5 В. Звуковой сигнал, предупреждающий водителя о наличии препятствия в невидимой зоне, формируется пьезоизлучателем BQ2. подключенным через резистор R16 непосредственно к выводам порта Р2 МК.
Питается локатор напряжением 12 ± 2.5 В от цели сигнальных фонарей заднего хода автомобиля. Микросхема DA1 стабилизирует питающее напряжение на уровне 5 В, необходимом для нормальной работы МК. В цепи питания устройства установлен фильтр, состоящий из конденсаторов С2, С8, С13 и резистора R6.
Принцип действия локатора основан на излучении пачки импульсов ультразвуковой частоты и последующем приеме отраженного препятствием сигнала. Время от момента излучения до момента приема отраженного сигнала прямо пропорционально расстоянию до объекта. В зависимости от расстояния локатор формирует один из двух предупреждающих звуковых сигналов: если оно менее 1 м, генерируются частые тональные посылки, если от 1 до 2 м - редкие. При расстоянии более 2 м звуковой сигнал отсутствует. Время ожидания отраженного сигнала - 60 мс, после чего излучается следующая пачка импульсов и процесс повторяется.
Более детально работу устройства поясняет граф [1], показанный на рис. 2 Он включает в себя четыре вершины - состояния: SEND (ПЕРЕДАЧА) - формирование ультразвуковой пачки импульсов; PRESS (ПОДАВЛЕНИЕ) - подавление послезвучания излучателя; WAIT (ОЖИДАНИЕ) - ожидание отраженного сигнала и COUNT (РАСЧЕТ) - вычисление расстояния до объекта.
Переходы между состояниями, показанные дугами графа, вызываются следующими прямыми (обозначены одной буквой) и косвенными (двумя буквами в соответствии с переходом) событиями: t (timer - таймер) - срабатывание таймера МК, с (comparator - компаратор) - срабатывание компаратора МК, ws (wait - send) - окончание ожидания отраженного сигнала, cs (count - send) - окончание вычисления расстояния до объекта и pw (press - wait) - окончание отсчета времени подавления.
При включении питания происходит автоматический сброс устройства и инициализируется состояние SEND. Основная функция этого состояния - разрешение формирования ультразвуковой пачки импульсов длительностью 1 мс. Срабатывая, таймер МК переводит устройство в состояние PRESS, в котором оно не реагирует на принятый отраженный сигнал. Длительность нахождения в этом состоянии определяется числом срабатываний таймера, которое можно изменять в зависимости от типа используемого ультразвукового преобразователя. По окончании отсчета времени подавления очередное срабатывание таймера переводит устройство в состояние WAIT.
В состоянии WAIT локатор ожидает прихода полезного отраженного сигнала, который вызывает срабатывание компаратора МК. запоминание времени от посылки до приема полезного сигнала и переход в состояние COUNT. Процесс отсчета времени в состоянии WAIT синхронизируется срабатыванием таймера МК каждую миллисекунду. Если через 60 мс в этом состоянии компаратор МК не сработает, устройство снова переходит в состояние SEND. При срабатывании компаратора оно переходит в состояние COUNT.
В состоянии COUNT локатор продолжает досчитывать временной интервал 60 мс. Затем на основе ранее зафиксированного времени от момента посылки до момента приема сигнала рассчитывается расстояние до объекта. В соответствии с результатом расчета устройство управляет выдачей звукового сигнала с необходимым интервалом "сигнал-пауза". По завершении вычислений оно переходит в состояние SEND. Далее цикл работы повторяется В локаторе можно использовать любые малогабаритные керамические и оксидные конденсаторы. Катушка L1 намотана на односекционном унифицированном каркасе диаметром 8 и длиной секции намотки 7 мм. Подстроечник - ферритовый (100НН) диаметром 2,8 и длиной 12 мм. Катушка содержит 860 витков, намотанных виток к витку проводом ПЭЛ 0,15 (индуктивность 4.4 мГн). Резистор R2 - СП5-2 или любой другой малогабаритный подстроечиый многооборотный. Пьезокерамический звуковой излучатель BQ2 - ЗП-22 или аналогичный. Транзисторы VT1. VT3 - любые из серии КТ3102. VT2 - любой из серии КТ3107.
Ультразвуковые излучатель BQ3 и приемник BQ1 идентичны. В авторском варианте использованы ультразвуковые преобразователи от выпускаемого промышленностью охранного устройства "Эхо-2", возможно применение любых подходящих пьезокерамических преобразователей, в том числе и самодельных, с одинаковыми рабочими частотами в диапазоне 36...38 кГц [2]. Для их подключения применены импортные разьемы DJK (на плате устанавливают их розетки DJK-2MR, а соединительные кабели снабжают вилками DJK-2F).
Коды "прошивки" ПЗУ МК приведены в таблице. Объем программного кода - 242 байта.
(нажмите для увеличения)
Конструктивно локатор состоит из электронного блока и одинаковых по конструкции излучателя и приемника Детали электронного блока смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита в соответствии с рис. 3.
Плата помещена в пластмассовый корпус от радиоконструктора "Устройство переговорное" производства АО "Новгородский машиностроительный завод". Внешний вид локатора в сборе показан на рис. 4.
Для уменьшения акустического влияния излучателя на ультразвуковой приемник их акустические тракты выполнены в виде рупоров. Рупор, кроме того, согласует относительно высокое полное акустическое сопротивление преобразователя с довольно низким сопротивлением нагрузки, т. е. воздушной среды (3). Наиболее эффективен экспоненциальный рупор, площадь поперечного сечения которого изменяется по закону S = S0em , где S - площадь поперечного сечения рупора на расстоянии х от преобразователя, S0 - площадь входного отверстия рупора (при х = 0), т. е. площадь поверхности преобразователя, m - коэффициент расширения рупора, который зависит от рабочей частоты (для 35 кГц т = 0,17 мм-1).
В домашних условиях проще всего изготовить рупор, поперечное сечение которого имеет форму круга. Зная, что площадь круга равна πD2/4, рассчитывают диаметр рупора по приведенной выше формуле на разных расстояниях х от преобразователя (х можно ограничить величиной 15...20 мм). Затем по получившимся значениям чертят на бумаге продольный профиль рупора и по нему изготавливают шаблон из плотного картона или жести. Сами рупоры выполняют с помощью этого шаблона из твердого пенопласта. Поверхности готовых рупоров покрывают краской для придания им лучших акустических свойств. Для защиты от атмосферного воздействия рупоры помещают в защитные кожухи, снабженные кронштейнами для установки на заднем бампере автомобиля. В качестве кожухов удобно использовать пластмассовые кроссировочные коробки от электропроводки. Кронштейны изготавливают из листовой стали. Щели между кожухом и рупором заливают эпоксидной смолой, а всю конструкцию покрывают в несколько слоев атмосферостойкой синтетической эмалью.
Налаживание устройства начинают с проверки монтажа на надежность соединений и отсутствие коротких замыканий. До установки МК целесообразно проверить работу стабилизатора напряжения и усилителя ультразвукового сигнала. Для этого подключают питание и измеряют напряжение на выводе 5 панели МК. Оно должно находиться в пределах 5 ± 0.3 В. Затем измеряют постоянное напряжение на выводе 9 панели МК (2.5 В ± 10%) и. подсоединив вольтметр к ее выводу 10. устанавливают подстроечным резистором R2 напряжение на 0.2...0.3 В больше первого. Далее, подключив вход осциллографа к выводу 9 панели МК и подав на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой 37 кГц и амплитудой 3 мВ, наблюдают на экране осциллографа сигнал с амплитудой 4.5 В. Подстройкой индуктивности катушки L1 добиваются максимального усиления на указанной частоте.
После этого при отключенном питании устанавливают в панель предварительно запрограммированный МК и соединяют устройство с излучателем и приемником. Если при включении питания устройство не заработает, подсоединяют вход осциллографа (с входным сопротивлением не менее 10 МОм) к выводу XTAL2 (вывод 6) микросхемы DD1 и проверяют, возбуждается ли тактовый генератор МК. Отсутствие колебаний синусоидальной формы частотой 8 МГц свидетельствует о том, что генератор не самовозбуждается. В этом случае нужно проверить кварцевый резонатор ZQ1 и конденсаторы C3 и С4.
При установке на автомобиле локатор размешают внутри салона, а ультразвуковые преобразователи - на заднем бампере на расстоянии не менее 0.6 м один от другого. Это расстояние обеспечивает ширину рабочей зоны локатора, равную 2 м. Изменяя его. можно регулировать и ширину этой зоны.
Литература
Автор: М.Гладштейн, М.Шаров