Разработка принципиальной схемы системы

Разработку принципиальной схемы будем вести по блокам структурной схемы. Таким образом разработка принципиальной схемы разобьется на несколько этапов с детализированным описанием каждого из блоков разрабатываемой системы.

Источник питания.

Сегодня большинство легковых машин имеют бортовое напряжение питания 12 В, а грузовые 24 В. Так как наша система разрабатывается, для использования на легковом автомобиле, то нашей задачей будет стабилизация напряжения на уровне 5 В. Идеальным решением для этой цели будет использование стабилизатора напряжения 78L05. 78L05 — простейший стабилизатор положительного фиксированного напряжения 5 вольт в корпусе с тремя выводами для широкого применения. Этот стабилизатор рассчитан на нагрузку в 100mA. Само собой имеется защита от превышения тока нагрузки, защита от перегрева. Стабилизаторы в этом исполнении рассчитаны на применение в слаботочных электрических цепях, поэтому установка корпуса TO-92 на радиатор не предусмотрена. Напряжение на входе также около 10 вольт.

Таким образом, при питании от бортовой системы питания автомобиля, с помощью стабилизатора 78L05 получим требуемое, для питания нашей схемы, напряжение 5 В.

Типовая схема включения простейшего стабилизатора 78L05 представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — Схема включения стабилизатора напряжения 78L05.

Взяв за основу типовую схему включения стабилизатора разработаем схему источника питания.

Схема источника питания показана на рисунке 3.3.

Источник питания построен на основе стабилизатора 78L05, конденсаторы С1 и С2 имеют номиналы 0,33 мкФ и 0,1 мкФ соответственно.

Таким образом видно, что задача об обеспечении системы обнаружения препятствий питающим напряжением решена. Бортовое напряжение автомобиля 12 В стабилизировано на уровне 5 В. Он обеспечит питание микроконтроллера, датчика и индикаторов.

Блок микроконтроллера.

Блок микроконтроллера будет отвечать за опрос датчика, обработку выданных датчиком данных о расстоянии до объекта и, в случае обнаружения объекта в зоне сканирования датчика, выдачу сигнала на диод первичной сигнализации, а при сокращении расстояния до объекта до критического уровня — выдачу сигнала на диод вторичной сигнализации.

Микроконтроллер ATtiny 13 работает в диапазоне питающих напряжений 2.7 — 5.5 В с частотой до 20МГц. В нашем случае, с помощью, источника питания, построенного на основе стабилизатора 78L05, установлено питание схемы на уровне 5 В. Это обеспечит бесперебойную работу микроконтроллера. Схема включения микроконтроллера представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 — Схема включения микроконтроллера ATtiny13.

Микроконтроллер является единственным элементом данного блока.

Блок датчика.

Блок датчик состоит из единственного элемента — ультразвукового датчика HC-SR04. Он преобразовывает электрическую энергию в ультразвуковые волны (механические вибрации с частотой свыше 20 кГц). Принимая скорость звука за постоянную величину, с помощью ультразвукового датчика определяется и расстояние до объекта, которое соответствует интервалу времени между отправкой сигнала и возвращением его эха. Сенсор получает сигнал эха, и выдаёт расстояние, которое кодируется длительностью электрического сигнал на выходе датчика (Echo).

Следующий импульс может быть излучён, только после исчезновения эха от предыдущего.

Если на сигнальный пин (Trig) подаётся импульс длительностью 10 мкс, то ультразвуковой модуль будет излучать восемь пачек ультразвукового сигнала с частотой 40кГц и обнаруживать их эхо. Измеренное расстояние до объекта пропорционально ширине эха (Echo) и может быть рассчитано по формуле, приведённой на графике выше.

Основу ультразвукового датчика составляет преобразователь, объединяющий активный элемент и диафрагму. Преобразователь работает как передатчик и как приемник. Активный элемент генерирует короткий импульс и принимает его эхо от препятствия. Он изготавливается из пьезоэлектрического материала. Алюминиевая диафрагма является контактной поверхностью датчика и определяет его акустические характеристики. Преобразователь имеет упругое основание, поглощающее вибрации. Все элементы ультразвукового датчика помещены на плату с разъемами для подключения.

Основными техническими характеристиками ультразвукового датчика являются дальность обнаружения препятствия, частота сигнала, быстродействие (скорость определения препятствия). Современные парковочные датчики имеют дальность обнаружения до 2,5 м, частоту сигнала 40 кГц и быстродействие порядка 0,1 с. Ультразвуковые датчики в системе автоматической парковки, системе помощи при перестроении имеют дальность действия до 4,5 м.

Рассмотрим ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04. Напряжение питания, необходимое для работы нашего датчика — 5 В, что идеально подходит под уровень питающего напряжения нашей схема. Диапазон измерения расстояния — от 2 до 400 см и эффективный угол 22,5°. Выбор данного датчика будет являться правильным решением, так как по всем показателям он идеально подходит .

Рисунок 3.4 — Схема включения датчика HC-SR04.

Как видно из рисунка 3.4 датчик имеет 4 вывода:

• · Питание (VCC)
• · Опрос (Trig)
• · Ответ (Echo)
• · Вывод на массу (GND)

Питание датчика осуществляется от общего источника питания через вход VCC. Микроконтроллер будет опрашивать датчик через вывод Trig. При обнаружении датчиком препятствия, информация о расстоянии до него будет выдана микроконтроллеру через вывод Echo. Диапазон измеряемого расстояния в 2−400 см обеспечивает большую площадь зоны обнаружения датчика. В свою очередь эффективный угол в 22.5° так же является преимуществом, так как датчик не будет реагировать на боковые предметы, не находящиеся на пути движения автомобиля, но по каким-либо причинам попавшие в зону обнаружения (диаграмму направленности датчика) датчика, это избавит разрабатываемую систему автоматического обнаружения препятствий от ложного срабатывания, вводящего водителя в заблуждение. Он имеет малые габариты и с легкостью может быть встроен в бампер автомобиля. Так же следует отметить низкую стоимость и широкую доступность данного датчика.

Блок индикации.

Блок индикации в системе служит для информирования водителя о наличии препятствия на пути движения автомобиля. В нашей системе будем использовать двухступенчатую программу сигнализации. Для этого будем использовать 2 светодиода.

Информирование водителя о наличии препятствия будет осуществляться в 2 этапа с помощью двух светодиодов. Первичная сигнализация (LED1 SSL-LXA227GD-5V) заключается в подаче питания на диод, информирующий водителя о появлении препятствия в зоне обнаружения датчика. Вторичная заключается в подаче питания на второй светодиод (LED2 SSL-LXA227ID-5V), информирующий водителя о критичности расстояния между датчиком и препятствием.

Использование светодиодов является простейшим решением, однако, требуется ограничение тока диодов из-за возможности их выгорания. Для ограничения токов включим в цепь каждого диода ограничивающий резистор. Диоды могут питаться выходным напряжением микроконтроллера, и поэтому не требуют включения в цепь питающих напряжений.

Схема включения индикаторов представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 — Схема включения блока индикации.

Номинал резисторов выберем из отношения напряжения питания (выходное напряжение выхода МК при логической единице) 5 В и максимального допустимого тока через выход МК 20 мА. Получим, что.

Ом (3.2.1).

Для обеспечения запаса, из стандартного ряда номиналов радиодеталей выбираем значение номинала больше рассчитанного, а именно 270 Ом. При сопротивлении резисторов 270 Ом, ток через резистор при пробитом диоде составит.

мА, (3.2.2).

что меньше максимально допустимого тока 20 мА. С учётом падения напряжения на диоде, ток через диод будет равен.

мА (3.2.2).

Завершением аппаратного проектирования является сама схема, представленная на рисунке 3.6. Схема была нарисована в программе SPlan.

Рисунок 3.6 — Схема принципиальная.

Описание работы устройства по принципиальной схеме.

Схема питается от бортовой сети автомобиля 12 В. Включение системы осуществляется автоматически, путем подачи на источник питания напряжения. Стабилизатор 78L05 ограничивает напряжение на уровне 5 В. Это напряжение поступает на микроконтроллер ATtiny13 и ультразвуковой датчик, обеспечивая их работу. Включение диодов в цепь питания не требуется, так как уровня выходного напряжения микроконтроллера достаточно что бы обеспечить их работу. Микроконтроллер ATtiny13 опрашивает датчик, посылая на него сигнал из PB1 порта микроконтроллера в вывод Trig датчика. Ультразвуковой датчик сканирует пространство, посылая короткие ультразвуковые волны и принимая отраженные «эхо-сигналы». Информация о расстоянии до препятствия выдается с вывода Echo датчика на порт PB0 микроконтроллера. При появлении препятствия в зоне обнаружения датчика датчик посылает информацию о расстоянии до него в микроконтроллер подает напряжение на порт PB2 и загорается светодиод первичной сигнализации. При дальнейшем сокращении расстояния до препятствия, по достижении некого критического уровня, микроконтроллером выдается питание на порт PB3 и загорается второй сигнальный светодиод.