Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ (АССОЦИАЦИЯ)

«КИСЛОВОДСКИЙ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Факультет - Инженерный

Кафедра - Радиоэлектронных систем

Направление - Радиотехника

К защите допустить:

Зав. кафедрой к.т.н., доцент Кротов В.И.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

на тему: «Автомобильный многофункциональный дальномер»

Руководитель работы: ______к.т.н. доцент Корниенко В.Т.

Консультанты:

по экономическому разделу _________________к.э.н. Курданов М.Д.

по разделу безопасности и экологичности Сербулова Т.Н.

Студент: Хашиев Магамед Бесланович, гр. 242.

Кисловодск

2017

Реферат

В выпускной квалификационной работе (ВКР) разрабатываются структурная, функциональная и принципиальная схема электрические схемы автомобильного многофункционального акустического дальномера, позволяющего измерять дальность до объекта, находящегося на расстоянии от 0,5 до 9,9м от автомобиля и определять скорость их сближения в пределах от 0,1 до 5 м/с.

В ходе проектирования рассматриваются вопросы безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды при разработке дальномера, анализируются технико-экономические результаты. В процессе проведения экспериментальных исследований изучаются частотные свойства и характеристики направленности рупорных биморфных пьезокерамических вибраторов, измеряются уровни акустических шумов автомобилей.

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Выбор структурной схемы дальномера

3. Функциональная схема дальномера

3.1 Описание функциональной схемы

3.2 Расчет мощности передатчика

3.3 Расчет погрешностей

3.4 Расчет биморфного пьезокерамического вибратора

4. Программное обеспечение дальномера

4.1 Описание работы программы

5. Экспериментальные исследования

5.1 Измерение СКО шума автомобиля

6. Технико-экономическое обоснование

6.1 Концепция экономического обоснования разработки научно-технического продукта

6.2 Определение общей продолжительности работы по созданию научно-технического продукта

6.3 Расчет временных затрат на проектирование устройства

6.4 Расчет себестоимости

6.5 Расчет цены изделия

6.6 Расчет экономического эффекта

6.7 Расчет годового экономического эффекта

7. Безопасность и экологичность

7.1 Системный анализ надежности

7.2 Мероприятия по повышению надежности работы устройства

7.3 Противопожарная безопасность в лаборатории

7.4 Защита окружающей природной среды

Заключение

Список используемых источников

Приложение А

Введение

В настоящее время автомобилестроителями все более пристальное внимание уделяется безопасности водителя. Для этой цели уже разработаны многие электронные устройства, позволяющие либо уменьшить вероятность столкновения, либо облегчить последствия аварии. Одними из таких устройств являются автомобильные дальномеры (парктроники), определяющий расстояние до препятствия, находящегося на пути, и позволяющий водителю ориентироваться в потоке транспорта. Такие приборы помогают контролировать дистанцию до едущего впереди автомобиля, а также определять наличие преграды во время маневров при парковке.

При нынешних ценах на транспортные средства и всегда остающейся бесценной жизни человека использование устройства, позволяющего сберечь и то и другое, является чрезвычайно актуальным.

Еще в 1964 году американскими разработчиками был предложен дальномер, предназначенный для обнаружения препятствий и измерения расстояния до них с быстродвижущегося автомобиля. В устройстве использовался акустический метод измерения дальности. При этом масса выносного акустического блока составляла около 3 кг /1/, а электронная часть, выполненная на электронных лампах, занимала объем около 10 дм3. Сканирование пространства производилось механическим покачиванием двух пар излучателей и приемников в пределах ± 300 . Выделение в гетеродинном приемнике разностных частот позволяло измерять расстояние до преграды и скорость движения.

Однако это устройство не получило широкого распространения из-за большой массы, малой мощности и достаточно высокой цены.

В настоящее время некоторые фирмы устанавливают более совершенные дальномеры на выпускаемые автомобили. Но судя по тому, что такими приборами оснащаются только автомобили представительского класса, как например «Мерседес-600», стоимость этих устройств по-прежнему остается достаточно высокой. Другим недостатком выпускаемых парктроников является то, что они определяют, как правило, только расстояние до препятствия и не измеряют скорость сближения с ним.

Условия и цели эксплуатации автомобильного дальномера накладывают достаточно жесткие требования, как на конструкцию дальномера, так и на способ измерения расстояния. Прибор должен быть экономичен, прост в эксплуатации, устойчив к вибрации и изменению температуры, иметь по возможности меньшие габариты и массу. Устройство должно обладать разрешением по дальности, с тем, чтобы выделять только наиболее приближенный к автомобилю объект.

Задачей ВКР является разработка автомобильного дальномера, удовлетворяющего перечисленным требованиям, обладающего приемлемой стоимостью и высокой надежностью.

1. Анализ технического задания

автомобильный дальномер акустический

Согласно заданию необходимо разработать автомобильный дальномер, предназначенный для определения дальности до ближайшего объекта, а также для определения скорости сближения автомобиля с данным объектом. При этом прибор должен определять расстояние в диапазоне от 0,3 до 9,9 м и скорость от 0,1 до 5 м/с. Установленное на автомобиль такое устройство должно, предупреждая о наличии препятствия на пути, обезопасить движение в потоке транспорта или парковку.

Таким образом, необходимо обеспечить обзор участка дороги длиной примерно 10 м и шириной немного больше ширины легкового автомобиля - 2 м. При этом дальномер не должен отмечать объекты, находящиеся вне границ заданного коридора. Это условие накладывает определенные требования на диаграмму направленности устройства.

При использовании для измерения расстояния диапазона СВЧ можно синтезировать антенную систему со сканирующим лучом, обеспечивая тем самым высокоточную пространственную селекцию. Однако реализация моноимпульсного метода локации на малых расстояниях до объекта достаточно сложна из-за слишком коротких, порядка наносекунд задержек зондирующих импульсов. К тому же стоимость антенной системы и радиоэлементов СВЧ для такого дальномера будет достаточно высокой.

Используя метровый диапазон можно реализовать метод с непрерывным облучением объекта. Но реализовать узкую ДН на такой частоте без использования антенной системы больших размеров невозможно.

Перспективным видится использование в дальномере акустических волн. Обладая значительно более медленной скоростью распространения (320-350 м/с). По сравнению с электромагнитными волнами, акустические волны позволяют получить большое время задержки зондирующего сигнала, что существенно облегчает измерения.

Небольшая (0,1 - 1,7 см) длина ультразвуковых волн в воздушной среде, позволяет реализовать узкую диаграмму направленности при достаточно малых размерах акустических блоков.

Первые, практически пригодные звуколокационные устройства для работы в воздухе появились в послевоенные годы. Они обеспечивали возможность обнаружения препятствий на расстоянии до 10м и предназначались для ориентации слепых.

В дальнейшем акустические приборы этого типа усовершенствовались в направлении повышения надежности и уменьшения габаритов. Было получено несколько патентов на устройства для измерения расстояний в воздушной среде, основанных на способе небольшой частотной модуляции излучаемых колебаний по синусоидальной или пилообразной функций, в которых о расстоянии до отраженного объекта можно судить по разностному току между излучаемым и принимаемым сигналами.

К первым известным акустическим измерителям расстояний, предназначенным для промышленных целей, относятся установки УЗП-2 и АУ-1 для дистанционного профилирования стенок шахт и измерения уровней заполнения резервуаров жидкими веществами. В основу построения этих устройств положена схема эхолота, работающего по времяимпульсному способу измерения расстояний. Установка УЗП-2 содержит механический коммутатор возбуждения магнитострикционного, звукоприемник и регистратор. Запись расстояний от помещенного в вертикальный ствол шахты акустического блока до стенки ствола осуществлялась на электротермической бумаге. В установке АУ-1 были применены электродинамические приемоизлучающие элементы и электронная схема коммутаций, позволившие повысить надежность и точность измерений. К недостаткам упомянутых устройств, следует отнести большую массу их акустических блоков и сравнительно невысокую точность.

В настоящее время на рынке появились недорогие компактные пьезоэлектрические устройства с приемлемыми характеристиками, а также микропроцессоры со встроенными аналого-цифровыми преобразователями и программируемые интегральные схемы (ПЛИС), что позволяет создать высоконадежное компактное устройство с приемлемой стоимостью [2,4].

2. Выбор структурной схемы дальномера

В акустических методах измерения расстояния в воздушной среде используется активная звуколокация, то есть звуковое облучение контролируемого объекта со стороны измерительного устройства. При активной звуколокации каждый канал используется для одномерного измерения взаимного пространственного положения контролируемой преграды и измерительного устройства, то есть для определения расстояния объекта от средств измерения.

Во всех акустических методах и средствах измерения расстояний можно выделить следующие основные процедуры:

генерирование электрических колебаний, их кодирование (модуляция) и преобразование в направленные акустические волны, распространяющиеся в воздушной среде;

прием отраженных от контролируемой преграды акустических волн и их преобразование в электрические сигналы;

выделение полезного сигнала, полученного при отражении только от контролируемого объекта;

снижение или полное исключение непостоянства физических характеристик воздушной среды на результаты измерений;

получение совокупности параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого объекта (в многоканальных системах контроля);

индикация и регистрация результатов измерений.

При звуколокации в воздушной среде, как и при других способах локации, расстояние измеряется посредством определения интервала времени, затрачиваемого на прохождение соответствующего пути звуковыми волнами.

Использование такого параметра акустических волн, как их амплитуда, не может обеспечить, сколько либо точных измерений в естественных условиях из-за весьма ощутимой зависимости от состояния среды. Немодулированные звуковые колебания, излучаемые преобразователем, сами по себе являются источником информации об удалении отражающей поверхности от средств измерений. Определение расстояний обеспечивается при модуляции акустических сигналов тем или иным способом и измерении времени, прошедшего с момента излучения промодулированных колебаний до момента их приема. При этом предполагается, что скорость распространения колебаний в среде известна.

При использовании автодальномера было бы желательно наличие параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого объекта не только по дальности, но и по углу. Это может быть обеспечено либо использованием нескольких (как минимум двух) каналов измерения, либо применением качающейся в горизонтальной плоскости диаграммой направленности акустического блока. Первый вариант более предназначен для использования в автомобиле, так как он обладает большей надежностью.

Необходимость исключения непостоянства акустических характеристик среды заставляет вводить в систему дополнительный называемый измерительный канал, позволяющий вводить коррективы в информацию о расстоянии, полученную из основного рабочего канала. Измерительный канал содержит передающий и приемный акустические блоки, расположенные на некотором фиксированном расстоянии друг от друга. Измеряя расстояние при помощи такого канала (реальное расстояние известно) можно определить скорость звука в воздушной среде при конкретных погодных условиях.

Измерение скорости можно выполнять двумя способами: использовать изменение частоты отраженного от движущегося объекта сигнала (эффект Доплера) или находить разность в местоположении объекта в различные моменты времени. Более предпочтительным представляется второй вариант, как не требующий дополнительных аппаратных усложнений.

Обработку полученной информации целесообразно выполнять цифровыми методами вследствие их более высокой точности и более широких возможностей. При этом возникает необходимость преобразования аналоговых сигналов, полученных от датчиков расстояний в цифровые. Это требует использования в схеме дальномера аналого-цифровых преобразователей (АЦП) [3]. Для обработки результатов измерений и их отображения требуется выполнение определенных математических преобразований и операции. Это предполагает использование в схеме дальномера микропроцессоров с встроенными АЦП. Такие микропроцессоры выпускаются промышленностью (например, PIC-контроллеры, AVR- контроллеры, ARM-контроллеры, STM-контроллеры). При выборе типа микропроцессора будем руководствоваться следующими принципами: количество встроенных АЦП, разрядность, объем встроенной памяти и, конечно стоимость).

Анализ характеристик перечисленных микропроцессоров, позволяет сделать выбор в пользу PIC-контроллеров. В таблице 2.1 приведены параметры контроллеров.

Таблица 2.1 - Параметры контроллеров серии PIC16F87

Параметр	PIC16F870	PIC16F873	PIC16F876	PIC18F252
Максимальная тактовая частота, МГц	20	20	20	40
Сброс (задержка сброса)	POR, BOR (PWRT, OST)	POR, BOR (PWRT, OST)	POR, BOR (PWRT, OST)	POR, BOR (PWRT, OST)
Флэш-память программ	2KЧ14	4KЧ14	8KЧ14	16KЧ16
Количество банков памяти программ	1	2	4
Память данных	128	192	368	1536
Количество банков памяти данных	1	2	4
EEROM	64	128	256	256
Модуль таймеров	1-16 bit 2-8 bit WDT	3-16 bit 1-8 bit WDT	3-16 bit 1-8 bit WDT	3-16 bit 1-8 bit WDT
Векторы прерываний	1	1	1	2
Кол-во АЦП	5(10 bit)	5(10 bit)	5(10 bit)	5(10 bit)
Модуль ШИМ, 10 бит	1	1	1	2
Serial I/O	USART	USART, MI2C/SPI	USART, MI2C/SPI	USART, MI2C/SPI

Вместе с тем в силу ограниченного быстродействия микроконтроллер не позволяет формировать требуемые для проектируемого устройства импульсные сигналы в реальном масштабе времени. По этой причине в качестве элементной базы для формирования сигналов в реальном масштабе времени целесообразно использовать ПЛИС.

При анализе технического задания было определено, что наиболее подходящим для проектируемого дальномера является использование акустического метода измерения расстояний. Выбирая рабочую частоту, следует учитывать тот факт, что с одной стороны с ее ростом уменьшаются размеры излучателей и датчиков ультразвуковых колебаний, а с другой стороны довольно резко увеличивается коэффициент затухания акустических волн в воздушной среде. Наиболее приемлемым частотным диапазоном для ультразвуковой локации является диапазон 20-50 кГц. При конкретном выборе несущей частоты необходимо учитывать наличие промышленно выпускаемых излучателей и датчиков ультразвуковых колебаний. Анализ показал, что наибольшее количество таких для несущей частоты 40 кГц. В качестве метода измерения расстояний в проектируемом дальномере используется импульсный метод звуколокации, как наиболее простой, эффективный и экономичный.

Проектируемый дальномер должен обеспечивать безопасность перемещения автомобиля в пространственном коридоре, размеры которого оговариваются в техническом задании. В данном случае возникает необходимость обзора пространства, имеющего в горизонтальной плоскости прямоугольную форму, с размерами примерно 2 x 10 метров, где 2 м - ширина коридора,10 м - его длина.

На рисунке 2.1 изображена модель обзора пространства акустическими блоками, имеющими различные диаграммы направленности.

Рисунок 2.1 - Модель обзора пространства

При использовании пьезопреобразователя с шириной ДН равной и 1 в зону наблюдения попадут участки пространства, лежащие вне границ коридора. Это может привести к тому, что предметы, находящиеся в стороне от движения автомобиля будут восприниматься устройством как препятствия. В случае использования акустического блока с шириной ДН и 2 такой проблемы не возникает. При этом, однако, остаются в тени объекты, расположенные справа и слева от главного луча ДН. Представляется целесообразным использовать две дополнительные акустические головки, расположенные, как показано на рисунке 2.1 и имеющие ширину основного лепестка ДН по уровню половинной мощности и 2 (рисунок 2.2).



Рисунок 2.2 - Расположение дополнительных акустических блоков

Передняя граница коридора AD расположена на расстоянии OG от автомобиля. Этот отрезок является минимальным расстоянием, определяемым дальномером, и равен в соответствии с техническим заданием 0.3 м. Необходимую ширину ДН основного акустического блока и1 можно найти по формуле

(2.1)

где BE - половина ширины коридора, OE соответствует его длине.

При размерах коридора 2х10 м формула (2.1) дает следующее значение 11,4°.

Ширина диаграммы направленности двух дополнительных головок, расположенных на расстоянии 0.5м справа и слева от основной определяется по формуле:



и равна 90°.

Размеры секторов, просматриваемых дополнительными акустическими головками, можно ограничить глубиной обзора R (см. рисунок 2. 2) равной 2 м, уменьшив тем самым ширину облучаемого дальномером коридора.

При таком ограничении сектора обзора два участка коридора оказываются в зоне тени. С этим приходится мириться, так как избавиться от них можно лишь используя большое количество узконаправленных акустических блоков, что значительно повысит стоимость устройства.

Таким образом, для обеспечения сектора обзора, достаточно точно соответствующего заданному, необходимы один акустический преобразователь с шириной ДН равной примерно 11° и два с шириной ДН равной 90°.

Структурная схема дальномера представлена на рисунке 2.3

Рисунок 2.3 - Структурная схема дальномера

Здесь РК1 - РК3- рабочие каналы, ИК - измерительный канал.

Измерительный канал служит для измерения скорости звука перед началом работы рабочих каналов. Рабочие каналы предназначены для непосредственного измерения расстояния для препятствий и скорости сближения с ним. Структура измерительного и рабочих каналов одинакова. Они содержат пьезокерамические преобразователи для излучения (ПКП) ультразвукового сигнала и его приема (ПКП), усилители принятых сигналов (У), усилители мощности (УМ) и детекторы (Д).

Информация из четырех каналов поступает на входы АЦП микроконтроллера, где выполняется преобразование отраженного сигнала в цифровую форму и измеряется время задержки сигналов, принятых в каждом из каналов. Полученные результаты обрабатывается микроконтроллером и через его порты выводятся на индикаторы ИНД1, ИНД2, а также на генератор звуковой частоты ГЗЧ. Индикатор ИНД1 показывает расстояние до препятствие, индикатор ИНД2 - скорость сближения с препятствием, а ГЗЧ включается, когда возникает опасная ситуация. Для формирования сигналов пачек ультразвуковых сигналов используется программируемая интегральная микросхема ПЛИС. В ней по командам их микроконтроллера формируются пачки ультразвуковых импульсов, которые через усилители мощности УМ подаются на ПКИ. Помимо этого предусмотрена возможность вывода информации о положении автомобиля на матричный LCD-дисплей, который может отображать визуально информацию о положении автомобиля относительно возможных препятствий.

Для исключения взаимных помех между измерительным и рабочими каналами излучаемые ИК и РК каналами сигналы разнесены во времени. При включении дальномера сначала включается измерительный канал, выполняется измерение скорости звука в текущий момент времени, а затем начинают работать рабочие каналы.

Как в измерительном, так и в рабочем канале передающий и приемный тракт используют раздельные ультразвуковые излучатели. Это решение позволило упростить схемотехническую реализацию дальномера и избежать известных издержек, возникающих при использовании общего излучателя: построения коммутатора мощных сигналов, борьбы с переходными процессами в приемном тракте, дополнительных шумов, создаваемых на входе приемника передающим трактом и т.д.

3. Функциональная схема дальномера

3.1 Описание функциональной схемы

Функциональная схема дальномера показана на рисунке 3.1. По функциональному признаку в дальномере можно выделить следующие устройства:

ОКГ - опорный кварцевый генератор;

ФПЗИ - формирователь пачек зондирующих импульсов;

Передатчики измерительного (ИК) и трех рабочих (РК) каналов;

Приемники измерительного (ИК) и трех рабочих (РК) каналов;

Формирователь пачек зондирующих импульсов (ФЗПИ);

Измерительно-вычислительный блок (ИВБ).

Проектируемый дальномер состоит из трех рабочих каналов (РК1- РК3) служащих для измерения расстояния и одного измерительного канала (ИК), предназначенного для определения скорости звука в воздухе, а также из устройства обработки данных и блока синхронизации.

Измерительный канал содержит два идентичных биморфных акустических преобразователя: приемник и излучатель, расположенных на расстоянии 1м друг от друга.

Пьзокерамический излучатель (ПКИ) является нагрузкой усилителя мощности (УМ), который управляется сигналом модулятора (М). Сигнал, принятый приемником, усиливается и поступает на полосовой фильтр, настроенный на рабочую частоту дальномера. Затем сигнал ограничивается по амплитуде (ОГР) и детектируется. Выделенная детектором огибающая сигнала подается на компаратор, где формируется прямоугольный импульс, равный по длительности принятому сигналу.

Все рабочие сигналы построены одинаково и отличаются от измерительного тем, что в них использован один акустический преобразователь, работающий как на прием, так и на передачу, отсюда и необходимость в использовании коммутаторов (К). Усилители рабочих каналов содержат также цепи ВАРУ, управляющий сигнал на которые вырабатывается генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Применение ВАРУ обеспечивает получение на выходе усилителя сигналов, амплитудное значение которых не зависит от величины измеряемого расстояния.

Рабочие каналы функционируют в параллельном режиме. Выходы трех каналов подключены к схеме сравнения (СС), в которой определяется, по какому каналу был первым принят отраженный сигнал. Это позволяет определить сектор коридора, в котором обнаружено препятствие.

Формирователь пачек зондирующих импульсов ФПЗИ содержит два делителя частоты ДЧ1, ДЧ2, счетчик импульсов СЧ, формирователь импульсов ФИ и логический элемент 4И. Передатчики измерительных и рабочих каналов идентичны. Каждый из них содержит усилитель мощности УМ и пьезокерамический излучатель ПКИ.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема дальномера

Измерительно-вычислительный блок (ИВБ) содержит один измерительный (ИК) и три рабочих (РК1, РК2,РК3) канала, подключенных к вычислительному блоку, а также блок управления приемом-передачей (БУПП). Измерительный и каждый из рабочих каналов содержат приемники, включающие в себя пьзокерамический преобразователь (ПКП) и усилитель (У), выход которого подключен через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и пороговое устройство (ПУ) к входу счетчика. Счетчик выполняет роль накопителя сигналов и подсчитывает количество принятых приемником отраженных от препятствия зондирующих импульсов, превысивших установленный в ПУ порог. Выход счетчика подключен к вычислительному блоку, в котором измеряется задержка между зондирующими и отраженными импульсами и вычисляется дальность до препятствия.

Блок управления приемом-передачей (БУПП) управляет работой всех узлов схемы. Он формирует команды на излучение пачек зондирующих импульсов для передатчиков каждого из каналов, команды для сброса счетчиков принятых импульсов, команды для измерения времени задержки отраженных от препятствия сигналов по каждому каналу, а также команды вывода информации на индикаторы.

ФЗПИ реализован на базе ПЛИС, ИВБ на базе микроконтроллера PIC16F870.

Для исключения взаимных помех излучение и прием сигналов в измерительном и рабочих каналах разнесены во времени: они работают поочередно. При включении дальномера сначала включается измерительный канал, который используется для измерения скорости звука перед началом измерений, а затем поочередно с периодом 0,1 начинают работать рабочие каналы. Таким образом, исключаются взаимные помехи между каналами, а дискретность получения информации о текущей дальности до возможных препятствий и скорости сближения с ним не превышает 0,3 с.

На рисунке 3.2 приведены временные диаграммы сигналов в контрольных точках ФЗПИ.



x1 - выход ДЧ1; x2 - выход ДЧ2; x3 - выход СЧ;

Y1 -выход ФИ; Y2 - выход ФЗПИ

Рисунок 3.2 - Временные диаграммы сигналов контрольных точках ФЗПИ

Работа микроконтроллера управляется тактовой частотой 1 МГц которая формируется опорным кварцевым генератором ОКГ. Эта частота, проходя через двигатель ДЧ1с коэффициентом деления 25, поступает на один из входов логического элемента 4И в качестве несущей частоты. Делитель частоты ДЧ2 с коэффициентом деления 10 формирует тактовую частоту следования 4 кГц зондирующих импульсов. При измеряемом расстоянии lmax = 10 м и минимальной скорости звука v = 3.3 м/с это позволяет получить число счетных импульсов 255, максимально используя тем самым разрядность процессора.

Совместно с процессором работает программируемая интегральная схема (ПЛИС), которая используется для формирования управляющих сигналов. Она же выполняет функцию буферного регистра данных. Управляющие сигналы из нее поступают на дешифратор шины управления, сюда же подключается адресная шина.

Работа автомобильного дальномера организуется с программой, записанной в ПЗУ. Программа выполняется циклически. В начале каждого цикла работы программы определяется скорость звука в воздухе. Для этого процессор обращается к порту ввода с определенным адресом. Сигнал обращения выделяется дешифратором и поступает в блок ФЗПИ, который формирует импульс длительностью 70мс (см. рис. 3.2) который подается на вход формирователя импульсов

Следующим этапом работы программы является собственно определение расстояния до ближайшего объекта. Для этого процессор обращается к порту ввода с некоторым другим адресом. Сигнал обращения выделяется в блоке дешифратора. Далее процесс аналогичен выше описанному, вплоть до получения информации со счетчика (СЧ). Получив эту информацию, вычислительный блок обращается к третьему порту вывода. Сигнал обращения выделяется блоком дешифратором и поступает на триггер, устанавливая единицу на его выходе. Формирователь импульсов ФЗПИ (tи = 0.1с) формирует импульс по предыдущему обращению процессора. Длительность этого импульса задает временной интервал между двумя измерениями расстояния рабочими каналами. Этот интервал необходим для определения скорости сближения с объектом. По окончании этого импульса и по положительному уровню на выходе триггера формируется запускающий сигнал, позволяющий получить пачку импульсов с длительностью 1 мс с интервалом 70 мс, необходимую для измерения расстояния.

По полученным результатам измерений процессор определяет необходимость выдачи сигнала об опасности, который подается через УВВ и дешифратор кодов (ДШ) на светодиодный индикатор в виде двухдекадного слова: о расстоянии в [дм], о скорости в [дм/с].

3.2 Расчет мощности передатчика

Мощность передатчика дальномера должна быть достаточной, чтобы обеспечить необходимое отношение сигнал/шум на входе приемника при отражении зондирующего сигнала от препятствия, расположенного на расстоянии 10 м от автомобиля. Шум на входе приемника можно считать нормальным, т. к. биморфный преобразователь имеет достаточно узкую полосу пропускания ?f = 3,2 кГц. Параметры сигнала за исключением амплитуды и начальной фазы известны. Информативным является время прихода зондирующего сигнала, отраженного от препятствия.

Для определения порогового отношения сигнал/шум необходимо задаться некоторой вероятностью ложной тревоги Рлт . Для дальномера целесообразно принять Р лт = 10-2 .

Под ложной тревогой применительно к рассматриваемой схеме автодальномера понимается превышение шумом порога хотя бы один раз на интервале от 0 до Тмах (период ожидания отраженного сигнала), равном 0,064с.

Полоса пропускания полосового фильтра приемного тракта выбирается равной ?f = 2 кГц. Откуда ширина спектра шума после детектирования

?f = 1 кГц. Таким образом, на интервале 0 - Т мах будет N= 0,064* ?f = 64

независимых отсчета шума.

Вероятность ложной тревоги в том случае есть вероятность превышения шумом порогового уровня хотя бы 1 раз на интервале 0 - Тмах равна:

Рлт = 1-(1-Fi)N , (3.1)

где Fi - вероятность превышения шумом порога в одном отсчете,

N - число отсчетов.

Если принять Рлт = 10-2, , то из формулы (3.1) можно получить значение Fi=1,57*10-4

Зависимость вероятности ложной тревоги от порогового отношения синал/шум выражается формулой (8)

Рлт = [1-Ф(о0)] (3.2)

где - интеграл вероятности,

о0 - пороговое отношение сигнал/шум.

Подставляя в формулу (3.2) вместо Рлт значение Fi=1,57*10-4 можно определить необходимое отношение сигнал/шум на выходе приемника

qвых. = о0 =3,55

Для дальнейших расчетов необходимо пересчитать отношение сигнал/шум, полученное ранее по входу приемника. Величина qвых. Зависит от и типа приемника (8), который в рассматриваемом случае является детекторным, и определяется формулой

(3.3)

где ?fпр = 2кГц - полоса пропускания приемника,

фu - длительность принимаемого импульса (1мс).

Из формулы (3.3) пороговое отношение сигнала/шум на входе приемника gпор = 3,48. Зная величину СКО шума, вызванного работой двигателя автомобиля уz (см. п.7.3) можно найти пороговое напряжение сигнала. уz = 30 * 10-6 В, Uпор ? уz gпор , следовательно Uпор ? 104мкВ.

Вероятность правильного обнаружения находится по формуле

(3.4)

где g - отношение сигнал / шум на выходе приемника.

Используя формулы (3.2) и (3.4) можно рассчитать семейство характеристик обнаружения для различных значений о0 (рисунок 3.3), где показана зависимость вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/шум для вероятностей ложной тревоги Рлт=10-2, 10-3 ,10-4 , 10-5 . Им соответствуют кривые 1,2,3 и 4.

Рисунок 3.3 - Характеристики обнаружения

В устройстве используется импульсивный метод определения расстояния. Выбор длительности зондирующего импульса ограничен с одной стороны минимальным определяемым расстоянием lмин = 0.5м, а с другой стороны полосой пропускания биморфного преобразователя ?fлк ? 3.2 кГц. При этих условиях целесообразным представляется выбор tи = 1 мс.

Для такой длительности импульса глубина мертвой зоны дальномера при скорости звука v = 355 м/с составляет около 20 см. Полоса пропускания приемника для tи = 1 мс выбирается из соотношения [1].

Используя найденное ранее значение порогового напряжения на входе приемника Uпор, определим мощность передатчика дальномера с учетом затухания акустических волн в воздушной среде.

Уменьшение плотности потока энергии упругих колебаний при звуколокации в воздушной среде определяется следующими основными факторами |1|: поглощением звука в среде, расширением фронта волны, неполной отражающей способностью поверхности контролируемого тела.

Затухание звука в воздухе пропорционально частоте и в сильной степени зависит от его влажности и температуры. Коэффициент поглощения в воздушной среде на частоте 25 кГц ; [1].

Потери на расширение фронта волны связанны с увеличением поверхности, по которой распределяется акустическая энергия. Очевидно, что диаметр Д озвучиваемой поверхности, расположенной в области излучателя звука и получаемой в результате отражения волны от преграды будет

где d - диаметр излучателя,

l - расстояние до озвучиваемого объекта,

в - половина ширины Дн излучателя по уровню половинной мощности [1]

При диаметре приемника звука, равном диаметру излучателя, отношение квадрата d/D дает долю энергии, попадающей на поверхность приемника, от полного значения излученной энергии [1], т.е.

(3.5)

Это отношение характеризует плотность потока отраженной от преграды энергии в области излучателя (приемника) звука. Отношение (3.5) для гладких жестких отражающих поверхностей может быть названо коэффициентом геометрического ослабления, который, очевидно, полностью определяется расширением фронта волны.

Однако такое выражение справедливо для плоской преграды, размеры которой соответствуют “озвучиваемому” пятну на расстоянии l от излучателя. На практике же отражающая площадь объекта будет меньше. Принимая эту площадь равной Sмин = 0.01м2, что соответствует размера 10х10 см, можно определить коэффициент обусловленный размерами наблюдаемого объекта:

(3.6)

где Sп - площадь пятна, образуемого звуковым пучком на некотором расстояние l от излучателя.

Еще одним фактором, ослабляющим мощность зондирующего импульса, является неполная отражающая способность поверхности объекта. Обычно на практике используют коэффициент отражения акустического сигнала от облучаемого объекта равный 0.7.

Таким образом, общее ослабление звука, отраженного от объекта, находящегося на расстоянии l от излучателя, определяется в рассматриваемом случае как произведение уровня поглощения плоской волны в воздушной среде, коэффициента геометрического ослабления, коэффициента, обусловленного небольшими размерами облучаемого объекта и коэффициента отражения от поверхности объекта [1]:

(3.7)

Мощность сигнала в зоне приемника, необходимая для обеспечения нормальной работы дальномера находится из условия, что напряжение сигнала на входе приемника должно быть не меньше Uпер = 104 мкВ. Сопротивление биморфного излучателя (приемника) на резонансной частоте Rпк = 800 Ом, а его КПД з ? 0.1 [1].Таким образом, необходимая мощность в зоне приемника

Мощность передатчика можно найти как

(3.8)

где Pизл находится из формулы (3.7) при известном .

Необходимо произвести расчет мощности передатчика каждого из четырех каналов дальномера, один из которых, основной, работает на дальность до 10м и имеет акустическую головку с шириной DH и0.5 = 11.40 (d = 8см); два других канала, дополнительных, работают на дальность до 2м и обладают акустическими блоками с и0.5 = 900 каждый; четвертый канал, измерительный, содержит приемник и излучатель, разнесение на 1м, и0.5= 900 и для приемника и для излучателя.

Для излучения основного канала (l = 10м) выражение (3.7) дает следующее значение ослабления мощности:

Мощность передатчика согласно (3.8)

Для излучения дополнительных каналов коэффициент Кs по формуле (3.6) равен . Согласно (3.7) ослабление мощности акустического сигнала (l= 2м) равно

Мощность передатчика дополнительного канала по формуле (3.8)

Для излучения измерительного канала формула (3.7) запишется в виде

Откуда

Следовательно, мощность передатчика измерительного канала должна быть

Коэффициент усиления приемной части дальномера можно найти из условия, что амплитуда сигнала на входе детектора должна быть не менее 5В, что бы после детектирования обеспечить срабатывание триггера. Если минимальный сигнал на выходе приемника принять равный , то коэффициент усиления приемной части равен:

3.3 Расчет погрешностей

В рассматриваемом устройстве основными причинами возникновения погрешностей измерения расстояния является ограниченное число акустических головок, влияние ветровых воздействий на скорость звука в воздухе и дискретность представления информации о расстоянии.

Ограниченное число акустических головок рабочих каналов (три) приводит к тому, что наблюдаемый объект, расположенный в стороне от основной оси преобразователя будет находиться к автомобилю на более близком, чем измеренное расстоянии. На рисунке 3.3 показано положение препятствия в точке характеризуемой наибольшей погрешностью измерения расстояния.

Объект, расположенный в точке А (см. рисунок 3.4) фактически находится на расстоянии СО = 0.5м от автомобиля, так как AB - ближняя граница обозреваемого коридора. Дальномер же определит это расстояние равный Таким образом, погрешность измерения составит 41% от минимально измеряемого расстояния. Очевидно, что погрешность, обусловленная геометрическим фактором, будет уменьшаться при увеличении расстояния до объекта, а так же при уменьшении угла отклонения объекта от основной оси акустического блока.

1 - акустический блок

Рисунок 3.4 - Положение препятствия в точке с наибольшей погрешностью

Так расстояние до объектов, попавших в сектор с углом и2, будет определяться с погрешностью меньшей или равной 10%, если и2 =500. При этом расстояние DE (см. рис 3.3) равно примерно 1м. Таким образом, можно сказать, что расстояние более 1м определяется дальномером с геометрической погрешностью не более 10%.

Аппаратурное уменьшение геометрической погрешности возможно при увеличение числа акустических головок дальномера, что неизбежно приведет к удорожанию устройства.

Другим фактором, вызывающим появление ошибки при определении расстояния акустическим методом являются ветровые воздействия. В общем случае на скорость звука оказывают влияние как продольная, так и поперечная составляющие ветра. Для ветра, вектор скорости которого составляет угол ц к акустической оси преобразователя, общее увеличение времени пробега волн составит согласно [1]

(3.9)

где х - скорость ветра,

с - скорость звука.

Для х = 35 м/с и с = 350 м/с формула (3.9) дает максимальное значение Sветр=0.11 или 1.1% при ц = 300. Такая погрешность является величиной случайной и вызывается внешними факторами.

Погрешность, связанная с дискретностью представления информации о расстоянии является аппаратурной и находится из условия, что один разряд соответствует расстоянию lдискр ? 0.04м. Откуда погрешность дискретизации составляет 7.8% от минимального измеряемого расстояния.

Рассмотренные погрешности определялись по принципу минимакса, то есть найденные значения являются максимально возможными.

Таким образом, суммарная погрешность измерения расстояния проектируемым дальномером составляет

3.4 Расчет биморфного пьезокерамического вибратора

Биморфным называется вибратор, состоящий из пьезоэлемента и металлической мембраны, склеенных между собой, и преобразующий электрические колебания в акустические волны [1]. Такие вибраторы не нормируются по частоте, а изготавливаются, из необходимой собственной частоты.

Собственная резонансная частоты биморфного вибратора зависит от размеров и физических свойств его составных элементов и определяется формулой (3.9).

(3.10)

где D - коэффициент, определяемый как ; ; ;

- характеристическая частота вибратора, зависящая от отношения радиусов пьезоэлемента и металлической мембраны;

h1 и h2 - толщина металлической мембраны и пьезоэелемента соответсвенно; E1, E2;

, - модули упругости и коэффициенты Пуассона мембраны и пьезоэлемента соответственно,

- плотность материала мембраны.

На рисунке 3.5 показана конструкция вибратора.



Рисунок 3.5 - Биморфный вибратор

Символ Р0 (см. рисунок 3.5) обозначает звуковое давление, создаваемое преобразователем, стрелкой указано направление его распространения.

Необходимо определить размеры пьезоэлемента и металлической мембраны по заданной частоте ?рез = 40кГц, являющейся рабочей частотой проектируемого дальномера.

Справочное значение величин E1, E2, , , находятся по таблицам [9]

E1 = 2*1011 н/м2; E2 = 1.09*1011 н/м2; ; ; кг/м3 (для стали). В этой же литературе приведены рекомендуемые для использования толщина диска пьезоэлемента h2 = 1*10-3 м и мембраны h1=1*10-4 м, отношение , а также величина , равная 0.71 для отношения

По приведенным выше данным, используя формулу (4.1) можно найти радиус металлической мембраны как функцию собственной частоты вибратора

Откуда для (рад/с), тогда м, а радиус пьезоэлемента ф2=0,75• ф1=0,01м

Биморфный вибратор имеет сложную, раздвоенную в осевом направлении ДН. Поэтому его используют совместно с рупором, изготавливаемым из металла и имеющему угол раскрыва 450 [9].Такой рупор имеет диаметр горловины равный dr = 0.8л, где л - длина волны излучаемого колебания в воздушной среде, и диаметром раскрыва d, определяемый из формулы (3.9)

(3.11)

где - ширина ДН рупорного излучателя с диметров раскрыва d.

Для обеспечения необходимого обзора пространства проектируемый автомобильный дальномер должен иметь акустические головки с шириной Д11 ? и ?. Диаметры раскрыва рупоров, обеспечивающих указанные ДН находятся по формуле (3.11)

Диаметр раскрыва рупора, обеспечивающего ширину ДН 900 равен d2?0.91см, а это меньше чем диаметр горловины рупора (dr = 1.096 см). Ясно, что реализовать такую ДН с помощью рупорного биоморфного излучателя невозможно. Однако можно воспользоваться рупором, размер d которого равен 2.4 см.

Из ДН такого вибратора видно, что уровень сигнала, излучаемого (принимаемого) таким преобразователем в пределах -45? до +45? от оси вибратора составляет не меньше 0.5 от максимума, что позволяет использовать такой рупор в проектируемом устройстве.

Таким образом, в качестве акустических преобразователей в автомобильном дальномере можно использовать биоморфные рупорные вибраторы с размерами: м; м; м; м; м; м; м.

4. Программное обеспечение дальномера

4.1 Описание работы программы

Разработка программного обеспечения дальномера в проекте ограничилась разработкой программы, реализующей функционирование блока формирования зондирующих импульсов на ПЛИС, управление работой дальномера и вывод результатов измерений на индикатор.

В основу построения программы был положен принцип минимизации контактов внешнего интерфейса нашей программы до самых необходимых сигналов и не более того. Основными сигналами интерфейса, в соответствии со структурной схемой устройства, выбраны следующие:

- ADDR [2:0] - Трехразрядный сигнал, каждый из разрядов которого при появлении логической единицы указывает направление приема сигнала.

- SON [3:0] - Сигнал запуска излучателей. При появлении 1 в трех младших разрядах активируются излучатели рабочих каналов. При 1 старшем разряде активируется измерительный канал.

- DB [7:0] - информационная шина дисплея.

- A0 - выбор регистра данных\ команд.

- RD \ WR - чтение\запись

- E - строб разрешения чтения\записи

- CS - выбор кристалла левый\правый

-RES - сброс.

Структура программы показана на рисунке 4.1

Основной модуль - TOP. Он объединяет в себе все остальные модули программы, а также является, в некотором смысле, интерфейсным модулем. В его состав входят модули: TRANSMITER и DISPLAY.

Модуль TRANSMITER предназначен для выдачи команд к излучению зондирующих импульсов. Устройство модуля достаточно простое: два входа, три выхода, три триггера, одна машина состояний, один счетчик. Основным функциональным компонентом модуля является машина состояний, предназначенная для переключения состояний работы модуля. Имеется три состояния работы:

- IDLE - ожидание начала работы

- MEASURE - излучение импульса измерительного канала

- WORK - обычное рабочее состояние, в котором одновременно, с периодом 1мс генерируются импульсы запуска излучения приемопередатчиков

Рисунок 4.1 - Структура программы для ПЛИС

В состоянии IDLE не происходит отправки никаких команд. После сброса RST устройство переходит в состояние MEASURE. В состоянии MEASURETRANSMITER выдает только одну команду к излучению импульса измерительного канала длительностью 500 мкс. Впрочем, длительность всех импульсов равна 500 мкс, длительность периода следования импульсов равна 1 мс, что обеспечивает частоту следования излучаемых импульсов 1 кГц. Частота следования этих импульсов формируется счетчиком тактовых импульсов 40 МГц. Досчитывая до 20 тысяч тактовых импульсов (1/2 периода 1 кГц) счетный триггер меняет свое выходное значение на противоположное. Соответственно, изменяя значения длительности половины периода, можно менять длительность и частоту следования излучаемых импульсов. После выдачи одного импульса в состоянии MEASURE устройство переходит в состояние WORK, в котором параллельно в трех каналах выдает в последовательности импульсов излучения.

Рисунок 4.2 - Временные диаграммы сигналов

Для проверки программы создается специальный модуль, называемый TB (TestBench), в котором пользователь сам задает необходимые внешние служебные сигналы (RST,CLK) и сигналы воздействия, т.е. «реальные » сигналы для своей программы. В нашем случае таковыми сигналами воздействия и являются сигналы ADDR[2:0] от микроконтроллера. Мы сами зададим эти сигналы, так как нам надо и в какой нам нужно момент времени для того, чтобы увидеть отклик программы на них. Таким образом, модуль TB является внешним модулем.

Вторым модулем раздела ТОР является модуль DISPLAY, отвечающий за выдачу сигналов управления нашим дисплеем. Итак, для начала изобразим, что же мы хотим видеть на нашем дисплее. Внешний вид отображаемых визуальных сигналов показан на рисунке 4.3:

Рисунок 4.3 - Внешний вид индикатора

При препятствии справа моргает правая стрелка, при препятствии слева -моргает левая стрелка, при препятствии по центру- моргает стрелка в центре. Это один из вариантов отображения информации, и его так же можно при желании изменить.

Далее необходимо определить, как и в какой последовательности необходимо подавать сигналы для запуска дисплея, его начальной настройки, и необходимого нам отображения в рабочем режиме.

В таблице 4.1 приведены команды, которые необходимо подавать к плате МТ-12232А:

Таблица 4.1

Алгоритм работы модуля DISPLAY показан на рисунке 4.4.



Рисунок 4.4 - Алгоритм работы модуля DISPLAY

Итак, изначально необходимо установить внутренний бит REST дисплея в состояние 0. Для этого внутри модуля DISPLAY создадим девятиразрядный счетчик импульсов тактовой частоты (40МГц), по достижении которым значения 500 (описание требует, чтобы длительность удержания RESET после включения была не менее 10мкс, а при 500 она равна 12.5мкс) бит RESET устанавливается в лог.0.

Далее, необходимо выполнять следующую последовательность команд.

1) Подать на вход Eстроб разрешения чтения/записи.

2) Подать команду снятия флага RMW, для чего параллельно подаем на входы платы значения: RD/WR = 0, A0 = 0, DB[7:0] = 11101110. Как видим, у нас выбран режим записи команды.

3) Запишем команду выбора обычного режима работы, подав к ножкам платы сигналы : RD/WR = 0, A0 = 0, DB[7:0] = 10100101.

4) Подадим команду выбора мультиплекса для модуля МТ-12232А: RD/WR = 0, A0 = 0, DB[7:0] = 10101001.

5) Включим дисплей:RD/WR = 0, A0 = 0, DB [7:0] = 10101111.

6) Выберем рабочий кристалл установкой входа CS = 0. Теперь каждый пиксел экрана в состоянии 0 отображается как «белый», в состоянии 1 как «черный».

Дисплей готов к работе (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5- Вид дисплея

Последовательность обращений к устройству в рабочем режиме (после конфигурации).

1) Задается стартовая строка (первую), относительно которой будет производиться инкрементация номера отображаемой строки: RD/WR = 0, A0 = 0, DB[7:0] = 11000001.

2) Устанавливается направление инкрементации номера столбца при отображении: RD/WR = 0, A0 = 0, DB[7:0] = 10100001. Инкрементацию производим слева-направо.

3) Подаются данные для записи.

Данные для записи выполняются в следующей последовательности.

1) Выбираем номер страницы: RD/WR = 0, A0 = 0, DB[7:0] = 10100[PAGE [2:0]].

2) Выбираем номер столбца: RD/WR = 0, A0 = 0, DB[7:0] = 0[COLUMN_ADDRES [6:0]].

3) Записываем наши данные: RD/WR = 0, A0 = 1, DB[7:0] =[DATA [7:0]].

5. Экспериментальные исследования

5.1 Измерение СКО шума автомобиля

Для того чтобы автомобильный дальномер, использующий акустический метод определения расстояний, обеспечивал необходимые вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги, необходимо знать СКО шума на входе приемника. В данном случае собственными шумами приемника можно пренебречь за их малостью по сравнению с внешними акустическими шумами, создаваемыми в основном двигателем автомобиля, на который установлен дальномер.

Целью данного эксперимента являлось определение СКО акустического шума автомобилей трех различных марок, в трех полосах частот. Для этого использовались три биморфных пьезокерамических вибратора с собственными резонансными частотами fрез1 = 20 кГц, fрез2 = 25 кГц, fрез3 = 30 кГц, автомобили следующих марок: ГАЗ-31029 2013 года выпуска, ВАЗ Priora 2015 года выпуска и ВАЗ-2114 2014 года выпуска, осциллограф С1-49 и усилитель с коэффициентом усиления по напряжению 100, собранный на микросхеме К548УН1А.

На рисунке 5.1 показана схема для измерения уровня (СКО) шума автомобиля.

Рисунок 5.1 Схема для измерения СКО шуму автомобиля

Биморфный акустический преобразователь, используемый в качестве приемника акустических сигналов, подключается к усилителю, выходной сигнал которого контролируется осциллографом.

Высокая, порядка 7, добротность биморфных преобразователей позволяет производить измерения уровня шума в полосе частот равной примерно 3 кГц, отказавшись от избирательных цепей в тракте усиления. Благодаря узкополосности вибраторов (см. рис. 5.2) шум, прошедший на вход усилителя, нормализуется, что в свою очередь, дает возможность использовать для определения СКО шума правило 3у , согласно которому за 3у принимается максимальная амплитуда реализации шума. Руководствуясь этим правилом у шума находится делением на 3 амплитуды реализации шума на экране осциллографа при большем времени развертки.

Результаты измерений приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 Результаты измерений

Автомобиль	уш, мкВ
	Fср = 35кГц	Fср = 40кГц	Fср = 45кГц
ГАЗ-31029	20	18	15
ВАЗ- Priora	25	20	17
ВАЗ-2114	33	30	23

Во время измерений уровень фона (уш при выключенном двигателе исследуемого автомобиля) в пересчете ко входу приемника составил 10 мкВ на трех рассматриваемых частотах.

Анализируя полученные результаты можно сказать, что уровень собственного акустического шума автомобиля уменьшается с ростом частоты. Это объясняется достаточно большой массой подвижных частей двигателя , вызывающих шум., а также сравнительно небольшой скоростью их вращения (движения).

Заметна также тенденция к увеличению уш от возраста автомобиля: более старый создает больше шума. Происходит это, вероятно, из-за того, что в процессе старения нарушается гладкость и подогнанность трущихся деталей, что приводит к увеличению уровня создаваемых акустических шумов автомобиля.

Результаты проведенного эксперимента являются определяющими при выборе рабочей частоты дальномера.

6. Технико-экономическое обоснование

6.1 Концепция экономического обоснования разработки научно-технического продукта

Целью подраздела является постановка задачи и обоснование последовательности этапов проведения оценки экономической эффективности проекта.

Главной задачей данной ВКР, в соответствии с заданием на проектирование, является разработка многофункционального автомобильного дальномера. Актуальность данной разработки объясняется широким применением систем парковки и измерения дальности в составе электронных систем управления и обслуживания автомобилей.

...