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1、单片机控制汽车超速报警器的设计摘要近年来，随着现代汽车控制技术和高速公路的飞速发展，在世界各国特别是发达国家，无论是运输业还是个人，汽车都已成为长距离运输的主要交通工具。在高速公路上长时间高速行驶时，驾驶员长时间操纵加速踏板而得不到活动，容易造成疲劳。在限速路段总会出现超速现象，对他人和自己都造成安全隐患。本设计就是为了解决这一问题而诞生的。本设计一个单片机控制的车速报警系统。本文从驾驶员自身安全角度出发，设计了一种检测车辆超速的报警系统。该报警系统允许驾驶员通过自带键盘设置本车辆安全行驶的最高速度 当车辆处于行驶状态中，该系统通过速度传感器时刻监测机动车辆。当发现车辆速度超过驾驶员设置的最高
2、值时，蜂鸣器开始报警，提醒驾驶员减速。达到防患于未然的目的。单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。此设计就是一种利用8051单片机对机动车超速行驶情况进行蜂鸣报警和灯光报警的系统。该系统结构简单，可靠性高，操作方便，可广泛应用于摩托车、汽车等机动车辆。该设计详细介绍了系统的总体设计方案，给出了界面模块与8051接口电路，系统硬件电路及外围设计电路，最后介绍了软件设计方法度程序流程图。关键字：单片机，汽车超速，传感器，报警Design of the Intelligent Alarm Syst
3、em in Controllingthe Automobile SpeedAbstract: The alarm system in controlling the automobile speed is p resented, without change of the original structure,and the design scheme of the system imp lements samp ling, measurement, computing, real2time alarm and delay2timecontrol for the automobile spee
4、d according to the safety of the automobile driving. Then, the speed is randomly stored soas to insure the correct data and to effectively analyze the data. Especially, the key techniques of the speed measurementand the refresh storage are pesented in datail in the system.Key words: speed measuremen
5、t; cycle measurement; safety alarm; automobile driving一、绪论随着汽车工业和高速公路建设的发展,每年由于各种交通事故造成的人员伤亡数目惊人,造成了巨大的经济损失。据统计,造成各种交通事故的主要原因是车辆的超载和超速行驶,而后者随机性很大,纠章困难,而且由于中国公路条件复杂,不同等级的公路允许的最高速度不同,现有的限速装置难以适应这种情况。 针对这种状况,开发具有智能决策模块的汽车速度报警控制系统对自动驾驶显得极为重要。因此,大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置,减少驾驶员的负担和判断错误,对于提高交通安全将起到重要作用。设计限
6、速路段超速自动提示和报警系统主要是为了防止司机在一些繁华人多车多路段超速驾驶。交通事故往往发生在一些人流动大，车多的地方，司机有意无意的超速是引发交通事故的最大因素。装有本系统的汽车能够有效地在装有无线发射装置的限速路段，防止以下几种原因所造成交通事故的。车主不知道该路段的最高限制速度，而开车过快所造成的交通事故；车主醉酒驾驶无意超速所引起的交通事故；车主有意开快车所造成交通事故。我们设计的限速路段超速自动提示和报警系统与安全气囊等设施相比，更为主动有效，将可能产生的交通事故防患于未燃，它与警察用的雷达测速等防止司机超速装置相比，显得实用有效，交警可以在不同路段根据不同情况设定不同的最高限速值
7、，主动有效地限制车速。二、设计思路本文要求设计一个具有数字显示功能的单片机系统,实现车辆当前速度输出，当达到所设定的速度上限时并报警，以保证驾驶人员的人身安全。首先要进行系统的总体方案设计，在设计中一般应考虑以下几点：(1) 遵循从整体到局部的设计原则。在过程中，应遵循从整体到局部的设计原则，把复杂难处理的问题分为若干个较为简单的、容易处理的问题，分别加以解决。(2) 经济性要求。为了获得较高的性能价格比，设计时不应盲目追求复杂高级的方案。在满足性能指针的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着所用的元器件少，可靠性高，而且比较经济。(3) 可靠性要求。所谓可靠性是指产品在规定的条件
8、下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性指针除了可用完成功能的概率表示外，还可以用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来表示。(4) 操作和维护要求。在车速报警系统的硬件和软件设计时，应当考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。系统的输入输出方式，操作程序应尽量简单明了，无须专门训练就能掌握其使用方法三、方案论证方案一：采用模拟电路的方法，通过积分器得到电压，然后用比较器来控制报警输出，这种方法会比较粗，不能精确设置速度。方案二：采用车载GPS系统，能提供车辆的定位信息，包括车速信息，但价格昂贵；方案三： 采用嵌入式车载限速装置，在设计汽车时就已经考虑并在
9、制造时嵌入整车电子控制系统中。传感器将车速转化为脉冲信号，传入单片机，单片机将输入的一定值的脉冲转换为对应的速度值，方案一是模拟电路，特别是运放和比较器。方案二价格昂贵方案三在2005年以后国内生产的中高档乘用车中已初见端倪，但是国内约4 000万辆在用汽车中的近90 并未安装。鉴于此，为在用汽车设计一种外挂式汽车超速报警器有着巨大的市场需求。综上所述，我们选择方案三四 系统总体方框图汽车超速报警器的硬件设计将车速传感器产生的车速信号送入光电耦合器触发单元，得到一个与车速信号频率一致的信号，送人单片机记数。记数满后与单片机内部设定值相比较。如果超过了预设值则可判断汽车超速，蜂鸣器报警提示。系统
10、以AT89C5l单片机为核心，由电源降压一稳压单元、光电耦合器触发单元、凋速单元和声光报警单元组成。车速传感器光电耦合触发单元AT89C51单片机蜂鸣报警器电源降压稳压单元图1 超速报警系统总框图五 硬件设计5.1磁电式传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可
11、以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种
12、机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为101000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。 线圈相对磁场运动的速度v或角速度表示，则所产生的感应电动势e为 e=-NBLv e=-NBSw 式中：l每匝线圈的平均长度； B线圈所在磁场的磁感应强度； S每匝线圈的平均截面积. 在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传
13、感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。 变磁通式又称(变)磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度.线圈和磁铁静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。以Audi100轿车为例，其车速传感器由一个舌簧开关管和一个带有4对磁极的塑料环构成(如图2所示)。后者安装在变速器左输出轴上，与轴一同旋转形成旋转磁场。舌簧开关管安装在靠近塑料环的变速器壳体上，它是在一个玻璃管内装有2
14、个细长的触头构成的开关元件，其触头由磁性材料制成。舌簧开关管与塑料环间具有很小的间隙，当塑料环旋转时，舌簧开关管内触点接近塑料极时闭合，离开塑料极时断开，由此得到与汽车行驶速度相对应的方波信号(如图3所示)。图2 车速传感器结构图3 车速信号图形汽车超速报警器的工作原理：汽车行驶过程中，车轮每转一圈，车速传感器产生8个脉冲。对已知车型可知其车轮直径D，例如规格为l8570VRl4的轮胎，185表示轮胎宽度为185mm，70代表轮胎高宽比为70，l4表示轮辋直径为14inch，据此可计算出轮胎直径D=18.5072+142.54=61.46cm。根据欲限定的汽车速度，可计算车轮在单位时间内转过的
15、圈数：n=v/D。产生脉冲数f0=8n。比较，如果ff0，则车速报警器发出声光报警；反之，车速报警器将执行下一个比较任务5.2电源降压一稳压单元电源降压一稳压单元由三端集成稳压器W7805组成（如图4所示）。三端稳压器由启动电路、基准电压电路、采样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。电容C用来抵消因输入线太长而产生的电感效应，防止产生自激振荡，连线不长时可以不用，容量一般在010.33F。用来消除高频噪声和改善输出的瞬态特性，即在负载电流变化时不致引起输出端产生较大的波动。当电路的输入端u大于5V时，输出端输出稳定的5V电压。图4 电源降压稳压单元5.3光电耦合器触发单元光电耦合器是以
16、光为媒介传输信号的一种电一光一电转换器件，由发光源和受光器组成(如图5所示)。车速传感器信号位于高电平时，发光源发光并控制受光器导通，则受光器输出端产生与车速传感器频率一致的电压信号。采用光电耦合器PC817传输车速信号的目的是为了隔离车速传感器与单片机的直接联系，消除车速传感器信号对单片机的不利影响。车速传感器产生的是恒流低阻抗信号，电压值受外部负载的影响大。以Audil00轿车为例车速传感器信号送入单片机T。端口后，其高电平电压值迅速由9V下降为025V，而T。端口需要的最低识别电压为2V图5 信号触发电路5.4单片机5.4.1 89C51单片机内部结构89C51单片机包含中央处理器、程序
17、存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线CPUROMRAM定时器/计数器I/O接口时钟图6 单片机内部结构图5.4.2管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/
18、O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行
19、读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表1所示： 表1 P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD(串行输入口）P3.1TXD(串行输出口）P3.2INT0(外部中断0）P3.3INT1(外部中断1）P3.4T0(定时器0的外部输入）P3.5T1(定时
20、器1的外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通）P3.7RD(外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在
21、执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作
22、电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 5.4.3 振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。5.4.4 结构特点：8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器；5.4.5单片机最小系统 利用单片机最小系统实验电路板
23、完成传感器与电动机的连接和控制。 单片机选用89C51，其内部有4K字节的Flash Rom，电路设计简单。具体为89C51的18、19脚接6MHz，40脚输入信号为5伏，20脚接地，EA脚接高电平。 图7 单片机最小系统5.4.6 蜂鸣报警单元压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，因此可以用系列集成电路7406或7407低电平驱动，如图所示在图中，驱动器的输入端接89C51的P1.0。当P1.0输出高电平1时，7406的输出为低电平0，使蜂鸣器引线获得接近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。当P1.0端输出低电平0时，7406的输出端升高的约+5V，压电蜂鸣器两引线间的直流电压降接近于0V，发生停止
24、。六 软件设计汽车超速报警器的报警程序如图所示。软件编程采用汇编语言，用单片机的T1作为定时器，设定定时时间为1S。由于单片机最大允许时间只有655536S，需扩展定时时间。一般有硬件扩展和软件扩展两种方式，本文采用软件扩展方式。设T0定时时间为50ms，定时时间一到，溢出中断，在中断服务程序中，对中断次数寄存器加1，重复定时中断20次，时间为1s。1s定时时间到，读取定时器T(P35引脚)输入的脉冲数，即为实时车速的频率值。将该频率值与单片机内部设定阈值比较，判定是否超速。开始清零P1.0启动定时器T1开始定时启动计数器T0开始计数计数f大于基准值f0P1.0置1发出报警P1.0置零否是软件设计流程图13