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1、河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）论文题目：客车超载控制系统设计学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业： 机械设计制造及其自动化导师姓名： 完成时间：2009年 5月 20日17摘 要针对当前客车超载不断引发重大事故，设计了一种客车超载监控系统。本设计以AT89c51单片机为核心。通过红外线发射接收装置对客车的载客人数进行检测，然后由单片机对检测到的数据进行分析处理，同时检测到的结果会由LED显示出来，如果客车超载，扬声器先进行报警，而后由继电器切断汽车的打火装置，从而最终实现对超载情况进行相关控制。关键词: 客车超载控制系统；红外线传感器；单片机AbsractAccording t
2、o the overloading of the current bus causing the major accident,the paper designs a kind of monitoring system about the bus overloading.The designing is at the core of AT8951 single-chip.This designing detects the number of passengers on bus by Fired infra-red receiver,and then it analyses detected
3、data through the single-chip,as the same time LED will displayed detected results.If the bus overloads,the speaker will alarms,and then the relay will cuts off the brand devices on bus,finally it achieves the related control of overloading.Key words : Carriage overload monitor system ; Inf rared sen
4、sor ; MCU目 录1绪论22系统的整体结构22.1 系统的组成22.2 系统的原理33系统硬件的设计33.1 系统硬件总体的组成33.2 检测模块电路43.3 单片机模块电路73.4 控制模块电路103.4.1 数码管显示电路设计103.4.2 报警电路设计123.4.3 继电器控制电路设计144.系统软件的设计144.1系统软件的整体设计144.2 计数功能程序设计154.3 LED显示电路的程序设计154.4 报警电路程序设计155结语15谢辞16参考文献：171 绪论随着生活水平的不断提高，人们外出打工、探亲、旅游的人数越来越多，尤其是节假日，而与此相关的公路客运（长途客车，旅游客
5、车等）的运力却没有相应增加，致使超员现象频频出现。目前，它已成为一个严重影响交通运输环境和社会经济可持续发展的社会问题。客车超载对国家的公路设施和客运市场造成了不良影响，也影响车辆本事和车辆的驾驶、控制，容易引发事故，给国家和百姓带来重大的经济损失和感情伤害。目前,国家出台了一系列的政策法规来制止客车超载,各地政府也制定了相关的制度来对客车超载进行管理。虽然这在一定程度上减少了客车的超载现象,但在节假日和农忙等客流高峰期,超载现象还是屡禁不止。因此,在采取行政监督管理的同时,通过科学技术的手段来消除客车超载的现象也有着极其重要的意义和实用性。本系统通过红外线发射接收对管来实现对人数的检测，然后
6、再由单片机组成的中央处理单元中对客车的人数进行分析，以判断客车是否超载，如果超载，可通过扬声器报警发出警告，同时通过继电器控制电路对发动机进行锁定以抑制事故的发生，减少国家和人民群众的损失和伤害。2 系统的整体结构2.1 系统的组成本系统简单的来说由三个部分组成，前端的检测模块，单片机模块，控制模块。系统的总体设计框架可由图1所示。检测模块的主要功能是通过两组红外线发射接收对管来判断旅客上车的人数和下车的人数。从而对客车上的人数进行统计。而单片机系统主要是对乘客的人数分析处理，同时把分析的结果输出给控制模块以实现对它的控制。LED显示模块用于对当前的车内乘客人数进行显示，当超载时 通过扬声器报
7、警，并通过继电器对客车执行锁定。红外线发射接收对管（1）红外线发射接收对管（2）双D触发器组成的互锁电路单 片 机 系 统片机系统数码管显示电路继电器控制电路扬声器报警电路 图1 系统设计框图2.2 系统的原理系统由两组红外线发射接收对管来实现对上车人员的检测。两组红外线发射接收对管把收集到的信息传递给单片机系统，也就是本系统的中央处理单元，单片机系统实现对人数的加计数和减计数，并把这些信息转化为BCD码通过LED数码管显示出来。同时单片机系统还通过比较指令和预先设定单元的内容比较，判断当前车内人数是否达到预定人数，如果当前车内人数小于预定人数，则继续对车内人数进行判断，如果当前车内人数大于预
8、定人数，则启动扬声器报警电路，实现对人们的警告，如果在数分钟后人数还是大于预定人数则由继电器控制电路对汽车发电机进行锁定，如果人数减少到小于预定人数的数值时，则解除对汽车发动机的锁定，使汽车继续运行。3 系统硬件的设计3.1 系统硬件总体的组成硬件电路的设计是整个系统设计的核心内容。由系统的功能模块决定了本系统主要包括三个部分的设计：检测模块的设计，单片机模块的设计，以及控制模块电路的设计。3.2 检测模块电路该部分的设计采用两组红外线发射接收对管，安装在客车的车门处的适当位置，根据乘客经过车门时遮挡两个红外线发射接收对管发出的红外线的不同时序，通过单片机判断乘客是上车还是下车1。该部分的硬件
9、电路设计总体电路图如图2所示。 图2 检测电路模块在图2的电路中，F1AF4A是用CMOS集成的六反相放大器CD4069组成的放大滤波部分电路；ICA是CD4013构成的CMOS双D触发器，Y1A、Y2A是CD4081四个2输入端与门，这两部分与4069输出的两路传感器检测信号进行逻辑运算，最后在Y1A和Y2A的输出端输出合适的电平信号，分别送至AT89C51单片机的T0脚和T1脚（即计数器0和计数器1的时钟输入端）。两个传感器的安装位置之间要有一定的距离（30cm50cm之间），当无人经过传感器时（以下用E1和E2表示传感器），红外线二极管发出的红外线照射不到光电三极管上，送给单片机的信号一
10、直是不变的低电平，系统不会计数。当有人上车时，先遮挡住E1，则E1的红外线二级管发出的光照射在人身上，反射到受光三极管上，电路中的A1点产生一个高电平信号，经过放大滤波，逻辑运算最后在A3端输出一个低电平信号。随后人体全部遮挡E1和E2，然后是离开E1遮挡住E2，最后离开。由此类推在整个上车的过程中A3点的电平是高低变化的，即一个上车脉冲信号，送至单片机的STATUS寄存器进行加计数，而此时B3点的输出状态是不变的。具体的检测方法和脉冲产生的时序如图3，图4所示2。A11B1A3B3E1E2人图3 人的走动方向图4 各点时序波图 同时人上车时各点逻辑关系如表1所示表1 人上车时各点逻辑关系传感
11、器工作状态A1B1A2B2A3B31无人上车0000002遮挡E11010003遮挡E1,E21111104遮挡E20101005人离去000000当人下车的时候则是把这个遮挡的顺序反过来，B3点产生的脉冲时序是相反的，信号送至单片机的STATUS寄存器进行减计数，单片机即可通过程序模拟把车厢内的实际人数计算出来并寄存在寄存器中。红外线传感器指能够发射红外线和接收红外线的器件。红外线传感器根据其机理不同可以分为被动型红外线传感器和主动型传感器。其中主动型红外线传感器,包括红外发射管和红外接收传感器,这两种传感器配套使用可组成一个完整的红外线检测、遥控系统,这类传感器也称光探测型感器本系统使用了
12、其中的红外发射二极管和红外接收三极管来检测判断客车载客人数。CD4013是CMOS双D触发器，内部集成了两个性能相同，引脚独立(电源共用)的D触发器，采用14引脚双列直插塑料封装，是目前设计开发电子电路的一种常用器件，它的使用相当灵活方便且易掌握，受到许多电子爱好者的喜爱。CD4013的管脚排列如图5所示，内部有两个完全相同的D触发器FF1和FF2。图中，D为数据输入端，CP为时钟脉冲输入端，Q和为Q一对互补的输出端，S为置位端，R为复位端，VDD和VCC分别为电源正负端. 图 5 CD4013管脚CD4013的功能如表2所示，由表可见，当R=S=0时，在CP上升沿作用下，Q端状态与D端相同，
13、即Qn+1=D，也就是将D端数据置入触发器。当R= 0、S=1时，Q=1；当R=1、S=0时，Q=o，称为直接置1和置o，无需cP和D的配合。一般情况下不允许同时在R、S两端加上高电平，因为此时触发器的两个输出端为高电平，是不正常的工作状态。 表2 CD4013的功能表CPD R S Qn+1XX0 0 0 01 0 0 1x 0 0 Qnx 1 0 0x 0 1 1CD4013有四种基本方式，即数据锁存器，单稳态工作方式，无稳态工作方式和双稳态工作方式。3.3 单片机模块电路单片机模块主要用来实现对上、下车人数的加、减计数。单片机模块的设计中,考虑到系统中的程序量和数据量较少,需要的I/ O
14、 口资源也相对较少,AT2MEL 公司的AT89C51 芯片的资源就能很好的满足系统的需求,所以在系统设计中采用了MCS-51 系列单片机AT89C51 芯片的最小系统来实现。我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C51，AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器（EPROM），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS- 51兼容。另外，AT89C51还具有MCS-51系列单片机的所有优点。128X8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时
15、/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。片内的FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域3。AT89C51的主要性能有： 与MCS- 51微控制器产品兼容； 4KB可改编程序FLASH存储器; (可经受1,000次的写入/擦除周期) 全静态工作：0Hz-24MHz； 三级存储器保密； 128x8字节内部RAM； 32条可编程I/O线； 2个16位定时器/计数器； 6个中断源； 可编程串行通道； 片内时钟振荡器； 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存片内
16、RAM中的内容。管脚功能：AT89C51单片机为40引脚芯片如图6所示 图6 AT89C51引脚1) I/0口线：P0, P1, P2, P3共四个八位口P0口是三态双向口，通称数据总线口.因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时输出.故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。P1口是专门供用户使用的I/O口.是准双向口。P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时，P口也可以作为用户I/O口线使用，P2口也是准双向口。P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能
17、使用时操作同P1口。P3口的第二功能如表3。表3 P3口的第二功能 2)控制口线：PSFN(片外取控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外储器选择)、RF-SFT(复位控制)；3)电源及时钟：Ccc、Vss；XTAL1，XTAL2 本文选用如此高性能的单片机方便了以后的功能扩展，基本电路如图7所示4。 图 7 单片机基本电路3.4 控制模块电路控制模块利用在单片机内预先设定载客人数,当上车人数超过此设定值时,单片机便通过继电器控制客车的电子打火器,锁定客车执行机构,使客车无法启动,并以LED 显示当前人数,同时通过扬声器发出报警。3.4.1 数码管显示电路设计在数码管显示电路设计中,将待显示
18、数据转换为BCD 码输出,经过共阴极数码管译码驱动器74LS48 将BCD 码转换成七段码送给数码管显示。显示电路如图8所示 图 8 显示电路74LS48为38线的译码器，译码器输入端A，B，C分别接AT89C51的P1.0，P1.1,P1.2,译码器输出端Y0Y7接8个数码管从低位到高位的共阴极端。电路中要显示的数字通过串行口P1送到74LS48，经过他的翻译，把单片机是送过来的BCD码，转换成高低电平，通过Y0Y7送给LED显示器,不同的电平会有顺序的控制七个数码管的灭与亮，进而显示出不同的数字，当检测电路检测到有5个人上车时，单片机会给第一个74LS48送去一个显示0的数据，同时给第二7
19、4LS48送去一个显示5的数据，这样总体显示为“05”的字样，当检测到有16个人上车时，单片机给第一个74LS48送去显示1的数据，同时给第二送去显示6的数据，这样总体显示”16”的字样所有的LED显示器都是将多个发光二极管组合而成。段式LED显示器应用最广泛，它是一种低成本，高可靠性，高稳定性的显示器，而且亮度也比较高，使用寿命长；点阵LED显示器作为户外文字广告和信息牌被广泛使用。LED显示器的缺点是消耗功率大，容易发热，体积相对较大。LED显示器都是由若干LED组合而成的，当某一个LED导通时，该LED表示的点或段被点亮，单片机控制多个不同的点或段的亮或灭，可以显示出不同的数码或字符。常
20、用段式LED显示器包括“七段”结构LED显示器和“米字”机构LED显示器。它们都有共阴极和共阳极两种结构，其中共阴极LED显示器内部所有发光二极管的阴极连在一起，而所有发光二极管的阳极各自独立，共阳极LED显示器内部发光二极管的阳极连接在一起，而所有发光二极管的阴极各自独立。段式LED显示器的控制方式分为静态显示控制和动态显示控制两种。所谓“静态显示控制”，就是当一个LED显示器显示某字符时，控制码控制相应的LED段处于恒定的导通状态，静态显示控制在电路上需要将控制码锁存在LED显示器的各段输入引脚，如果有多位LED显示器，每个位必需一个8位的锁存器，AT89c51单片机仅在需要更改显示器的显
21、示内容时，才重新将新的控制码锁存在8位锁存器中。静态显示控制的LED显示器的亮度与各段的导通电流大小有关，静态控制的显示时非常稳定的。所谓“动态显示控制”，就是多位显示器逐个扫描，任意时刻仅有某个显示器是亮的，而其他各位都不亮，一个位亮一定时间后转向另一个位。这种动态逐个扫描多位LED显示器的方式会造成显示位的“闪烁”，但是，适当地调整扫描速度，利用人的视觉暂留，使人的眼睛看起来“不闪烁”。动态扫描LED显示器方式比静态显示控制方式的电路更简单，将多位LED显示器的段引脚对应连接成“段”总线，仅需要一个8位锁存器和多个位选通控制线就可以达到控制多位LED显示器的目的。动态扫描LED显示器的亮度
22、与各段的导通电流有关，另外，亮度还与扫描频率有关。 3.4.2 报警电路设计在报警电路中，由单片机传送过来的报警信号通过一个功率放大器来驱动扬声器，其总体设计框架如图9所示5。单片机功率放大器扬声器图9报警电路框图当单片机系统判断出车上的人员数量超出规定时，将通过p1.0口输出1KHz的音频信号驱动扬声器，作报警信号，本电路中使用了音频放大集成芯片LM386。电路如图10所示。 图 10 报警电路LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器。它的内建增益为20，透过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V12V，无动作时仅消耗
23、4mA电流，且失真低。LM386的接脚图及内部方块图如图11、图12所示。 图 11 接脚图 图 12 内部方块图3.4.3 继电器控制电路设计对汽车的锁定部分通过在点火线路中加一继电器控制开关来实现。当打开启动开关（即点火开关）时，由于P1.5口处于低电平，所以继电器不动作，对汽车正常工作没有影响。当单片机判断出车上人员数量超出规定时, 将通过P1.5 口输出一高电平, 继电器工作, 从而使点火线路断开, 无法启动。当车内人数恢复到预定人数以下时，单片机系统再次送低电平到P1.5，继电器又恢复到原来的状态，汽车又可以正常的启动，从而有效地限制了客车的超载行为。继电器电路中一般都要在继电器的线
24、圈两头加一个二极管以吸收继电器线圈断电时产生的反电势, 防止干扰。 4 系统软件的设计4.1系统软件的整体设计按照整体方案的设计思想，系统程序框图如图13所示。首先初始化系统，包括设置堆栈指针、设置定时器计数初值、设置定时器工作方式、设置中断允许控制。将通用寄存器清零，用来存放车内当前的乘客人数，其中一个单元存放预定客车能乘载的最大乘客数，然后将寄存器中存放的当前车内乘客数放入累加器中，通过比较指令和单元的内容比较，判断当前车内人数是否达到预定人数，如果当前车内人数小于预定人数，则继续对车内人数进行判断，如果当前车内人数大于预定人数，则跳转到报警指令，使扬声器报警，同时使继电器动作，断开汽车电
25、子点火器。 图 13 程序框图 程序还实现了对车内人数的实时显示。对当前车内人数进行循环判断，当车内人数小于预定人数时，要随时清除报警程序，使继电器的常闭触头闭合，以便汽车能再次正常启动。在显示子程序中，主要实现的是将外部中断所产生的计数值,，由十六进制转换为8 位BCD 码，然后进行显示。4.2 计数功能程序设计该部分程序的主要功能是将传感器检测到的两路上下车信号送到AT98C51单片机的STATUS寄存器以进行加减计数，将实时的数据和预置在W寄存器的上限人数（40人）循环不间断地进行查询比较，一旦等于40则产生报警信号进行报警，大于40则执行发动机锁定电路程序。4.3 LED显示电路的程序
26、设计该部分程序的主要功能是对单片机的显示控制位进行查询并查表，使数码管的高位和低位能不断的刷新，达到实时显示客车上人数的目的。4.4 报警电路程序设计该部分的主要功能是不断的查询单片机的报警控制位，一旦有高电平输出，通过LM386驱动扬声器对客车司机进行报警提示，以便及时限制超载。5 结语论文设计的优点是采用了红外线发射接收器这一经济实惠的检测器件，并用双D触发器组成的互锁电路来有效的防治外界的干扰，同时系统以AT89C51单片机为微控制器为核心，由检测电路，显示电路，报警电路，控制电路和系统软件构成，本文主要完成的工作有：(1)用红外线检测上下车的人数，(2)信号的检测进行了最优的设计使检测
27、和输出的信号不失真的反映到显示器。(3)系统采用的红外线发射接收器可以实时，连续的在线检测、显示。(4)系统的扬声器在系统检测到超载时进行报警。(5)系统的继电器控制电路还可以在警告后切断汽车的发动机。本文通过对客车人数的检测和计算,较好的完成了客车超载的预警提示。系统运行稳定、可靠、快速、准确,结果能够实时显示,且具有抗干扰能力强、操作方便等优点。不过因为时间和能力有限，本智能检测系统还存在一些需要进一步研究和完善地方，希望通过以后的不断学习来进一步优化。谢辞由于个人的能力及水平所限，在本次设计过程中得到了孔晓红老师和张素君老师的大力支持和帮助，对论文的设计提出了许多有益的构思和意见。在此，
28、特对两位老师的严谨治学的态度和热心的帮助表示衷心的感谢。并对参加此次论文答辩的各位老师提出的宝贵意见表示衷心的感谢。参考文献：1 陈永甫. 红外探测与控制电路M . 北京: 人民邮电出版社,2004.2 肖景和赵健. 红外线热释电与超声波遥控电路M . 北京:人民邮电出版社,2003.3 李广弟,朱月秀,王秀山. 单片机基础M . 北京:北京航空航天大学出版社,2001.4 沈红卫. 单片机应用系统设计实例与分析M . 北京:北京航空航天大学出版社,2003.5 王仲生. 智能监测与控制技术M . 西安:西北工业大学出版社,2002.6 吴基安. 汽车电子装置图解检修手册M . 北京:人民邮电
29、出版社,2001.7 张福学. 传感器应用及其电路精选M . 北京:电子工业出版社,1992.8 雷淑英,尹绍宏.单片机控制的数据采集系统J.大津轻工业学院学报.2001(3)9 李秉操,张登举.单片机接口技术及在工业控制中的应用J.陕西电子编辑部.199110 王忠飞，计时鸣 .MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用M，200711 ATMEL.B-bit Microcontroller with 4K Bytes Flash AT89C51.200012 Van den Eijnden P M C M 1985 A Couse on Field Programamable Logic13 李伯成.单片机及嵌入式系统M.清华大学出版社.200414 蒋维.车辆超载、限速报警系统的研究J.电子工程师.200415 李荣正,陈学军.PIC单片机原理及应用M.北京;北京航空航天大学出版社.2006.16 王恒升.车辆自动检测装置的研究J.自动化和仪表,199717 谢利理,李玉忍:西北工业大学自动控制系M，陕西 西安 邮编:71007218 张洪润，蓝清华等.单片机应用技术教程M.清华大学出版社.1998