汽车超速报警系统

叮叮小文库 本科毕业论文（设计）题 目 汽车超速报警系统 院（系） 电子工程与电气自动化学院 专 业 电气工程及自动化 学生姓名 汪浩 学 号 10028083 指导教师 任林芝 职称 讲师 论文字数 8000 完成日期:2014年4月26日-叮叮小文库巢湖学院本科毕业论文(设计)诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文(设计)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 日期： 巢湖学院本科毕业论文 (设计)使用授权说明本人完全了解巢湖学院有关收集、保留和使用毕业论文 (设计)的规定，即：本科生在校期间进行毕业论文(设计)工作的知识产权单位属巢湖学院。学校根据需要，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业论文 (设计)被查阅和借阅；学校可以将毕业论文(设计)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业，并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业论文(设计)在解密后遵守此规定。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： -叮叮小文库汽车电子超速报警系统摘 要近年来，随着汽车工业的不断进步，行驶在道路上的车辆越来越多，交通事故发生的频率也不断增加。众所周知，交通事故的发生大部分是由驾驶员的超速驾驶造成的。研发汽车电子超速报警系统就是为了能够提高汽车运行的安全性，减少交通事故的发生，减少损失，保证驾驶人员的人身安全。本设计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并通过LED数码管与其驱动芯片实现初显，当车辆处于行驶状态中，通过红外对管采集信号时刻监测机动车辆速度，通过单片机处理数据，最后对现时时速与初设时速进行比对，当发现车辆速度超过驾驶员设置的最高值时，蜂鸣器开始报警，提醒驾驶员减速。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。此设计就是一种基于51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。关键词：51单片机；汽车超速；红外对管；报警；LED显示-叮叮小文库Automotive electronic overspeed alarm systemAbstractIn recent years, with the automotive industry continues to progress, with the increasing number of vehicles on the road, the frequency of traffic accidents are increasing. It is well known by the majority of traffic accidents caused by speeding drivers. Development of automotive electronic overspend alarm system is to be able to improve the safety of the car running and reduce traffic accidents, reduce losses and ensure the safety of the driver.This design from the perspective of the drivers own security, a kind of alarm system to detect speeding. The alarm system allows the driver to set the vehicle via the keyboard comes with a maximum speed and safe driving through its digital LED driver chip previews , when the vehicle is traveling the state to monitor the speed of motor vehicles on the tube by infrared signal acquisition time by microcontroller processes the data , and finally to the current preliminary design speed and speed for comparison, when the vehicle speed exceeds the maximum value found in the driver settings, start the alarm buzzer to alert the driver to slow down. In the real-time detection and automatic control of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core component. This design is a single chip based on 51 cases of motor vehicle speeding beep alarm system alarms and lights. The system is simple, reliable, easy to operate, can be widely used in motorcycles, cars and other motor vehicles.Keywords: 51 single, cars speeding, infrared tube, alarm, LED display-叮叮小文库1.前言1.1 汽车超速报警系统研究目的及背景在当今时代里，随着汽车工业的不断进步,行驶在道路上的车辆越来越多,交通事故发生的频率也不断增加。众所周知，交通事故的发生大部分是由驾驶员的超速驾驶造成的。研发汽车电子超速报警系统就是为了能够提高汽车运行的安全性，减少交通事故的发生，减少损失，保证驾驶人员的人身安全。1.2 汽车超速报警系统在国内外的研究现状和发展趋势近年来，国内外许多国家都认识到超速行驶危害性，都加大了对车辆行驶的管制力度，对车辆超速报警进行了大量的研究，以保证车辆安全的行驶。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。与此同时，汽车电子超速报警装置也在不断发展之中，有许多电子设计者或公司从事这方面的研究，力求能设计出一种普遍使用的汽车超速报警装置。例如广州唯创开发了一款超速报警器，这是一种实时指示车辆的行驶速度，记录超速情况，并通过语音提醒司机安全驾驶的智能电子设备。据悉，法国汽车制造和营销委员会与法国标致雪铁龙汽车集团和雷诺汽车公司近日联合向用户推出三种汽车限速装置。据报道这三种装置中，最简单的一种是“超速报警器”。如果安装上这种装置的汽车当行驶速度超过限定车速时，报警器就会发出声响警报，同时有指示灯闪烁，以警示司机减速。1.3 汽车超速报警系统的主要内容我们从驾驶员自身角度出发，设计的该系统可通过传感器时刻监测机动车辆，并通过LED显示车辆的实际车速和用户设置的安全参数。当车辆速度超过驾驶员设置的最高速度时，蜂鸣器开始报警，警告灯点亮，提醒驾驶员减速。-叮叮小文库2.汽车超速报警系统设计方案的选择2.1 设计要求我们要求设计了一个单片机数字显示车速的超速报警系统,输出当前车辆的速度,当车速到达设定的限速值时声光报警提醒司机放慢速度,确保司机和行人的安全。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：（一）遵循从整体到局部的设计理念。在设计过程中，应遵循从整体到局部的设计原则，把复杂、难处理的问题分解成为若干个较为简单、容易处理的问题，及将整体模块化，再分别加以解决。（二）经济性方面的要求。为了得到较高的性价比，所以在满足性能指标的前提下，应该尽可能的采用简单的方案，因为方案简单就意味着所用的元器件相对较少，可靠性相对较高，而且也相对较为经济。（三）可靠性方面的要求。所谓可靠性就是指该产品在所规定的条件下和规定的时间内可以完成规定功能的能力。可靠性指标除了可用完成功能的概率来表示外，还可以用故障率、失效率或平均寿命等来表示。（四）操作和维护方面的要求。在车速超速报警系统的硬件和软件设计时，应考虑该系统操作要方便，要尽可能的降低对操作人员的专业知识的要求，即不需要专门训练就能掌握系统的使用方法，而且对其维护方便。2.2 方案选择方案一：采用车载GPS系统，可以提供车辆的位置信息和车速信息，但价格较为昂贵，不符合我们的设计要求。方案二：采用模拟电路的方法，通过积分器得到电压，然后使用比较器来控制报警输出。这种方法其原理简单，易于实现，但测量精度会比较粗糙，不能精确地设置速度，在电子元件的使用方面用的元器件较多,尤其是在放大器和比较器上,不能达到一个好的测量精度的控制要求,且不便于维护。方案三：采用嵌入式车载限速装置，在汽车设计时就已经考虑到并在汽车制造时将其嵌入整个车的电子控制系统中。传感器将车速转化为脉冲信号，并送给单片机，单片机将记录输入大的脉冲信号，并通过一系列转换将信号转化为对应的速度值。该方案运用51单片机技术实现汽车超速报警，系统的电路较为简单，使用元器件较少，维护也方便，性价比较高，具有较为广阔的市场。-叮叮小文库3.汽车超速报警系统硬件设计该设计系统总框图如下图所示。信号处理AT89C51单片机声光报警单元速度显示单元按键单元红外对管采集信号图3.1超速报警系统总框图该汽车超速报警器的硬件部分设计将利用红外对管采集的脉冲信号，信号送入单片机由单片机记数，记数满后与单片机内部设定值进行比较，如果超过了预设值判断为汽车超速，蜂鸣器与灯光闪烁报警提示。系统以AT89C5l单片机为核心，由信号采集单元、时钟电路单元、复位单元、按键设速单元、速度显示单元和声光报警单元组成。3.1 测速传感器的构建3.1.1 测速传感器的选择转子转速的测量方法有很多，但大多数比较复杂。目前，测量转速的方法主要有四种类型：机械式、电磁式、光电式和激光式。其中电磁式超速报警系统是由电磁传感器和安装与轴上的齿盘构成，主转轴转动带动齿盘的旋转，当齿牙通过传感器时会引起电路磁阻变化，经过放大整形后形成脉冲波，通过对脉冲的处理得到转速值。由于受齿盘加工的精度、齿牙之间最小分辨间隔、电路的最大计数频率等限制，测量精度不能得到保证。本设计方案以传统的电磁式系统为基础，研制一种使用红外发射-接受技术的转速测量电路单元。3.1.2 测速传感器的工作原理（1）信号采集单元与单片机连接光电对管 反相器51单片机VccP3.5电源图3.2传感器与单片机连接(2)测速系统总体的结构图3.3 测速单元主体结构测速系统总体结构如图3.3所示，主要由红外测速传感器电路(由红外发射与接收电路及齿盘构成)、信号处理电路、单片机以及数字显示部分组成。电路中选用红外光敏二极管作为受光元器件，它与红外发光二极管一起构成红外发射-接收对管，红外光敏二极管在电路中是处于反向工作状态的。当无光线照射时，红外光敏二极管处于截止状态，其反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小。随着光照的增强，红外光敏二极管处于导通状态，其反向电阻随之减小，反向电流(光电流)增大，其光电流与光照强度之间呈线性关系。测速系统工作过程如下：当齿盘转动时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与红外接收管之间的红外线光路会时断时续，信号处理电路将此变化的光信号转变为电脉冲信号，一个脉冲信号即表示齿盘转过了一个齿。单片机对这些脉冲进行计数，同时通过其内部计时器对接收一定数目的脉冲进行计时，利用脉冲数目及所用时间就可以计算出齿盘的转速，最后通过数字显示单元将实际转速显示出来。(3)信号处理单元LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。每一组运算放大器可用图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。最常用的运算放大器1，2，3脚是一组5，6，7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13，14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7，8，14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。图3.4 LM324引脚图3.2 主控模块3.2.1 单片机单元本系统采用AT89C51单片机，89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.2.2 时钟电路单元单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。3.2.3 复位电路单元复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。（1）上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。（2）按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。3.3 声光报警单元报警模块主要负责声音报警和灯光报警，报警电路均比较简单：压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，因此可以用三极管S9014驱动。三极管的基极接89C51的P2.7，当P2.7输出高电平1时，三极管的基极触发，三极管导通使蜂鸣器引线获得接近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。当P2.7端输出低电平0时，三极管不被触发，压电蜂鸣器两引线间的直流电压降接近于0V，发声停止。我们用单片机的P2.7与蜂鸣器相连，输出高电平，则报警。灯光报警由两个发光二极管构成。当速度没有超速的时候，绿灯点亮，不报警；当速度大于设定速度的时候单片机就将P2.7，P1.7口置为高电平,将红灯点亮，同时绿灯熄灭，P2.7高电平就将三极管发射极导通，实现蜂鸣器报警。3.4 速度显示单元3.4.1 Max7219芯片显示电路由MAX7219芯片完成，MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管。SEGASEGG（图中为A到G）为LED七段显示器段驱动端，SEGDP为小数点计数器可以统计输入脉冲的个数，可以用其来统计汽车轮子在1s内的转动圈数，本电路采用两片十进制计数器组成模值为100的计数器。锁存器的作用是在1s 信号结束后将计数器的状态锁存并送至译码显示器，直到新的信号到来为止，以保证显示器能稳定的显示数据。选用8D锁存器可以完成上述功能，当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，即Q=D，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。正脉冲结束后，无论D为何值，输出端Q的状态仍保持原来的状态Qn不变，所以在计数期间内，计数器的输出不会送到译码显示器。图3.6 MAX7219的外部引脚分配各引脚的功能为：DIN：串行数据输入端DOUT：串行数据输出端，用于级连扩展LOAD：装载数据输入CLK：串行时钟输入DIG0DIG7：8位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流SEG ASEG G DP：7段驱动和小数点驱动ISET：通过一个10k电阻和Vcc相连，设置段电流3.4.2 4位共阴极数码管图3.8 A5461AH四位共阴数码管实物引脚图3.5 速度设置单元本设计为了能够自行设定最高上限速度，故设计了按键电路，我们选用单片机的P2.3、P2.4、P2.5、P2.6口分别与K0、K1、K2、K3相连。当按键按下去，产生低电平将数据传送单片机。测量车速是否大于Vm测量车速测量车速4.电路的连接4.1 信号采集单元与单片机的连接电路图4.1信号采集处理电路4.2 声光报警单元的连接电路图4.2声光报警电路4.3 速度设置单元的连接电路图4.3速度设置电路4.4 速度显示单元的连接电路MAX7219与单片机的连接只需要3条线：LOAD（CS）片选引脚、CLK串行时钟引脚、DIN串行数据引脚。其中C1为电源滤波电容，R1用来设置段电流。图4.4速度显示电路4.5 时钟与复位单元的连接电路图4.5时钟与复位电路-叮叮小文库5.系统软件设计5.1 计时方案的选择根据计时方案的不同，目前数字式转速测量装置的计时方法主要有M 法、T法和同步M/T法。M 法测速是在相等的时间间隔t内读取脉冲数M，由M/t计算出转速，速度越高在t时间内计得的M 就越多，由1个计数脉冲误差所引起的转速测量误差就越小，故该法适用于高速。T法测速是根据相邻两个脉冲时间间隔对应的时钟脉冲计数值m 来计算转速的，转速越慢或每转脉冲数越多，其计数值m就越多，计数器l个计数脉冲所引起的误差就越小，故该法适用于低速。上述两种方法测量的绝对误差反比于速度采样时间T(Hp：时间间隔t或计数值m)，因此在稳态测量和实时性要求不高的场合，可取较大的T 以保证足够的测量精度。但在动态测量和实时控制系统中，往往对转速测量的实时性有较高的要求。因此，采样时间T不能随意取大，为了解决既要周期小，又要测速精度高的矛盾，可采用同步M/T法。这种方法的特点是不固定定时时间t，以记录到完整的盘脉冲为准，主要是设法使M 与t同步，从整数个盘脉冲开始计时，同样在整数个盘脉冲结束计时，记录到的是整数个盘脉冲，且与计时是“同步” 的。其原理如图3所示，在采样时间t时间内实际计时时间t开始于第一盘脉冲的下降沿，终止于最后一个脉冲的下降沿，因而得到整数个盘脉冲，消除了M 法和T法中1个脉冲引入的误差。鉴于几种方法的比较，在设计中采用同步M/T法设计本测速系统。图5.1 同步M/T法测速原理5.2 软件结构划分采用结构化设计软件的方法将本系统软件划分为如图所示的4个模块：红外测速模块齿数级数模块计时模块转速计算模块转速显示模块图5.2测速软件模块划分(1) 计时模块由图3.3可知当红外线发射管发射的红外线未被轮齿挡住时，接收管受红外线照射呈导通状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压为高电平，不产生中断;而当红外线发射管发射的红外线被轮齿挡住时，接收管不受红外线照射则呈截止状态，经反相器输入到单片机中断端口的电压跳变为低电平。从而激活中断程序对脉冲进行计数。计数流程图如图5.3所示。由于计数需要与计时同步，所以需要在产生第一次红外光被挡住时(红外光被挡住时Pass=0，反之Pass=1)，也即中断口电位由高变低时打开定时器。由于实验中的齿盘共有108个齿，为了提高测量的实时性，把108个齿分成9等份，当计数值(Num)为12时关闭定时器并读取定时器的计时值。图5.3计数与计时程序流程(2) 转速计算模块由于系统采用同步M/T法测量转速，所以计算转速时，需要的参数有盘脉冲数和计时值。本系统中AT89C52单片机采用频率为12MHz的外接晶振，则每个机器周期为1us。单片机定时器的计数脉冲周期为一个机器周期，若定时器从零开时计数，关闭定时器时其计数值为m，则计时时间就是m微秒。计算转速部分程序如下：m=TH0256 /读出计数器的计数变量TH0，并将其左移8位m=TH0+TL0 /获得时钟脉冲数time=m /计算出计时时间n=60*106/(9*time) /计算转速r/min5.3 系统流程图汽车超速报警器的总体流程图如图5.3所示。图5.3 软件设计流程图软件编程采用C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65S，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T1(P3.5引脚) 输入的脉冲数，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。软件分为主程序、初始化程序、按键子程序、中断服务子程序等。5.4 主程序 此系统由众多单元组成，为了便于修改，采用模块化分层管理。主程序主要完成硬件初始化、子程序调用以及显示、报警等功能。数据处理子程序主要完成监测车辆速度即主要是计算出车辆的时速，为报警子程序提供参考数据；按键中断子程序主要实现合法参数的输入；报警子程序主要实现在车辆超速行驶状态下发出报警信号，包括蜂鸣器输出子程序和警报灯的闪烁子程序；显示子程序设计采用数字化显示用户设定的上限速度、实际时速，用MAX7219芯片驱动LED进行动态显示。图5.4主程序流程图5.5 初始化程序单片机初始化，我们先来写TCON的控制字，首先将EA置为0，屏蔽所有的中断请求。接下来设定时器/计数器控制寄存器TCON。TCON用于控制T0、T1的启动和停止。我们选择电平触发方式，故IT=0，其最位D0应该设为0；IE0为外部中断请求0的中断请求标志位，在每个机器周期的S5P2采样/INT0引脚，若/INT0脚为低电平，则IE0清“0”，故D1为设为0。同理，D2、D3是对外部中断1设定的，与外部中断0一样都设为0。当启动T0计数后，定时器/计数器T0从初值开始加1计数当最高位产生溢出时，由硬件使TF0置“1”，向CPU申请中断。CPU响应TF0中断时，TF0自动清“0”，TF0也可由软件清“0”，我们将其D5设为0。同理D7=0。故TCON状态字设为0x00。特殊功能计数器TMOD用于选择定时器/计数器T0、T1的工作模式和工作方式，接下来我们来写TMOD的状态字。TMOD高4位控制T1方式，最高位D7为门控位，当其为0时，金庸运行控制位TRx（x=0,1）来控制定时器/计数器计数。将其设定为方式1，16位定时计数器/计数器，故D5,D4设定为0和1。将T1设定为计数器，故D6=1。同理，T0工作在方式1下，T0为定时器模式。故其状态字设为0x51。将定时器/计数器写好初值后，将TR0，TR1置为1，均打开，写中断允许寄存器IE将其最高位D7设为1，允许所有的中断请求，允许T1，T0溢出中断，故D3，D1均写。故其状态字为0x8a。5.6 按键扫描程序图5.6按键扫描流程图先检测K1是不是低电平（按下），若没有按下，就执行延时程序，等待其输入数据；再次，检测K2是否按下，以此类推检测K3，就可以设定其最大速度。-叮叮小文库结论该系统是从驾驶员自身角度出发，考虑的是时刻提醒驾驶员的自我安全意识，最大限度做到防患于未然。该系统以红外传感器代替了传统的电磁式传感器，系统的硬件电路简单，利用MAX7219芯片仅使用单片机三根引脚即可，电路设计简单，驱动两个共4位7段加小数点的共阴极数码管分别显示当前速度和设定的速度上限，通过四个按键可以设定不同的上限速度。该系统具有硬件简单、实用性好等优点，可以广泛应用在各种机动车辆上。通过了搜集、整理、参考其他相关的设计资料，了解