有轨电车安全驾驶仪的研究

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)有轨电车安全驾驶仪的研究THERESEARCHOFTRAMCARSECURITY PILOTMECHANISM学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，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或参考的内容外，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或成果。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注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。

2、有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名：日期：年月日 日期：年月日摘要随着以汽车为主导的交通模式带来的能源危机、环境污染、交通堵塞等问题日益严重，交通建设模式已经从大力发展汽车产业转向城市轨道交通建设，在解决城市交通拥挤的同时，缓解日渐严重的环境污染。为解决这些问题，中国已有北京、天津、香港、上海、成都等城市逐渐将现代有轨电车作为重要的解决途径之一。而安全驾驶系统作

3、为保障电车安全运行的一道屏障，因此研究有轨电车安全驾驶系统具有十分重要的意义。本文针对电车行驶中的安全问题，以电车的安全系统为研究对象，单片机为核心，实现对各种传感器信号的采集、处理并给出相应的告警和控制信息。安全驾驶仪使用两块控制板方便插拔，便于维护。关键词 有轨电车；安全驾驶仪；单片机；传感器AbstractAlong with taking the automobile the transportation pattern of leadership brings isincreaseingly serious as energy crisis, environmental pollut

4、ion, traffic jam that and other questions,The transport facilities pattern from has vigorously developed the car industry to change the urban track traffic construction.During solution municipal transportation crowded, alleviation day after day serious environmental pollution.In order to solve these

5、 problems, China had Beijing, Tianjin, Hong Kong, Shanghai, Chengdu and other cities gradually the modern tramcar as one of important keys to the situation. However Safe driving systematic achievement safeguards the cable car safe operation a barrier, therefore studies the tramcar safe driving syste

6、m to have the extremely important significance.This article in the security problem in view of cable car travel, takes cable cars safety system as the object of study, the monolithic integrated circuit is a controller, realizes, handles and gives the corresponding warning and control information to

7、the collections of various sensor signals.The security pilot mechanism uses two control panel convenience to insert pulls out, is advantageous for the maintenance.KeywordstramcarSecurity pilot mechanismMCUSensor目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 有轨电车及安全驾驶的概述11.2有轨电车安全驾驶系统设计思路11.3 论文内容安排22有轨电车安全驾驶系统的总体设计32.1系统

8、的功能分析32.2控制器的设计42.2.1单片机简介42.2.2 单片机选型42.2.3 单片机最小系统设计62.2.4 冗余设计72.2.5 冗余选择设计82.2.6 单片机串口设计102.3LCD显示模块102.3.1 LCD显示器简介102.3.2 LCD模块设计112.4报警模块设计122.4.1 总体设计122.4.2语音芯片的选择132.4.3电路的设计132.5小结143超声波测距设计153.1 超声波简介153.2超声波传感器介绍153.2.1 超声波测距原理与结构153.2.2超声波传感器的选择163.3电路的设计163.3.1 超声波连接电路设计163.3.2报警电路设计1

9、73.4系统程序的设计173.5小结184车门系统的设计194.1 车门系统简述194.2防挤压功能的实现194.2.1 方案的确定194.2.2探测器的选择204.2.3电路设计204.3关门开车功能的实现224.4小结235速度系统的设计245.1 定位测速方式介绍245.1.1 车速传感器简介245.1.2GPS简介255.2设计方案的确定255.3GPS模块265.3.1 GPS定位测速原理265.3.2GPS接收机275.3.3电路的设计285.4车速传感器模块295.4.1霍尔式车速传感器简介295.4.2 霍尔式传感器的选型305.4.3 霍尔式传感器设计315.5小结316其他

10、功能的设计336.1 烟雾探测336.1.1 总体设计336.1.2烟雾传感器的选择336.1.3电路的设计356.2车内温度控制356.2.1 总体设计356.2.2温度传感器的选择356.2.3电路的设计366.3小结377机械结构设计38结论43致谢44参考文献45附录47附录147附录2481 绪论1.1 有轨电车及安全驾驶的概述有轨电车就是采用电力驱动的在轨道上行驶的交通工具，它作为一种现代化的、环保的交通工具，却有着悠久的历史。早在1881年，柏林首次使用电力带动轨道车辆，此后便在欧洲快速地发展起来，随后亚洲也逐渐将有轨电车作为主要的交通工具。二战之后，随着私家汽车、公共汽车的普及

11、，有轨电车逐渐淡出公众的生活。然而，自20世纪70年代以来，由汽车为主导的交通模式所引起的能源危机、环境污染、交通堵塞等问题日益严重，于是，现代有轨电车在改良之后以客运能力大、速度快、无污染、建设费用低廉等优势又再次得到了许多城市的关注和推广。交通安全是现代人最为关注的话题之一，据公安部交管局发布的统计数据，2014年，全国机动车驾驶人数达到3亿，与此同时，道路交通安全问题也越来越突出。其中人为因素是导致交通事故最主要的原因，包括酒驾、逆行、超速、无证驾驶、疲劳驾驶、驾驶过程中打电话等原因。在国际上，一些发达国家对车辆安全系统的研究投入了大量的人力和物力，从而保证了乘客和驾驶人员的安全，减少了

12、交通事故的数量，在其不懈的努力下,交通事故和事故伤亡率的控制已经取得了显著效果，其每亿车公里死亡人数都在2人以下1，因此安全驾驶系统是至关重要的。驾驶人违规驾驶所引起的交通事故危害性之大可谓触目惊心。从公安部了解到，仅仅在2014年第一季度，全国发生的交通事故就有40283起，损失达到2.1亿元。因此，如何对机动车驾驶行为进行监管，引起了全社会的广泛关注。在世界上，很多国家都对车辆超速行为进行严格的监管，也制定了很多法律政策来惩罚驾驶员的超速驾驶违法行为，比如，在美国，超速驾驶可能会导致入狱1。据调研和检索,日本丰田公司也在开发一种可预测事故发生可能性的主动型安全系统,其系统由用于探测前方车辆

13、和障碍物的毫米波雷达、驾驶员和前排乘客的安全带和制动辅助系统组成2。近年来许多先进技术被引入汽车的安全设计,车辆安全技术大体上可以分为两种：主动安全与被动安全3。然而,目前市面上的一些车辆安全装置大多都属于被动安全装置,如安全带、安全气囊、保险杠，这些装置并不能够从根本上防止事故的发生，只能减轻发生事故的程度，因此如何利用先进技术,辅助驾驶者对影响交通安全的人、车、路等环境进行实时监控和报警,在危急情况下由系统主动干预驾驶操纵、辅助驾驶者进行应急处理、防止汽车碰撞事故的发生,显得尤其重要。因此本课题的研究具有十分重要的意义。1.2有轨电车安全驾驶系统设计思路本方案设计了一套以STM32单片机为

14、核心的有轨电车安全驾驶仪，具有性能高、成本低廉的优点。系统关键设备采用双冗余设计，主备板实现无缝切换，以提高系统的安全性，并采用卡槽式安装方式方便维护。系统采用GPS和速度传感器相结合，通过单片机读取传感器和GPS的数据，得到电车的实时速度和坐标位置，实现自动降速功能。在车门处安装传感器，以防止挤压现象，同时在车门打开时电车无法运行，达到安全防护作用。采用超声波传感器作为测距器，实现对车辆前方障碍物的探测。采用其他传感器设计：对车内温度、烟雾浓度的检测。1.3 论文内容安排2有轨电车安全驾驶系统的总体设计本章从系统设计的角度出发，分析了电车安全系统的功能需求，在此基础上，提出了基于单片机的设计

15、方案，并对控制器、报警模块以及显示器进行了分析。2.1系统功能分析6其他功能的设计6.1 烟雾探测6.1.1 总体设计如图6-1所示，该设计由烟雾信号采集电路、模拟转换电路、单片机控制电路和报警电路组成。首先由烟雾传感器采集信号,并将此信号转换为模拟信号，然后通过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号发送给单片机进行分析处理，判断并决定是否启动报警电路。温度烟雾浓度烟雾传感器放大电路A/D转换单片机LCD显示图6-1 总体设计框图系统流程图如图6-2所示。开始系统初始化故障检测数据采集放大处理A/D转换是否超过报警值LCD显示图6-2 设计流程图6.1.2 烟雾传感器的选择 烟雾

16、传感器分类烟雾传感器就是通过对烟雾浓度的检测而实现报警的设备。烟雾传感器可以分为三大类：(1)离子式烟雾传感器该烟雾传感器可以探测可见和不可见的烟雾,工作稳定可靠，具有早期预警功能，故被广泛应用于消防报警中。(2)光电式烟雾传感器光电式烟雾传感器内部有一个红外发光管和红外接收管，无烟情况下，接收管不接收发光管发出的红外光，当有烟雾产生时，烟雾颗粒将红外光进行折射、反射，产生电流，根据烟雾浓度，判断是否需要报警。此类烟雾传感器的灵敏度不容易受烟雾种类的影响。(3)气敏式烟雾传感器气敏电阻传感器是一种将气体种类和浓度等有关信息转换为电信号的传感器,通过电信号的强弱进行检测、报警，常用于煤气、瓦斯、

17、一氧化碳等有毒气体的检测。现如今的电车多数为密闭形式的，车内通风不太好，若是在车内吸烟，就会弥漫整个车室，也会对车内其他人员的健康带来损害，故本系统采用MQ-2烟雾传感器。 MQ-2烟雾传感器MQ-2是一款可检测多种气体的高灵敏度的低成本传感器，如图6-3所示，这种烟雾传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点，其具体参数见表6-1。图6-3 MQ-2实物图表6-1 MQ-2烟雾传感器参数A.标准工作条件符号参数名称技术条件备注回路电压15VAC or DC加热电压5.0V0.2VAC or DC负载电阻可调加热电阻313室温加热功耗900mWB.环境条件符号参数名称技术

18、条件备注Tao使用温度-1050Tas储存温度-2070RH相对湿度95RH氧气浓度21(标准条件)最小值大于2C.灵敏度特性符号参数名称技术条件备注敏感体表面电阻3K30K探测浓度范围：10010000ppm液化气和丙烷3005000ppm丁烷500020000ppm甲烷3005000ppm 氢气1002000ppm 酒精浓度斜率0.6标准工作条件温度：202:5.0V0.1V相对湿度：655: 5.0V0.1V预热时间不少于1小时6.1.3 电路的设计烟雾传感器与单片机连接电路如图6-4所示。图6-4 烟雾传感器与单片机连接图6.2 车内温度控制6.2.1 总体设计如图6-5所示，该设计由

19、温度信号采集电路、模拟转换电路、单片机控制电路和报警电路组成，首先由温度传感器采集信号,并将此信号转换为模拟信号，然后通过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号发送给单片机，最后传送给LCD显示出来。温度调整的实现可以自动控制，也可以手动控制，自动控制时，当LCD显示的温度不在用户设定的温度范围内，则控制器自动调整空调温度，驾驶员也可以手动调整车内温度。温度温度传感器放大电路A/D转换单片机LCD显示温度图6-5 总体设计框图6.2.2 温度传感器的选择常用的温度传感器有两种：(1)数字式温度传感器它具有体积小、稳定可靠、对温度响应快、方便存储等优点，故广泛应用于各个领域。(2)红外传感器该传

20、感器是一种非接触式的设备，它是通过测量物体红外辐射出来的能量来计算物体的表面温度的，具有体积小、测量精度高、反应速度快等特点本设计选用的是DS18B20数字温度传感器，这是一种常用的温度传感器，具有体积小、功耗低、精度高、价格便宜、抗干扰能力强等特点。如图6-6所示，为DS18B20数字温度传感器。 （a）实物图 （b）引脚图6-6DS18B20数字温度传感器三个引脚分别为：DQ：数字信号输入/输出端；GND：接地；：电源如下表6-3所示，简单说明了DS18B20数字温度传感器的主要性能。表6-3 DS18B20主要性能指标项目参数电压范围3.05.5V接口方式单线温度范围-55+125精度0

21、.5（在-10+85时）分辨率912位分辨率温度9位：0.5；10位0.25；11位：0.125；12位：0.06256.2.3 电路的设计温度传感器与单片机连接电路如图6-7所示，该设计线路简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强，能够保证温度量精度。 图6-7 温度传感器与单片机连接图6.3 小结本章主要对车内烟雾探测和温度检测进行了研究，利用烟雾传感器和温度传感器分别对车内烟雾和温度进行探测，由单片机进行判断处理，大大提高了电车运行的安全系数，随着交通业的发展，单片机车载系统是必不可少的。7机械结构设计为了便于控制板的更换维护，故采用机械结构设计，如图7-1所示，为控制箱整体结构。图(a)为装配

22、图，图（b）为爆炸图。箱门上有两组LED灯，分别对应两块控制板，正常工作时绿灯亮，出故障时红灯亮。便于驾驶员的检测。(a)控制箱装配图(b)控制箱爆炸图图7-1 控制箱整体结构图下面详细介绍装配步骤：(1)在箱体内安装连接器。如图7-2所示，为连接器装配组图。图（a）为连接器，图（b）为装配步骤图，图（c）为效果图。(a)连接器(b)装配步骤(c)效果图图7-2 连接器装配组图(2)在特定位置安装滑槽。如图7-3所示，为滑槽装配组图。图（a）为滑槽，图（b）为装配步骤图，图（c）为效果图。(a)滑槽(b)装配步骤图(c)效果图图7-3 滑槽装配组图(3)在滑槽内安装控制板，并保证控制板的插针孔

23、与连接器的插针对齐。如图7-4所示，为控制板装配组图。图（a）为控制板，图（b）为装配效果图。(a)控制板(b)装配效果图图7-4 控制板装配图(4)给控制箱体安装箱门。如图7-5所示，为控制箱门装配组图。图（a）为箱门，图（b）为装配效果图。(a)箱门(b)装配效果图图7-5 控制箱门装配组图结论在四年大学毕业之际，我们迎来了检验学习成果的关键课程毕业设计。毕业设计是衡量学生对知识掌握程度的方式，它包含了大多数的专业知识，培养了学生运用所学知识与实际相结合的能力，同时还检验了学生的书面和口头表达能力。经过四个多月的不懈努力，我的毕业设计终于完成了，回顾整个创作过程，有迷惘，有喜悦，有苦有甜，

24、不过我乐在其中。起初拿到课题公交车安全驾驶系统的研究时，我是愉悦的，因为很感兴趣，感觉“蛮简单的”；后来我去找老师分析课题后，我困惑了，“为啥这么难！”，同时课题也变成了有轨电车安全驾驶仪的研究为响应徐州市建造有轨电车计划。题目确定后我就按照老师的指点开始搜集各种关于单片机、传感器的资料，并列了大纲，在对该课题有了一定的了解后，我开始着手写论文正文了，在论文的撰写中我遇到了各种各样的问题，比如：采用什么样的传感器，传感器的型号要怎么选，传感器要怎样与单片机连接等，一开始我是自己在网上查询解决，查不到就求助老师，老师每次都能及时给予我帮助，同时还给我讲述需要注意的地方，经过老师的指导，我的思路愈

25、加清晰。通过本次毕业设计，我发现了自身的很多问题，例如知识的欠缺，解决问题的能力等。一个看似简单的探测前方障碍物问题，做起来却很难，从工作原理到具体实现需要很多准备，这些都在考验着我的查询资料能力和组织能力，同时还巩固了我的专业知识，激发了我的创新意识。由于我能力有限，论文中难免会有一些错误和不足的地方，望大家指正。致谢参考文献1Lee WH,Tseng S S,Shieh W.Y.Collaborative real-time traffic information generation and sharing framework for the intelligent transporta

26、tion systemJ.Information Sciences,2010,180(2):62-702TOYOTA Technology Review Apr.19973Cho H J,Hwang M C.Day-to-day vehicular flow dynamics in intelligent transportationnetworkJ.Mathematical and Computer Modelling,2010,41(4-5):501-5224高玉芹.单片机原理与应用及C51编程技术M.北京.机械工程出版社.2011.6:209-2125胡运德,于伦成,金慧军.高危场所安全监控系统双冗余控制器的设计与实现J.航海工程6Remagnino P,Tan T,Baker K.Multi-agent visual surveillance of dynamic scenes.Image and Visual Computing,1988,16:529-5327苑洁.基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计D.华北电力大学.20128孟晨星,徐旭.汽车用速度传感器简介J.汽车工业研究.2013(10):59-619周绍敏.电工基础（第三版）M.高等教育出版社.110-12010秦曾煌.电工学（第七版）（下册）M.高等教育出版社.280-28211