超速报警器毕业设计

1、14届届 分 类 号: 单位代码:10452毕业论文（设计）超速报警器的设计超速报警器的设计 姓 名 * 学 号 201008130101201008130101 年 级 20102010 专 业电子信息科学与技术电子信息科学与技术 系（院） 理学院理学院 指导教师 王彦华王彦华 2014 年 3 月 19 日临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）摘 要超速报警器的设计从硬件和软件方面阐述了单片机在汽车超速报警上的应用，该报警系统允许驾驶员通过自带键盘设置车辆安全行驶的最高速度，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，在一定程度上有效解决汽车超速驾驶的问题。

2、文章介绍了霍尔传感器的工作原理，阐述了霍尔传感器测速系统的工作过程，利用脉冲计数法实现了对转速的测量，通过 LCD 直观地显示汽车的速度值。结合硬件电路设计，采用模块化方法进行了软件设计,编制了电机转速测量模块、报警模块、显示模块等的 C51 程序，并通过 PROTEUSE 软件进行了仿真。关键词：转速测量，霍尔传感器，LED1602,单片机临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计） ABSTRACTOverspeed alarm design from hardware and software aspects of the SCM in vehicle overspeed alarm on

3、 the application。The alarm system allows the driver to set the maximum speed of this vehicle safe driving when the vehicle is in running state use keyboard. When the vehicle speed exceeds the highest value set by the driver, the buzzer alarm to alert the driver to slow to achieve the purpose of proa

4、ctive. To some extent it effectively solve the car speeding problemThe working principle of the Hall sensor was introduced in this paper. The working process was described. It is used pulse-counting method to achieve the measurement of speed, and to display vehicle speed values through an intuitive

5、LCD. Combination of hardware circuit design, software were designed by a modular approach using C51 program, such as the motor speed measurement module, alarm module, display module etc. All these programs were simulated through PROTEUSE.Key words: rotate speed measurement；Hall sensor；LED1602；Single

6、 chip microcomputer临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）目 录1 1 引言引言 .1 11.1 课题产生原因 .11.2 课题的发展现状 .21.3 汽车超速报警器的未来前景 .31.4 本设计的主要内容 .32 2 元件选定元件选定 .4 42.1 霍尔测速模块论证与选择 .42.2 单片机模块论证与选择 .42.3 显示模块论证与选择 .52.4 报警模块论证与选择 .53 3 车速的测量原理及实现方法车速的测量原理及实现方法.5 53.1 转速测量方法 .53.2 传感器及其测速原理 .63.3 速度的实现 .104 4 系统硬件的设计系统硬件的设计.11114.

7、2 光电耦合单元 .134.3 报警单元 .144.4 按键电路 .154.5 最小系统 .164.6 1602 显示器电路.175 5 软件设计软件设计.19195.1 程序设计步骤 .195.2 软件程序设计 .206 6 系统仿真调试系统仿真调试 .25256.1 应用 KEIL软件进行程序调试 .256.2 PROTEUS仿真 .256.3 仿真实例 .26临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）附附 录录.3030参参 考考 文文 献献.3535致致 谢谢.3636临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）11 引言1.1 课题产生原因超速行驶是指在一定道路上行驶的汽车，超过了该段

8、道路所规定的行驶速度。 道路交通安全法实施条例第四十五条规定：机动车在道路上行驶不得超过限速标志、标线标明的速度。在没有限速标志、标线的道路上，机动车不得超过下列最高行驶速度：没有道路中心线的道路，城市道路为30 kmh，公路为40 kmh，同方向只有一条机动车道的道路，城市道路为50 kmh，公路为70 km/h。限速是为了行驶安全，而汽车在设计时都定有最高时速，以至于两者出现较大的差距，令驾驶员稍不留意就要超速1。那么公路车速到底对交通事故的影响是什么呢？（1）驾驶员在道路上行驶时，必须时刻获得周围环境的信息进行判断，决定自己的操作行为，这些过程都需要一定的时间。但是，当随着车速的提高，驾

9、驶员观察和判断的时间必然减少、反应也会时间减少，导致做出错误决定的可能性就会相应增加，从而使交通事故发生的可能性变大。而且车速的提高会减少驾驶员采取避让措施的时间和距离，汽车发生碰撞时的速度也比初始速度高。(2)驾驶员对事物判断的准确性主要取决于两个方面：一是事物对驾驶员的刺激强度，强度越大，判断的准确性越高；二是单位时间内对驾驶员刺激的信息量的多少，信息量越少，判断的准确性越高。超速行车时，刺激物一晃而过，刺激强度很小，而单位时间内对驾驶员刺激的信息量却增大，因而严重地影响了驾驶员对车外事物判断的准确性，极易导致事故的发生。 （3）我们都有这样的感觉，如果乘坐汽车，会感觉到车外的自行车速度很

10、慢；如果乘飞机，会感觉到地面上行驶着的汽车像处于静止状态一样。这就是所谓运动物体对速度的迟钝感。它包含两个方面，一方面常常低估自己本身的速度，另一方面常常低估比自己速度慢的其他物体的速度。驾驶员超速行车时，必然会低估其他交通参与者的速度，当遇到异常情况时，就会失去采取有效措施的时机而导致事故的发生。可见，随着车速的提高,事故率和事故的严重性都会提高。尽管汽车都安装了速度表盘，司机可以通过速度表知道当前汽车的速度，但是汽车的驾驶有时候是一个长时间、长路途的工作，很长时间的连续驾驶可能会使司机因疲倦而麻痹超速问题。为了在超速时提醒和警示司机，进一步保证行车安全，避免因超速问题带来的交通安全事故的发

11、生，还需要给汽车安装上汽车速度显示及超临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）2速报警器。因此本设计就是使驾驶员起到重视速度问题，并且及时监督提醒作用驾驶员不要超速。由此，我觉得开发一个超速报警系统是很有必要的，对于驾驶员及其家人的生命财产安全有重大意义，可以降低交通事故发生率。课题：汽车超速报警系统的设计，正是在此背景下提出的，故而有很大的现实意义。目前市面上最流行的报警方式：车载GPS系统，能够提供车辆的定位信息，车速信息等，但价格昂贵。鉴于此原因，本设计将汽车超速报警器与单片机的知识联系在一起，使得器件操作更简单，成本更低廉，更能被广大消费者所接受。1.2 课题的发展现状现在国内外的汽

12、车超速报警器发展很快,新技术层出不穷。据了解中国的智能测速仪现在的技术已经有飞跃式的发展。即单纯利用传感器和单片机做出的单功能汽车超速报警器逐渐发展到完善多方面需求的多功能汽车超速报警器。例如广东的：SP01A 型报警器。即可以实现多种实用功能功能:高亮 LED 显示、具有两级速度报警、一级警灯提示、二级喇叭警告。（一级跟二级速度可任意设计）可按客户要求做成断油（断电功能）。限速功能型号可以强制车辆减速或者设定为车辆熄火.遥控解锁功能.只有授权人员才能解除报警. SP02A 型报警器，可实现功能：大屏幕液晶数据显示,车辆超出设定的一级速度警灯提示，超出二级速度时喇叭警告.同时还具备记录跟防剪功

13、能.方便管理查寻。 SP03A型报警器，可实现功能：具备刷卡及四个权限设置，到期保养设置；大屏幕液晶数据显示,车辆超出设定的一级速度警灯提示，超出二级速度时喇叭警告.同时还具备记录跟防剪功能.方便管理查寻。随着科技的发展和市场的需求，超速报警器又迈向了一个新的台阶，从用传感器测量车速，逐渐已经过度到利用 GPS 技术对车速进行监测。GPS 车载监控终端以前在国内主要应用于铁路,空运及海运领域.随着 GPS 全球定位体统技术日臻成熟,开始转向公路运输领域,在南方各大城市发展迅速，GPS 车载监控 终端开始出现,市场前景看好。GPS 车载监控终端在技术上实现了质的飞跃，可实现如下基本功能：GPS

14、实现卫星定位后，以 GPRS 将监控目标的经纬度、速度、方位、海拔高度数据经由终端单片机进行解析处理后由 GPRS 模块发回中心服务器，在由中心进行数据的处理，便可精确的查找出目前车辆所在的位置；紧急求助功能：按数字键，即可向监控中心发送事先编写好的状态（路阻、故障、事故求助、拨打电话等） ；主电掉电报警：在主电源突然掉电时可以通过备电继临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）3续让系统稳定工作，同时向中心发出主电掉电信息；越界报警功能：系统可预先设置车辆行驶范围，超出该范围系统会自动向中心提示越界信息；电瓶低压报警功能：电瓶低压时系统自动提示低压信息；遇劫报警功能：在遇到紧急情况时，只要启

15、动隐蔽安装在驾驶室内的报警按钮，车载终端就会通过 GPRS 网络自动向监控中心发送多次报警信号；GPS 跟踪功能：在车辆被盗、抢劫后，监控中心能通过对终端下发单片机指令使其自动跟踪报警车辆；超速报警功能：中心可以设定被监视车辆的速度，一旦终端 GPS 定位数据达到或超过预设的速度值，终端会自动向中心发送超速信息；遥控熄火功能：在对被劫持的车辆进行营救的过程中，监控中心可以根据营救的需要遥控车辆强行熄火，但设备故障不会造成意外熄火，内部有可靠的自动复位电路；电子围栏功能：系统可预先设置车辆行驶范围，超出该范围系统会自动向中心报警。1.3 汽车超速报警器的未来前景在当今社会，大力提倡环保，经济，可

16、持续发展的大前提下，我们的警报器最大的特点是经济实用，操作简单(即安即用)，有利于可持续发展(拆换方便)，绿色环保无污染(没有有害气体，液体等溢出)，可充扩性(东西小巧可附加在其他器械上一起使用)，兼容性(适用于广大的车型，车种)，可靠性，可用性，可维护性(原理简单可自行维护)，能有效的达到超速报警的效果。在未来，只需要在精准度的问题上稍作改进即可更上一层楼了。1.4 本设计的主要内容1.4.11.4.1 电路的基本功能电路的基本功能该电路主要是计算汽车在一秒内轮子的转动圈数即转动频率，仅以转动频率来模拟汽车的速度，并将计得的速度通过 LCD1602 显示出来，确保了行驶的安全，通过控制开关可

17、以设定上限速度，设置速度可以为 30 到 160 间为十的整数倍，当速度大于此设置速度时，电路将产生报警信号。1.4.21.4.2 电路的基本组成部分电路的基本组成部分该系统由时钟电路、复位电路、速度显示电路、按键电路（设定报警车速值） 、报警电路、霍尔传感器连接电路和控制单片机组成。1.4.31.4.3 设计要求设计要求(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临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）4方案。在满足性

18、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。可靠性是指产品在规定的条件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。1.4.41.4.4 文章的主要工作有：文章的主要工作有：（1）对速度传感器、芯片、单片机等硬件进行选定；（2）构架系

19、统的整体结构；（3）完成各个硬件的设计，并作出相关说明；（4）给出系统的软件设计，并作相关说明；（5）在keil软件中进行软件调试;（6）画出proteus电路图，进行仿真；2元件选定元件的的选对有以下要求，第一，能很好实现系统各模块的功能，尤其在精度、稳定性等方便;第二，结构简单，便于操作;第三，尽量做到系统资源优化，价格低廉;第四，维护方便。2.1霍尔测速模块论证与选择方案一：采用型号为 A44E 的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔片体积小，安装灵活，价格合理，可用于测速，可与普通的磁钢片配合工作。 方案二：采用型号为 CHV-20L 的霍尔元器件作为霍尔测速模块的核心,该霍尔器件额定

20、电流为 100mA,输出电压为 5V,电源为 1215V。体积较大，价格昂贵。选择方案一。2.2 单片机模块论证与选择方案一：采用型号为 AT89C51 的单片机作为主控制器，AT89C51 是带 4K字节闪烁可编程擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS8 位微处理器，将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，为许多控制提供了灵活性高且价格低廉的方案。临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）5方案二：采用单片机 C8051F060 作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。C8051F060 系列单片机是美国 CYGNAL 公司推出的一种与 51 系列单片机

21、内核兼容的单片机。C8051F060 作为新一代 8051单片机，具有功能强大、体积小、工作稳定等特点，适用于复杂控制系统。选择方案一。2.3 显示模块论证与选择方案一：采用 LED 数码管动态扫描,LED 数码管价格适中,亮度高，显示数字合适,但是连接复杂，耗电流大，驱动电路复杂。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示简单文字比较适合,如果显示数字则浪费资源,而且价格也相对较高。方案三：采用 LCD 液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,并且连接很方便 ,所以在此设计中采用了 LCD 液晶显示屏。选择方案三。

22、2.4 报警模块论证与选择方案一：采用蜂鸣器与发光二极管作为声光报警主要器件。该方案不论在硬件焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。方案二：采用语音播报系统作为声光报警的核心。该方案更具人性化、智能化，但是就该设计要求而言，方案过于复杂，相对成本过高，工作量偏大。选择方案一。3 车速的测量原理及实现方法3.1 转速测量方法 通过车速传感器输出与车速成正比的脉冲，对传感器输出信号频率进行测量，然后通过处理、转换、计算，即可得出汽车速度。速度信号作为本系统的基量，能否精确测量速度对系统的精准和性能有着决定性的影响。转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有 M 法(测

23、频法)、T 法(测周期法)和 MPT 法(频率周期法)，该系统采用了 M 法(测频法) 2。频率法又叫直接计数法，被测量信号的频率为 f，在某一选定时间闸门 T内，对被测量的信号脉冲进行计数，然后根据计数值 M 和闸门时间 T 求得所测信号的频率，即:临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）6 f= （3-1）TM根据误差传递公式可推出:= - （3-2)ffMMTT由于T/T 对测量结果影响极小，可以忽略不计，故： (3-3)ffMMM 为仪表本身所特有误差，一般以考虑，则式(3-3)可写成: = (3-4)ffMMM1频率法的特点是测量时间基本恒定，动态性能由闸门时间 T 决定，T 越小

24、，动态能越好。在 T 恒定的情况下，f 越大，误差就越小。用此方法，通过单片机的定时/计数器，在阀门时间(定时时间)里记录脉冲数，再通过转换即可得到被测信号频率。例如定时 100 毫秒，计数器读到的脉冲数乘以 10 就是被测信号的频率。这种方法的缺点就是在闸门时间 T 内捕捉到的信号可能会丢失，造成测量的主要误差。分析误差原因：第一个脉冲的上升沿和最后一个脉冲的下降沿不在闸门时间 T 内，就造成了信号丢失。即测到的脉冲数少于实际的脉冲数，这就造成了误差。但是如果脉冲的频率很高，丢失的脉冲数对测量结果影响就不大，误差相对较小。所以频率法只适合于测量高频信号。尽管频率法在测量低频信号时误差较大，即

25、测量低速行驶的汽车车速时误差较大，但是本系统不要求对汽车低速时报警。该方法可以满足汽车行驶时的中高速信号测量，可满足该设计的要求，故本设计选择频率法作为频率量测量方法。 图 1 频率法脉冲丢失原理图3.2 传感器及其测速原理速度传感器意为能感受被测速度并转换成可用输出信号的传感器。而物理学则规定单位时间内位移的增量就是速度，同时速度包括角速度和线速度，所以与之对应的就应该也存在角速度传感器和线速度传感器，我们把其统称为速临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）7度传感器。下面我们进行速度传感器的选择，通过综合衡量各个不同种类的传感的综合指标来选择我们所需要的速度传感器。3.2.13.2.1

26、速度传感器的种类及其工作原理速度传感器的种类及其工作原理通过查找现有的各种资料，并结合汽车超速报警器的课题，我总结出现有的几种速度传感器的基本资料。表 1 为几种常见的速度传感器及其工作原理3：表 1 速度传感器的种类及其工作原理传感器结构安装位置工作原理舌簧开关式分电器内部舌簧开关发动机转速传感器电磁感应式柴油机喷油泵、汽油机分电器电磁感应舌簧开关式车速表转子附近舌簧开关电磁感应式变速器输出轴附近的壳体上电磁感应光电式速度表内光电效应车速传感器可变磁阻式变速器壳体内改变磁阻电磁感应式电磁感应轮速传感器霍尔式驱动轮上、从动轮上、后桥主减速器壳上或变速器输出轴上霍尔效应3.2.23.2.2 霍尔

27、传感器霍尔传感器速度传感器是车辆传感器中的易损器件，所以系统采用了非接触式传感器，这是系统的关键。这种传感器的脉冲输出信号具有稳定性较好，不易受外部噪声干扰，对测量电路无特殊要求等优点，并且结构比较简单，成本低，性能稳定可靠。该系统测速传感器由霍尔器件、磁铁组成 4。3.2.2.13.2.2.1 霍尔效应霍尔效应在半导体薄片两端通以控制电流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为 B 的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH 的霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。5其原理如图 2 所示：临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）8图 2 霍尔效应原理图3.2.2.23.2

28、.2.2 霍尔传感器的优势霍尔传感器的优势霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器的输出信号不会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。霍尔转速传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环境影响。霍尔转速传感器的，测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感

29、器的工作温度可以达到 100。霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输6。3.2.2.33.2.2.3 霍尔转速传感器的工作原理霍尔转速传感器的工作原理霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为集中的区域时，磁场就相对较强。霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上

30、的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）9 图 3 霍尔传感器原理图根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号,霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可

31、以确定被测物的转速。其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：n= (3-5)PT60式中：n 为电机转速；P 为电机转一圈的脉冲数；T 为输出方波信号周期。根据式(3-5)即可计算出直流电机的转速7。本设计系统工作过程：机轴上安装一个一个圆盘，圆盘的边缘安有一个磁钢，测量转速的霍尔传感器靠近边缘的磁钢，机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。图 4 霍尔传感器检测转速示意图3.2.2.43.2.2.4 集成开关型霍尔传感器集成开关型霍尔传感器A44E 集成霍尔开关由稳压器 A、霍尔

32、电势发生器(即硅霍尔片)B、差分放大器 C、施密特触发器 D 和 OC 门输出 E 五个基本部分组成，如图 5（a）所示。(1)、(2)、(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。在电源端加电压 Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差 VH 输出，该 VH 信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）10成为方波输送到 OC 门输出。当施加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时 OC 门输出端输出低电压，

33、通常称这种状态为开 。当施加的磁场达到释放点时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC 门输出高电压，这种状态为关 。这样两次电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。工作点与释放点的差值一定，此差值称为磁滞，在此差值内，V0保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍尔开关传感器优良特性之一。传感器主要特性是它的输出特性，即输入磁感应强度 B 与输出电压 V0之间的关系。A44E 集成霍尔开关是单稳态型，由测量数据作出的输出特性曲线如图 5(b)所示6。测量时，在 1、2 两端加 5V 直流电压,在输出端 3 与 1 之间接一个 2k的负载电阻，如图 6 所示。DABCEVCC(1)(2)

34、GNDOUT(3)(a)0510152036912VO/VB/mT释放点(OFF)工作点(ON)(V)(b) 图 5 集成开关型霍尔传感器图 6 集成霍尔开关接线图 3.2.33.2.3 传感器的安装部位传感器的安装部位在汽车超速报警器的课题设计中，我们将传感器安装在前轮上自动变速器输入轴端，本设计采取将传感器安装在前轮上，具体设计方案如下图所示:临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）11图 7 传感器的安装位置3.3 速度的实现 要从转速算出车速值，就要知道轮胎的规格，得出轮胎外直径，从而获得轮胎的周长。根据轮胎的工 ISO 国际标准，可知轮胎规格的 ISO 表示方法为ABCDEFG 其

35、含义为:A-断面宽。B 高宽比(断面高除以断面宽乘以 100%). C 轮胎结构代号 D:内轮毅直径。E:单胎负荷指教。F:双胎负荷指数。G:速度符号。对已知车型可知其车轮直径 D，例如规格为 18570VRl4 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，轮胎外直径的计算公式:(断面宽*高宽比*2)十(内轮辋直径*2.54)，据此可计算出轮胎直径：D=18.50.72+142.54=61.46cm=0.6146m汽车行驶过程中，车轮每转一圈，车速传感器产生 1 个脉冲，1s 内产生的脉冲为 n，则汽车速度：speed=Dn。比

36、较，如果 fullspeed，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。4 系统硬件的设计汽车速度显示系统工作过程是：机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。为了减少系统误差和信号的干扰，实现非接触测量我们就需要在单片机和测速传感器之间加上一个光电耦合单元，得到一个与车速信号频率一致的信号，送人单片机记数。同时传感器电路输出幅度为 12v 的脉冲经光电耦合后降为 5v，保持同 AT89C51 逻辑电平相一致。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。CPU 将该值数据处理后，在LCD1602 上显示出来。一旦超速，CPU 通过蜂鸣器和 LC

37、D 灯发出声音报警信号。故可以画出以下的超速报警系统总框图。临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）12图 8 超速报警系统总框图4.1 主控芯片 AT89C51单片机(Single-Chip-Microcomputer)又称为单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入口、输出口、定时器/计数器、中断系统等全部集中在一个半导体芯片上。单片机结构上的设计，在硬件、指令系统及 I/O 能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制功能。虽然单片机只是一个芯片，但无论从组成还是从其逻辑功能上来看，都具有微机系统的含义。另一方面，单片机毕竟是一个芯片，只有

38、外加所需的输入、输出设备，才可以构成实用的单片机应用系统8。4.1.14.1.1 AT89C51AT89C51 芯片芯片AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。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9。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 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种

39、灵活性高且价格低廉的方案。其引脚图如图 9 所示。时钟电路复位电路声音报警按键电路显示电路单片机光电耦合霍尔传感器电机临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）13图 9 AT89C51 引脚图4.1.24.1.2 定时器定时器8051 单片机内部有两个 16 位可编程定时器/计数器，记为 T0 和 T1。它的工作方式可以通过指令对相应的特殊功能寄存器编程来设定，或作定时器用，或作外部事件计时器用。定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器 TH 和 TL组成。作定时器使用时，计数脉冲由单片机内部振荡器提供，计数频率为f/12,每个机器周期加 110。OSC8051 单片机定时器/计数器的工作方

40、式由特殊功能寄存器 TMOD 编程决定，定时器/计数器的启动运行由特殊功能寄存器 TCON 编程控制。不论用作定时器还是计数器，每当产生溢出时，都会向 CPU 发出中断请求。单片机的定时器的工作原理是利用了寄存器的溢出来触发中断的,所以在写定时器的时候就要去算计数的增量,再根据单片机的晶振的频率就可以算出确定的时间了。定时器主要用到了 2 个寄存器,一个为 TCON,另一个为 TMOD。TCON 是用来控制定时器的启动与停止的。TMOD 是用来设置定时器的模式的。8051 单片机的定时器/计数器是可编程的，在进行定时或计数操作之前要进行初始化编程。通常 8051 单片机定时器/计数器的初始化编

41、程包括如下几个步骤:1.确定工作方式，即给方式控制寄存器 TMOD 写入控制字。2.计算定时器/计数器初值,并将初值写入 TH 和 TL。3.根据需要对中断控制寄存器 IE 置初值，决定是否开放定时器中断。4.使运行控制寄存器 TCON 中的 TR0 或 TR1 置“1”，启动定时器/计数器。在初始化过程中，要设置定时或计数的初始值，这时需要进行一点运算。由于计数器是加法计数，并在溢出时产生中断，因此初始值不能是所需要的计临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）14数模值，而是要从最大计数值减去计数模值所得才是应当设置的计数初始值。假设计数器的最大计数值为 M（根据不同工作方式，M 可以是

42、2、2或 2 ） ，13168则计算初值 X 的公式如下：计数方式：X=M-要求的计数值 定时方式：X=M- OSCf/12要求的计数值4.1.34.1.3 外部中断外部中断外部中断：对某个中央处理机而言，它的外部非通道式装置所引起的中断称为外部中断。51 单片机的外部中断有两种触发方式可选：电平触发和边沿触发。选择电平触发时，单片机在每个机器周期检查中断源口线，检测到低电平，即置位中断请求标志，向 CPU 请求中断。选择边沿触发方式时，单片机在上一个机器周期检测到中断源口线为高电平，下一个机器周期检测到低电平，即置位中断标志，请求中断。4.2 光电耦合单元 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的

43、一种电光电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换11。 光电耦合器分为很多种类，图 10 所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE 导通；当输入端无信号，发光二极

44、管不亮，光敏三极管截止，CE 不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1” ；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0” 。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。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。临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）15图 10 信号耦合电路图 图 11 光电耦合器接线原理4.3 报警单元磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在

45、电磁线圈和磁铁的。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声12。报警模块主要负责声音报警和灯光报警，共同组成报警电路来进行报警作用。以此来通知驾驶员进行调速，减少发生交通事故。报警电路均比较简单，声音报警由单片机引脚接上两个 10K 电阻，电源，一只三极管 8550 和一只蜂鸣器组成，灯光报警发光二极管构成。当速度没有超速的时候，红灯不亮，不报警。当速度大于设定速度的时候单片机就将 P1.6 口置为高电平,将红灯点亮，P1.7 高电平就将三极管发射极导通，实现 speak 报警。 图 12 报警电路临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）164.4 按键电路本着系统简单的原则，

46、为了方便的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 P1.0、P1.1、P1.2 口分别与 K1、K2、K3 相连。通过软件设置按键开关功能： 按 K1 调高上限速度按 K2 调低上限速度按 K3 雨雪/雾霾 60km/h此按键电路为低电平有效，当无按键按下时，单片机输入引脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 端口均为高电平。当其中任一按键按下时，其对应的P1 端口变为低电平，在软件中利用这个低电平设计其功能。本设计软件中还设置了按键防抖动误触发功能，软件中设置定时器 100ms 中断一次，每次中断都对按键进行扫描，如果扫描到有按键按下，则延迟 10ms，再次进行键扫描，若

47、仍有按键按下，则按键为真，并从 P1 口读取数据，低电平对应的即为有效按键，如图 13 所示。图 13 单片机与按键电路的连接4.5 最小系统4.5.14.5.1 复位电路复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端

48、的电压增加引起的。本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，当上电时，C1相当于短路，使单片机复位，在正常工作时，按下复位键时单片机复位15。在有时碰到干扰时会造成错误复位，但在大多数条件下，不会出现单片机错误临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）17复位，而可能会引起内部某些寄存器错误复位，如果在复位端加一个电容，则会得到很好的效果。单片机采用的复位方式是自动复位方式。AT89C51 单片机只要接一个电容至 VCC即可。在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在 RST 端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使 AT89C51 单片机有效的复位。RST 端在加电时应保持的高电平时间包

49、括 VCC的上升时间和振荡器起振的时间，所以一般为了可靠的复位，RST 在上电应保持 20ms 以上的高电平。RC 时间常数越大，上电 RST 端保持高电平的时间越长图 14 复位电路4.5.24.5.2 晶振电路晶振电路 晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶

50、体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。电容C1和C2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用（C1、C2大，f变小） 。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）18生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作图15 晶振电路4.6 1602 显示器电路字符型液晶显示

51、模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的 1602 字符型液晶显示器为例，介绍其用法。字符型 LCD1602 通常有14 条引脚线或 16 条引脚线的 LCD，多出来的 2 条线是背光电源线 VCC(15 脚)和地线 GND(16 脚)，其控制原理与 14 脚的 LCD 完全一样13。一般 1602 字符型液晶显示器实物如图 16 所示图 16 LCD1602 液晶显示实物图4.6.14.6.1 LCD1602LCD1602 主要技术参数主要技术参数显示容量:162个字符芯片工作电压:

52、4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）19字符尺寸:2.954.35(WH)mm4.6.24.6.2 1602LCD1602LCD 引脚引脚1602LCD 采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表1。表3 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据 /命令选择12D5数据5R/W读 /写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VS

53、S 为地电源。第2脚：VDD 接5V 正电源。第3脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度。第4脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。第6脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：

54、D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。4.6.3.4.6.3.其与单片机的连接图。其与单片机的连接图。临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）20 图 17 单片机与LED1602连接5 软件设计5.1 程序设计步骤（1）分析问题，明确任务要求。（2）确定算法，即根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务须经历的步骤。（3）根据所选择的算法，确定内存单元的分配：使用那些寄存器：程序运行中的中间数据及结果存放在那些单元，以利于提高程序的效率和运行速度：然后制定出解决问题的步骤和顺序。（4）编写源程序，对原程序进行编译、调试。5.2 软件程序设计在硬件设计完毕之

55、后，接下来就是设计中最核心和最为主要的软件部分设计。所谓软件设计就是把软件需求变换成软件的具体设计方案（即模块结构）的过程。模块化结构设计即是根据要求和硬件设计的结构，将整个系统的功能分成许多小的功能模块，再根据这些小的功能模块进行程序编写的过程。这样的设计方法，使得系统的整个功能和各部分的功能趋于明朗化。当系统出现问题，就可以根据功能设置找出问题的根源，从而更快地解决问题。所以说，在整个设计过程中，软件设计必须与硬件设计紧密地结合在一起。 汽车超速报警器的软件设计包括主程序模块、按键子程序模块、中断服务子程序模块、转速程序模块和显示模块几大部分。主程序主要完成硬件初始化、子程序调用以及显示、

56、报警等功能。数据处理子程序主要完成监测车辆速度即临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）21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 SPEAKER 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最高时速和车辆实际时速。由于要实现很多功能，所以采用模块化设计，下面就其主要部分分别加以分析。5.2.15.2.1 主程序设计主程序设计主程序在对定时器、计数器、LCD 等进行初始化后，检测限速键盘是否有输入，如果有，就改变限制速度；如果没有，就保持限制速度数值不变（如果是

57、初始值就为 30km/h） 。然后判定即使速度是否超过限制速度，如果超过了，就进入限制速度显示程序，调用限制速度显示数组与超速字符数组显示,并使提醒 LED 与蜂鸣器开启；如果没超过，改变即时速度数组，然后调用限制速度显示数组与即时速度数组显示，并关闭提醒 LED 与蜂鸣器。最后返回检测键盘，不断重复检测键盘与判定程序。/*-主函数-*/void main()int_all();/全局初始化 while(1)disp_count();/数据处理warning_speed()；/报警模块 displaytolcd()；/显示模块5.2.25.2.2 中断服务程序设计中断服务程序设计设 T0 定时

58、时间为 100ms，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 10 次，时间为 1s。1s 定时时间到，读取定时器 T1 输入的脉冲数，为实时车速的频率值。一、外部计数中断进行转动圈数的计数，每圈加 1。/*-外部中断 0 计数程序-*/void counter() interrupt 0EX0=0; /关外部中断 0临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计）22count+;/转圈计数加 1EX0=1; /开外部中断 0二、定时器中断进行定时器重新赋值，与每秒进行一次速度计算处理，得出转速。/*-内部中断 0 计时计数程序-*/ void Timer_0

59、(void) interrupt 1 TH0=(65536-15536)/256;TL0=(65536-15536)%256;/定时器 0 为 0.1s 中断一次msec+;if(msec=10) zhuan=count; disp_count();/数据处理displaytolcd();msec=0;count=0; 5.2.35.2.3 显示程序设计显示程序设计液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字

60、符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。向 LCD 输入的数据有两种，一种是指令，一种是数据。指令是负责初始化 LCD 与 LCD 显示字符是什么位置。数据是告诉该显示什么。命令与数据是 RS 端的高低电平来确定。数据开始的时候是由 LCDCN 高电平开始，低电平结束。/*写指令入 LCD*/void write_com(uchar com) rs=0; /信号使能端低电平P0=command; /向 LCD 写命令lcden=0;delayms(5);lcden=1; /信号使能端高电平delayms(5);临沂大学 2014 届本科毕业论文（设计