《基于单片机的汽车安全监测与报警系统设计与实现7100字（论文）》

基于单片机的汽车安全监测与报警系统设计与实现TOC\o"1-2"\h\u2476摘要 11474引言 2181011.方案设计 255891.1系统可以实现的功能 244121.2硬件电路图 3185931.3软件模块 3148112.关键元器件介绍 390542.1单片机的功能介绍 3258412.2传感器的选择 5176212.2.1霍尔传感器 567802.2.2DS18B20温度传感器 5204802.2.3电容液位传感器 622382.2.4ADC0832数模转换器 673192.3LCD1602显示器 723073.硬件电路 8259273.1单片机最小系统 8244653.2车速监测电路 9103413.3油箱温度监测电路 10143383.4油箱油位监测电路 10223523.5LCD1602显示电路 10106583.6按键电路 1145883.7报警电路 1111138图14报警电路 12222264.软件流程图设计 1256754.1系统主程序流程图 126634.2汽车车速监测流程图 13174994.3油箱温度监测流程图 14252584.4油箱油位监测流程图 15130144.5LCD1602显示流程图 16325675.仿真结果 16268446.总结 20摘要：我们的社会生活水平的不断提高，几乎每个家庭都有一辆汽车，随着汽车的越来越多，汽车的安全事故也越来越多，为了人们的安全，汽车的安全监测是必不可少的，本文设计了基于汽车安全监测与报警。本文设计以单片机最小系统为控制核心，以ES3144、DS18B20、电容液位传感器为监测元件，用A/D转换器将监测到的模拟信号转换为数字信号，将监测到的汽车车速、油箱温度和液位与单片机中设定阈值进行比较，用LCD1602显示器将监测到的汽车车速、油箱温度和液位实时显示出来，如果监测到的各项数据超过已设定的阈值，单片机发出报警信号，进行声光报警。仿真结果表明，该设计可以准确的监测汽车车速、油箱温度、油箱液位数据，并且监测到的数据不在安全阈值内进行声光报警，还可以由LCD1602显示器显示数据，让人们开车出行的时候更加安全。关键词：基于单片机AT89S52、传感器、A/D转换系统、LCD显示系统和声光报警系统引言1885年福里特发明了第一辆汽车，到现在2021年全球已经有数十亿辆汽车，在人们的日常生活中，汽车已经成为最受欢迎的交通工具，汽车驾驶系统本身也是一个智能且复杂的系统，随着我们使用汽车的时间增长，汽车安全性能在慢慢下降，汽车必须进行的安全监测，车辆检测是确保汽车可以正常在路上行驶。汽车的安全监测是消除汽车在道路行驶过程中存在的安全隐患,拥有高效、高质量的监测使得汽车在道路上正常行驶得以保证，高质量的汽车安全监测系统是确保司机安全的重要保障。传统的汽车安全监测已经不能满足当前现代的快速化发展，提高汽车安全监测水平是本文主要的研究问题，汽车安全监测技术也必须要跟随科技的发展而进步，不断更新的汽车安全监测水平，才能加强驾驶员的安全防护。根据从网上查阅的相关文献，本设计选用以单片机组成的最小系统为控制核心，选择测量误差相对比较低，性价比高的传感器，组成一个可以实时的检测车辆油箱液位，汽车车速，油箱温度等数据，能够实时的将监测到的数据显示出来，能够根据监测到的汽车车速、油箱温度、油箱液位与设定的安全阈值进行比较，如果监测到的数据不在安全阈值内，单片机发出控制信号，控制报警系统，进行声光报警，提示驾驶员汽车出现了问题。1.方案设计本论文设计是以单片机为核心，由ES3144、DS18B20、电容传感器对汽车车速、油箱温度和液位监测，用按键设定阈值，然后将监测到的汽车车速、油箱温度和液位上传到单片机中，由显示器显示监测元器件监测到的数据，如果监测到的数据超高设定的阈值，单片机发出控制信号，利用报警系统进行报警。1.1系统可以实现的功能（1）汽车数据的采集。采集汽车车速、汽车油箱温度和汽车油箱液位的数据。（2）显示器数据显示。显示器不但可以显示油箱温度和液位、汽车车速，还可以显示设定的油箱温度和液位的阈值、汽车车速阈值。（3）安全阈值设置。阈值的设置可以通过按键在单片机上设置阈值。（4）声光报警提示。当监测到的数据超过设定的阈值后，单片机会发出控制信号利用蜂鸣器和LED灯进行报警。1.2硬件电路图本论文的硬件电路是以单片机最小系统为核心，利用ES3144、DS18B20和电容液位传感器将监测到的汽车车速、汽车油箱温度、汽车油箱液位数据上传到单片机中，还可以通过按键电路设置汽车的油箱温度阈值，油箱液位阈值，汽车车速阈值，用LCD1602显示监测到的数据，如果监测到的数据超过设定的阈值，单片机发出控制信号，利用蜂鸣器和LED灯进行报警。硬件电路图如图1所示。图1硬件电路图1.3软件设计模块本系统所用到的软件模块包括：系统主程序控制、油箱温度监测、车速监测、电容式液位传感器监测和LCD1602显示等模块。通过监测电路采集汽车车速、汽车油箱温度和液位，按键电路对系统阈值设定，将监测到数据上传到单片机，单片机控制显示模块，利用LCD显示器显示监测到的数据，用监测到的汽车车速、油箱温度和油箱液位与设定的安全阈值进行对比，如果监测到的数据不在安全阈值内，本系统可以通过这些模块之间的协同作用进行声光报警。2.关键元器件介绍2.1单片机的功能介绍单片机是本次设计的系统主要元器件。虽然目前世界上单片机有很多，但结合本设计的需求和性价比方面的考虑，我选用AT89S52单片机，该单片机多应用于自动化设备和各种安全质量监测控制的领域。特别是在温度控制方面，并且该单片机具有结构简单、灵活、精度高等诸多优点[1,2]。单片机引脚图下图所示。图2AT89S52单片机的引脚图单片机的引脚介绍：VCC：+5V电源；GND：电源接地；XTAL：晶振引脚；PSEN：选通引脚；RST：复位引脚；RD：外部数据存储器；I/O口：双向输入输出端口；EA：内外ROM选择端。本论文使用的引脚；（1）XTAL1、XTAL2：接晶振电路；（2）RST：接复位电路；（3）PSWN：访问内部程序存储器；（4）P0.0-P0.7：连接显示器输出；（5）P1.3-P1.5：接数模转换器ADC0832（6）P1.7：接DS18B20温度传感器；（7）P3.5、P3.6、P3.7：接按键电路；（8）P1.6：接声光报警电路。2.2传感器的选择2.2.1霍尔传感器汽车车速测量方法有很多种多样，如利用红外线光电码盘测量法，霍尔传感器测量法等方法，本次论文采用ES3144霍尔传感器测量方法进行监量，该传感器是根据磁电效应原理进行制作的，ES3144传感器是集成电路器件，内部主要有反向电压保护二极管、霍尔元件、运算放大器，施密特触发器和开集输出三极管等几部分组成，其中的运算放大器可以将霍尔传感器产生的电势差放到几百倍，ES3144传感器还有体积小、功率小、使用寿命长等特点，而且工作电压稳定和适应温度范围较广，该传感器的最小工作电压为3.8V，最大的工作电压为12V，其中的工作环境温度为-40℃-50℃。图3ES3144霍尔传感器的引脚图ES3144霍尔传感器的引脚介绍：（1）VDD：接电源；（2）Output：接数字信号输出；（3）GND：接地端。2.2.2DS18B20温度传感器目前用于汽车温度监测有很多种，比较常见的温度测量有两种红外线测量仪，便携式温度测量仪，本系统利用DS18B20温度传感器监测油箱温度，DS18B20温度传感器可以将采集到的温度信号转换成以数字的形式显示出来。同时，它还有适应电压范围更广，可实现高精度测温、测量迅速，可在750ms把温度转化为数字，DS18B20温度传感器还有使用方便、价格低、使用寿命长等特点。此外，DS18B20仅仅用一个数据接口就可以与单片机连接形成双向通信，可以节省了大量的引线，还有很好的负压特性，当电源线接反后不会因为发热而烧坏元器件的情况。DS18B20引脚图如图4所示。图4DS18B20的引脚图DS18B20的引脚介绍：（1）1：电源接地端；（2）2：数字信号输出；（3）3：电源接入。2.2.3电容液位传感器汽车油箱液位监测本文选用电容液位传感器，该传感器是由两个同心圆筒形电极板组成的电容元器件，可以通过两个电容板之间的电容差计算液位。该元器件测量数据精确度高，可以把液位高度转换成0～4095间的数值。液位监测时分辨率很高，最小分别率为0.1mm，使用温度范围很广，可以在-50℃-100℃环境下工作。引脚图如图5所示。图5引脚图引脚介绍：（1）VDD：电源；（2）DOUT：数字信号输出；（3）GND：接地端。2.2.4ADC0832数模转换器ADC0832是一种有8位分辨率的A/D数模转换芯片，能满足常见的数模转换的要求。该芯片转换速度非常快只需要32μS，有两种不同的数据转换输出方式，既可以大大减少产生的数据误差，同时快速的将监测到的模拟信号转换数字信号输出上传到单片机中，转换时信号输出很稳定[3]，当CS引脚为高电平时，此时A/D转换器禁止使用，当该转换器使用时CS引脚必须为低电平直至使用结束，在使用时DO和DI端口可以并联使用连接在同一个单片机端口。ADC0832引脚图如图6所示。图6ADC0832引脚图该A/D数模转换器引脚介绍：引脚1：使能引脚；引脚2、3：模拟信号输入；引脚4：接零线；引脚5、6：数据信号输入、输出；引脚7：时钟信号；引脚8：接电源。2.3LCD1602显示器为了使监测的数据可以显示出来，本文选用LCD1602显示器，其中16表示每行可以显示16个字符，02表示一个显示两行，该显示器相对于其他显示器这个显示器显示字母和数字更加清晰，价格也比其他显示器便宜，该显示屏可以显示32个字符，LCD1602显示器的应接+5V的电压，显示器的字符大小为2.95×4.35mm，在使用该显示器以前需要确认显示器的电平，如果是低电平可以显示数据，如果是高电平这无法显示。图7LCD1602显示器的引脚图LCD1602显示器的引脚图介绍：（1）VCC：电源；（2）VDD：地线；（3）VEE：亮度调整；（4）RS：寄存器选择引脚[5]；（5）RW：读取信号；（6）E：使能端；（7）D0-D7：信号输入。3.硬件电路3.1单片机最小系统单片机最小系统主要包括AT89S52单片机、晶振和复位电路三个部分[6,7]。晶振电路在单片机运行中很重要，没有晶振电路就没办法执行程序代码，晶振电路在系统中起到保持系统稳定运行的作用。它是由两个电容一个晶振构成外加一个地线，晶振电路接AT89S52的18、19引脚。复位电路是整个单片机最小系统中一个重要电路接单片机的9号引脚，在单片机刚开始运行时使程序恢复初始状态，或者在程序运行中程序出错或跑偏时，需要按复位按键使程序恢复到初始状态。该电路设计如图8所示。图8单片机的最小系统3.2车速监测电路车速监测电路是利用ES3144霍尔传感器将采集到的模拟信号，用ADC0832将输入的模拟信号转换为输出数字信号，并将监测到的汽车车速上传到52单片机中。ADC0832数模转换器的引脚6接52单片机的P1.4口进行数据输出[8,9]，如果监测到的汽车车速超过设定的阈值，激活报警系统进行报警。该电路设计如图9所示。图9ES3144霍尔传感器车速监测电路3.3油箱温度监测电路油箱温度监测电路主要使用的是DS18B20传感器和电阻，该电路使用非常方便，只需要将DS18B20传感器的3号端口接+5V电源、1号端口接地线、2号端口接P1.7引脚。该电路设计如图10所示。图10温度检测电路3.4油箱油位监测电路汽车油箱油位监测电路包括电容液位传感器、电阻和ADC0832数模转换器，可以利用改传感器采集模拟信号，再由ADC0832数模转换器将监测到的油箱油位信号转换为数字信号输出，将监测到的汽车油箱油位上传到单片机中。该传感器的引脚6接单片机的P1.4端口[10-13]，可以将监测到的汽车油箱液位数据通过该引脚上传到单片机中。该电路设计图如图11所示。图11汽车油箱油位监测电路3.5LCD1602显示电路本设计中的显示电路是用来显示汽车车速、油箱温度和油位，同时还可以显示由按键设定的汽车车速阈值、油位阈值和温度阈值。LCD1602显示器的D0-D7端口分别接单片机的P0.0-P0.7端口，RW端口接P2.6端口为读写信号线、E端口接P2.5端口用于读取信息或者执行指令。如图12所示。图12显示电路3.6按键电路本设计的按键电路包括三个按键，分别为：K1设置按键与单片机的P3.7引脚用于阈值的设置，可以把单片机中的阈值设定窗口调出来，K2、K3分别为加按键和减按键[14]，可以在设置按键调出设置窗口对汽车车速阈值、油箱温度阈值或油箱液位阈值进行设定。该电路设计如图13所示。图13按键电路3.7报警电路该报警电路包括一个三极管，两个电阻，一个LED灯和一个蜂鸣器构成。当本系统监测到的汽车车速、油箱温度、油箱液位数据不在安全阈值后，单片机发出报警信号，LED灯由绿灯变成红灯，同时蜂鸣器发出响声，当汽车的各项数据都在安全阈值内，报警自动解除。该电路图如图14所示。图14报警电路4.软件模块设计4.1系统主程序模块系统主程序运行以前首先对系统各模块初始化，按键可以对汽车车速、油箱温度和液位阈值进行设定，然后可以用ES3144、DS18B20、电容液位传感器分别监测汽车车速数据、汽车油箱温度和汽车油箱液位数据，LCD18B20显示器可以显示采集到的数据。当油箱温度、汽车车速、油箱液位是否在阈值内，如果监测到的数据不在安全阈值内，由单片机发出报警信号，传到报警系统中进行声光报警。主流程图如图15所示。图15系统主流程图4.2汽车车速监测模块基于汽车的车速检测模块首先对霍尔传感器ES3144进行初始化，用霍尔传感器监测汽车车轮转速，ADC0832将霍尔传感器监测到的模拟信号转换为数字信号并上传到52单片机中，子程序返回进行下一轮访问。该系统流程图如图16所示。图16车速检测流程图4.3油箱温度监测模块汽车油箱温度的监测模块要先对传感器进行初始化，将温度传感器监测到的温度数据上传到单片机中，子程序返回，进行下一轮监测。汽车油箱温度的监测模块如图17所示。图17油箱温度监测流程图4.4油箱油位监测模块汽车油箱油位检测模块要先对电容液位传感器进行初始化，用该传感器监测汽车油箱油位并上传给A/D转换器，利用ADC0832将电容液位传感器监测到的模拟信号的油位数据转换为数字的形式输出，将输出的油箱油位数据上传到单片机中。汽车油箱油位的监测模块流程图如图18所示图18油箱油位检测流程图4.5LCD1602显示模块LCD1602显示汽车的汽车车速、油箱温度和液位。程序运行前先初始化显示器，单片机中显示控制单元发出显示控制信号，显示控制信号控制扫描驱动和数据驱动，可以输出多个扫描信号和多个数据信号，将数据信号输入到显示器中。显示流程图如图19所示。图19LCD1602显示流程图5.仿真结果本文选用AT89S52单片机为控制核心，要先对单片机程序编写，我选用的是使用Keil编写程序，要先打开Keil，在建立一个新的工程，在新的工程中选择atmel，在atmel中本设计选用的AT89S52编写程序，编写完程序后，点击output在里面选择hex选项。该系统选用Proteus仿真，安装完成软件以后，打开软件点击File建立一个新项目，为该项目命名然后点击default创建PCB布板设计，创建完成后，在创建的项目中制作自己的仿真图形，将提前编写好的hex文件下载到绘制好的仿真图形中。本系统主要用ES3144、DS18B20和电容液位传感器分别监测汽车车速、油箱温度和液位，用按键设定汽车各项数据阈值，然后将这些数据上传到单片机，用显示器显示监测到的数据，如果监测到的数据超过设置的阈值，单片机激活报警系统，利用蜂鸣器响和LED灯由绿灯变成红灯进行报警。经过调试，仿真结果实现了预设的目标。在图20中，LCD1602显示器上显示汽车油箱温度T=30℃，表示当前的汽车油箱温度为30℃；汽车车速V=83km/h，表示当前的汽车车速为83km/h;W=48L表示当前的汽车油箱汽油还有48L；汽车内的汽车车速、油箱温度和液位都在安全阈值内之内，系统运行正常。该系统不报警。图20正常状态下的仿真在图21中，LCD1602显示器上显示汽车油箱温度T=65℃，表示当前的汽车油箱温度为65℃（汽车的车内温度阈值设置为50℃）；汽车车速V=83km/h，表示当前的汽车车速为83km/h;W=48L表示当前的汽车油箱汽油还有48L；当汽车油箱温度超过50℃时，单片机判断出汽车油箱温度过高，利用声光报警系统进行报警，LED灯由绿灯变成红灯、蜂鸣器报警，对驾驶员进行提示油箱温度过高。图21汽车温度超过阈值报警在图22中，，LCD1602显示器上显示汽车油箱温度T=30℃，表示当前的汽车油箱温度为30℃；汽车车速V=159km/h，表示当前的汽车车速为159千米每小时（汽车的车速阈值设置为100km/h）;W=48L表示当前的汽车油箱汽油还有48L；如果汽车车速超过100km/h时，单片机判断出汽车车速过高，利用声光报警系统进行报警，LED灯由绿灯变成红灯、蜂鸣器报警，对驾驶员进行提示汽车车速过快，应减速安全行驶。图22汽车车速超过阈值报警在图23中，，LCD1602显示器上显示汽车油箱温度T=30℃，表示当前的汽车油箱温度为30℃；汽车车速V=83km/h，表示当前的汽车车速为83km/h;W=5L表示当前的汽车油箱汽油还有5L（汽车的油箱液位阈值设置为10L）；当汽车油箱汽油低于10L时，单片机判断出汽车油箱液位过低，利用声光报警系统进行报警，LED灯由绿灯变成红灯、蜂鸣器报警，对驾驶员进行提示油箱油位过低。图23汽车油箱液位低于阈值报警总结本设计是以AT89S52为核心，利用ES3144采集汽车车速、DS18B20和电容液位传感器监测油箱温度和油位，并将监测到的数据上传到单片机中，用按键来设置汽车车速阈值、油箱温度和液位阈值，由LCD1602显示监测到的数据，如果监测到的数据不在设定的安全阈值内，单片机发出控制信号，利用蜂鸣器和LED灯进行声光报警。从仿真的结果可以看出，本次设计是可行的。但由于自身能力与水平有限，本次设计也还有一些不好的地方，本此设计只可以对驾驶人员提醒，并不能实现对汽车出现事故，驾驶人员不清醒的状态下利用通讯提醒驾驶人员的家人或进行报警。随着5G网络的到来，可以利用软件查看汽车一天的行驶情况，比如汽车的车速，发动机温度等影响汽车安全的各项数据，如果有问题可以提前去修理厂检修。参考文献[1]黎娜，吉林省居民不安全驾驶行为现状及其影响因素分析[D].吉林大学硕士论文，2016，25-28.[2]王静霞.单片机基础与应用(C语言版)[M].北京:高等教育出版社,2019.[3]周永东,尹东燕.单片机技术及应用[M].北京：电子工业出版社,2012.[4]吴建平.传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版设，2018.168-173.[5]国俭.载货汽车制动器温度监测及预警系统研究[D].吉林大学，2017，40（23）：104-108.[6]薛晓珍.基于

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