《基于单片机的超速报警器系统设计》14000字（论文）

第第iii页共47页基于单片机的超速报警器系统设计1绪论1.1课题的研究与意义随着中国科技的高速发展和国民经济的提高，汽车几乎成为每家每户的代步工具。据公安部交通管理局统计，截止2020年6月，全国汽车保有量3.72亿辆，中国每100户家庭有33辆汽车，并且保持着快速的增长态势。虽然我国汽车数量巨大，但交通事故率也是居高不下。2019年，全国共发生交通事故24.8万起，比2018年增长了2709起，造成62763人死亡，受伤人数达256101人，造成财产损失12.6亿。道路交通事故发生的原因多种多样，但“十次事故九次快”，机动车超速驾驶的违法行为是道路发生交通事故的主要原因之一[1]。驾驶员超速行驶的原因众多，如驾驶员自身情况（性格、年龄和性别）、交通事故认知度低和受天气情况影响等等，总的来说，有以下四个方面：驾驶员的安全意识淡薄，不能够认知到超速行驶造成的可能性碰撞和危害，不能认清事故后果的严重性。驾驶员对区域速度具有适应性。当驾驶员从一段高速行驶的路段驶入低速路段，因为驾驶员对高速路段已经有了适应性，在突然的减速后，在低速路段对自身速度很容易判断失误。汽车性能的提高。一些汽车性能好提速快，加上当前道路建设发展好，路况好和视野开阔，一些驾驶员就认为开快车没有什么问题，给超速行驶造成的交通事故埋下隐患。（4）天气情况和路面情况的影响。在大雨、大雾和路面结冰的情况下，驾驶员的视野受到影响且路面较滑，这种情况下汽车刹车的制动距离远，极易发生因超速行驶的追尾事故。因此，为了降低因超速行驶造成的交通事故发生率，保障驾驶员安全。我觉得开发一个机动车超速自动检测系统是很有必要的。此系统能够对汽车超速行驶问题进行预防，减少道路因超速行驶发生的交通事故，对培养驾驶员遵章守法驾驶的良好习惯有着促进作用。1.2国内外研究历史与现状近十几年来，国内外许多国家都意识到因超速行驶造成的交通安全事故对社会的危害性极大，不仅对人民生命安全造成威胁，间接造成的财产损伤也是巨大的。为了确保车辆的行驶安全，降低交通事故的发生率，国内外许多国家都对车辆行驶进行大量研究，研发了先进的的信息采集设备，加大了对车辆行驶的控制。美国研究发明的Autoscoe系统可以对车辆行驶信息进行采集，如道路的车流量，车速等路况。欧洲一些国家也研发了独特的车辆监控系统，发明了一些比较著名的能够获取交通参数的视频交通监测产品。如比利时的Traficon系统，德国西门子公司的ARTEMIS系统等。日本的SEIICHIKAGAYA通过针对道路和环境影响因素的建模构造和设计建立了一套辅助性的决策体系,并将其应用到Sapporo城市[2]。国内的许多学者在采集车辆速度数据的研究基础上，对车辆超速现象进行了深入分析，如魏秀岭[6]通过分析视频测速原理和方法，研究高速公路超速警示系统工作流程，提出了动态阴影消除法，可以应用于高速公路上车辆的实时跟踪检测。王素琴等人在对智能公交车辆监控检测系统的研究基础上，对车辆监控检测系统的原理进行了阐述。毛建民[6]等人对超速行驶和限速对交通安全的影响进行了研究分析，认为在特定路段进行合理限速能够在很大程度上减少交通事故的发生，并提出了一些对车辆限速的安全措施。欧居尚[7]等人在分析车辆超速行驶的根源和危害程度的基础上，从传播交通法律知识、提高交通科技、加大安全教育、增加安全设施四个方面来采取预防措施。佟守愚[8]等人对虚拟视频测速的原理和方法进行研究分析，提出了检测车辆是否违章超速行驶的算法，该方法能够有效减少高速公路的超速行为，但是这种方法对于摄像头的盲区不能进行检测。刘卫宁[9]等人采用了聚类分析的方法对车辆超速的高频地点进行分析，研究了车辆的超速黑点问题。孙棣华[10]等人对于车辆管理决策针对性弱和有效性差的问题，提出了解决道路运输安全管理的MADS方案。还有一些研究人员认为超速行驶会使驾驶者的的视野发生变化，使驾驶者对道路情况的判断能力降低，使车辆的碰撞机会增多，导致交通事故的发生。1.3目前存在的主要问题目前车辆超速监测技术的主要有四种方法：地感线圈测速、雷达测速、激光测速和视频测速。而根据车辆超速检测技术的原理研究出的测速设备有手持式、便携式、车载式等。便携式的测速设备是一个小箱体，放置方便。手持式测速设备外形像枪内含雷达测速仪,不能进行抓拍,需人工取证。车载式的测速设备是将雷达和摄像机放置在汽车上测速。以上这些测速产品多为单点测速产品，大部分是通过雷达微波信号经过车辆，根据反射时间来测量车辆瞬时速度。但这种方法争议较大，只要驾驶者知道测速点的位置，在车辆经过测速点前，踩刹车降低车速就能够避开测速设备的检测，在驶过测速点后又继续超速行驶。与此同时，有些驾驶员为了躲避测速设备，在车辆上安装“电子狗”，能够在测速点前方发出语音提示，提醒驾驶员减速，实现“反测速”，躲避测速设备检测。目前机动车测速系统大部分是单点测速，但单点测速的问题总的概括如下：（1）单点测速对速度数据采集的局限性大。只能对在某一个特定地点上的一辆车进行检测，并且只能采集一次，速度数据采集不充分。（2）单点测速易备发现和预防。有一些经验老到的驾驶员能够提前知道测速点的位置，在经过测速点前提前减速，驶过测速点后继续超速行驶。因此，目前机动车超速检测系统发展趋势逐渐向区间测速系统方向靠拢。区间测速是在路途的一段地区内划分配置前后两个电子监控装备，当车辆进来第一个电子监控往后就首先纪录首先时间，当车辆驶出背面一个电子监控装备往后纪录停止时间，最后根据计算机即用该段行程的里程除以经历该段行程的时间来计算速度，接着与限制速度进行比较。此种测速方式精确度高，干扰因素小和说服力高，能够防止反测速，实现真正意义上的全程测速,更加有效地控制超速引起的交通事故。1.4论文的研究内容本文设置了一款装置轻巧、测速精度高、速度阈值设置方便的超速报警器系统。该系统主要分为单片机最小系统模块、光电传感器测速模块、显示模块、蜂鸣器报警模块、按键模块。该系统用STC89C52单片机最小系统作为系统的控制核心，采用光电传感器模块测量物体通过光电传感器的时间，通过单片机处理采集来的数据计算瞬时速度；采用LED数码管实时显示物体瞬时速度；系统上限速度通过按键对上限速度进行设置，对上限速度和瞬时速度进行对比，如若超速，通过蜂鸣器进行报警。主要完成以下任务：研究目前几种速度自动监测系统的原理，分析其优缺点。研究目前市场上的测速传感器分析其优缺点，选用合适的测速传感器。（3）分析超速报警器的测速功能、报警功能、显示功能以及按键设置速度阈值的设计方案，根据设计的各个方案选择合适的元器件。（4）阐述超速报警器系统硬件结构模块的搭建框架，分析单片机最小系统模块、光电传感器模块、LED数码显示模块、蜂鸣器报警模块、按键模块电路设计原理并绘制电路原理图，介绍电路中各元器件的结构、工作原理以及功能。（5）完成单片机最小系统模块、光电传感器模块、LED数码显示模块、蜂鸣器报警模块、按键模块的编程，并分别进行仿真。（6）在超速报警器硬件实现后对各项功能进行试验，设置不同速速阈值来测量物体的瞬时速度，查看超速时是否报警。1.5论文的组织结构本文的主要内容是设计并制作一个超速报警器，该报警器具有利用按键对最高速度进行初设、对物体测速、超速报警等功能。这些功能中对物体测速是该项设计的主体功能，针对这些功能选择合适的单片机，设计适合于本设计的总体方案，同时对于该项方案本文将从硬件和软件两个角度进行详细的阐述。具体的本论文的章节安排如下：1绪论，本章简单介绍了本次设计的研究意义，对国内外的研究历史与现状进行了分析，列举出目前存在的问题和超速自动检测系统的发展趋势。2速度测量原理选择，本章对几种速度检测系统的原理和优缺点进行分析对比，选择出合适的测速原理作为理论依据。3测速传感器的选定，本章对几种常见测速传感器的优缺点进行分析对比，选择出合适的测速传感器。4系统硬件选型，本章对硬件电路的选型进行了介绍，包括单片机选型、显示器选型、报警器选型和光电传感器选型。5系统硬件电路设计，本章开始介绍了系统总体框图，接下来主要针对主要模块的实现进行了硬件电路的设计，包括单片机最小系统模块、光电传感器模块、LED显示模块、蜂鸣器报警模块、按键模块。6系统软件部分设计，本章基于光电传感器测速模块、LED显示模块、蜂鸣器报警模块、按键模块要实现的功能，详细编写了各项功能的程序，并进行分析。7系统调试和实物测试，本章是对超速报警器硬件和软件设计完成后进行软件调试和实物测试，包括keil程序调试、proteus仿真和实物测试。实物测试通过按键设置最高速度，测量物体通过1米光电传感器的时间来计算速度，通过LED显示，与初设最高速度对比，超速报警。8总结，对超速自动检测系统的特点和各模块实现的功能进行总结，并阐述设计过程中所存在的不足。2速度测量原理及选择对于超速自动监测系统来说，速度信号是系统的基本参考量，能否对速度进行精确化测量决定了该系统的可靠性。现在对几种常见的测速系统的原理进行介绍、性能比较，选择出功能好、性价比高的速度测量方案。2.1地感线圈测速地感线圈测速以电磁感应原理为依据，对被测目标进行测速是将感应线圈埋于路面下作为传感器，经过变压器与恒流源支持的调谐回路相连。当大型金属物比如汽车经过第一个感应线圈时，空间介质发生改变，电感量随之发生变化，产生电磁感应，同时触发计时器开始计时；当经过第二个感应线圈后，计时器结束计时。在经过两个感应线圈的过程中，调谐回路中振荡频率升高，然后频率测量电路接收变换后的振荡信号，最后监测主机把振荡频率的变化作为触发信号，并计算两个感应产生的时间差，再依据两感应线圈之间的距离来计算汽车的行驶速度，计算公式为:（1）式（1）中:—两地感线圈传感器的距离;—经过两地感线圈传感器时间差。有时为了提高测速的准确度，可以在测速点的路面下埋3个或3个以上感应线圈传感器，计算机动车通过每个线圈的平均值来作为测量值。使用地感线圈测速要注意以下问题：两个线圈的距离要适中。在同一车道上，两个线圈的距离如果过大或过小都容易导致测速不准，一般两个线圈的距离要控制在3—10米较为合适。安装地感线圈要检测路基的电磁感应量。如果路基下埋有大量金属物质，会导致磁通量不稳定，对于系统测速具有很强的干扰。与其他测速方法相比，地感线圈测速设备的精密度不高但捕获率较高，所以性价比较高。但地感线圈测速也存在缺点，如在测速点安装感应线圈需要破坏路面，这缩短了路面的使用寿命；对于地感线圈的灵敏度，地感线圈不能埋的太深;同时在一些路面不好的地方对地感线圈的维护工作量大和维护费用高。2.2雷达测速雷达测速以多普勒原理为依据，就是发射特定频率的雷达波束到被测目标身上时，雷达波束以一定频率反射回来，反射频率与发射频率不相同，发射频率与反射频率的差称为为多普勒频率。多普勒频率与被测目标的移动速度成正相关关系，当目标向雷达移动时，发射信号的频率低于反射信号的频率。相反，随着目标远离雷达，发射信号的频率高于反射信号的频率。雷达测速仪对目标进行测速是依据发射频率与反射频率的频率的偏移量来计算，在雷达测速中，角度问题不可忽略，在实际测量时要把角度校正考虑进去。根据上述分析，雷达测速的计算公式如下；（2）式（2）中:—被测目标的瞬时速度;—多普勒频率;—发射频率;—雷达波束的传播速度(3×105);—单位系数(10³/3.6);—雷达波束和目标移动方向所夹的锐角。使用雷达测速时要注意以下问题：雷达测速设备要禁止并排安装使用。并排安装使用容易造成测速数据叠加现象，导致测速不准确，一般安装两个雷达测速设备应相距2-3千米，使雷达之间的相互干扰降到最低。（2）雷达波束与目标速度矢量要尽可能的平行。由式（2）可以知道，当cosθ=1时，θ=0，即θ对被测目标速度的影响可以不用考虑，所以，为了提高雷达测速的准确性，雷达波束与目标速度矢量要尽可能的平行。雷达测速具有技术成熟，使用灵活方便，易于操作的特点。雷达测速的检测范围广，当相邻两车道的两辆车并排进入检测区域时，雷达无法无法清楚地识别出哪辆车违章，很容易发生误判。除此之外，雷达测速需要每个车道都要安装雷达测速仪，成本较高。2.3激光测速激光测速以激光雷达原理为依据，就是通过利用激光测量被测物体的移动速度。在一定时间间隔内，对被测物体进行两次激光测距，求出这段时间内被测物体的运动距离，从而求出运动速度。测速设备使用激光二极管对准目标发射特定频率的窄带脉冲光束，在一个周期内发射两个脉冲，求出两个脉冲之间的距离；因为光速是固定不变的，可以测出测量设备和被测目标之间的激光传输时间。将两个脉冲的距离之差除以激光传播的时间间隔，求出被测物体的移动速度。激光测速的特点是先测距后测速。测距时利用了激光脉冲持续时间短，能量集中，瞬时功率大的特点。其换算公式如下：（3）式（3）中：—待测距离；—激光在空气中的速度；—激光的传播时间。公式中c是已知量，t是待测量。然后根据速度换算公式计算出速度。（4）式（4）中：—目标速度；两个脉冲之间的距离；通过两个脉冲距离的时间间隔。相比于雷达测速系统，激光测速时效性高，目标监测准确度高，测量精度高。对于同一车道上的两辆汽车平行行驶或者较多车辆连续进入检测区域时，不会误判误抓。此外，激光二极管的发射光束频率窄，检测器能够轻松准确的接收波长，在日光强烈的情况下也能正常工作，但在大雨大雾天气下激光存在漫反射，测速效果会比较差。除此之外，与雷达产品相比，激光测速价格昂贵，成本较高。2.4区间测速区间测速度主要原理是在一条道路区段上设置两个或多个监视点，并从当中选取任意两个监视点设置特定路线和规定速度上限值的测速区间。当车辆进入和离开测速区间后，区间的监控设备被触发，开始自动记录过往时间、车辆特征、车辆日期、时间、位置等信息。监控设备把这些车辆信息发送到中央信息处理器，中央信息处理器根据车辆经过区间的时间和区间距离计算平均速度，然后与区间上限速度进行对比，查看是否超速行驶。区间测速原理图如图2.4所示。图2.4区间测速原理图机动车进入和离开测速区间时，L起点和终点的监控设备被触发，传感器感应到车辆信号，监控设备开始接收车辆经过起点和终点传感器的信号，并记录车辆经过区间的时间间隔，区间的距离是两个监控设备之间的路程，则车辆平均速度的计算公式如下所示:（5）式（5）中:—汽车行驶的平均速度；—区间距离；t1、t2—车辆驶入、驶出区间的时间；(t2－t1)—车辆区间行驶的时间。由公式可知，区间测速的准确度是由车辆在区间行驶的时间和对区间距离的精确测量来决定的，其测量的准确程度直接影响到测量车辆速度的平均值。目前区间测距有两种方法：1.用激光测距仪对区间距离进行分段测量，但过程繁琐且耗时长；2.采用非接触式光电传感器测距，在车辆上安装非接触式测距仪，该种方法测距较为准确，但安装不便。测距应根据实际需要选择合适方法。通过对上述原理的分析和比较，地感线圈测速原理中地感线圈需要埋于地下，会对路面造成破坏，而且有线圈维护成本较高；雷达测速原理中每一条机动车道都需配备一台雷达，其成本相对较高，并且监测区域大，容易造成误判；激光测速原理激光易受光线、天气等环境影响，而且成本较高。因此，综合成本、可操作性和实物制作的难易程度来看，在本设计中选用区间测速原理来作为机动车超速自动监测系统的理论依据。3测速传感器的选定测速传感器的选用要依据速度检测系统原理来选择，测速传感器的准确选择决定了除了要考虑传感器的工作环境，灵敏度，线性范围等，还要充分考虑频率稳定性，抗干扰性能，性价比，系统性能要求等。下面对常见的测速传感器的性能和优缺点进行分析，选择出功能与本设计相符合并且性价比高的测速传感器。3.1磁电式传感器磁电式传感器是由磁铁、线圈、弹簧和壳体等组成，以电磁感应原理为依据，将被测目标的运动速度输入变换成感应电动势输出，即把被测目标的机械能转换成电信号，是一种无源传感器，适合进行动态测量。磁电式传感器不仅具有耐冲击性强、可靠性和稳定性高的特点，而且不需要与被测目标接触就能够测量目标的转速。安装好磁电式传感器后启动，磁路系统产生恒定直流磁场，被测磁轮处于恒定直流磁场当中，当被测磁轮开始旋转后，恒定直流磁场的磁通量发生反复变化，线圈切割磁力线产生感应电动势，被测磁轮的转速越快，恒定直流磁场的感应电动势越大。但如果磁轮的转速过快，会导致输出电压变高，出现毛刺信号，并且磁路系统损耗加剧，这会对输出信号产生影响。图3.1为某型号磁电式传感器的结构图:图3.1磁电式传感器1—永久磁铁；2—软磁铁；3—感应线圈；4—被测磁轮磁电式传感器结构简单、性能稳定、成本低,但具有以下缺点:1.转速的快慢决定了输出信号的幅值大小，如果转速太慢，输出信号就会低于1伏，电控单元检测不出来；2.响应频率低。如果转速过快，磁电传感器的频率响应跟不上；3.对电磁波的抗干扰能力差。3.2霍尔传感器霍尔传感器是一种磁场传感器，采用了霍尔效应原理，当转动的被测物体通过霍尔传感器时，内部磁场的磁通量发生变化，感应电动势随即发生变化，对感应电动势进行测量就可以得出被测物体的转速值。霍尔传感器的型号分为两种，线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。线性型霍尔传感器主要测量一些物理量，如电流、位移等等，开关型霍尔传感器主要测量转速或转数、实用电路等等。开关型霍尔传感器主要由集成电路构成，集成电路由稳压器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级组成，输出数字量。当被测物体靠近霍尔传感器，磁场的磁通量增大；反之，当被测物体远离霍尔传感器，磁场的磁通量减弱。磁场强度随着磁场磁通量的变化而变化，当磁场强度超过工作点上限时，集成电路的漏极开路和非门门电路处于导通状态，输出低电平；反之，当磁场强度低于释放点，电路处于截止状态，输出高电平。开关型霍尔传感器集成电路图如图3.2所示。图3.2霍尔集成电路结构图A-电源调整器；B-霍尔元件；C-放大器；D-施密特触发器霍尔传感器测量范围广泛，精度高，与磁电式传感器相比，霍尔转速传感器优点有:1.输出信号电压大小与转速无关;2.频率响应高,其响应频率可高达20千赫兹;3.对电磁波的抗干扰能力强。但有安装使用不便、价格昂贵的缺点。3.3光电传感器光电传感器主要利用了光电效应的原理，把被测物体变化的信号转换成光信号，借助光电原件把光信号转换成电信号来实现控制。光电传感器一般由发射器、接收器和检测电路三部分构成；发射器一般有发光二极管、激光二极管和红外发射二极管三种，接收器一般由光电二极管、三极管和光电池构成，检测电路位于接收器后面，能够对有效信号进行过滤和应用。光电传感器构成图如图3.3所示；图3.3光电传感器构成图光电传感器按工作方式分类有下列三种：槽型光电传感器。在一个槽内两侧安装发射器和接收器，当被测物体通过凹槽时，光电开关被触发，输出控制信号来切断或接通电流，完成一次控制动作，但因为整体结构的限制，检测距离一般只有几厘米。对射式光电传感器。该传感器的光电开关由发射器和接收器组成，这是一种对射分离式光电开关，把发射器和接收器安装在被测物体的两侧，被测物体通过时，光路被阻挡，接收器输出一个开关控制信号，对射式开关的检测距离一般有几米或几十米。反光板型光电传感器。利用反射原理进行光电控制，在同一装置中安装反射器和接收器，前方安装反光板。在正常情况下，接收器接收由反射板反射的发射光，当被测物体挡住光路，接收器接收不到光，光电开光被触发，输出控制信号。依据光线透射、反射和遮挡等特点，光电传感器能够对多种物理量进行测量，例如位移、速度和温服等等。光电传感器还具有对检测物体的限制少、响应时间短和非接触检测等特点，而且价格便宜、抗干扰性能强和使用时间长。通过对上述各种传感器的简介，我们得知磁电式传感器输出信号的幅值变化不稳定，抗电磁波干扰能力差。霍尔传感器安装不便，价格也相对昂贵。而光电式传感器价格低廉，安装方便，不与被测对象直接接触。因此，在本次设计方案中，我通过应用区间测速系统的原理结合光电传感器测速来对机动车超速自动检测系统的设计。4系统硬件选型对于机动车超速自动检测系统的设计，本论文设计通过单片机来实现超速报警对速度进行检测，该系统分为五大模块，在对模块电路的设计和硬件选型要遵循以下几点要求:1.软件为主，硬件为辅。能够用软件实现的功能尽量不用硬件，使操作简单化。2.考虑安全性，可靠性和使用时间长短的问题。4.考虑到成本问题，尽量选择性价比高的元件。4.1单片机选型市场上单片机的种类繁多，对于本设计单片机的选型有选用AT89C52和STC89C52单片机两种方案。ATC89C52单片机与STC89C52单片机都是低功耗和高效能的cmos8位控制器，现在对ATC89C52和STC89C52的不同之处进行比较如下表4.1所示；ATC89C52STC89C52256B数据存储空间512B数据存储空间2KBEEPROM存储空间4KBEEPROM存储空间需要专门的编程器在线串口编程下载，接线少断电保存要另外扩展存储器断电可以保存资料，如速度上下限值表4.1ATC与STC的对比表通过对上表分析可以知道，因为本设计要设置速度上限值和物体速度进行对比，而且断电后还要进行保存资料，为了编程方便和系统功能要求，所以本设计选用STC89C52单片机作为中央处理器。STC89C52是目前市场较受欢迎的低功耗、高性能的cmos8位微控制器。比传统51单片机芯片作了进一步的升级，更具特点。其工作电压5V-3.3V，实际运作频率可达48HZ，芯片具有8位CPU和可编程Flash的功能。它是一种成本很低、功耗极小、高性能的微控制器，普遍应用于大多数嵌入式控制系统，能够将灵活有效的解决方案的呈现给用户。STC89C52引脚图如图4.1所示。图4.1STC89C52引脚图STC89C52引脚介绍如下：①主电源引脚VCC：5V电源输入GND：接地线②外接晶振引脚XTAL1：振荡电路输入端XTAL2：振荡电路输出端③控制引脚RST/VPP：复位引脚，程序飞跑时使单片机复位。ALE/PROG：地址锁存信号PSEN：外部存储器读选通信号EA/VPP：选通程序存储器，执行读写指令④可编程输入/输出引脚4组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位，共32根。4.2显示器选型显示模块的显示器有LCD液晶显示和LED数码管显示两种方法。LCD功耗高，寿命短，老化速度快，单个元素的反应速度慢。LED数码管具有使用时间长,高节能和坚固耐用的特点，显示强度高，单个元素的反应速度大约是LCD的1000倍，常作为测量控制仪表中常用的输出显示设备。当单片机应用系统中有多位数码管显示时，如果都用单位数码管来设计，那么每一位数码管都要与单片机的8位数据端口相连，电路连接繁杂，但四位一体数码管共用一个8位的数据口，在多位数码管显示的电路中，可以有效地节约硬件电路的连接线数[1]。因为本设计要显示按键控制上限速度和实时速度，需要多位数码管显示，为了节约硬件电路的连接数，降低实物制作的难度。所以本设计选用两个四位一体数码管显示。四位一体数码管的引脚图和原理图分别如图4.2.1和如图4.2.2所示。图4.2.1四位数码管引脚图图4.2.2四位一体数码管原理图数码管有共阴极和共阳极之分，区别他们的方法有：（1）公共端接地，其他端接电源，各端测试能亮，说明是共阴的，反之共阳的；（2）公共端接电源，其他端分别接地，测得各端亮，则说明是共阳的，反之为共阴的。数码管点亮有静态和动态显示两种方法。静态显示就是单片机的一个I/O口驱动每个数码管的每一个段码，当显示字符的时，发光二极管处于导通或截止状态。这种显示方式是每位数码管显示要连接8个输出口，所占硬件多，只适合于显示位数较少的情况；若显示位数过多，要连接的I/O口过多，连线复杂而且容易出错。动态显示是把所有显示器的8个段码的相同段连接在一个公共输出口上，而位端连接到另外的输出口上，两个输出口的信号进行相互作用产生显示效果，也就是每位数码管每隔一段时间点亮一次。当扫描时间短扫，描速度够快，人眼就难以分辨出来，认为各数码管是同时发光的。动态显示能够减少显示接口的连线，降低成本。例如，驱动四位数码管时，静态显示需要4*8=32个I/O口，而动态显示只需要4+8=12个I/O。因此，在本次设计当中根据实际需要运用了数码管共阴极和动态显示方式。4.3报警器选型蜂鸣报警器是目前最简单实用的报警器，报警模块的报警方案有两种：1.采用无源蜂鸣器进行报警，无源蜂鸣器内部没有振荡电路，接上电源不会发声，需要用不同频率的方波信号来驱动发声；2.采用有源蜂鸣报警器进行声光报警，内部含有振荡电路，引脚接上电源后就能够发出固定频率的声音。因为本设计当中对速度的测量不是固定值，不同的速度值对应不同频率的方波信号，因此在本设计中采用无源蜂鸣器。蜂鸣报警器由多谐振荡器、蜂鸣片、阻抗匹配器、共鸣箱和外壳等构成，多谐振荡器由集成电路组成，多谐振荡器接通直流工作电压后起振，输出音频信号，然后阻抗匹配器推动蜂鸣片发声。无源蜂鸣器嵌入在整个系统中实现报警，不仅满足工作电压需求，输出的音频信号也足够大。蜂鸣报警器的实物图如4.3所示.图4.3蜂鸣报警器实物图4.4光电传感器选型光电传感器的种类多、类型广，在本次设计选用的是E18-D80NK-N红外避障传感器。该传感器是发射与接收结合于一体的装置，发射器发射调制后的发射光，接收器对反射光进行解调输出，这种方式避免了可见光的干扰。E18-D80NK-N红外避障传感器还具有价格便宜、易于装配、使用方便等特点。E18-D80NK-N红外避障传感器输出数字量，常规状态下高电平，检测到目标时低电平输出，减少了AD转换的繁琐；电路中接入一个1K左右的上拉电阻可与单片机的IO口直接连接；对障碍物进行检测时，如果对检测距离有要求，可以通过电位器旋钮来调节距离。E18-D80NK-N红外避障传感器的实物图如图4.4所示。图4.4E18-D80NK-N红外避障传感器图E18-D80NK-N红外避障传感器配合区间测速系统原理，在进行测速的时候，固定好两个光电传感器的距离，只要测量物体通过两个红外传感器的时间，就可以计算出物体的速度。5硬件电路设计5.1系统总体框图本论文的设计是测量物体通过两个固定红外光电传感器的时间，将信号送入单片机，单片机内部的计数器开始进行计数,单片机依据软件编程的数据算法来计算出物体的实时速度，与按键电路设定的速度上限值对比，如果物体实时速度大于按键设置的阈值速度就进行蜂鸣声光报警。硬件电路设计包括以下五大模块:光电传感器测速电路、主控模块电路、报警电路、按键电路和显示电路。系统的总体框图如图5.1所示。图5.1系统总体框图5.2单片机的最小系统单片机最小系统是指单片机使用最少的元件来完成工作的最小系统。本设计中硬件部分的主控模块就是单片机最小系统，对整个系统的正常运行有着控制作用。组成部分有电源、时钟电路、复位电路和STC89C52单片机等。（1）时钟电路时钟电路在单片机外部连接振荡器来提供高频脉冲信号，经过分频处理后成为内部时钟信号，作为控制信号来协调单片机内部部件工作，为单片机运行提供运行时钟。时钟频率决定单片机的运行速度，影响电路的稳定性。时钟信号的产生有内部产生和外部产生两种方式。内部产生方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号，外部产生方式是在外部引入时钟信号。本设计中时钟信号的产生采用了内部方式，在电路引脚X1和X2两端跨接晶振和微调电容组成振荡器进行自激振荡。时钟电路中一般连接两个微调电容，电容容量大小影响时钟电路的稳定性，一般选取15pF-50pF之间的电容；而单片机的运行速度晶与振频率大小成正比，晶振频率越高，运行就越快，但功耗也就越大。基于上面的分析，在本设计中选用两个30pF的电容和晶振频率为12MHZ的石英晶体，这是硬件电路设计中的典型值。时钟电路图如图5.2.1所示。图5.2.1时钟电路电路图复位电路复位就是将电路状态初始化到空状态，复位电路一般由上电复位和按键复位（手动复位）两部分组成。上电复位：在复位引脚RST上一端连接电容到电源端，一端连接电阻到接地端,形成一个RC充放电回路。上电后，电容C处于充电状态，RST接收到瞬时高电平信号，电容具有隔直流通交流的特点，在电容不断充电的过程中，RST的电平逐渐降低，单片机进入正常工作状态。一般来说，电阻和电容的典型值是10k和10uF。按键复位：在复位电容上并联一个开关，当开关按下时，电阻和电容直接相连，释放电容，RST变为高电平，实现按键复位。复位电路图如图5.2.2所示。图5.2.2复位电路图本设计的单片机最小系统电路图如图5.2.3所示。图5.2.3单片机最小系统电路图5.3光电传感器电路设计红外传感器是NPN型光电开关，高低电平输出，当检测到目标时低电平输出，正常状态时高电平输出，外加一个阻值为1K的上拉电阻与电源相连，另一端接地。红外开关传感器的实际电路图如图5.3所示。图5.3红外开关传感器电路图5.4报警电路设计单片机引脚的输出电压不足以带动蜂鸣器工作，需要设置一个放大电路来驱动蜂鸣器正常工作。放大电路采用了NPN型CMOS管，蜂鸣器连接在三极管的射极输出端，集电极接地，基极连接一个1k电阻。当单片机引脚输出低电平时，发光二级管导通，LED灯亮，三极管导通，电源电压直接分布在蜂鸣器两端，蜂鸣器正常工作；当单片机引脚输出高电平时，发光二级管截止，LED灯不亮，三极管截止，蜂鸣器无法工作。声光报警电路图如图5.4所示。图5.4报警电路电路图5.5按键电路设计本设计不能只对单一的速度进行超速报警，要对上限速度进行设置，所以设置了按键电路，具体电路如图5.5所示。两个独立按键的一端分别连接在单片机的P10、P11上，另一端连接电源地。正常情况下，单片机引脚处于悬空状态，默认为高电平；当按键按下时，单片机引脚与电源地直接相连，输入低电平。按键电路正是通过这个特性来实现的。单片机只需要实时监测两个引脚的电平，当该引脚出现低电平，在去抖动后就执行相应的语句。图5.5按键电路电路图5.6显示电路的设计本设计中显示电路的显示由两个四位数码管完成，一个数码管显示物体实时速度，一个显示按键设置的速度上限值。由于单片机的I/O口的驱动电流有限，所以PO口需要加上上拉电阻.数码管显示电路如下图5.5所示。图5.6显示电路电路图6系统软件设计软件设计是整个系统设计的重点，大部分软件设计方法都是模块化设计。软件模块化设计就是对硬件的功能进行分析，确定整个软件系统结构，划分系统功能模块，再对系统功能模块编写程序代码。这样做不仅可以使系统整体和部分的功能明朗化，而且当系统出现问题时，可以迅速查看模块的功能，查找问题源泉并解决。本文超速报警器的软件设计分为主程序设计、按键程序设计、中断服务程序设计和显示程序设计四大部分。主程序的功能是初始化硬件、定时器设置、按键扫描和报警等﹔中断服务程序主要完成对两个中断间的计时﹔按键程序主要完成对速度的阈值进行设置；报警程序主要完成在物体的实速度超过按键上限速度的状态下发出报警信号;显示程序设计采用数码管显示用户设定的阈值速度和实际速度。因为该系统的功能较多，因此采用模块化设计的方法。下面就对这四大部分进行分析说明。6.1主程序设计主程序对单片机进行初始化，设置定时器，对按键电路进行检测，如果有输入，改变上限速度;否则，阈值速度值保持不变。接着对物体实时速度和上限速度进行比较。当物体实时速度超过上限速度，调用显示程序显示上限速度和实时速度,并开启LED灯与蜂鸣器报警;如果没超过，改变实时速度数值，调用显示程序显示上限速度和实时速度，并关闭LED灯与蜂鸣器报警。主函数的程序流程设计图如图6.1所示。图6.1主函数程序流程设图完整的主程序见附录。6.2中断服务程序设计本设计使用单片机INTO口中断和定时器同时工作，光电传感器1检测脉冲信号输入单片机INT0口，下降沿触发中断响应，定时器开始计时。然后等待中断INT1（传感器2接收到信号）结束计时。此时通过公式计算出当前的速度。测量距离为1米，在1米距离内用了多少时间，从而计算出车速。中断服务程序流程设计图如图5.2所示。图6.2中断服务程序流程图完整的中断服务程序见附录。6.3按键程序设计按键输入程序实现判断键值和按键去抖动的功能，通过按键对速度上限值进行更改和在数码管上显示。当按键按下时，按键在闭合和断开的位置之间会抖动多次才能达到闭合稳定状态，这容易导致一次按键单片机会执行多次的情况出现，为了消除按键抖动，常设计延时程序去抖动，不仅编程容易而且实用性高。按键程序流程设计图如图6.3所示。图6.3按键程序流程图完整的按键程序见附录。6.4显示程序设计显示程序是采用动态显示的方式显示最高限定速度值和即时速度信息。数码管动态显示每隔一段时间点亮一个数码管，即轮流点亮的方式。虽然数码管不是同时显示，但只要扫描速度够快，人眼就难以分辨出来，认为各数码管是同时发光的。在显示程序设计中通过延时2ms的方式来逐个点亮数码管。显示程序流程图如图6.4所示。图6.4显示程序流程图完整的显示程序见附录。7系统仿真和实物测试7.1Keil程序调试在方案设计过程中，为了能够实现系统的功能并且达到理想效果需要不断进行调试，如果直接对硬件电路进行连接测试，连接过程可能还要对电路进行检查，这样不仅麻烦而且浪费时间，因此使用仿真软件调试可以减少很多麻烦。系统设计中对各个模块的编程使用keil程序来进行调试。打开keil软件，点击project选项创建工程，点击目标选项进行设置芯片型号和晶振频率，因为在proteus仿真中还需要导入编写的程序，所以要在output界面中勾选生成HEX。在程序编写过程中，我们很大概率会写错程序，而keil软件在程序运行编译的时候就会将产生的错误和警告显示在buildoutput窗口上，在buildoutput窗口双击错误点就会跳转到错误的代码行，方便我们检查程序和修改。在程序编译过程中还会遇到其它问题，比如我们已经对某个参数进行了定义，但程序还是显示未定义，这时候需要考虑子程序的顺序问题，可以对子程序的顺序进行调换看是否能够解决问题。在程序全部编写完成和调试成功后，就成功生成了.HEX文件。程序成功调试后的keil程序图如图7.1所示。图7.1keil程序图7.2Proteus仿真打开proteus软件，点击“新建设计”选项生成原理图编辑窗口，调整原理图页面大小。点击元器件列表窗口按钮“P”，元器件选择窗口