【正文】 ........................ 37 附錄Ⅱ 客車超載監(jiān)控系統(tǒng)程序清單 ....................................... 38 附錄 III 客車超載監(jiān)控系統(tǒng)元器件清單 .................................... 44 1 第 1 章 緒 論 立 題的 意義 隨著生活水平的不斷提高，人們外出打工、探親、旅游的人數(shù)越來越多，尤其是節(jié)假日，而與此相關(guān)的公路客運(yùn)（長途客車，旅游客車等）的運(yùn)力卻沒有相應(yīng)增加，致使超員現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)。目前，它已成為一個(gè)嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)問題?？蛙嚦d對(duì)國家 的公路設(shè)施和客運(yùn)市場(chǎng)造成了不良的影響，也影響車輛本身和車輛的駕駛、控制，容易引發(fā)事故， 我們都知道車輛超載運(yùn)輸并且長期處于超負(fù)荷狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致車輛的制動(dòng)裝置和操作系統(tǒng)等安全性能迅速下降，表現(xiàn)為輪胎變形爆胎，剎車失靈，轉(zhuǎn)向器輕飄抖動(dòng)，鋼板彈簧折斷 ， 半軸斷裂等等。而客車一旦發(fā)生事故 ，給國家和百姓帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失和感情傷害。 目前，國家雖然出臺(tái)了一系列的政策法規(guī)來制止客車超載，各地政府也制定了相關(guān)的制度來對(duì)客車超載進(jìn)行管理，在一定程度上減少了客車超載現(xiàn)象，但在節(jié)假日等客流高峰期，超載現(xiàn)象還是屢禁不止。在采取行政監(jiān) 督管理的同時(shí)，通過科學(xué)技術(shù)的手段來消除客車超載的現(xiàn)象也有著極其重要的意義和實(shí)用性。 單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)很重要的分支， 是將 CPU、存儲(chǔ)器、總線、 I/O 接線口電路集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上。 自問世以來，以其極高的性價(jià)比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā)展也很快。因此它廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域 ， 大致可分如下幾個(gè)范疇 ： (1)在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表 中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。 (2)在工業(yè)控制中的應(yīng)用 單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等 。 ⑶ 在家用電器中的應(yīng)用 現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在 。 ⑷ 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn) 2 了 單片機(jī)智能控制，從手機(jī) 、 電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話 、 集群移動(dòng)通信 、 無線電對(duì)講機(jī)等 。 ⑸ 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等 。 因此 單片機(jī) 的 出現(xiàn)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，智能化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模型也就基本具備了。單片機(jī)以其兼容性強(qiáng)，軟件、硬件應(yīng)用設(shè)計(jì)資源資料豐富，以及極高的性能價(jià)格比受到人們的重視和關(guān)注。單片機(jī)以及外圍芯片的不斷發(fā)展促進(jìn)了超載、超量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。以單片機(jī)為核心的智 能 監(jiān)控 系統(tǒng)以 其體積小，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境的要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，開發(fā)較為容易，并可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益等特點(diǎn)，很快占有了監(jiān)控器領(lǐng)域的市場(chǎng) ,所以其應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。 因此本課題正是基于此點(diǎn)， 采用單片機(jī)為核心的智 能 監(jiān)控 系統(tǒng)可 以對(duì)客車內(nèi)乘客人數(shù)的統(tǒng)計(jì)，并通過 LED 顯示器實(shí)時(shí)顯 示。當(dāng)客車出現(xiàn)超載時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警 。同時(shí)通過繼電器關(guān)閉客車的啟動(dòng)裝置來阻止超載客車的運(yùn)行。反之， 當(dāng)超載解除后，聲光報(bào)警被解除，系統(tǒng)也相應(yīng)解除對(duì)客車的鎖定，客車可正常運(yùn)行，從而達(dá)到了智能監(jiān) 控 客車超載的要求，大大減少因超載而發(fā)生交通事故，使乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全得到有效的保障 。 課題研究任務(wù)及目標(biāo) 本課題主要任務(wù)是以 MCS51 單片機(jī)為控制核心，能夠自動(dòng)檢測(cè)車內(nèi)乘客的人數(shù)并用 LED 即時(shí)顯示，通過鍵盤設(shè)置超載人數(shù)的上限值，一旦客車超載時(shí)能進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)鎖定 客 車的啟動(dòng)裝置。它的硬件電路部分主要包括檢測(cè)電路 （紅外傳感器和 方 向 識(shí)別 電路）、鍵盤 電路、 顯示電路、控制電路和報(bào)警電路五大部分。 其中，主要研究內(nèi)容為：紅外檢測(cè)技術(shù)、 運(yùn)動(dòng)方 向 識(shí)別 電路、 LED 數(shù)碼管 的顯示 、 單片機(jī)控制系統(tǒng)等。 該設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下： ⑴ 能夠 完成車廂 內(nèi)人數(shù) 的顯示 ，并用 LED 即時(shí)顯示 ⑵ 超載人數(shù)的上限值可以通過鍵盤設(shè)置（默認(rèn)人數(shù)為 30） ⑶ 客車一旦超載時(shí)將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并關(guān)閉汽車的啟動(dòng)裝置。 ⑷ 光報(bào)警信號(hào)要實(shí)現(xiàn) 1S 閃爍功能，聲音 報(bào)警電路 要產(chǎn)生 1kHz 音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng) 蜂鳴器 完成 。 課題主要內(nèi)容 本文主要介紹了客車超載監(jiān) 控 系統(tǒng)的軟硬 件 設(shè)計(jì)思想、各功能的實(shí)現(xiàn)方法 、 相 3 應(yīng)的電路原理、以及 各 元器件性能型號(hào)的選擇 ， 內(nèi)容主要分為 兩 部分： 第一部分是硬件的設(shè)計(jì)，包括硬件電路方案的設(shè)計(jì)、元器件的選擇等，具體的硬件電路包括檢測(cè)電路（傳感器和 方 向 識(shí)別 電路）， AT89C51 單片機(jī)的 最 小系統(tǒng)電路、鍵盤輸入電路、 LED 顯示電路、聲光報(bào)警電路 、 鎖定電路等。 以硬件來完成具體的功能使整個(gè)系統(tǒng)完整，并達(dá)到最終可以準(zhǔn)確的檢測(cè)客車超載檢測(cè)的最終目的。 第二部分是軟件的設(shè) 計(jì)， 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的思想，逐步完善設(shè)計(jì)功能，初步繪制出電路圖和程序的流程圖。 以軟件配合硬件，使其可以利用軟件來使硬件相互關(guān)聯(lián)、相互輔助，使整個(gè)設(shè)計(jì)完整。 4 第 2 章 客車超載檢測(cè)系統(tǒng)的方案論證 系統(tǒng)的原理 本課題所設(shè)計(jì)的客車超載監(jiān)控系統(tǒng)主要是避免因人數(shù)超載而引發(fā)的交通事故，所以本系統(tǒng)應(yīng)該具備對(duì)乘客上、下車動(dòng)作的智能檢測(cè)，通過單片機(jī)來處理傳感器獲取的信息， 可以 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)客車 上、下乘客 的具體人數(shù)，能用 LED 來 進(jìn)行 即 時(shí) 的數(shù)字 顯示。當(dāng)客車內(nèi)的實(shí)際人數(shù)超過設(shè)置 的預(yù)定數(shù) 值的上限值時(shí)， 檢測(cè) 系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí) 客車的啟動(dòng)裝置也 將會(huì) 被鎖定，這樣可以有效地阻止超載情況的發(fā)生 ，從而降低因超載而引發(fā)的交通事故 。 本系統(tǒng)中智能 檢測(cè) 的方法顯得尤為重要。其中，智能 檢測(cè) 包括兩部分：第一是檢測(cè)模塊部分。通過 E3FDS30C4 反射式紅外傳感器和雙 D 觸發(fā)器對(duì)乘客的上、下車動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)和判斷。第二是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)部分。由單片機(jī)對(duì)接收的脈沖信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的加減計(jì)數(shù) 運(yùn)算 ，即完成統(tǒng)計(jì)乘客人數(shù)的功能。只有對(duì)車內(nèi)人數(shù)準(zhǔn)確的 監(jiān)視 ，才能判斷出是否超載，來避免交通事故的發(fā)生，從而達(dá)到防患于未然的現(xiàn)實(shí)意義。 系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 主要包 括：檢測(cè)電路（紅外傳感器和方向識(shí)別電路）、鍵盤電路、單片機(jī)系統(tǒng)、 LED 顯示電路、繼電器控制電路、報(bào)警電路六部分。 圖 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖 紅外傳感器 ⑴ 紅外 傳感器 ⑵ 雙D觸發(fā)器組成的互鎖電路 單 片 機(jī) 鍵 盤 輸 入 數(shù)碼管 顯示電路 繼電器 控制電路 聲光 報(bào)警電路 5 系統(tǒng)各部分的基本功能簡介如下： ⑴ 反射式紅外傳感器 該傳感器 是 一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)探測(cè)器前方有障礙物時(shí)，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)探測(cè)器前方?jīng)]有障礙物時(shí)，探測(cè)器輸出端輸出高電平 ，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，探測(cè)器輸出端輸出低電平。 因此，當(dāng)有乘客經(jīng)過車門完成一個(gè)上車或者下車的動(dòng)作時(shí)就會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，這樣就完成了對(duì)乘客上、下車動(dòng)作的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了將動(dòng)作信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能。 ⑵ 方向識(shí)別電路 方向識(shí)別電路是由 雙 D觸發(fā)器組成的雙穩(wěn)態(tài)電路，它可以通過自身的邏輯電路，來實(shí)現(xiàn)辨向的功能。方向識(shí)別電路與單片機(jī)的 T0 、 T1口相連，當(dāng)乘客上車時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的負(fù)脈沖信號(hào)，把其接入 T0 端作為乘客上車動(dòng)作信號(hào)的輸入端，從而實(shí)現(xiàn)辨別乘客運(yùn)動(dòng)方向的功能。同理，當(dāng)乘客下車時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 相應(yīng)的負(fù)脈沖信號(hào)，把其接入 T1 端，即 T1 端作為乘客下車動(dòng)作信號(hào)的輸入端。 ⑶ 單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心元件，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器 所 采集 的 信號(hào)的判斷和處理，控制硬件部分的鍵盤電路、顯示電路、報(bào)警電路從而完成客車超載的智能監(jiān)控 。 ⑷ 鍵盤 鍵盤采用 4個(gè)獨(dú)立式的按鍵來手動(dòng)設(shè)置客車乘客人數(shù)的上限值 ，系統(tǒng)內(nèi)的復(fù)位 。 ⑸ LED 顯示電路 該電路用兩位共陰極 LED 數(shù)碼管來即時(shí)顯示，其系統(tǒng)開始時(shí)顯示預(yù)置上限人數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān) 控階段則顯示客車內(nèi)乘客的 即時(shí) 人數(shù)。 ⑹ 繼電器 在該系統(tǒng)中用繼電器來模擬客車的啟動(dòng)裝置。若繼電器斷開，則代表客車已被鎖定無法開啟；若繼電器閉合則代表客車恢復(fù)正常的啟動(dòng)，可以運(yùn)行。 ⑺ 報(bào)警電路 報(bào)警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，當(dāng)接收到單片機(jī)的命令時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警和解除報(bào)警。 6 第 3 章 客車超載監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的基礎(chǔ)。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案，本設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。硬件設(shè)計(jì)的主要組成部分：檢測(cè)電路、單片 機(jī)最小系統(tǒng)電路、 LED 顯示電路、繼電器控制電路、聲光報(bào)警電路、鍵盤輸入電路。 客車超載監(jiān)控系統(tǒng)的檢測(cè)電路 在客車超載監(jiān)控系統(tǒng)的檢測(cè)電路中主要有：傳感器的選擇、反射式紅外傳感器檢測(cè)原理、方向識(shí)別電路的設(shè)計(jì)。 傳感器的選擇 在本系統(tǒng)中傳感器的主要作用是完成上、下車乘客動(dòng)作信號(hào)的檢測(cè)，因而在對(duì)傳感器選擇時(shí)應(yīng)盡量考慮實(shí)際需求。其中包括適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)范圍、靈敏度、調(diào)理電路簡單、高性價(jià)比等。 常用的傳感器有反射式紅外傳感器、超聲波式傳感器、激光雷達(dá)和 MMW 雷達(dá)等。幾種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較如表所示。 表 傳感器性能比較 傳感器類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 超聲波 價(jià)格合理，夜間不受影響 測(cè)量范圍小，對(duì)天氣變化敏感 紅外線 能直接測(cè)量，價(jià)格便宜 探測(cè)距離較近 視覺 易于多目標(biāo)測(cè)量和分類，分辨率好 算法復(fù)雜，處理速度慢 激光雷達(dá) 價(jià)格相合理，夜間不受影響 對(duì)水、灰塵、燈光敏感 MMW 雷達(dá) 不受燈光、天氣影響 價(jià)格貴 其中超聲波傳感器的基本原理是超聲波的直線傳輸特性。傳感器有一個(gè)超聲波發(fā)射端，上電后發(fā)射超聲波，另有一個(gè)超聲波接收端，如果前方有障礙物，超聲波反射回來被接收端接收，并在輸出端輸出一個(gè)響 應(yīng)的電平信號(hào)。 該方法被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的研究上。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格合理，易于使用，且在 10m 以內(nèi)能給出精確的測(cè)量。但是超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測(cè)達(dá) 100m 遠(yuǎn)， 但 可能在傳輸中受到 其 它信號(hào)的干擾，所以不能用于本系統(tǒng)。視覺傳感器在 CW 系統(tǒng)中使用得非常廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，價(jià)格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測(cè)量定多個(gè)目 7 標(biāo)，并且可以利用測(cè)量的圖像根據(jù)外形和大小對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類。但是算法復(fù)雜，處理速度慢。雷達(dá)傳感器在軍事和航空領(lǐng)域已經(jīng)使用了幾十年。主要優(yōu)點(diǎn)是可以魯棒地探測(cè)到障礙而不受天氣或燈光條件限制。 近十年來隨著尺寸及價(jià)格的降低，在汽車行業(yè)開始被使用 ，但 是仍存在性價(jià)比的問題。 本設(shè)計(jì)采用的 是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。 該漫反射型光電開關(guān)檢可以檢測(cè)前方 380cm (可以調(diào)節(jié)）；工作電壓為 5V 直流電壓。工作電流小于 10mA；輸出驅(qū)動(dòng)電流為 100mA； 使用溫度范圍為－ 40～ 70C ；這是一種應(yīng)用 最為廣泛的光電開關(guān)，它的直徑為 17mm，固定時(shí)只要在設(shè)備外殼上打一個(gè) 17mm 的園孔就能輕松固定，長度約 45mm， 引線長度為 45mm。 漫反射式光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器 ， 當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過時(shí) ， 物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器 ， 于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào) 。 當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí) ， 漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測(cè)模式 。 漫反射式光電開關(guān)工作 示意圖如圖所示。 圖 漫反射式光電開關(guān)工作 示意圖 測(cè) 量電路也是傳感器組成的一部分 。由于 傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)化元件組成 ，但轉(zhuǎn)化元件輸出的電量常常難以直接進(jìn)行顯示 、 記錄 、 處理和控制 。 這時(shí)就需要將其進(jìn)一步變化成可直接利用的電信 號(hào)， 而傳感器中完成這一功能的部分稱為 測(cè)量電路 。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展 ， 傳感器的測(cè)量電路也逐漸開始集成芯片化 。 一般需要輔助電源供電 。 測(cè)量電路的選擇視轉(zhuǎn)化元件的類型而定 ， 常采用的有電橋電路 、E3FDS30C4 發(fā)射 返回 漫反射光電開關(guān) 被檢