【正文】 ............................ 54 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 汽車行駛記錄儀的 起源 歐盟、日本等國家早在 20世紀(jì) 70年代就開始以立法的形式在部分客運車輛及貨車上強制安裝使用記錄儀，我國從 80年代后期開始，在少數(shù)地區(qū)也曾試用過由國內(nèi)一些科研機構(gòu)及企業(yè)自主研制的數(shù)字記錄儀。針對目前汽車行駛記錄儀的研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于 51單片機的汽車行駛記錄儀，該汽車行駛記錄儀具有實時性好、可靠性商、價格低廉等 特點。汽車行駛記錄儀的使用不僅可以遏止交通違章、約束駕駛員不良駕駛習(xí)慣，而且可以有效地預(yù)防道路交通事故的發(fā)生，并為執(zhí)法人員進行事故的分析、處理提供科學(xué)、 可靠 的原始數(shù)據(jù)，因此在交通運輸管理中發(fā)揮著十分重要的作用。文中對該系統(tǒng)中各個軟件模塊的功能及實現(xiàn)進行了詳細的描述，并給出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖。 汽車行駛記錄儀在我國的發(fā)展情況 目前國內(nèi)的汽車行駛記錄儀每臺售價 已經(jīng) 由過去的三四千元，降至七八百元，主要式樣有兩種型式：獨立式行駛記錄儀、有與 GPS 合而為一的，基本上用 U 盤錄制，隨時可以通過電子計算機或筆記本電腦解讀，無論那種型式都與電信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)運行，能連續(xù)工作 360 小時（ 15 天）以上、記錄車速范圍： 0 255km/h， 行駛里程測 量范圍： 0 。在我國很多城市都可以進行 汽車行駛記錄儀 的自主研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)。 5s 以內(nèi)。這些詳細的數(shù)據(jù)將作為事故疑點數(shù)據(jù)，為查明事故原因提供第一手資料：當(dāng)車速傳感器輸出的脈沖信號超過 5脈沖／ s并持續(xù) 5s以上時，則認(rèn)為車輛處于行駛狀態(tài)，否則為停止?fàn)顟B(tài)。 PC 機的數(shù)據(jù)庫軟件的設(shè)計：接受記錄儀存儲的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)庫管理和數(shù)據(jù)處理。主機實現(xiàn)國標(biāo)規(guī)定的車輛行駛速度、時間、里程等信息的 記錄、存儲、顯 示、打印、數(shù)據(jù)通信接口輸出數(shù)據(jù)功能。 本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和特點 針對國內(nèi)目前的情況，在充分理解國家標(biāo)準(zhǔn)：學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外車載電子領(lǐng)域已有的成熟經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了汽車行駛記錄儀的電路系統(tǒng)。它不僅擁有事故分析功能，還能在駕駛員超速行駛時發(fā)出超速報警聲以提醒駕駛員減速行駛，并詳細記錄車輛每次的起動時聞、行駛里程、行駛時問、最高車速以及每次最高車速的持續(xù)時間 ，方便管理部門根據(jù)所記錄的有關(guān)數(shù)據(jù)對車輛進行有效的管理 ，將會有很大的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。 4．軟件設(shè)計應(yīng)直觀，界面友好， 容 錯性強，雙機通訊時應(yīng)有數(shù)據(jù)校驗。 O． 1 24 24 18～ 32 28177。 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 5 3．耐電源過電壓性能 在表 1． 1規(guī)定的過電壓下，記錄儀應(yīng)能承受 1分鐘的電源過電壓試驗。但因為本文所研制的 記錄儀所記錄的數(shù)據(jù)在國標(biāo)的基礎(chǔ)上有所擴充，相應(yīng)地，數(shù)據(jù)分析軟件的性能 也必須進行擴充。 (2)一般行駛速度記錄 曲線圖 內(nèi)容及記錄格式應(yīng)符合前述對一般行駛速度記錄的要求，其橫坐標(biāo)為實時 時間及日期，縱坐標(biāo)為與實時時間對應(yīng)的車輛行駛速度值，藍線圖上同時還應(yīng) 包含車牌號碼、車牌分類、駕駛證號碼等內(nèi)容。本系統(tǒng)是一個車載系統(tǒng)，需要微控制器有很強的抗干擾能力，而且 要求微控制器內(nèi)部有看門狗定時器，以便在程序走飛時能自動復(fù)位。 方案 2：選用基于 CPLD／ FPGA 的控制系統(tǒng)，可以將整個系統(tǒng)固化在芯片內(nèi)，從而使系統(tǒng)由電路板級轉(zhuǎn)化為芯片級，使系統(tǒng)的集成化大大提高。它具有的高速度、低工作電壓、低功耗、強大驅(qū)動能力、低價格等特點。 PICl6F73 的特點： (1)八位定時器／計數(shù)器 TMRO，帶八位預(yù)分頻器。 (5)并行口操作。 系統(tǒng)電源設(shè)計方案選擇 方案 1：采用線性集成穩(wěn)壓器，優(yōu)點是簡單，常用，易于實現(xiàn)；缺點是效率低 (30％～ 60％ )，散熱器面積大，用作輸出電壓平滑濾波的電容器及其電容值也很大。 數(shù)據(jù)存儲器 單片機 數(shù)據(jù)通訊 狀態(tài)指示 鍵盤顯示 開關(guān)量信息及接口電路 速度檢測及接口電路 實時時鐘 單片機 開關(guān)電源 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 8 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計主要包括速度信號、開關(guān)信號、電源設(shè)計及溫控電路。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖如圖 ，主要完成如下各項任務(wù)： 1．實時采集速度。 5．實時地記錄實時時間?；魻栐曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。由此得出校正后的速度公式 Vj為： Vj=M 3600L1 最終的速度計算公式 Vl為： Vl=M 3600 4 2π Rf／ (3R／ r) (3． 3) 速度的測量方法 速度的測量方法有光電法、磁電法等。 1． 霍爾集成傳感器 霍爾集成傳感器是利用 硅集成電路工藝將霍爾元件與測量電路集成在一起，便成了霍爾集成傳感器，它實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。其電路原理線路圖如圖 。由于霍爾開關(guān)為集電極開路輸出，因此正常工作時必須在引腳“ 3”與“ 4”之間或“ 2”與“ 4”之間接上負載電阻，兩個集電極輸出端也可以并聯(lián)使用，此時輸出電流能 力增加一倍。 本系統(tǒng)采用的是開關(guān)型霍爾傳感器，其內(nèi)部框圖如圖 所示。時，輸出管截止，輸出高電平。 圖 為 開關(guān)型霍爾傳感器的輸出特性 2． 霍爾傳感器的選擇 由于霍爾集成式傳感器具有可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，因此，在速度傳感器中我們選用開關(guān)型霍爾集成式傳感器。 環(huán)境溫度對工作 點和釋放點的影響的特性曲線如圖 所示。磁屏蔽葉輪的窗口開和閉遮斷磁場，導(dǎo)致霍爾集成式傳感像開關(guān)一樣接通和關(guān)斷。整個電路采用車載 12V電源供電，為配合速度信號處理電路，采用穩(wěn)壓管 D1將信號限制在 0～ 5V之問，便于單片機連接。 圖 為 速度信號的接口電路 圖 開關(guān)信號主要包括剎車、喇叭、左右燈、大燈、氣壓、 1號和 2號門、報站器等信號。 表 CD402l引腳功能表 引腳 名稱 引腳功能 1 1 15 D D D D D0、 D D D6 并行輸入端 12 Q Q Q6 串行輸出端 9 P／ S 并／串 選擇 10 CLOCK 時鐘 11 Ds/SIN 串行數(shù)據(jù)輸入 8 Vss 電源地 1 6 VDD 電源 圖 河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 16 實現(xiàn)電路 開關(guān)信號的實現(xiàn)電路原理圖如圖 。采用 D觸發(fā)器可以有效地消除外界尖峰脈沖信號的干擾。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 17 圖 開關(guān)信號接口電路 系統(tǒng)采用雙路電源供電，為提高電源的效率、增加電源的可靠性和減小電源的體積，我們采用 DC— DC集成芯片 MC34063構(gòu)成的降壓式直流變換器 (開關(guān)電源的一種 )為整個系統(tǒng)供電。而單端直流變換器又可分為正激式和反激式；雙端直流變換器又可分為推挽式、半橋式和全橋式。當(dāng)負載對直流電源的穩(wěn)定度要求較高時，為了獲得穩(wěn)定的輸出電壓，通常需要在直流變換器后面或前面再加入另外的穩(wěn)壓電路，如圖 (a)、 (b所示。、負載電阻 R。電路的工作狀態(tài)由脈沖信號 u。充電。經(jīng)過 T。 3．降壓式直流變換器輸入與輸出電壓之間的關(guān)系 當(dāng)控制信號使 BG導(dǎo)通時，電感 L中的電流從最小值 ILV線性增加到最大值 ILP； 圖 降壓式直流變換電路的有關(guān)波形 當(dāng)控制信號使 B(；截止時，電感 L中的電流又從最大值 I。為 BG截止前流過 L的電流。與 U，的關(guān)系式為 : Uo= offononTTT? 由 (3)可知，輸出電壓 Uo與占空比 q成正比，所以通過改變占空比 q可以控制 Uo的大小。 ? 既改變 Ton也改變 f，稱為脈沖寬度頻率混合調(diào)制。其輸入電壓范圍為 3— 40V；工作電流典型值為 2． 5mA；內(nèi)部開關(guān)管電流 ；輸出電壓可設(shè)定或連續(xù)可調(diào)；工作頻率由外設(shè)電容 (CT)確定，最高 100kHz；內(nèi)部有精度為 2％的 ，并有輸出電流限制電路。把晶體管 VT看作開關(guān)，則其工作狀態(tài)如圖 。 +12為車載 12V直流電源輸入端， L、 L’為變壓器的兩個副端。實現(xiàn)電路如圖 。隨著溫度的升高， RT1的電阻逐漸降低，使得 R36和 RT1之間的電壓降低，當(dāng)達到低電平的時候， RR1為低電平， M1沒有導(dǎo)通， RW RW2停止工作。這兩種器件都具有 I2C總線接口，因此我們首先介紹一下 I2C總線?？偩€備用時， SDA和 SCL都必須保持高電平狀態(tài)，關(guān)閉 I2C總線應(yīng)使 SCL處在低電乎。系統(tǒng)中所 有的單片機、外圍器件都將 SDA(數(shù)據(jù)線 )、 SCL(時鐘線 )的同名端 相 連在一起，總線 上的所有節(jié)點都由器件和 引 腳給定 地址 。如圖 。 起始信號與終止信號都是由主控制器產(chǎn)生。每傳送一個字節(jié)后都必須跟隨一個應(yīng)答位，并且首先發(fā)送的數(shù)據(jù)位為最高位，在全部數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后主控制器發(fā)送終止信號，如圖 所示。 圖 I2C 總線上的數(shù)據(jù)傳送 圖 I2C總線上的應(yīng)答信號 5． 數(shù)據(jù)傳送格式 按照總線規(guī)約，起始信號表明一次數(shù)據(jù)傳送的開始，其后為尋址字節(jié)，尋址河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 30 字節(jié)由高 7位地址和最低 1位方向位組成，方向位表明主控器與被控器數(shù)據(jù)傳送方向，方向位為“ 0”時表明主控器對被控器的寫操作，為“ 1”時表明主控器對被控器的讀操作。下面以簡化的圖解方式介紹三類數(shù)據(jù)傳送格式。其 I2C總線接餌與單片機的連接非常 簡第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 31 單 ，芯片 8腳封裝，體積小，功 耗低，在實時日 歷時鐘集成電路選型時， PCF8583是一只 性能價格 比較好的優(yōu)選芯片。由于日歷時鐘與事件計數(shù)器占用的 RAM空間重疊，而且片外電路也不相同，故 PCF8583作日歷時鐘就不再作事件計數(shù)器使用，反之亦然。 0：對脈沖計數(shù)； 1：停止計數(shù)，分頻器復(fù)位。 00： ； 01： 50 Hz時鐘方式； 1 O：事件計數(shù)方式； 11：測試方式。 0：禁止起鬧，禁止觸發(fā)起鬧標(biāo)志 (08H～ 0FH單元可作一般 RAM單元使用 )； 1：允許起鬧， 08H單元為起鬧控制寄存器。在時鐘方式下，計數(shù)寄存器的各個單元存 放相應(yīng)的計時 BCD碼，其計數(shù)周期、進位方式如表 。低位為百分之秒，高位為十分之秒，最大計數(shù)值為 99，溢出后向秒單元進位，復(fù)位后為00H。分單元 (03H)。鐘點數(shù)據(jù)占用 2位二進制碼一位 BCD碼，其余部分用于 12／ 24小時標(biāo)志及狀態(tài)設(shè)置，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7：計時格式。 D3 D2 Dl D0：鐘點個位 (BCD碼 )。 D5 D4：日期十位 (二進制 O～ 3)。月份個位數(shù)為 BCD碼，十位數(shù)為一位二進制碼，星 期為三位二進制碼，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5：星期 (O～ 6)，當(dāng)控制狀態(tài)寄存器屏蔽位置位時，讀出為 0。 定時器 (07H)，該單元為二位 BCD碼計數(shù)寄有器。起鬧定時器 (0FH)，該單元與定時器 (07H)相對應(yīng)，為起鬧定 時置數(shù)單元，當(dāng)定時器中的計數(shù)值與其相同時產(chǎn)生定時起鬧。在選擇星期起鬧時，起鬧星期／月份寄存器 (0EH)格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7：不用。 D3：置位時，星期三允許起鬧。 (4)數(shù)據(jù)操作格式 由于 PCF8583所有的計數(shù)器、控制寄存器都占用了 RAM存儲單元，故對 PCF8583的各種操作，如控制狀態(tài)寄存器控制字的設(shè)置、時鐘的設(shè)置及讀出、起鬧控制設(shè)第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 35 置等都體現(xiàn)在對 PCF8583 RAM單元的讀寫操作，而這些操作都是 I2C總線中典型的主方式下的讀、寫操作。 圖 PIC單片機與 PCF8583的接口電路 系統(tǒng)首先通過專用的接口對 PCF8583進行初始化，然后在不斷開電源的條件下將電池與 PCF8583相連接，這樣 PCF8583就以初始化的時間為起始時間持續(xù)記錄實時時間。另外，對對存儲在芯片中的數(shù)據(jù)，可以通過軟件利用各種加密算法進行加密處理，從而提高安全性，擴大了器件的應(yīng)用范圍。當(dāng) SCL處于高電平時， SDA總線上的數(shù)據(jù)不能改變。 汽車點火信號的有無，用以判斷汽車是否啟動。 U7C、 U7E、 U7F。 圖 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng) 圖 鍵盤顯示電路 鍵盤采用單鍵輪回控制顯示器顯示的內(nèi)容，缺省的條件下顯示實時速度。 RA0作為鍵盤掃描口，鍵盤采用單鍵循環(huán)控制，按鍵一次、二次、三次、四次時，依次顯示“里程、日期、時間、實時速度”數(shù)據(jù)，并且相應(yīng)的指示燈點亮，當(dāng)再次按鍵時，重復(fù)顯示以上數(shù)據(jù)。 AT45D041 的引腳配置和引腳說明 引腳配置如圖 ，引腳功能說明如表 。狀態(tài)寄存器：是一個 8位的寄存器 Bit0～ Bit7，可以通過串行命令讀出其值，但不