【文章內(nèi)容簡介】 作方便。 錯(cuò)誤 !使用“開始”選項(xiàng)卡將 標(biāo)題 1,章標(biāo)題 (有序號(hào) ) 應(yīng)用于要在此處顯示的文字。 錯(cuò)誤 !使用“開始”選項(xiàng)卡將 標(biāo)題 1,章標(biāo)題 (有序號(hào) ) 應(yīng)用于要在此處顯示的文字。 3 2 汽車超速報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇 設(shè)計(jì)要求 我們要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有數(shù)字顯示功能的單片 機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛當(dāng)前速度輸出，當(dāng)達(dá)到公路限定速度值時(shí)蜂鳴器報(bào)警，提醒駕駛員減速，以保證駕駛?cè)藛T及行人的人身安全。首先要進(jìn)行系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （ 1）遵循從整體到局部的設(shè)計(jì)原則。在過程中，應(yīng)遵循從整體到局部的設(shè)計(jì)原則，把復(fù)雜難處理的問題分為若干個(gè)較為簡單的、容易處理的問題，分別加以解決。 （ 2）經(jīng)濟(jì)性要求。為了獲得較高的性價(jià)比，設(shè)計(jì)師不應(yīng)盲目追求復(fù)雜高級(jí)的方案。在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能采用簡單的方案，因?yàn)榉桨负唵我馕吨玫脑骷伲煽啃愿?，而且?jīng)濟(jì)實(shí)惠。 （ 3）可靠性 要求。所謂可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)完成功能的概率表示外，還可以用平均無故障時(shí)間或平均壽命來表示。 （ 4）操作和維護(hù)要求。在車速報(bào)警系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮操作方便，盡量降低對操作人員的專業(yè)知識(shí)的要求，以便產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，操作程序應(yīng)盡量簡單明了，無須專門訓(xùn)練就能掌握其使用方法。 方案選擇 采用嵌入式車載限速裝置，在設(shè)計(jì)汽車時(shí)就已經(jīng)考慮并在制造時(shí)嵌入整車電子控制系統(tǒng)中。傳感器將車速轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，傳入單片機(jī)，單片機(jī)將輸入的一定值的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的速度值。 該方案在 2020 年以后國內(nèi) 生產(chǎn)的中高檔乘用車中已初見端倪，但是國內(nèi)約 4000 萬輛在用汽車中的近 90%并未安裝。鑒于此為汽車設(shè)計(jì)一種外掛式汽車超速報(bào)警器有著巨大的市場需求，運(yùn)用 51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛的超速報(bào)警。 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) 4 3 汽車超速報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 測速傳感器的構(gòu)建 測速傳感器的選擇 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)對速度的報(bào)警，故應(yīng)該選擇測速傳感 器。測速傳感器包括測量線速度傳感器和測量轉(zhuǎn)速度傳感器。 線速度傳感器是用來測量直線運(yùn)動(dòng)速度的傳感器，它的輸出電壓和被測物體運(yùn)動(dòng)速度成線性關(guān)系，可檢測小模數(shù)齒輪和其他物體的轉(zhuǎn)速，具有穩(wěn)定的工作性能，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。線速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，不用外加電源穩(wěn)壓器，頻率響應(yīng)好，輸出靈敏度高，測量范圍大，抗干擾力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 轉(zhuǎn)速度傳感器是將物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量輸出的傳感器，屬于間接式測量裝置。按信號(hào)形式的不同，轉(zhuǎn)速傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。前者的輸出信號(hào)值是轉(zhuǎn)速的線性函數(shù)，后者的輸出信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速成正比。 常用的轉(zhuǎn)速傳感器有光電式、電容式、變磁阻式等。 在實(shí)際測量中要測量車輪的轉(zhuǎn)速，要輸出方波信號(hào)，不加電源穩(wěn)壓器，由此選擇轉(zhuǎn)速度傳感器。 在測速傳感器中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度測量較多，而且直線運(yùn)動(dòng)速度也經(jīng)常通過旋轉(zhuǎn)速度間接測量。目前廣泛使用的測速傳感器是直流測速發(fā)電機(jī)，可以將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。測速機(jī)要求輸出電壓與轉(zhuǎn)速間保持線性關(guān)系，并要求輸出電壓陡度大，時(shí)間及溫度穩(wěn)定性好。測速機(jī)一般可分為直流式和交流式兩種。直流式測速機(jī)的勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)式和永磁式兩種，電樞結(jié)構(gòu)有帶槽的、空心的、盤式印刷電路等形式，其中帶槽式最為常用。其中，由于磁電式傳感器具有易于計(jì)算等特點(diǎn)，故我們選擇了磁電式傳感器。 汽車測速傳感器的工作原理 磁電 式 傳感器有時(shí)也稱作感應(yīng)式傳感器，也稱電動(dòng)式傳感器。它把被測物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢，是一種機(jī)電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍（一般為 101000Hz），適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動(dòng)圈式傳感器和磁阻式傳感器。 磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的直流磁場，磁路中的工作氣隙固定不變 ，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。其運(yùn)動(dòng)部件可以使線圈（動(dòng)圈式），也可以是磁鐵（動(dòng)鐵式），動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理都是完全相同的。當(dāng)殼體隨被測振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件慣性 很大，來不及隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近乎靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈的相對運(yùn)動(dòng)速度接近振動(dòng)體振動(dòng)速度，磁鐵與線圈的相對運(yùn)動(dòng)切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。線圈相對磁場運(yùn)動(dòng)的速度 v 或角速度 ω表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為 e=NBLv e=NBLSω 錯(cuò)誤 !使用“開始”選項(xiàng)卡將 標(biāo)題 1,章標(biāo)題 (有序號(hào) ) 應(yīng)用于要在此處顯示的文字。 錯(cuò)誤 !使用“開始”選項(xiàng)卡將 標(biāo)題 1,章標(biāo)題 (有序號(hào) ) 應(yīng)用于要在此處顯示的文字。 5 式中， N表示線圈在工 作磁場中的匝數(shù)； L表示每匝線圈的平均長度； B表示線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度； S表示每匝線圈的平均截面積。 在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后， B、 L、 N、 S 均為定值，感應(yīng)電動(dòng)勢 e 與線圈相對磁場的運(yùn)動(dòng)速度（ v 或 ω）成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測量。 變磁通式又稱（變）磁阻式或變氣隙式，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。線圈和磁鐵靜止不動(dòng)，測量齒輪（導(dǎo)磁 材料制成）每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢 的變化頻率等于測量齒輪 1 上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。 圖 31 車速傳感器結(jié)構(gòu) 車速傳感器由一個(gè)舌簧開關(guān)盒一個(gè)帶有 4 對磁極的塑料環(huán)構(gòu)成，如圖 31 所示。后者安裝在變速器左輸出軸上，與軸一同旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)磁場。舌簧開關(guān)管安裝在靠近塑料環(huán)的變速器殼體上，它是在一個(gè)玻璃管內(nèi)裝有 2 個(gè)細(xì)長的觸頭構(gòu)成的開關(guān)元件，其觸頭由磁性材料制成。舌簧開關(guān)管與塑料環(huán)間具有很小的間隙，當(dāng)塑料環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，舌簧開關(guān)管內(nèi)觸點(diǎn)接近塑料極時(shí)閉合，離開塑料極時(shí)斷開，由此得到與汽車 行駛速度相對應(yīng)的方波信號(hào) ,如圖 32 所示。 電壓 U/V 時(shí)間 t/ms 100 200 300 400 500 圖 32 汽車車速信號(hào)圖形 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) 6 汽車超速報(bào)警器的工作原理：汽車在行駛過程中，車輪每轉(zhuǎn)一圈，車速傳感器產(chǎn)生8個(gè)脈沖。對已知車型可知其車輪直徑為 D，例如規(guī)格為 185/70R14 的輪胎， 185 表示輪胎兩邊側(cè)面之間的寬度為 185mm， 70 代表輪胎高 /寬比為 70， 14 表示輪胎直徑為 14 英尺， R代表單詞 RADIAL，表示子午輪胎。據(jù)此可計(jì)算出輪胎直徑 D= 2+14 = 根據(jù)汽車的速度，可計(jì)算車輪在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)： n=V/πD。 產(chǎn)生脈沖數(shù)f0=8n。 若 ff0，則車速報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警；反之，車速報(bào)警器將執(zhí) 行下一個(gè)比較任務(wù)。 主控模塊 本系統(tǒng)采用 MCS51 系列的 8051 單片機(jī)作為 控制核心 [1]。 MCS51 系列單片機(jī)是美國Intel 公司于 1980 年推出的一種 8 位單片機(jī)系列。 8051 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ ROM）是掩膜型的，即在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去。 8051 抗干擾性好，適用于惡劣環(huán)境的場合。 8051CPU 的工作頻率采用 12MHZ，方便系統(tǒng)對速度傳感器的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行快速的處理。 8051 的輸入，輸出引腳具有 32 根 I/O 線?？梢赃B接存儲(chǔ)器、 LED 顯示器、速度傳感器等各種外部器件。 8051 具有低功耗和低電 壓工作模式的特點(diǎn)，可以利用電池對系統(tǒng)供電。但 8051 內(nèi)部只有 256B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，系統(tǒng)可以外接 RAM 芯片以滿足 系統(tǒng)的需求 [2]。 12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31(AD7)32(AD6)33(AD5)34(AD4)35(AD3)36(AD2)37(AD1)38(AD0)39VCC40 圖 33 8051 單片機(jī)引腳圖 8051 單片機(jī)引腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏極開路雙向 I/O 口，每腳可接收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 的管腳 第一次寫入 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FLASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被 拉高。 錯(cuò)誤 !使用“開始”選項(xiàng)卡將 標(biāo)題 1,章標(biāo)題 (有序號(hào) ) 應(yīng)用于要在此處顯示的文字。 錯(cuò)誤 !使用“開始”選項(xiàng)卡將 標(biāo)題 1,章標(biāo)題 (有序號(hào) ) 應(yīng)用于要在此處顯示的文字。 7 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管教寫入 1 后，