【文章內(nèi)容簡介】 員不要超速。 而且在 行駛過程中，對速度的要求也是不同的，比如在城區(qū)環(huán)路一般限速到 8 邁，而在高速公路上行駛，小型轎車一般車速要達到 120 邁，所以本設計產(chǎn)品不能只擁有單一的速度最高額度，要能實現(xiàn)根據(jù)駕駛者的自身的行駛背景對車速的最大值進行調(diào)控 由此，我覺得開發(fā)一個超速報警系統(tǒng)是很有必要的，對于駕駛員及其家人的生命財產(chǎn)安全有重大意義，可以降低交通事故發(fā)生率。課題：基于單片機的汽車超速報警系統(tǒng)的設計與研究，正是在此背景下提出的，故而有很大的現(xiàn)實意義。 課題的發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)在國內(nèi)外的汽車超速報警器發(fā)展很快 ,新技術層出不窮。據(jù)了解中 國的智能測速儀現(xiàn)在的技術已經(jīng)有飛躍式的發(fā)展。即單純利用傳感器和單片機做出的單功能汽車超速報警器逐漸發(fā)展到完善多方面需求的多功能汽車超速報警器。例如廣東的： SP01A 型報警器。即可以實現(xiàn)多種實用功能功能 :高亮 LED 顯示、具有兩級速度報警、一級警燈提示、二級喇叭警告。（一級跟二級速度可任意設計）可按客戶要求做成斷油（斷電功能）。限速功能型號可以強制車輛減速或者設定為車輛熄火 .遙控解鎖功能 .只有授權人員才能解除報警 . SP02A 型報警器，可實現(xiàn)功能：大屏幕液晶數(shù)據(jù)顯示 ,車輛超出設定的一級速度警燈提示，超出二級速度 時喇叭警告 .同時還具備記錄跟防剪功能 .方便管理查尋。 SP03A 型報警器，可實現(xiàn)功能：具備刷卡及四個權限設置，到期保養(yǎng)設置；大屏幕液晶數(shù)據(jù)顯示 ,車輛超出設定的一級速度警燈提示，超出二級速度時喇叭警告 .同時還具備記錄跟防剪功能 .方便管理查尋。 隨著科技的發(fā)展和市場的需求，超速報警器又邁向了一個新的臺階，從用傳感器測量車速，逐漸已經(jīng)過度到利用 GPS 技術對車速進行監(jiān)測。 GPS 車載監(jiān)控終端以前在國內(nèi)主要應用于鐵路 ,空運及海運領域 .隨著 GPS 全球定位體統(tǒng)技術日臻成熟 ,與去年開始轉(zhuǎn)向公路運輸領域 ,去年在南方各大城市發(fā)展 迅速 ， GPS 車載監(jiān)控 終端開始出現(xiàn) ,市場前景看好 。 GPS 車載監(jiān)控終端 在技術上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，可實現(xiàn)如下 基本功能： GPS 實現(xiàn)衛(wèi)星定位后，以 GPRS 將監(jiān)控目標的經(jīng)緯度、速度、方位、海拔高度數(shù)據(jù)經(jīng)由終端單清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 39 頁 片機進行解析處理后由 GPRS 模塊發(fā)回中心服務器，在由中心進行數(shù)據(jù)的處理，便可精確的查找出目前車輛所在的位置 ； 緊急求助功能：按數(shù)字鍵，即可向監(jiān)控中心發(fā)送事先編寫好的狀態(tài)（路阻、故障、事故求助、撥打電話 等） ； 主電掉電報警：在主電源突然掉電時可以通過備電繼續(xù)讓系統(tǒng)穩(wěn)定工作，同時向中心發(fā)出主電掉電信息 ； 越界報警功能： 系統(tǒng)可預先設置車輛行駛范圍，超出該范圍系統(tǒng)會自動向中心提示越界信息 ； 電瓶低壓報警功能：電瓶低壓時系統(tǒng)自動提示低壓信息 ； 遇劫報警功能：在遇到緊急情況時，只要啟動隱蔽安裝在駕駛室內(nèi)的報警按鈕，車載終端就會通過 GPRS 網(wǎng)絡自動向監(jiān)控中心發(fā)送多次報警信號 ； .理澤科技 GPS 跟蹤功能：在車輛被盜、搶劫后，監(jiān)控中心能通過對終端下發(fā)單片機指令使其自動跟蹤報警車輛 ； 超速報警功能：中心可以設定被監(jiān)視車輛的速度，一旦終端 GPS 定位數(shù)據(jù)達到或超過預設的速度值，終端會自動向中心發(fā)送超速信息 ； 遙控熄火功能：在對被劫持的車輛進行營救的過 程中，監(jiān)控中心可以根據(jù)營救的需要遙控車輛強行熄火，但設備故障不會造成意外熄火，內(nèi)部有可靠的自動復位電路 ； 電子圍欄功能：系統(tǒng)可預先設置車輛行駛范圍，超出該范圍系統(tǒng)會自動向中心報警。 汽車超速報警器的未來前景 在當今社會，大力提倡環(huán)保，經(jīng)濟，可持續(xù)發(fā)展的大前提下，我們的警報器最大的特點是經(jīng)濟實用，操作簡單 (即安即用 )，有利于可持續(xù)發(fā)展 (拆換方便 )，綠色環(huán)保無污染 (沒有有害氣體，液體等溢出 )，可充擴性 (東西小巧可附加在其他器械上一起使用 )，兼容性 (適用于廣大的車型，車種 )，可靠性，可用性，可維護性 (原理簡 單可自行維護 )，能有效的達到超速報警的效果。 在未來，只需要在精準度的問題上稍作改進即可更上一層樓了。 論文結構 本論文首先介紹汽車超速報警器的產(chǎn)生原因、研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀。緊接著進行材料選擇，對現(xiàn)有的各種速度傳感器、 LED 數(shù)碼管驅(qū)動芯片、單片機等各種硬件進行初步的選定，進而進行結構方面的研究與設計。然后根據(jù)已經(jīng)設計出的結構設計出電路proteus 圖。最后進行單片機的軟件設計，編出程序。 研究的主要內(nèi)容 本設計是基于單片機技術，利用按鍵對速度進行初設，其中通過 LED數(shù)碼管與其驅(qū)動芯片實現(xiàn)視顯 ，再利用速度傳感器進行測速，最后通過單片機對現(xiàn)時速與初設時速進清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 39 頁 行對比，如若超速，發(fā)出警報，警示駕駛者減速。 歸納起來，文章的主要工作有： （ 1） 對速度傳感器、驅(qū)動芯片、單片機等硬件進行選定； （ 2） 構架系統(tǒng)的整體結構； （ 3） 畫出 proteus電路圖，完成各個硬件的設計，并作出相關說明； （ 4） 給出系統(tǒng)的軟件設計，并作相關說明。 本章小結 本章節(jié)通過查閱相關資料，整理出了汽車超速報警器的研究背景與意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，增強了對選題的理解。結合我的選題內(nèi)容：基于單片機的汽車超速報警器的系統(tǒng)的設計與研究，初步設定了論文的主要分 布情況和研究內(nèi)容，從整體上對選題如何進行有了大體思路，為后面章節(jié)的敘述做了鋪墊。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 39 頁 2 汽車超速報警器的總體設計 設計 要求 我們要求設計一個具有數(shù)字顯示功能的單片機系統(tǒng) , 實現(xiàn)車輛當前速度輸出，當達到所設定的速度上限時并報警，以保證駕駛人員的人身安全。首先要進行系統(tǒng)的總體方案設計，在設計中一般應考慮以下幾點： (1) 遵循從整體到局部的設計原則。在過程中，應遵循從整體到局部的設計原則，把復雜難處理的問題分為若干個較為簡單的、容易處理的問題，分別加以解決。 (2) 經(jīng)濟性 要求。為了獲得較高的性能價格比，設計時不應盲目追求復雜高級的方案。在滿足性能指針的前提下，應盡可能采用簡單的方案，因為方案簡單意味著所用的元器件少，可靠性高，而且比較經(jīng)濟。 (3) 可靠性要求。所謂可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃灾羔槼丝捎猛瓿晒δ艿母怕时硎就猓€可以用平均無故障時間、故障率、失效率或平均壽命等來表示。 (4) 操作和維護要求。在車速報警系統(tǒng)的硬件和軟件設計時，應當考慮操作方便，盡量降低對操作人員的專業(yè)知識的要求，以便產(chǎn)品的推廣應用。系統(tǒng)的輸入輸出方式，操作程序應盡量簡單明了，無須專門訓練就能掌握其使用方法。 設計方案的選擇 方案的提出 根據(jù)我們現(xiàn)有的知識儲備，針對汽車超速報警器這一課題，我初步提出有以下幾種方案，根據(jù)各個方案的不同點及其各自的優(yōu)勢，進行綜合的評估與選擇，從而得出我們這個課題的方案。 方案一：該方案是通過采取帶有 I/O 接口和計時器的靜態(tài) RAM8155 芯片與設定速度的鍵盤電路，速度顯示電路， 8155 芯片具有 256 個字節(jié)的 RAM，兩個 8 位、一個 6位的可編程 I/O 口和一個 14 為計數(shù)器。在選擇完硬件后，該系統(tǒng)的硬件電路簡圖如圖 所示 [7]。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 39 頁 圖 方案 1系統(tǒng)硬件電路簡圖 霍爾傳感器用來產(chǎn)生脈沖方波，鍵盤輸入用來設定限制速度，當車速超過最大速度Vm 時，聲光報警電路將發(fā)出報警信號。 單片機外部中斷口接霍爾傳感器的輸出，車輪每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一次 INT0 中斷請求，單片機對 INT0 中斷請求的次數(shù)進行計數(shù)。并將在 1 秒內(nèi)的計數(shù)值轉(zhuǎn)換成機動車的時速，送至顯示緩沖區(qū)以供顯示程序調(diào)用。具體算法如下：設單片機每秒計數(shù)值為 n，即 n r/s。設機車車輪的周長為 d m，則機車的時速 V=d n 3． 6km/h。 硬件電路方框圖霍爾傳感器的輸出信號經(jīng) AT89C52 的 INT0 口輸入并存儲在內(nèi)部ROM 中， AT89C52 外擴一片 8155 芯片，其 PB 口作為 LED 數(shù)碼管的段選線， PA4～ PA0作為 LED 的位選線和鍵盤的列線， PCO 和 PC1 口作為鍵盤的行線，從而組成 10 個按鍵的鍵盤。 AT89C52 的 P2． 6 口外接三極管放大器用來驅(qū)動聲光報警電路， P2． 6 不斷地輸出 101010?? 的高低電平，驅(qū)動聲光報警電路報警。只要使聲光報警電路報警重復輸出 256Hz 及 350Hz 的叫聲各 0． 73s，便可以模擬警車的叫聲，產(chǎn)生 警示作用。機車的上限速度 Vm 通過鍵盤設置并存儲起來。單片機檢測霍爾傳感器輸出的信息，計算出機車當前的速度 v，并送 LED 顯示。當 V≥ Vm 時，控制聲光報警電路報警發(fā)出警示音。 方案二：利用 高集成化的串行輸入 /輸出的共陰極 LED 驅(qū)動顯示器 MAX7219 及按鍵電路實現(xiàn)。 MAX7219 芯片用來顯示當前及設定速度，當速度超過最大速度 Vm 時， 聲光報警8155 LED 數(shù)碼管 霍爾 傳感器 AT89S51 單片機 節(jié)氣門開度 機車車輪 鍵盤輸入 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 39 頁 電路發(fā)出報警，按鍵設定用來設定報警速度（最大速度 Vm） 方案三： 采用車載 GPS 系統(tǒng)，能提供車輛的定位信息，包括車速信息。直接進行報警。 方案的比較 方案一和方案 二比較，方案一采用 8155 芯片使用單片機引腳較多，采用鍵盤電路較復雜，而且只能顯示當前速度，駕駛員對速度上限透明度不高，總體電路較復雜；方案二采用的 MAX7219 是一個高集成化的串行輸入 /輸出的共陰極 LED 驅(qū)動顯示器 ， 每片可驅(qū)動 8 位 7 段加小數(shù)點的共陰極數(shù)碼管，可以數(shù)片級聯(lián)，而與微處理器的連接只需3 根線 ，且速度設定只需通過幾個按鈕實現(xiàn)即可，并且可以實時實現(xiàn)速度上限的增減，因而硬件電路簡單，人眼視覺效果好，可以方便的為駕駛員提供信息，易于實現(xiàn)維護，且 MAX7219 內(nèi)部設有掃描電路，除了更新顯示數(shù)據(jù)時從單片機接收 數(shù)據(jù)外，平時獨立工作，極大地節(jié)省了 MCU 有限的運行時間和程序資源。 對于本課題所研制的車速報警系統(tǒng)而言，其基本出發(fā)點就是利用現(xiàn)有工藝條件，采用現(xiàn)代計算機軟件處理技術，提高系統(tǒng)的精度等級和工作的穩(wěn)定性，拓展其功能，并賦予其智能化特征，使報警器不僅能夠及時準確地顯示車輛的當前速度信息，同時盡可能地減少不必要的人工操作，使報警能隨時隨地不間斷進行并保證報警的工作效率 [7]。 而對于方案三，雖然此項設計為目前國內(nèi)外最先進的超速報警裝置，因為它具備具有車輛定位、反劫報警、網(wǎng)絡防盜、遙控熄火、車內(nèi)監(jiān)聽、拋錨救援、路況信 息、人工導航、車輛查詢等多種功能。 GPS 衛(wèi)星定位汽車防盜系統(tǒng)屬于網(wǎng)絡式防盜器，它主要靠鎖定點火或起動達到防盜目的，而同時還可通過 GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)，將報警信息和報警車輛所在位置無聲地傳送到報警中心。專家提醒，這種防盜技術名字叫起來很響亮，雖然有防盜的作用，但使用起來不是很實用，而且價格也昂貴，實際功用不大。衛(wèi)星追蹤防盜系統(tǒng)，主要是汽車裝備回報系統(tǒng)，經(jīng)由衛(wèi)星屏幕，顯示車輛位置，因此根據(jù)失竊車中有安裝衛(wèi)星追蹤系統(tǒng)者，無不是發(fā)報系統(tǒng)被破壞，即是電源被切斷，使衛(wèi)星無法追蹤到汽車的具體位置，即失去防盜效用，而且價格昂 貴，光安裝一套不帶顯示屏的 GPS就需要花費 60007000 元，而每年還需向 GPS 系統(tǒng)服務公司交納近千元的服務費，高昂的購買費和使用費讓許多車主望而卻步，經(jīng)濟效益差。利用單片機的低成本、高精度、微型化性能及特點設計以其為核心的一種汽車報警器。該多功能報警器有著經(jīng)濟實用的優(yōu)點且符合普通大眾的消費水平，能夠被大多汽車消費者所接受，漸漸成為普通大眾汽清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 39 頁 車用戶的優(yōu)先考慮安裝的報警系統(tǒng)。 有鑒于此，同時根據(jù)系統(tǒng)的要求，確定系統(tǒng)總設計方案為方案二。 設計總體設計框圖 根據(jù)多種方案的比較，確立了最終的設計方案。 該設 計系統(tǒng)在硬件上主要可以分為以下四大模塊： AT89C52 單片機主控模塊、傳感器模塊、報警模塊和顯示模塊。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能 。傳感器完成信號的采樣功能 。報警模塊主要負責聲音報警 。顯示模塊完成以鍵盤輸入字符及數(shù)字的顯示功能。使駕駛者做到可以設定速度最大值，并在其超速時發(fā)生聲音報警。 圖 1 系統(tǒng)總體設計框圖 本章小結 本章提出了三個設計方能，通過查閱資料和實驗等多種方法，得出了方案三最為可行，并確立了主要設計方 案。即系 統(tǒng)在硬件上主要分為以下四大模塊： AT89C52 單片機主控模塊、傳感器模塊、報警模塊和顯示模塊。利用 AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能 。傳感器完成信號的采樣功能 。報警模塊主要負責聲音報警 。顯示模塊完成以鍵盤輸入字符及數(shù)字的顯示功能。 按鍵操作 霍爾傳感器 曲軸前端 AT89C52 單片機 報警聲音系統(tǒng) MAX7219 芯片 LED 數(shù)碼管 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 39 頁 3 系統(tǒng)硬件的選用 速度傳感器的選用 速度傳感器意為 能感受被測速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。 而物理學則規(guī)定單位時間內(nèi)位移的增量就是速度，同時速度包括角速度和線速度，所以與之對應的就應該也存在角速度傳感器和線速度傳感器，我們把其統(tǒng)稱為速度傳感 器。下面我們進行速度傳感器的選擇，通過綜合衡量各個不同種類的傳感的綜合指標來選擇我們所需要的速度傳感器。 速度傳感器的種類及其工作原理 通過查找現(xiàn)有的各種資料，并結合汽車超速報警器的課題，我總結出現(xiàn)有的幾種速度傳感器的基本資料。圖 為幾種常見的速度傳感器及其工作原理 [14]： 傳感器 結構 安裝位置 工作原理 發(fā)動機轉(zhuǎn)速 傳感器 舌簧開關式 分電器內(nèi)部 舌簧開關 電磁感應式 柴油機噴油泵、汽油機分電器 電磁感應 車速傳感器 舌簧開關式 車速表轉(zhuǎn)子附近 舌簧開關 電磁感應式 變速器 輸出軸附近的殼體上 電磁感應 光電式 速度表內(nèi) 光電效應 可變磁阻式 變速器殼體內(nèi) 改變磁阻 輪速傳感器 電磁感應式 驅(qū)動輪上、從動輪上、后橋主減速器殼上或變速器輸出軸上 電磁感應 霍爾式 霍爾效應 減速傳感器 光電式 車身、車架上 慣性作用 水銀式 差動變壓器式 圖 速度傳感器的種類及其工作原理 霍爾傳感器 速度傳感器是車輛傳感器中的易損器件，所以系統(tǒng)采用了非接觸式傳感器，這是系統(tǒng)的關鍵。這種傳感器的脈沖輸出信號具有穩(wěn)定性較好，不易受外部噪聲清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 39 頁 干擾，對測量 電路無特殊要求等優(yōu)點，并且結構比較簡單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)測速傳感器由霍爾開關、磁鐵組成 [5]。 霍爾傳感器的原理 霍爾效應 在半導體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為 B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為 UH 的霍爾電壓 。[4]其原理如圖 所示： 圖 霍爾效應原理圖 霍 爾傳感器的特點 霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器 ,已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應用。本文簡要介紹其 工作原理， 產(chǎn)品特性及其典型應用。 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達 1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達 μm 級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達－ 55℃ ～ 150℃ 。 按照霍爾器件的功能可將它們分為 : 霍爾線性器件 和 霍爾開關器件 。前者清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 39 頁 輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測的對象的 性質(zhì)可將它們的應用分為 :直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制 [5]。 開關式霍爾傳感器 的結構組成 霍爾傳感器的工作原理是將霍爾開關和磁鐵分別安裝在車架、車輪的恰當位置，車輛行駛時，在磁鐵的作用下，霍爾開關產(chǎn)生的開關信號經(jīng)過整形被直接輸入到單片機