基于单片机的汽车超速报警系统设计-任务书(编辑修改稿)

基于单片机的汽车超速报警系统设计-任务书(编辑修改稿)内容摘要：

D 显示车辆的实际车速和用户设置的安全参数。 当车辆行驶速度超过公路限定的最高速度时，蜂鸣器开始报警，警告灯闪烁，提醒驾驶员减速。 该系统结构简单、可靠性高、操作方便。 错误 !使用“开始”选项卡将 标题 1,章标题 (有序号 ) 应用于要在此处显示的文字。 错误 !使用“开始”选项卡将 标题 1,章标题 (有序号 ) 应用于要在此处显示的文字。 3 2 汽车超速报警系统设计方案的选择 设计要求 我们要求设计一个具有数字显示功能的单片 机系统，实现车辆当前速度输出，当达到公路限定速度值时蜂鸣器报警，提醒驾驶员减速，以保证驾驶人员及行人的人身安全。 首先要进行系统的总体方案设计，在设计中一般应考虑以下几点： （ 1）遵循从整体到局部的设计原则。 在过程中，应遵循从整体到局部的设计原则，把复杂难处理的问题分为若干个较为简单的、容易处理的问题，分别加以解决。 （ 2）经济性要求。 为了获得较高的性价比，设计师不应盲目追求复杂高级的方案。 在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着所用的元器件少，可靠性高，而且经济实惠。 （ 3）可靠性 要求。 所谓可靠性是指产品在规定的条件和时间内完成功能的概率表示外，还可以用平均无故障时间或平均寿命来表示。 （ 4）操作和维护要求。 在车速报警系统的硬件和软件设计时，应当考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用，操作程序应尽量简单明了，无须专门训练就能掌握其使用方法。 方案选择 采用嵌入式车载限速装置，在设计汽车时就已经考虑并在制造时嵌入整车电子控制系统中。 传感器将车速转化为脉冲信号，传入单片机，单片机将输入的一定值的脉冲信号转换为对应的速度值。 该方案在 2020 年以后国内 生产的中高档乘用车中已初见端倪，但是国内约 4000 万辆在用汽车中的近 90%并未安装。 鉴于此为汽车设计一种外挂式汽车超速报警器有着巨大的市场需求，运用 51 单片机实现车辆的超速报警。 东北林业大学本科设计 4 3 汽车超速报警系统硬件设计 测速传感器的构建 测速传感器的选择 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 要实现对速度的报警，故应该选择测速传感 器。 测速传感器包括测量线速度传感器和测量转速度传感器。 线速度传感器是用来测量直线运动速度的传感器，它的输出电压和被测物体运动速度成线性关系，可检测小模数齿轮和其他物体的转速，具有稳定的工作性能，能实现远距离传输。 线速度传感器具有结构简单可靠，不用外加电源稳压器，频率响应好，输出灵敏度高，测量范围大，抗干扰力强等优点。 转速度传感器是将物体的转速转换为电量输出的传感器，属于间接式测量装置。 按信号形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数字式两种。 前者的输出信号值是转速的线性函数，后者的输出信号频率与转速成正比。 常用的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式等。 在实际测量中要测量车轮的转速，要输出方波信号，不加电源稳压器，由此选择转速度传感器。 在测速传感器中，旋转运动速度测量较多，而且直线运动速度也经常通过旋转速度间接测量。 目前广泛使用的测速传感器是直流测速发电机，可以将旋转速度转变成电信号。 测速机要求输出电压与转速间保持线性关系，并要求输出电压陡度大，时间及温度稳定性好。 测速机一般可分为直流式和交流式两种。 直流式测速机的励磁方式可分为他励式和永磁式两种，电枢结构有带槽的、空心的、盘式印刷电路等形式，其中带槽式最为常用。 其中，由于磁电式传感器具有易于计算等特点，故我们选择了磁电式传感器。 汽车测速传感器的工作原理 磁电 式 传感器有时也称作感应式传感器，也称电动式传感器。 它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为 101000Hz），适用于振动、转速、扭矩等测量。 按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。 磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变 ，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以使线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式和动铁式的工作原理都是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性 很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈的相对运动速度接近振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电动势。 线圈相对磁场运动的速度 v 或角速度 ω表示，则所产生的感应电动势为 e=NBLv e=NBLSω 错误 !使用“开始”选项卡将 标题 1,章标题 (有序号 ) 应用于要在此处显示的文字。 错误 !使用“开始”选项卡将 标题 1,章标题 (有序号 ) 应用于要在此处显示的文字。 5 式中， N表示线圈在工 作磁场中的匝数； L表示每匝线圈的平均长度； B表示线圈所在磁场的磁感应强度； S表示每匝线圈的平均截面积。 在传感器中当结构参数确定后， B、 L、 N、 S 均为定值，感应电动势 e 与线圈相对磁场的运动速度（ v 或 ω）成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。 如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。 但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。 变磁通式又称（变）磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度。 线圈和磁铁静止不动，测量齿轮（导磁 材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势 的变化频率等于测量齿轮 1 上齿轮的齿数和转速的乘积。 图 31 车速传感器结构 车速传感器由一个舌簧开关盒一个带有 4 对磁极的塑料环构成，如图 31 所示。 后者安装在变速器左输出轴上，与轴一同旋转形成旋转磁场。 舌簧开关管安装在靠近塑料环的变速器壳体上，它是在一个玻璃管内装有 2 个细长的触头构成的开关元件，其触头由磁性材料制成。 舌簧开关管与塑料环间具有很小的间隙，当塑料环旋转时，舌簧开关管内触点接近塑料极时闭合，离开塑料极时断开，由此得到与汽车 行驶速度相对应的方波信号 ,如图 32 所示。 电压 U/V 时间 t/ms 100 200 300 400 500 图 32 汽车车速信号图形 东北林业大学本科设计 6 汽车超速报警器的工作原理：汽车在行驶过程中，车轮每转一圈，车速传感器产生8个脉冲。 对已知车型可知其车轮直径为 D，例如规格为 185/70R14 的轮胎， 185 表示轮胎两边侧面之间的宽度为 185mm， 70 代表轮胎高 /宽比为 70， 14 表示轮胎直径为 14 英尺， R代表单词 RADIAL，表示子午轮胎。 据此可计算出轮胎直径 D= 2+14 = 根据汽车的速度，可计算车轮在单位时间内转过的圈数： n=V/πD。 产生脉冲数f0=8n。 若 ff0，则车速报警器发出声光报警；反之，车速报警器将执 行下一个比较任务。 主控模块 本系统采用 MCS51 系列的 8051 单片机作为 控制核心 [1]。 MCS51 系列单片机是美国Intel 公司于 1980 年推出的一种 8 位单片机系列。 8051 的片内程序存储器（ ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去。 8051 抗干扰性好，适用于恶劣环境的场合。 8051CPU 的工作频率采用 12MHZ，方便系统对速度传感器的计数脉冲进行快速的处理。 8051 的输入，输出引脚具有 32 根 I/O 线。 可以连接存储器、 LED 显示器、速度传感器等各种外部器件。 8051 具有低功耗和低电 压工作模式的特点，可以利用电池对系统供电。 但 8051 内部只有 256B 的数据存储器，系统可以外接 RAM 芯片以满足 系统的需求 [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 图 33 8051 单片机引脚图 8051 单片机引脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，每脚可接收 8TTL 门电流。 当 P1 的管脚 第一次写入 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FLASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FLASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被 拉高。 错误 !使用“开始”选项卡将 标题 1,章标题 (有序号 ) 应用于要在此处显示的文字。 错误 !使用“开始”选项卡将 标题 1,章标题 (有序号 ) 应用于要在此处显示的文字。 7 P1 口： P1 口是一个内部提供上。