汽车车辆安全行驶速度智能控制系统的设计和实现本科生毕业论文(编辑修改稿)

汽车车辆安全行驶速度智能控制系统的设计和实现本科生毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

能包括两路速度信号的检测、数码管动态显示速度信号、数据上传。 上位机主要由单片机、 LCD 显示电路、步进电机控制电路组成，完成相关的控制及显示功能。 下位机系统功能 速度检测 下位机系统能够实现对根据当前环境条件、天气条件等共同影响下的能见度检测，并且检测的方法不能影响汽车的正常行驶及驾驶员对汽车的操作。 的高速公路的设计限速值为 120Km/h，在能见度超过 200m 的时候，系统输出的安全行驶速度为设计速度。 在能见度低于 10m 的时候，系统输出停止信号，即能见度太低，车辆不能安全行驶。 另一方面，系统要能够快速检测出汽车车辆的实时行驶速度。 速度信号显示 下位机系统能够实时显示两种速度的值。 显示时，仅显示整数部分。 数据上传 能够定时上传下位机系统检测到的两路速度信号值。 上位机系统功能 数据收集 上位机能够实时收集从下位机传来的速度值，并判断和显示。 西南科技大学本科生毕业论文 6 速度显示 上位机能够直观的显示两种速度值，并能方便的被驾驶员读取，为驾驶员的驾驶提供辅助。 警示及控制 上位机能够根据对被控对象进行安全性判断，根据判断结果进行智能性控制。 如果行驶的速度不在安全的范围内则以声光信号警示驾驶员，在警示没有引起重视的情况下对车辆的供油系统发出指令控制供油，以降低行驶的速度。 下位机系统总体设计 根据下位机系统的功能，下位机可划分为速度信号采集模块、显示模块、电源模块、通信模块和单片机模块。 下位机系统模块图如图 21 所示。 图 21 下位机系统模块图 速度采集模块分别实现对安全行驶速度和实时行驶速度的检测。 对于安全行驶速度的检测，目前比较常用的检测能见度的方法有激光透射法、散射法、视频法。 由于在汽车上使用，激光在夜晚会影响汽车驾驶员的视线，而且汽车在行驶过程中所处环境复杂多变，激光容易受到如可见光等诸多外界环境条件的干扰。 再者，激光本身的使用技术，如激光对准技术也很复杂，激光应用的成本也较高。 另外，采用视频法，用摄像头代替人的眼睛，采用视频图像处理技术分辨实时条件下的能见度，这种方法技术难度大，目前没有现成的模型，且经过图像处理技术处理后得到的能见度值也缺乏实时性。 综上所述，本设计采用红外线检测，这种不可见光 不论是白天或者夜晚都不会影响驾驶员的驾驶，并且受到外界的干扰小，且成本很低。 用红外发射管发射红外线，并用配套波长的红外接收管接收。 红外线在空气中传输，经过不同能见度条件下空气中微粒对红外线的吸收、折射，使得红外线在固定距离的衰减随能见度不同而发生变化，红外接收管接收的红外线强度也就随之变化，再在红西南科技大学本科生毕业论文 7 外接收管端加上适当的信号调理电路，使得能见度信号转换为电信号，并经过模数转换为单片机采集。 对于实时速度的检测，目前成熟的测量转速的方法很多，有光电计数，霍尔传感器等。 本设计考虑到测量车轮的实际转速，采用光电计数脉 冲，需要相对安装发射端和接收端，使得在车轮运转时，将转速信号转化为不同频率的脉冲信号。 此种方法在车轮两侧在安装检测装置时会带来极大的不便，且装置会影响汽车的外部美观。 因此，采用霍尔传感器，在车毂上安装一块磁铁，在车轮运转时，同一个地方的磁场随之强弱变化。 同时，在汽车的车轮上方安装 A3144 检测器件， A3144 能够根据磁场强弱快慢输出不同频率的脉冲信号，通过单片机计数器对固定时间内脉冲个数计数，并通过程序处理，得到实时行驶速度。 速度值在 0~120km/h 之间，且只显示整数部分，因此使用两个四位 LED 数码管显 示器，采用动态显示方法。 汽车电子电路中通用的电压值是 12V 直流。 因此，为了使本设计最大的符合实际的使用环境，便于汽车集成及扩展，所以电源模块采用三端稳压集成电路芯片7805，将 12V 直流转换为控制系统使用的 5V 直流电源。 通信模块采用 CAN 总线通信。 考虑到 CAN 总线是汽车电子中使用最广泛的现场总线，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力在实际应用中受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。 为了更好的与实用汽车电子系统相兼容，本设计采用带有 SPI 接口的 MCP2515CAN 总线控制器及 TJA1050T 总线收发器，构成实用的 CAN 总线通信系统，定时向总线发送速度信号值。 单片机模块采集速度值并驱动数码管显示；通过 SPI 接口向总线发送数据，因此采用 AT89S52 单片机 [4]。 上位机系统总体设计 根据上位机系统的功能，上位机可划分声光警示信号模块、 LCD 显示模块、电源模块、通信模块、步进电机控制模块和单片机模块。 上位机系统模块图如图 22 所示。 显示模块采用 LCD1602 显示器显示实时速度信号， 1602 是一种专门用来显示字 西南科技大学本科生毕业论文 8 图 22 上位机系统模块图 母、数字、符号等的点阵型液晶模块。 功能实用且成本较低，显示的数据信息能方便的为驾驶员读取。 警示信号采用声光形式，在行驶速度超过安全速度时，利用红色 LED 引起驾驶员的高度重视，同时以警示声音提示驾驶员。 在提示没有引起驾驶员重视的情况下，采用步进电机准确控制汽车节气门，达到控制汽车油路的目的，从而达到减速。 步进电机可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而准确定位，在行驶速度超过安全速度时准确地将油路控制在合适的位置；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，使电机调速 的，以达到在行驶速度远超过安全速度时快速反应，降低速度。 通信模块采用 CAN 总线通信，同下位机设计。 电源模块设计思路同下位机。 单片机模块仍采用 AT89S52 单片机。 本章小结 本章具体分析了系统的功能要求，并根据功能要求做出了相应的设计。 将下位机的功能要求具体分解为电源、速度信号采集、单片机控制、数码管显示、通信五个功能模块，设计实现采集数据并显示、传输的功能。 同时，将上位机的功能要求具体分解为电源、通信、单片机控制、 LCD 显示、声光提示、步进电机控制六个功能模块，设计实现接收数据并显示，判断车 辆安全状态并根据结果发出相应控制信号的功能。 西南科技大学本科生毕业论文 9 第三章 硬件电路设计 主要器件 本节介绍系统中主要器件及其功能。 包括带有 SPI 接口的 CAN 总线控制器MCP2515 及总线收发器 TJA1050T、红外对管、霍尔传感器 A314步进电机、LCD160三端稳压集成电路芯片 780数码管、 AT89S52 单片机。 带有 SPI 接口的独立 CAN 总线控制器 MCP2515 CAN 总线技术简介 CAN（ Controller Area Network）是控制器局域网的简称，是德国 Bosch 公司在1986 年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。 CAN 总线与其他现场总线技术相比，具有以下主要特点： （ 1） CAN 总线上任一个节点均可在任意时刻主动地向其他接节点发起通信，节点不分主次，通信方式灵活。 各节点信息，按照对实时性要求的紧急程度，分为不同的优先级。 （ 2） CAN 采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。 同时，CAN 无需通过豹纹滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传输数据。 （ 3） CAN 的直接通信距离最远可达 10km（速度 5Kb/s 以下）；通信速率最高可达 1Mb/s（此时通信距离最长为 40m）。 CAN 上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达到 110 个。 （ 4） CAN 具有良好的检错效果。 并且设有出错检测、标定和自检措施。 数据出错率低。 （ 5）传输介质选择灵活，可以为双绞线、同轴电缆或光纤。 （ 6） CAN 器件可被置于无内部活动的睡眠方式，以降低系统功耗。 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的运行不受影响。 西南科技大学本科生毕业论文 10 参照 ISO/OSI 标准模型， CAN 分为数据链路层和物理层。 而数据链路层又包括逻辑链路控制子层 LLC（ Logic Link Control）和媒体访问控制子层 MAC（ Medium Access Control）。 CAN 总线上信号的位电平如图 31 所示。 图中 CANH 和 CANL 分别作为总线传输介质的两条线。 VCANH 和 VCANL 分别表示 CANH 和 CANL 上的电压。 CAN 总线上的电压就是它们的差分电压。 图 31 CAN总线上的电平信号 CAN 总线控制器 MCP2515 （ 1） CAN 系统模型 本设计使用独立 CAN 控制器 MCP2515，系统整体的模拟图如图 32 所示。 西南科技大学本科生毕业论文 11 图 32 MCP2515控制器应用系统 （ 2） MCP2515 特性 MCP2515 完全支持 CAN 总线 和 技术规范，提供 0~8 字节报文长度；允许标准和扩展数据帧，支持远程帧；具有两个接收缓冲器，优先存储报文；六个完全验滤波器，两个完全验收屏蔽滤波器，三个发送缓冲器，具有优先级设定以及发送中止功能。 MCP2515 硬件特性包括：高速 SPI 接口；单触发模式确保报文发送只尝试一次；带有可编程预分频器的时钟输出引脚；可用起始帧信号（ StartofFrame， SOF），用于监控 SOF 信号；带有 可选使能设定的中断输出引脚； 另外， MCP2515 还具有低功耗 CMOS 技术。 工作电压范围 至 ，典型工作电流为 5mA，典型待机电流为 1181。 A （休眠模式）。 工业级的工作温度范围为 40176。 C 至 +85176。 C，扩展级为 40176。 C 至 +125176。 C。 （ 3） MCP2515 引脚特性、内部缓冲器及协议引擎 MCP2515 提供 18 脚封装，引脚图如图 33 所示。 图 33 MCP2515 引脚图 引脚功能如表 31 所示。 表 31 MCP2515引脚功能表 名称 引脚号 I/O/P 类型 说明 备选引脚功能 TXCAN 1 O 连接到 CAN 总线 西南科技大学本科生毕业论文 12 的发送输出引脚 名称 引脚号 I/O/P 类型 说明 备选引脚功能 RXCAN 2 I 连接到 CAN 总线 的发送输入引脚 CLKOUT 3 O 带可编程预分频器 的时钟输出引脚 起始帧信号 TX0RTS 4 I 发送缓冲器 TXB0 请求发送引脚或通用数字输入引脚。 VDD 上连100kΩ内部上拉电阻 通用数字输入引脚。 VDD 上连 100 KΩ 内部上拉电阻 TX1RTS 5 I 发送缓冲器 TXB1 请求发送引脚或通用数字输入引脚。 VDD 上连100kΩ内部上拉电阻 通用数字输入脚。 VDD 上连 100 KΩ 内部上拉电阻 TX2RTS 6 I 发送缓冲器 TXB2 请求发送引脚或通用数字输入引脚。 VDD 上连100kΩ内部上拉电阻 通用数字输入脚。 VDD 上连 100 KΩ 内部上拉电阻 OSC2 7 O 振荡器输出 OSC1 8 I 振荡器输入 外部时钟输入引脚 VSS 9 P 逻辑和 I/O 引脚的参考地 RX1BF 10 O 接收缓冲器 RXB1 中断引脚或通用数字输出引脚 通用数字输出引脚 RX0BF 11 O 接收缓冲器 RXB0 中断引脚或通用数字输出引脚 通用数字输出引脚 INT 12 O 中断输出引脚 SCK 13 I SPI 接口的时钟输入引脚 SI 14 I SPI 接口的数据输入引脚 SO 15 O SPI 接口的数据输出引脚 CS 16 I SPI 接口的片选输入引脚 RESET 17 I 低电平有效的器件复位输入引脚 VDD 18 P 逻辑和 I/O 引脚的正电源 西南科技大学本科生毕业论文 13 MCP2515 具有 3 个发送缓冲器和 2 个接收缓冲器， 2 个验收屏蔽寄存器（分别对应不同的接收缓冲器），以及 6 个验收过滤寄存器。 图 34 显示了这些缓冲器及它们与 CAN 协议引擎的连接方法。 CAN 报文帧 [6] MCP2515 支持 技术规范中所定义的标准数据帧、扩展数据帧，以及远程帧（标准和扩展）。 CAN 标准数据帧包括帧起始、仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC 字段以及帧结束字段，共 108 个字节。 扩展帧相对于标准帧，在帧起始信号 SOF位后面的是 32 为仲裁字段，其中前 11 位为基本标识符，其后还有 18 位的扩展标识符。 总共 128 个。