基于单片机的超速报警器的设计毕业论文

基于单片机的超速报警器的设计毕业论文内容摘要：

构成。 扬声器中的线圈通电时，在线圈附近会产生磁场，磁场与 扬声器前端的磁铁相互作用，使得线圈以一定的频率振动从而发出声音来。 语音报警的过程需要扬声器不断的发出声音来，因此需要对播报内容进行一个事先的存储，即将其存放在 SD 卡中。 要实现音频文件的输出，若单独由单片机来解码 MP3 文件是很困难的，因为从处理速度和资源各个方面都很难满足要求，因此需要采用专门的 MP3/ADPCM 解码芯片，通过单片机驱动的方式将 SD 卡中的 AD4格式的音频文件解码后由扬声器自动的播放出来，从而实现语音报警 [5]。 模块结构如图 所示。 图 语音报警模块 系统整体框架 系统运行流程简介 车载超速报警器系统在上电复位后开始正常的工作，首先对相关 I/O 口、 OLED 屏、定时器模块进行初始化设置，然后对需要显示的汉字字模数据进行坐标变换（方便正常 6 显示）并用一个二维数组存储下来。 接着允许中断，打开定时器。 采用 的控制周期，在一个控制周期内不断的从 A/D 转换器上读取当前的电压值，按一定的算法将其转化为汽车轮胎的实际转速，并判断是否超限，若超限，超限是 20%还是 20%。 当超限 20%时，控制红色的小 LED 灯以一定的频率闪烁；当超限 20%时，驱动语音模块的音频解 码芯片，播放语音提示“超速危险，请减速行驶。 ” 同时，在主函数的循环中，不断的扫描按键和刷新 OLED 屏来实时的显示当前的车速。 当确认有按键按下时， OLED 屏上的显示内容自动切换到人工设置报警阈值的界面，完成相应三个阈值的设置。 通过连续不断的周期性控制，从而达到我们宏观上看到的控制效果。 系统整体结构框图 根据本次毕业设计的需求分析以及对各个模块选型的最终确定，系统整体结构框架如图 所示。 图 整体结构框架 7 3 系统硬件设计与实现 整体电路设计框图 根据 系统整体结构框图，利用万用板搭建硬件电路，系统整体的电路设计实物如图 所示。 图 整体电路设计实物图 电源模块的设计 作为整个汽车超速报警器系统的能量供给站，电源模块发挥的作用就如同人的心脏一样，持续不断地给其四肢和大脑供应着能量。 系统架设在汽车上面，随时提醒司机要安全行驶，关乎着驾驶员的生命安全，可谓意义重大、不容有失。 因此，电源模块的设计显得尤为重要，需具备较强的抗干扰能力和稳定性以满足系统长时间、持续性的工作要求。 根据系统各个模块的供电要求，所设计的主板电源如 图 所示。 8 图 主板电源 考虑到系统实际的功耗很低（ 1W）以及 ASM1117 芯片的负载能力，设计用到了ASM1117 与 ASM1117 共两片稳压芯片。 其中稳压输出为 的 ASM1117芯片用于单片机最小系统、按键输入、 OLED 显示及 AD 转换芯片的供电需求。 而由于语音报警模块的音频解码芯片的供电电压为 ，所以在设计中将 5V电压再次经过降压得到 的稳定输出电压。 通过示波器的观测，稳压电路的输出电压纹波很小，电压稳定，完全能够满足本次设计要求 [6]。 MC9S12XS128 单片机最小系统设计 “麻雀虽小，五脏俱全”，要想使其有优异的表现，也同样要保证它具有一个健全的系统， 作为整个超速报警器系统的核心控制单元， MCU 的稳定性决定了整个系统能否稳定、持续的工作。 在设计之前，对系统做了详细的需求分析， 从主控芯片到电源部分，到传感器部分，到驱动部分，再到外设接口，对器件选择和设计原理都做了详细研究， 我们在设计中，尽可能的考虑到了其抗干扰能力和稳定性， 又根据实际使用情况不断尝试修改完善，最终确定了整个系统的硬件电路方案。 所设计的最小系统的硬件电路原理图如图 所示。 9 定性， 图 最小系统 该模块可以分为以下三个小部分： 电源部分 S12 单片机片内 CPU 使用 电压，闪存操作使用 电压，为了提高抗干扰能力，片外 I/O 口可使用 5V电压，较低的片内电压使 CPU 运算速度快、功耗低；较高的硬件电路设计 I/O 电平有利于抵抗外界干扰，故 S12 单片机特别适合于那些工作环境恶劣的控制系统。 由于 S12 单片机内部集成了电压调整器模块，电压调整器模块产生单片机内部需要的其他电压，因此， S12 单片机的供电电压范围较大（ +~+）。 电压调整为 3 组输出， 2 组 和 1 组 ，供单片机内部不同模块使用。 1 组 供CPU 内核使用；另一组 供时钟电路的锁相环使用，由于锁相环电路的高频噪声高，故和 CPU 分开供电； 的一组是为闪存供电的。 两组外部电源端 VDDX1 和 VDDX2为不同的 I/O 模块供电。 分多个电源、地引脚给片内不同模块供电，可减小模块间的相互干扰。 在硬件电路设计中，在尽量靠近几个电源端引脚的位置增加了去耦电容，以降低电源噪声。 这些电源端、地端最终还是连接在一起的，即外部提供的 +5V 电源。 为了稳定不同模块的 不同电压，需要外接一些电容，这些电容可以分为两类，电容值较大的作为存储电容，主要作用是消除单片机在突发运行时产生的尖峰电压；另一类容值较小的电容作为去耦电容，主要用于抑制单片机在高速运行时产生的高频噪声。 10 时钟部分 对于 S12X 系列单片机，虽然单片机内部集成有 RC 震荡电路产生的时钟，但 RC时钟的频率不够稳定，会随温度变化，频率在 之间，主要用来在检测到主时钟电路故障时起作用，靠自有时钟单片机就能正常运行，这种运行模式被称为自时钟模式。 为了实现 CPU 的高速运行，单片机需要一个更高的 时钟频率，这个更高的时钟频率是由单片机片内的压控振荡器（ VCO）产生的， VCO 可以有很高的频率，但仍需要稳定频率的电路。 为了给单片机提供一个可设定频率并且稳定的工作时钟，单片机需要外接一个石英或陶瓷振子，产生一个频率稳定的时钟信号，再通过片内的锁相环电路（ PLL）将时钟频率锁定 [7]。 在设计中使用了 16MHZ 的石英晶振，并在其两侧分别串联了一个 22PF 的去耦电容。 复位电路与 BDM 接口 复位电路与 BDM 接口的电路原理图如图 所示。 图 复位电路与 BDM接口 在上电时，若电源电压 未达到预期值， RESET 端保持低电平；当电源电压达到预期值后， RESET 端输出高电平，单片机就会自动复位运行。 手动复位时，按下上图中的手动复位按钮 RESET 端保持低电平；松开手动复位按钮后， RESET 端变成高电平，也能达到复位的目的。 BDM 接口为下载程序和在线仿真调试的接口，由六个引脚组成，在制作时需要注意的是不要将其两侧画反。 速度检测模块 霍尔传感器 霍尔器件是一种磁传感器，是半导体材料制成的一种薄片，它是一种磁敏感器件，当它处于磁场中时，会产生电动势。 在垂直磁场平面方向上施加 外磁场、在平行于平面方向上施加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势，霍尔电势的大小和外磁场以及电流大小成正比。 利用它们可以检测磁场及其变化，可在 11 各种与磁场有关的场合中使用。 霍尔器件正是以霍尔效应为其工作基础，霍尔效应的检测原理如图 所示。 图 霍尔效应原理 霍尔器件具有很多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达 1MHZ），耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染获腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无 磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 um 级）。 取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达 55℃ ~+150℃ [8]。 几经斟酌考虑，选用了 44E 开关型霍尔集成元件。 其硬件电路如图 所示。 图 测速电路 A/D 转换器 PCF8591T PCF8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、 8bit CMOS 数据获取器件。 PCF8591 12 具有 4 个模拟输入、一个模拟输出和一个串行 IIC 总线接口。 PCF8591 的三个地址引脚A0， A1 和 A2 可用于硬件地址编程，允 许在同个 IIC 总线上接入 8 个 PCF8591 器件，而无需额外的硬件。 在 PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向 IIC 总线以串行的方式进行传输 [9]。 芯片内部结构如图 所示。 图 芯片内部结构图 PCF8591T 芯片从霍尔传感器处采集模拟电压信号，并通过 IIC 总线实现与单片机间的双向通信，其电路原理如图 所示。 图 PCF8591T 电路原理图 13 其中， AIN0~AIN3 为模拟信号输入端。 A0~A2 与 GND 相连并接地，从而确定了芯片的硬件地址。 VDD、 VSS 为芯 片的电源端，接 5V。 SDA、 SCL 分别作为 IIC 总线的数据端和时钟端，与单片机的两个具有输入 /输出功能的 I/O 引脚相连，实现数据的串行传输功能。 人机交互模块 按键部分 根据设计要求，为了能够在液晶显示器上直观的显示车速的具体数字同时还可以通过人工输入的方式设置三个报警阈值，硬件电路上采用了 6 个轻触微动开关。 一个作为翻页键，一个作为换行键，剩余四个用于设置报警阈值，实现 +1， 1， +10， 10 的功能。 按键部分的电路原理如图 所示。 图 按键输入电路 其中 Ka1， Ka2， Ka3， Ka4， Ka5， Ka6 分别接单片机的 PH3， PH2， PH1， PH0，PE3， PE2 引脚。 当有按键按下时，引脚上电压为高电平状态，当无按键按下时，这六个 I/O 口均处于低电平状态。 OLED 显示部分 在液晶显示上采用了由北京龙丘公司生产的 OLED 液晶显示屏。 因为具备轻薄、省电等特性，因此从 2020 年开始，这种显示设备在 MP3 播放器上得到了广泛应用，而对于同属于数码类产品的 DC 与手机，此前只是在一些会展上展示过采用 OLED 屏幕的工程样品。 自 2020 年后，其寿命得到很大提高，具备了许多 LCD 不可比拟的优势。 其OLED 屏如图 所示。 14 图 龙丘 OLED 屏 该 OLED 模块有 7 个引脚，用于与单片机间的通信。 PCB 板的七个引脚从左到右依次为 GND（接地）、 VCC（接 +5V 电源）、 D0（ CLK 时钟）、 D1（ MISO 数据）、 RES（复位）、 DC（数据 /命令）、 CS（片选，已接地，不用接）。 OLED 屏与单片机间的接口电路原理图如图 所示。 图 OLED接口电路 其中， DIN、 CLKK、 CE、 DC 端分别接单片机的 PS PS PS PS6 引脚 [10]。 语音报 警模块 根据设计要求，当超限小于 20%时，需要灯光报警。 为此，采用了一个红色的小LED 灯，与单片机的 I/O 引脚相连，串联一个 1KΩ 的电阻（限制导通电流，使灯光处于一个比较合适的亮度值），然后接地。 具体的电路原理如图 所示。 15 图 闪烁报警电路 当超限 20%时，采用语音报警。 由于语音报警需要预先存储一段音频报警文件，为了尽可能的不占用单片机有限并且宝贵的内存资源，设计中用到了具有 128Mb 存储容量的 SD 卡，存储支持播放的 4Bit ADPCM 格式文件。 通过音频解码芯片读取文件，音频解码芯片和 SD 卡的工作电压为 ，不插 SD 卡时的静态电流为 16uA，支持单片机控制和按键控制，可以调用任意段落的语音进行播放 [11]。 TF 卡语音模块可应用在汽车电子（防盗报警器、倒车雷达、 GPS 导航仪、电子狗等）、智能家居系统、家庭防盗报警系统、理疗器人声提示、音乐播放、家电（电磁炉、电饭煲、微波炉）、娱乐设备、学习模型（早教机、儿童有声读物）、智能交通设备（收费站、停车场）、通信设备（电话）、工业控制领域（电梯、工业设备）、玩具等。 该语音模块的实物如图 所示。 图 语音模块实物图 关于各个 引脚的功能描述，如表 所示。 封装引脚 引脚标号 功能描述 16 表 功能描 述 根据设计要求以及所采取的设计方案，该模块的硬件电路原理如图 所示。 图 语音模块电路原理图 其中，模块的 CLK、 DATA 端分别与单片机的 PA PA7 引脚连接，当做 IIC 总线的时钟端和数据段，实现单片机与模块的 IIC 通信，将采集到的数字量数据经过串行传输传递给单片机。 1 /PREVIOUS 上一曲，可按键触发 2 NC 空 3 CLK 时钟脉冲端 4 DATA 数据命令输入端 5 BUSY 播放忙信号输出端 6 /P/S 播放 /停止 7 NEXT 下一曲 8 VCC。