基于单片机的汽车超速报警系统的设计与研究

基于单片机的汽车超速报警系统的设计与研究内容摘要：

员不要超速。 而且在 行驶过程中，对速度的要求也是不同的，比如在城区环路一般限速到 8 迈，而在高速公路上行驶，小型轿车一般车速要达到 120 迈，所以本设计产品不能只拥有单一的速度最高额度，要能实现根据驾驶者的自身的行驶背景对车速的最大值进行调控 由此，我觉得开发一个超速报警系统是很有必要的，对于驾驶员及其家人的生命财产安全有重大意义，可以降低交通事故发生率。 课题：基于单片机的汽车超速报警系统的设计与研究，正是在此背景下提出的，故而有很大的现实意义。 课题的发展现状 现在国内外的汽车超速报警器发展很快 ,新技术层出不穷。 据了解中 国的智能测速仪现在的技术已经有飞跃式的发展。 即单纯利用传感器和单片机做出的单功能汽车超速报警器逐渐发展到完善多方面需求的多功能汽车超速报警器。 例如广东的： SP01A 型报警器。 即可以实现多种实用功能功能 :高亮 LED 显示、具有两级速度报警、一级警灯提示、二级喇叭警告。 （一级跟二级速度可任意设计）可按客户要求做成断油（断电功能）。 限速功能型号可以强制车辆减速或者设定为车辆熄火 .遥控解锁功能 .只有授权人员才能解除报警 . SP02A 型报警器，可实现功能：大屏幕液晶数据显示 ,车辆超出设定的一级速度警灯提示，超出二级速度 时喇叭警告 .同时还具备记录跟防剪功能 .方便管理查寻。 SP03A 型报警器，可实现功能：具备刷卡及四个权限设置，到期保养设置；大屏幕液晶数据显示 ,车辆超出设定的一级速度警灯提示，超出二级速度时喇叭警告 .同时还具备记录跟防剪功能 .方便管理查寻。 随着科技的发展和市场的需求，超速报警器又迈向了一个新的台阶，从用传感器测量车速，逐渐已经过度到利用 GPS 技术对车速进行监测。 GPS 车载监控终端以前在国内主要应用于铁路 ,空运及海运领域 .随着 GPS 全球定位体统技术日臻成熟 ,与去年开始转向公路运输领域 ,去年在南方各大城市发展 迅速 ， GPS 车载监控 终端开始出现 ,市场前景看好。 GPS 车载监控终端 在技术上实现了质的飞跃，可实现如下 基本功能： GPS 实现卫星定位后，以 GPRS 将监控目标的经纬度、速度、方位、海拔高度数据经由终端单清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 5 页 共 39 页 片机进行解析处理后由 GPRS 模块发回中心服务器，在由中心进行数据的处理，便可精确的查找出目前车辆所在的位置 ； 紧急求助功能：按数字键，即可向监控中心发送事先编写好的状态（路阻、故障、事故求助、拨打电话 等） ； 主电掉电报警：在主电源突然掉电时可以通过备电继续让系统稳定工作，同时向中心发出主电掉电信息 ； 越界报警功能： 系统可预先设置车辆行驶范围，超出该范围系统会自动向中心提示越界信息 ； 电瓶低压报警功能：电瓶低压时系统自动提示低压信息 ； 遇劫报警功能：在遇到紧急情况时，只要启动隐蔽安装在驾驶室内的报警按钮，车载终端就会通过 GPRS 网络自动向监控中心发送多次报警信号 ； .理泽科技 GPS 跟踪功能：在车辆被盗、抢劫后，监控中心能通过对终端下发单片机指令使其自动跟踪报警车辆 ； 超速报警功能：中心可以设定被监视车辆的速度，一旦终端 GPS 定位数据达到或超过预设的速度值，终端会自动向中心发送超速信息 ； 遥控熄火功能：在对被劫持的车辆进行营救的过 程中，监控中心可以根据营救的需要遥控车辆强行熄火，但设备故障不会造成意外熄火，内部有可靠的自动复位电路 ； 电子围栏功能：系统可预先设置车辆行驶范围，超出该范围系统会自动向中心报警。 汽车超速报警器的未来前景 在当今社会，大力提倡环保，经济，可持续发展的大前提下，我们的警报器最大的特点是经济实用，操作简单 (即安即用 )，有利于可持续发展 (拆换方便 )，绿色环保无污染 (没有有害气体，液体等溢出 )，可充扩性 (东西小巧可附加在其他器械上一起使用 )，兼容性 (适用于广大的车型，车种 )，可靠性，可用性，可维护性 (原理简 单可自行维护 )，能有效的达到超速报警的效果。 在未来，只需要在精准度的问题上稍作改进即可更上一层楼了。 论文结构 本论文首先介绍汽车超速报警器的产生原因、研究背景和发展现状。 紧接着进行材料选择，对现有的各种速度传感器、 LED 数码管驱动芯片、单片机等各种硬件进行初步的选定，进而进行结构方面的研究与设计。 然后根据已经设计出的结构设计出电路proteus 图。 最后进行单片机的软件设计，编出程序。 研究的主要内容 本设计是基于单片机技术，利用按键对速度进行初设，其中通过 LED数码管与其驱动芯片实现视显 ，再利用速度传感器进行测速，最后通过单片机对现时速与初设时速进清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 6 页 共 39 页 行对比，如若超速，发出警报，警示驾驶者减速。 归纳起来，文章的主要工作有： （ 1） 对速度传感器、驱动芯片、单片机等硬件进行选定； （ 2） 构架系统的整体结构； （ 3） 画出 proteus电路图，完成各个硬件的设计，并作出相关说明； （ 4） 给出系统的软件设计，并作相关说明。 本章小结 本章节通过查阅相关资料，整理出了汽车超速报警器的研究背景与意义，国内外研究现状，增强了对选题的理解。 结合我的选题内容：基于单片机的汽车超速报警器的系统的设计与研究，初步设定了论文的主要分 布情况和研究内容，从整体上对选题如何进行有了大体思路，为后面章节的叙述做了铺垫。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 7 页 共 39 页 2 汽车超速报警器的总体设计 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，当达到所设定的速度上限时并报警，以保证驾驶人员的人身安全。 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。 为了获得较高的性能价格比，设计时不应盲目追求复杂高级的方案。 在满足性能指针的前提下，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，而且比较经济。 (3) 可靠性要求。 所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 可靠性指针除了可用完成功能的概率表示外，还可以用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来表示。 (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。 系统的输入输出方式，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。 设计方案的选择 方案的提出 根据我们现有的知识储备，针对汽车超速报警器这一课题，我初步提出有以下几种方案，根据各个方案的不同点及其各自的优势，进行综合的评估与选择，从而得出我们这个课题的方案。 方案一：该方案是通过采取带有 I/O 接口和计时器的静态 RAM8155 芯片与设定速度的键盘电路，速度显示电路， 8155 芯片具有 256 个字节的 RAM，两个 8 位、一个 6位的可编程 I/O 口和一个 14 为计数器。 在选择完硬件后，该系统的硬件电路简图如图 所示 [7]。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 8 页 共 39 页 图 方案 1系统硬件电路简图 霍尔传感器用来产生脉冲方波，键盘输入用来设定限制速度，当车速超过最大速度Vm 时，声光报警电路将发出报警信号。 单片机外部中断口接霍尔传感器的输出，车轮每转一圈产生一次 INT0 中断请求，单片机对 INT0 中断请求的次数进行计数。 并将在 1 秒内的计数值转换成机动车的时速，送至显示缓冲区以供显示程序调用。 具体算法如下：设单片机每秒计数值为 n，即 n r/s。 设机车车轮的周长为 d m，则机车的时速 V=d n 3． 6km/h。 硬件电路方框图霍尔传感器的输出信号经 AT89C52 的 INT0 口输入并存储在内部ROM 中， AT89C52 外扩一片 8155 芯片，其 PB 口作为 LED 数码管的段选线， PA4～ PA0作为 LED 的位选线和键盘的列线， PCO 和 PC1 口作为键盘的行线，从而组成 10 个按键的键盘。 AT89C52 的 P2． 6 口外接三极管放大器用来驱动声光报警电路， P2． 6 不断地输出 101010⋯⋯ 的高低电平，驱动声光报警电路报警。 只要使声光报警电路报警重复输出 256Hz 及 350Hz 的叫声各 0． 73s，便可以模拟警车的叫声，产生 警示作用。 机车的上限速度 Vm 通过键盘设置并存储起来。 单片机检测霍尔传感器输出的信息，计算出机车当前的速度 v，并送 LED 显示。 当 V≥ Vm 时，控制声光报警电路报警发出警示音。 方案二：利用 高集成化的串行输入 /输出的共阴极 LED 驱动显示器 MAX7219 及按键电路实现。 MAX7219 芯片用来显示当前及设定速度，当速度超过最大速度 Vm 时， 声光报警8155 LED 数码管 霍尔 传感器 AT89S51 单片机 节气门开度 机车车轮 键盘输入 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 9 页 共 39 页 电路发出报警，按键设定用来设定报警速度（最大速度 Vm） 方案三： 采用车载 GPS 系统，能提供车辆的定位信息，包括车速信息。 直接进行报警。 方案的比较 方案一和方案 二比较，方案一采用 8155 芯片使用单片机引脚较多，采用键盘电路较复杂，而且只能显示当前速度，驾驶员对速度上限透明度不高，总体电路较复杂；方案二采用的 MAX7219 是一个高集成化的串行输入 /输出的共阴极 LED 驱动显示器 ， 每片可驱动 8 位 7 段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，而与微处理器的连接只需3 根线 ，且速度设定只需通过几个按钮实现即可，并且可以实时实现速度上限的增减，因而硬件电路简单，人眼视觉效果好，可以方便的为驾驶员提供信息，易于实现维护，且 MAX7219 内部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机接收 数据外，平时独立工作，极大地节省了 MCU 有限的运行时间和程序资源。 对于本课题所研制的车速报警系统而言，其基本出发点就是利用现有工艺条件，采用现代计算机软件处理技术，提高系统的精度等级和工作的稳定性，拓展其功能，并赋予其智能化特征，使报警器不仅能够及时准确地显示车辆的当前速度信息，同时尽可能地减少不必要的人工操作，使报警能随时随地不间断进行并保证报警的工作效率 [7]。 而对于方案三，虽然此项设计为目前国内外最先进的超速报警装置，因为它具备具有车辆定位、反劫报警、网络防盗、遥控熄火、车内监听、抛锚救援、路况信 息、人工导航、车辆查询等多种功能。 GPS 卫星定位汽车防盗系统属于网络式防盗器，它主要靠锁定点火或起动达到防盗目的，而同时还可通过 GPS 卫星定位系统，将报警信息和报警车辆所在位置无声地传送到报警中心。 专家提醒，这种防盗技术名字叫起来很响亮，虽然有防盗的作用，但使用起来不是很实用，而且价格也昂贵，实际功用不大。 卫星追踪防盗系统，主要是汽车装备回报系统，经由卫星屏幕，显示车辆位置，因此根据失窃车中有安装卫星追踪系统者，无不是发报系统被破坏，即是电源被切断，使卫星无法追踪到汽车的具体位置，即失去防盗效用，而且价格昂 贵，光安装一套不带显示屏的 GPS就需要花费 60007000 元，而每年还需向 GPS 系统服务公司交纳近千元的服务费，高昂的购买费和使用费让许多车主望而却步，经济效益差。 利用单片机的低成本、高精度、微型化性能及特点设计以其为核心的一种汽车报警器。 该多功能报警器有着经济实用的优点且符合普通大众的消费水平，能够被大多汽车消费者所接受，渐渐成为普通大众汽清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 10 页 共 39 页 车用户的优先考虑安装的报警系统。 有鉴于此，同时根据系统的要求，确定系统总设计方案为方案二。 设计总体设计框图 根据多种方案的比较，确立了最终的设计方案。 该设 计系统在硬件上主要可以分为以下四大模块： AT89C52 单片机主控模块、传感器模块、报警模块和显示模块。 其中AT89C52 主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能。 传感器完成信号的采样功能。 报警模块主要负责声音报警。 显示模块完成以键盘输入字符及数字的显示功能。 使驾驶者做到可以设定速度最大值，并在其超速时发生声音报警。 图 1 系统总体设计框图 本章小结 本章提出了三个设计方能，通过查阅资料和实验等多种方法，得出了方案三最为可行，并确立了主要设计方 案。 即系 统在硬件上主要分为以下四大模块： AT89C52 单片机主控模块、传感器模块、报警模块和显示模块。 利用 AT89C52 主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能。 传感器完成信号的采样功能。 报警模块主要负责声音报警。 显示模块完成以键盘输入字符及数字的显示功能。 按键操作 霍尔传感器 曲轴前端 AT89C52 单片机 报警声音系统 MAX7219 芯片 LED 数码管 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 39 页 3 系统硬件的选用 速度传感器的选用 速度传感器意为 能感受被测速度并转换成可用输出信号的传感器。 而物理学则规定单位时间内位移的增量就是速度，同时速度包括角速度和线速度，所以与之对应的就应该也存在角速度传感器和线速度传感器，我们把其统称为速度传感 器。 下面我们进行速度传感器的选择，通过综合衡量各个不同种类的传感的综合指标来选择我们所需要的速度传感器。 速度传感器的种类及其工作原理 通过查找现有的各种资料，并结合汽车超速报警器的课题，我总结出现有的几种速度传感器的基本资料。 图 为几种常见的速度传感器及其工作原理 [14]： 传感器 结构 安装位置 工作原理 发动机转速 传感器 舌簧开关式 分电器内部 舌簧开关 电磁感应式 柴油机喷油泵、汽油机分电器 电磁感应 车速传感器 舌簧开关式 车速表转子附近 舌簧开关 电磁感应式 变速器 输出轴附近的壳体上 电磁感应 光电式 速度表内 光电效应 可变磁阻式 变速器壳体内 改变磁阻 轮速传感器 电磁感应式 驱动轮上、从动轮上、后桥主减速器壳上或变速器输出轴上 电磁感应 霍尔式 霍尔效应 减速传感器 光电式 车身、车架上 惯性作用 水银式 差动变压器式 图 速度传感器的种类及其工作原理 霍尔传感器 速度传感器是车辆传感器中的易损器件，所以系统采用了非接触式传感器，这是系统的关键。 这种传感器的脉冲输出信号具有稳定性较好，不易受外部噪声清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 39 页 干扰，对测量 电路无特殊要求等优点，并且结构比较简单，成本低，性能稳定可靠。 该系统测速传感器由霍尔开关、磁铁组成 [5]。 霍尔传感器的原理 霍尔效应 在半导体薄片两端通以控制电流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为 B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为 UH 的霍尔电压。 [4]其原理如图 所示： 图 霍尔效应原理图 霍 尔传感器的特点 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器 ,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。 本文简要介绍其 工作原理， 产品特性及其典型应用。 霍尔器件具有许多优点，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），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 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 μm 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℃。 按照霍尔器件的功能可将它们分为 : 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件。 前者清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 39 页 输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的 性质可将它们的应用分为 :直接应用和间接应用。 前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制 [5]。 开关式霍尔传感器 的结构组成 霍尔传感器的工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的恰当位置，车辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生的开关信号经过整形被直接输入到单片机。