【基于单片机的超速报警器的电路设计6100字（论文）】.docx

遵守高速公路限速规定，不超速是安全的基础 #生活技巧# #驾驶技巧# #高速公路超车技巧#

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基于单片机的超速报警器的电路设计第1章前言11.1研究意义11.2超速报警器思路1第2章超速报警器硬件设计22.1单片机最小系统22.1.1单片机的选用22.1.2时钟模块硬件电路32.1.3复位电路42.1.4振荡电路52.2外接采集节点模块电路62.2.1显示电路设计62.2.2键盘电路设计72.2.3蜂鸣报警器82.2.4信号转换部分的设计92.3超声波测速模块102.3.1超声波发射模块102.3.2高频变压器的设计102.3.3超声波接收电路处理模块112.4GPS定位模块122.4.1GPS的电路图122.4.2GPS接收机13第3章超速报警器系统软件设计153.1汇编语言153.2超速报警器主程序设计153.3超速报警器其他子程序设计163.3.1数据采集处理子程序163.3.2车速测量子程序164.2.3GPS模块定位数据的采集173.2.4系统显示子程序183.2.5报警子程序程序设计19结论20参考文献21第1章前言1.1研究意义在当今时代里，汽车是最普遍的交通运输工具，交通事故发生的频率也不断增加，每年由于司机超速行驶而产生的交通事故很多，因此造成的经济损失很多。超速行驶所带来的危害是多方面的，一是安全可靠性降低；二是碰撞时冲击破坏力大，多为恶性事故；三是在制动效果上，车速每增加一倍，制动距离约增加四倍；四是超速行驶时驾驶员精神紧张，心理和生理能量消耗大，容易疲劳；五是在弯道上行驶，车辆的稳定性降低，车速越快越易发生翻车事故。鉴于超速情况越来越严重，有必要来设计简单耐用的汽车超速报警器来满足基层汽车消费者的市场需求。1.2超速报警器思路基于单片机的超速报警器电路是一个具有数字显示功能的单片机系统，通过速度显示电路得知车辆当前速度输出，当达到所设定的速度上限时通过报警电路进行报警，使驾驶人员得知车辆已经超速，使驾驶员做出反应，以保证驾驶人员的人身安全。数值通过与单片机内部设定值相比较。如果超过了键盘输入的最大值则可判断汽车超速，然后通过蜂鸣器报警提示。数值通过与单片机内部设定值相比较。如果超过了键盘输入的最大值则可判断汽车超速，然后通过蜂鸣器报警提示。报警电路单片机报警电路单片机电源电路电源电路显示电路显示电路时钟电路超声波测速电路时钟电路超声波测速电路复位电路按键电路复位电路按键电路图1.1超速报警器总原理图第2章超速报警器硬件设计第2章超速报警器硬件设计正所谓硬件是基础，软件是灵魂，打好基础是相当关键的。该系统的硬件主要包含的模块有：单片机最小系统、速度采集模块、报警模块、超声波测速模块等。2.1单片机最小系统2.1.1单片机的选用AT89C51单片机作为主控制器的微处理器，是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位有4K字节的闪存微控制器是可擦写只读程序存储器和128字节的随机存取取数据存储器（RAM）中，装置采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储器技术生产，与标准MCS-51指令，8-芯片，通用的中央处理单元（CPU）和闪存单元兼容。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。每次复位后，单片机的程序都会从第一条开始从新执行。单片机系统的硬件电路原理图如图2.1所示。目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。图2.1单片机最小系统图2.2AT89C51单片机系统的硬件电路原理图2.1.2时钟模块硬件电路DS1302是一个高性能，低功耗的实时时钟芯片，DS1302与微控制器连接只需要三个线，采用三线SPI接口与CPU进行同步通信发送时钟信号或多个字节的数据RAM。DS1302为每一位读者需要16个时钟脉冲，8地址前脉冲输入操作和写命令。DS1302读取和写入实时数据，用于定时控制照明灯具的启停。在本系统中，AT89C51为主器件，DS1302为从器件，而从器件则相应接收数据、送出数据。即SCLK、I/O、RST。其中位7必须为1；位0为0时向芯片写入数据，为1时从芯片读出数据；位6～位1选定芯片中的地址。后8个脉冲写入或读出数据。本次系统设计中系统时钟所采用的晶振为50MHz的有源晶振，该有源晶振主要采用3.3V的直流电源作为系统时钟电路的供电电源。经实际电路测试，该时钟电路可以稳定输出50MHz的时钟频率，在示波器中实际测试观察可以看到频率中的纹波很小几乎可以忽略不计，该时钟电路是单片机最小系统中常用的系统时钟电路，因此该设计电路非常可行，稳定性也很好。图2.3时钟模块硬件电路图2.1.3复位电路在MCS系列的单片机中，普遍采用的复位电路便是如图4.4所示的复位电路，其有效时间就持续24个振荡周期以上才能完成复位操作。T89C51的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果REST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号为高电平有效，在RST端出现一定宽度的正脉冲，能有效有实现上电自动复位和手动复位。在12MHz时钟时，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，需持续2μs以上才能完成复位操作。图2.3晶振电路与复位电路随时间的增加，电容上面的电压值慢慢增大，而RST引脚上的电压值逐渐降低，当RST引脚的电压值降低至低电平时，单片机恢复到正常状态，称为上电复位。2.1.4振荡电路单片机内部有一个高增益、反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。通过这两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容（电容和一般取33pF）。这样就构成一个稳定的自激振荡器。振荡电路脉冲经过二分频后作为系统的时钟信号，再在二分频的基础上三分频产生ALE信号，此时得到的信号时机器周期信号。振荡电路如图2.4所示：图2.4振荡电路2.2外接采集节点模块电路根据原理图该系统主要可分为键盘部分，显示部分和蜂鸣器4部分，每部分协调工作，来实现超速报警信号监测功能。2.2.1显示电路设计液晶显示采用LCD12864，这样就算是在不使用计算机的情况下，控制系统系统也能正常运行，并且能具有直观的可视性。显示电路主要是通过键盘，实现医院实验室的各功能设定、当前参数等设定。利用龙丘提供的12864OLED显示屏可以很清晰的在检测装置查看当前环境各项指标，龙丘提供的方案有I²C、SPI、I/O并行通讯等方式，我们选用占用MCU资源较少的I²C方案，实体及原理图2.5如下：图2.5LCD12864参数利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。下图是显示原理图2.6：图2.6LCD显示原理图本设计的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。本系统可以通过键盘来设置测速数据状态，具有良好的人机交互功能。2.2.2键盘电路设计键盘是最常见的人机接口设备，通过键盘人们可以向AT89C51单片机输入各种操作指令和数据，AT89C51单片机捕捉到这些按键信息后，有AT89C51单片机进行相应的处理。由于一般人按键会有抖动，抖动信号造成键盘扫描时会出现一些错误的信号，要不就是扫描不进数据，要不就是重复输入很多次数据，因此需要有一个消除抖动的程序。让单片机不响应一些相关的抖动信号，而只响应一次确实存在的按键信号。消抖动程序是这样实现的，本设计采用AT89C51单片机处理，按键是采用行列式键盘。图2.7键盘电路原理图图2.8键盘示意图2.2.3蜂鸣报警器声音检测模块驻极体传声器作为检测器，通过电平变换电路，在有麦克风的声波，晶体管基极偏置，使得在流动方向上的驻极体传声器急剧下降的内部电阻，使晶体管的变化，从而达到声音，以确定是否为目的。蜂鸣器是利用三极管处于开关状态时，具有导通与截止两种工作状态，相当于电键的闭合与断开，在三极管导通时，蜂鸣器工作，三极管截止时，蜂鸣器不工作。三极管采用8050NPN型晶体管，将其基极接于P2.6口，当其为高电平时三极管导通，当其为低电平时三极管截止，如图2.9所示。当测速存在超速后，蜂鸣器会发出声音进行提示。图2.9蜂鸣器与单片机的接口电路图报警电路路如图2.9，其中单片机的P2口进行控制，P2口的P2.3～P2.6分别控制4个发光二极管，予以报警，如图所示。2.2.4信号转换部分的设计图2.10A/D转换电路图ADC0808采样分辨率为8位，逐次逼近原理、d/a转换装置。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址锁存器信号解码后，只有门8模拟输入信号的A/D转换。22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6(开始):A/D转换启动脉冲输入，输入一个正脉冲宽(至少100ns)让它开始下降沿(脉冲上升沿0809恢复，开始的A/D转换)。数据输出允许信号，输入，高电平有效[[]祝世峰.基于GPRS网络移动车辆监控调度系统的设计与实现[D].山东大学2005][]祝世峰.基于GPRS网络移动车辆监控调度系统的设计与实现[D].山东大学20052.3超声波测速模块2.3.1超声波发射模块为了使选通信号CH_CLOSE作用，须经过SN74F00D四路与非门，输出信号的波形将由选通信号CH_CLOSE决定。各输出半波信号，合起来形成一个完整的波形。驱动电路如图2.11所示。图2.11逻辑驱动电路的设计2.3.2高频变压器的设计为了驱动工作电压为1000V，额定频率为26KHZ的超声波换能器，必须将上述所得到的PWM波经过高频变压器来输出高频高压信号。压电材料的这种周期性的形变带动周围的介质周期的往复运动，这样就把超声波信号发送到介质中去。在磁芯确定的基础上来确定绕组的阻数，对于本设计采用的双端（推挽式）变压器来说，理论上磁通密度正负对称。图2.12发射电路图2.3.3超声波接收电路处理模块（1）精密放大电路本设计中采用了收发一体式的超声波探头，因而较大发射信号直接进入接收电路，对接收信号有一定的干扰。接收到的超声波回波信号经过接收电路处理后，输出含有流速信息的模拟信号，进入数字信号处理电路进行后续处理。为此在精密放大之前必须经过二极管双向限幅环节对接收信号放大器的输入电压进行箱位，来保护后续的放大电路。如图2.13所示。图2.13前置放大电路（2）带通滤波电路这里的带通滤波器采用单个集成运放构成压控电压源二阶带通滤波电路，如图2.14所示。图2.14带通滤波电路2.4GPS定位模块2.4.1GPS的电路图此次选择的GPS模块为深圳百年星科技有限公司生产的ET-387。GPS信号模块安装于车辆的隐蔽位置，接收车辆当前的GPS位置信息，并依据系统要求分析车辆的状态数据，响应车主的功能控制，并及时准确的将这些信息依据监控管理中心要求上传。由于没有初始化模块上电后定位数据发送和接收模块可以自动，所以不需要控制操作，系统不需要发送控制命令GPS模块。其GPS模块的连接图如图2.15所示。图2.15GPS电路连接图图2.16GPS模块硬件接口电路把GPS模块和单片机相连接，GPS的引脚TXA和RXA分别连接单片机RXD和TXD引脚，引脚VCC接电源，引脚GND接地，单片机通过USB数据线与电脑相连接。由于GPS模块的时刻接收卫星数据和输出的模块自动TXD从卫星定位信息到单片机，当GPS模块通电后，打开上位机可以接收GPS接收数据，并显示在计算机上[[]苏永红.基于物联网的物流车辆监控系统的设计与实现[J].计算机与数字工程.2011(07)][]苏永红.基于物联网的物流车辆监控系统的设计与实现[J].计算机与数字工程.2011(07)2.4.2GPS接收机GPS信息接收模块通过GPS接收天线接收GPS定位卫星信息，当其收到4颗以上的卫星信息时，便可以计算出自身（同时是车辆）的三维坐标：经度、纬度、高度以及方位角等信息，并通过串口将数据传送到系统控制模块进行处理。微处理器是接收机的核心，负责整个系统的管理，控制和实时数据处理，软件的操作下，卫星接收机，接收信息采集，放大，识别、存储、处理和输出有用的定位信息、速度和时间信息。如图2.17所示为TC35i连接脚示意图。图2.17TC35i连接脚第3章超速报警器系统软件设计第3章超速报警器系统软件设计3.1汇编语言汇编C语言是单片机编程语言的一种重要形式，也是最常用的在今天的单片机开发人员程序开发的语言形式。汇编语言是一种替代机器语言的编程语言。汇编语言的特点是每个指令助记符。并进行目标程序、检查修改程序中的错误，对程序运行结果进行分析，直到正确为止。因此，本系统采用C语言来进行系统的软件设计，本次设计软件调试的环境是KeiluVision4。3.2超速报警器主程序设计图3.1程序流程图3.3超速报警器其他子程序设计3.3.1数据采集处理子程序转换器初始化转换器初始化选中转换通道接收转化后的数据接收多路器地YN数据处理图3.2A/D转换子程序流程通过单片机输出多路复用器地址Dl多路复用器移位寄存器。上述扩张过程可以实现数据转换从模拟到数字量[[]C.Krishnamurthy.UsingSMStoDeliverLocation-basedServices.2002IEEEInternationalConferenceonPersonalWirelessCommunications.2002]。数据处理主要包括数字滤波、十进制转化和查表。经过数据处理，其中包括过滤和十进制转换，然后查表数据到字体大小，用于显示，程序流程图如图3.2[]C.Krishnamurthy.UsingSMStoDeliverLocation-basedServices.2002IEEEInternationalConferenceonPersonalWirelessCommunications.20023.3.2车速测量子程序图3.3车速测量子流程图当系统判断测速数据有效时，需要对测量出来的数据进行显示，本次设计是针对速度在60km/s以下运动物体速度测量，显示保留两位小数，即利用3位显示。测速系统程序由按键s1控制单片机发送方波，方波的发射是靠单片机产生方波，由P2.5口发出，周期的控制由高低电平时间来实现，设计要求产生40KHZ的方波，所以控制方波的周期为25us，即高电平12.5us，低电平12.5us。4.2.3GPS模块定位数据的采集通信模块通过GSM网络接收从车载端传来的GPS数据或向车载端发送命令。GPS信号接收机信号发送的GPS卫星用于确定卫星位置空间，可以计算空间卫星和用户接收机之间的距离。GPS模块获得当前车辆从GPS卫星定位信息，包括车辆信息如经度、纬度的当前位置和速度，而每次收回的这些重要信息都是集成在一个字符串中，这一部分的工作是NMFA-0183协议按照规则字符串分解，提取所需的信息，实现部分的功能流程图如图3.4所示。打开串行口、设置波频率打开串行口、设置波频率设置定时器为1秒、定时读串行口开始Y提取UTC时间并转换为北京时间判断接受状态是否有效删掉复制语句中的表头复制该语句并从缓存中删掉该语句读取串行口1缓存、判断是否GPRMC语句？分别提取经纬度和速度提取UTC日期NYNY图3.4GPS信息的采集和提取流程图3.2.4系统显示子程序因为通过模数转换模块，使单片机的数据以16进制储存于寄存器当中，为了让LED显示需要转换为BCD码。本次采用软件消抖，通过调用子程序延时来解决，可以很好地解决单片机的

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