汽车车速检测系统设计概要.docx
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汽车车速检测系统设计概要
摘要……………………………………………………………………………………………1
关键词…………………………………………………………………………………………1
Abstract………………………………………………………………………………………1
Keywords……………………………………………………………………………………1
3.5程序语言的选择…………………………………………………………………………5
5软件设计…………………………………………………………………………………19
6总结………………………………………………………………………………………19
参考文献……………………………………………………………………………………20
附录A…………………………………………………………………………………………21
附录B…………………………………………………………………………………………22
致谢…………………………………………………………………………………………29
汽车车速检测系统设计
摘要;本次论文设计的是以AT89C51为核心，使用霍尔传感器CS3020测速，并于数码管上显示，当超速时具有语音警报功能的车速检测系统。
论文简单的介绍了霍尔元件的原理及应用，AT89C51单片机在系统中应用，分析了系统部分的硬件和软件的实现以及个单元硬件模块的选择。
该系统采用霍尔元件非接触式车速传感器代替软轴传动，使车速表的安装位置不受距离的限制。
该系统安装简单显示直观且价格便宜，因此具有良好的发展前景和市场价值。
关键词:
单片机；霍尔传感器；数码显示；语音报警
TheDesignOfVehiclespeeddetection
Abstract：
Inthispaper,thevehiclespeeddetectionsystemusingtheAT89C51asthecore.Inthispaperthedesignisspeeddetectionsystemwithvoicealarmfunctionwhenthespeedlimit.ThesystemusesHall-sensorCS3020tomeasurespeedwiththeAT89C51asthecore.ThispapersimplyintroducestheprincipleandadhibitionofhallelementandtheapplicationoftheSCMAT89C51inthissystem,analyzedthepartsofthesystemhardwareandsoftwareimplementationaswellasthechoiceofaunitofhardwaremodule.ThissystemuseHall-elementnon-contactspeedsensorinsteadofsoftshafttransmission,thatmakestheinstallationpositionofthespeedtablenotrestrictedbydistance.Thesystemiseasytoinstalldisplayintuitiveandcheaperprices,soithasgooddevelopmentprospectsandmarketvalue.
Keywords：
Single-chipmicrocomputer；Hall-sensor；Digitaldisplay；Voicealarm
引言
如今汽车已经得到普及，高速公路上屡屡出现因汽车超速而引发的交通事故，汽车的安全性和人性化越来越受到人们的重视。
以往传统的接触式传感器，采用电位计原理，电刷与电阻基体的摩擦极易导致触点磨损、电阻基体磨损，影响位置传感器的输出特性和使用寿命。
然而传统接触式传感器的以上缺点使得人们对其安全性产生了疑问。
传感器作为汽车电子控制系统的信息反馈，其性能高低直接影响到汽车控制系统的稳定性和可靠性。
所以非接触式传感器替代电位计式传感器代表着技术进步的发展方向。
近几年来霍尔技术的快速发展，其抗电磁干扰能力和抗温漂能力大大提高，价格也逐步下降。
霍尔式位置传感器取代电位计式成了大势所趋。
目前已得到了广泛应用特别是在其测速方面。
霍尔器件有许多优点。
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、水汽及烟雾等的污染或腐蚀[1]。
因此霍尔元件适合应用于汽车车速的检测中。
汽车上所使用的控制系统从功能上可分为传感器单元、控制单元和执行单元部分。
其中传感器单元体现的是汽车智能化技术的高低，有其独特的重要地位。
对于传感器监测而言，汽车工况要求监视控制参数有很多都是非电量常数，因此汽车传感器被称为汽车控制系统的“眼睛”。
传感器质量的好坏势必会对汽车各部位各组件监测和控制的质量产生直接影响，进而汽车的整体性能也将会有一定影响。
如今霍尔型车速传感器已成为现代汽车控制系统的重要组成部分，对于这类车速传感器的特性进行测试和研究成为测试领域的又一重要研究方向。
本系统简单说明了霍尔型车速传感器和测试系统的组成、结构原理和测试的方法，进而成功地研制了车速传感器测速系统，本系统是利用霍尔型车速传感器来研制与开发的。
1论文综述
1.1车速检测系统的背景和意义
传统的机械式车速测量通过旋转磁场作用于转动盘，让转动盘和车速表指针一同发生同向偏转。
而当电磁转矩和弹簧产生的阻力矩互相平衡的时候，指针的偏转就会停留在某一角度。
使指针偏转角与车速成正比，所以可用来表示其车速。
机械式汽车车速检测系统具有明显的缺陷。
因为表盘指针偏转角度与软轴的转动时所产生的磁力成正比，当转速较低的时候，所具有的磁力较小，使得随转速变化波动较大。
所以低速的时候车速表指针的摆动较为剧烈、其测量和显示的精度通常不高。
如果车辆的发动机采用的是后置式的，需要让车速表指针的偏转动力从变速箱经过软轴等传到驾驶室，此时软轴必然需要布置得很长，此时要将这种长度较长的转动软轴在结构上布置合理，将会是件很困难的事情。
如今电子式测速测量系统更加智能，车速测量系统的功能也更加人性化，速度的显示更加直观功能也更加丰富，加上了里程累计、超速提醒等功能。
当今用于测速的方法有很多，其中使用得多的有激光检测技术、红外检测技术、超声检测技术、视频检测技术、雷达检测、感应线圈检测和磁传感器检测技术。
目前用于测速的传感器大多使用光电测速传感器，但是由于光电传感器极易受到外界光源的影响，使其误差存在甚至失去意义。
霍尔传感器由于其发展速度快、稳定性强和操作方便，还可以通过增加钢磁个数使其准确度加强。
目前越来越广泛的运用于车速测速系统中并得到大众的肯定。
本论文设计的汽车测速系统是为了降低高速上车辆超速造成的交通事故,同时能将测得的车速实时显示,并自动判断是否超速。
1.2车速检测系统的发展前景
随着汽车技术和电子计算机技术的发展以及现代先进制造技术、电子技术和计算机技术在现代汽车上的广泛应用，现代汽车的机构日趋复杂，各种功能装置也不断增多，各种信息不断增加，汽车车速已经成为汽车信息中心。
新的技术快速发展，促使各生产商家积极进行新型汽车车速仪表的研究开发和大量生产。
以往的车速检测一般都是软轴转动带动的误差大且不易实现，因此霍尔传感器的出现与发展，很快的应用于各种测速系统中，而且已有较成熟的技术在系统的设计和应用中可供参考。
本次设计的汽车测速检测系统具有实时检测显示速度功能，当超速时还具有自报警功能，而且可以通过手动看里程。
本次设计的汽车测速检测系统就是利用霍尔传感器进行测速，其结构简单、测速准确、稳定性高、使用寿命长具有良好的发展前景。
2车速检测系统的设计思路
本款汽车车速检测系统是利用霍尔传感器来实现测速的主要用于高速公路汽车行驶超速报警。
当霍尔传感器采集到信号并将其放大，通过波形变换与整形传入到单片机P3.2口，单片机根据所写程序判断是否超速（超速标准为120公里每小时），如果超速通过P3.3口将信号传输给蜂鸣器，此时蜂鸣器发出响声。
单片机还会根据传感器传入的信号在LED数码管实时显示速度，当想要知道所走里程可按一下按钮，此时LED数码管上将会显示出里程，长按时消除里程,当离手时又变回速度显示。
上电时本汽车测速系统会自动复位。
本次设计系统的流程图如图2-1。
3系统单元模块选型
3.1传感器选择
目前测速传感器用得比较广泛的有光电测速传感器和霍尔测速传感器。
光电测速传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数从而测出旋转体旋转速度[2]。
灵敏度较高，但容易受外界光源影响。
利用霍尔元件测转速时，其内部拥有稳压电路，霍尔电势发生器，放大器，施密特触发器以及输出电路，其输出的电平和TTL电平互相兼容。
在待测的旋转体转轴上安装一个圆盘，在圆盘上安装几对小钢磁，如果小钢磁数量越多其分辨率也将越高。
霍尔元件安装于小钢磁附近并固定好，直到旋转体以角速度W旋转的时，如果一个小钢磁转过霍尔元件时，霍尔元件就将输出一个脉冲，从而计算出单位时间的脉冲数，就可确定旋转体的速度，来达到测速的要求。
光电测速传感器受外界光源影响很大，不适合运动性物体的测速。
集成化霍尔元件传感器拥有灵敏度好、可靠性强、体积较为小巧、传感器无需触点、不会造成磨损、其使用寿命长并且功耗低以及无需担心尘土、油污、湿热的影响等优点，在综合了汽车运动环境的需求，本系统选择使用霍尔传感器来进行速度检测。
是否超速
Y
图2-1汽车车速检测系统流程图
3.2单片机选型
单片机是一种可通过编程控制的微处理器，单片机芯片自身不能单独运用于某项工程或产品上，它需要靠外围数字器件或模拟器件的协调才可实现其本身的功能[3]。
电子器件内部无一不用到单片机，而且大多数电器内部的主芯片就是由一块单片机来控制的。
本次使用的是8051单片机，它的资料比较全，用的人多，市场大，其内部结构简单，适于本次编程使用。
本次单片机选用AT89C51为核心。
AT89C51应用广泛操作简单，也为大多数人所熟识。
AT89C51提供了4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构和一个全双工串行通信口，还具有片内振荡器以及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51价格便宜且功能丰富运用灵活I/O口丰富，符合汽车车速检测系统所需的要求。
3.3显示模块的选型
目前用于显示的基本有液晶LCD显示板和二极管LED数码管显示。
由于此次的车速检测系统构造简单且设计方便，汽车测速显示需要较高的刷新速率才能更加好的实现实时速度显示。
所以本次选用的是比较简单的LED数码管来实现速度的显示。
LED数码管显示中分为静态显示和动态显示两种。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位器进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是每个数码管需要占用一个锁存器，硬件电路复杂。
因为数码管都处于被点亮状态，所以需要的电流很大，当数码管的数量增多时，对电源的要求也就随之增高。
数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的显示方式之一，每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，位元选通COM端电路由单片机控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
数码管的动态显示其实是每个数码管轮流出现相应的字码，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人感觉好像数码管每位都同时显示，而其实只是数码管每位的显示轮流速度过快，以至于人眼已经无法从中分辨出来。
数码管的动态显示需要在编程中写入消影程序，所以相对于静态显示来说编程复杂。
但是动态显示在电路连接却大大简化了静态显示的复杂性，一般2个74HC573锁存就可以控制8个数码管，硬件电路简单。
所以本次选用的是LED数码管的动态显示。
3.4报警电路选择
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印件、报警器、玩具、汽车电子设备、定时器等的电子产品中，用做发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
本论文选择的电磁式蜂鸣器来进行超速报警。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片以及外壳等组成[4]。
接通电源后，振荡器产生的音频电流信号通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
电磁式蜂鸣器的外围电路简单，可以通过单片机控制驱动信号来使其发出不同音调的声音的电子讯响器。
蜂鸣器的音调可以通过程序控制，适合用于对超速的报警来提醒司机们降低并控制好时速。
3.5程序语言的选择
由于C语言的使用非常方便，所以得到广泛的应用，有许多硬件开发都将应用到C语言编程，C语言的程序编程本身无需依赖机器的硬件系统，通常无需修改或仅需简单的改动就能够把程序从不同系统中移植过来并直接利用。
C语言里提供了许多的数学函数，并且支持浮点运算，C语言的开发效率很高，能够有效的缩短开发时间，并增加了程序可读性以及可维持性[5]。
C语言常用语法不多，尤其是单片机的C语言常用语法更少，便于此次的程序编写。
C语言简便、快捷、便于利用，所以本次使用C语言来编写程序。
4系统硬件设计
4.1AT89C51主控电路
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[6]。
AT89C2051是一种带2K字节闪存具有可编程可擦除且只读存储器的单片机。
51单片机的可擦除和只读存储器能够反复的擦除1000次。
该器件是利用ATMEL高密度的非易失的存储器制造技术来制造的，其与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚互相兼容。
由于把多功能8位CPU以及闪速存储器组合于单个芯片里面，ATMEL的51单片机成为一种高效的微控制器。
AT89C51单片机能够提供一种较高灵活性以及价格相对低廉的方案给嵌入式控制系统来使用。
4.1.1AT89C51的管脚说明
AT89C51芯片如图4-1
图4-1AT89C51引脚图
AT89C51有40个管脚，其中包括32个I/O口引脚和2个电源引脚还有2个时钟引脚以及8个编程控制引脚。
32个I/O口引脚又分为P0口、P1口、P2口和P3口，每个口都有八个引脚。
P0口是双向的8位三态I/O口，每个口可独立控制，内部不具有上拉电阻，为高阻状态，不能正常的输出高/底电平需要外接电阻[7]。
P1口是准双向的I/O口每个口可独立控制，内自带上拉电阻，输入不具备锁存功能。
当输入时必须先进行写1操作，因为其作为输出使用时没有高阻状态。
P1.0和P1.1都具有另外一种功能分别为，T2定时器/计数器的外部输入和T2的外部控制端。
P2口与P1口相似，不过P2口只有准双向的输入输出功能。
P3口不仅具有准双向的输入输出功能，而且每个管脚都具有第二功能。
其中P3.0和P3.1分别具有串行输入输出功能；P3.2和P3.3分别具有外部中断0和外部中断一功能；P3.4和P3.5分别课作为定时器/计数器0外部输入端和定时器/计数器1外部输入端；P3.6和P3.7分别具有外部数据存储器写脉冲和外部数据存储器读脉冲功能。
P3口功能表如表4-1
表4-1P3口第二功能说明
标号
引脚
第二功能
说明
P3.0
10
RXD
串行输入口
P3.1
11
TXD
串行输出口
P3.2
12
INT0
外部中断0
P3.3
13
INT1
外部中断1
P3.4
14
T0
定时器/计数器0外部输入
P3.5
15
T1
定时器/计数器1外部输如
P3.6
16
WR
外部数据存储器写脉冲
P3.7
17
RD
外部数据存储器读脉冲
编程控制引脚分别有外接时钟引脚为18脚和19脚；单片机复位引脚为第9引脚；程序存储器允许输出控制端为第29脚；第30脚用于单片机扩展外部RAM时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存，来实现低位地址和数据的隔离；31管脚用于EA接高电平时，单片机读取内部程序存储器。
4.1.2复位电路
用户应用程序在运行过程中，有时会有特殊需求，需要实现单片机系统恢复（热启动之一），传统的8051单片机由于硬件上不支持此功能，所以用户需要用软件模拟实现，实现起来比较麻烦。
由于本次汽车车速检测系统是基于单片机来控制编程的，单片机在启动时都需要复位，且用软件模拟来实现单片机系统的恢复比较麻烦。
所以在单片机的外围电路就需要复位电路。
复位电路有3种分别为手动复位和上电复位以及积分型上电复位。
本次所设定的复位电路比较特殊，由于需要看里程的需要所以复位电路采用的是手动复位的外围电路设计，但是功能确是上电自动复位，开关是看里程时使用的。
复位信号及产生：
单片机上第九引脚为RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号为高电平有效，其有效时间应持续24个晶振周期以上。
若使用6MHZ的晶振，那么复位信号持续时间需要超过4微秒，这样才能完成复位操作。
其中整个复位电路中包括内外芯片两部分。
复位信号由外部电路所产生并将其传送到施密特触发器，然后由内复位电路在其机器周期的S5P2时刻来进行施密特触发器的输出采样，这样才能得到内部复位操作所需求的信号[8]。
AT89C51单片机的复位基本思路原理——复位信号是从RST引脚输入并被传送至芯片中的施密特触发器。
如果系统正处于正常工作状态，并且振荡器稳定，那么此时的RST引脚具有一个高电平并且已经维持了2个机器周期（即为24个振荡周期）以上，那么CPU就能够响应并使系统进行复位。
复位电路外接电路如图4-2
图4-2复位电路的外接电路图
4.1.3晶振电路
单片机系统中都需要晶振，晶振在单片机系统中发挥着很大的作用，又称为晶体振荡器，它结合单片机内部的电路，从而产生单片机所需求的时钟频率，晶体振荡器提供的时钟频率越高，那么单片机的运行速度也将更快，单片机所有的指令能够准确执行全都是建立于单片机晶振所产生的时钟频率。
常用波特率通常按规范取为1200,2400,4800,9600，...，若采用晶振12MHZ或6MHZ，计算得出的T1定时初值将不是一个整数，这样通讯便会产生积累误差，进而产生波特率误差，影响串行通信的同步性能。
能解决的方法只有调整单片机的时钟频率Fosc,通常采用11.0592MHZ晶振。
因为它能非常准确地计算出T1定初值，即使对于较高的波特率（16900,19200），只要是标准通信速率，常采用11.0592MHZ的晶振可以得到非常准确的数值。
正常的工作条件下，一般的晶振频率绝对精度通常能够处于百万分之五十。
高级晶振的精度当然也就更高。
有些单片机晶振能够由外加电压在一定范围内来进行频率的调整，这个称之为压控振荡器。
晶振用一种可以将电能以及机械能共同转化的晶体使其在共振状态下工作，用来提供稳定且精确的单频振荡。
晶体振荡器能够为系统提供所需的时钟信号。
正常情况下一个系统下只共用一个晶振，这是为了使各部分组件保持同步。
当然有些通讯系统的基频和射频会使用不同的晶振，然后利用电子调整频率来保持系统各部分的同步[9]。
本次汽车车速检测系统所使用的51单片机所用晶振频率为11.0592MHZ，外围电路图如下4-3。
图4-3晶振外围电路
4.1.4存储器AT24CO2
AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。
AT24C02有一个16字节页写缓冲器。
该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。
AT24C02的特性：
数据线上的看门狗定时器；可编程复位门栏电平；高数据传送速率为400KHz和1C总线兼容；2.7V至7V的工作电压；低功耗CMOS工艺；16字节页写缓冲区；片内防误擦除写保护；高低电平复位信号输出；100万次擦写周期；数据保存可达100年；商业级、工业级和汽车温度范围。
AT24C02的功能描述：
支持总线数据传送协议I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。
任何从总线接收数据的器件为接收器。
数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。
主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，由于A0、A1和A2可以组成000~111八种情况，即通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上，通过进行不同的配置进行选择器件。
本次系统AT24C02的外围电路如图4-4。
4.2传感器电路模块介绍
霍尔传感器是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。
霍尔传感器首先是用来测磁场的，此外还可以被用来测量产生和影响磁场的物理量。
霍尔传感器是由于人们根据霍尔效应用半导体材料制成的原件所以叫霍尔元件。
霍尔传感器是一种磁场传感器。
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍尔元件等组成。
霍尔传感器广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔器件是利用半导体材料制成的一种器件，施加外磁场B使之与垂直于平面的方向一致，然后施加两外电场于平面方向两端，那么电子将会在磁场中运动，最后在器件的两个侧面间隙内产生霍尔电势。
它的大小与电流大小以及外磁场成比例。
霍尔开关传感器具有体积小，无需触点，良好的动态特性，使用寿命长等优点，因此在测量转动物体转速领域内应用十分广泛。
本系统采用的CS3020是根据检测钢磁转过的次数转化成脉冲信号来实现速度的检测，同时也可以测里程。
图4-4AT24C02外围电路
4.2.1霍尔式车速传感器
如今在汽车的应用中霍尔效应传感器具有十分重要的地位，其主要是因为变速器周围的空间位置存在冲突。
霍尔效应传感器作为一种固体传感器，它主要应用于曲轴转角以及凸轮轴的位置上，主要用于开关点火以及燃油喷射电路的触发；它还可应用于其它要求控制转动部件的位置以及对速度控制有要求的电路中。
霍尔效应传感器（开关），是由一个理论上完全闭合的并包含永久磁铁以及磁极部分的磁路共同组成的，一个软磁铁叶片转子通过磁铁和磁极间的气隙，由叶片转子上的窗口可允许磁场不受影响的通过并最终到达了霍尔效应传感器，然而没有窗口的部分则会中断磁场，所以，叶片转子窗口所起到的作用是用于开关磁场，让霍尔效应如同开关一般达到打开或关闭的功能，因此一些设计者会将霍尔效应传感器以及一些类似的电子设备，称为霍尔开关。
此组件实际上就是一个开关设备，然而它的关键功能部件就是霍尔效应传感器来充当的。
测试步骤把驱动轮顶起以便用来模拟行使状态，或者可以将汽车示波测试线加长用来进行行驶的测试。
如若车轮开始转动，霍尔效应传感器就会产生一连串的脉冲信号，此脉冲个数会随着车速增加而增加，但其位置的占空比无论何种速度状态下将保持恒定不变。
当
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