智能客车超载检测系统的设计.docx
《智能客车超载检测系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能客车超载检测系统的设计.docx（51页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
智能客车超载检测系统的设计
智能客车超载检测系统的设计
长春工业大学
毕业设计、毕业论文
题目智能型客车
超载检测系统设计
学院电气与电子工程学院
专业班级电气工程及其自动化090307
指导老师唐娜
姓名吴飞
2013年6月11日
指导教师签字：
年月日
评阅人签字：
年月日
摘要
本文设计了一个客车超载监控系统，以MCS-51单片机为核心，利用反射式红外传感器、方向识别电路、报警电路、锁定电路设计，能够通过键盘手动设置乘客人数的上限值，并用LED显示器显示车内的实时乘客人数。
当客车内人数超载时，系统发出声光报警，并通过继电器切断客车的电子启动装置，从而将汽车锁定，使之无法行驶。
当超载解除后，声光报警也相应的解除，客车锁定解除，可以正常运行。
本设计共分两部分，硬件系统设计和软件系统设计。
硬件部分利用红外传感器和方向识别电路将乘客的上、下车情况进行检测和判断并输入单片机系统。
经过单片机系统将处理的数据送LED显示，声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，用继电器实现对客车启动装置的锁定。
软件部分用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。
该系统通过调试后，能够较好的完成客车超载的预警提示，并对超载情况进行相关控制。
关键词：
客车；超载；监控；单片机
IntelligentPassengerOverloadDetectionSystemDesign
Abstract:
ThispaperillustratesthedesignofacarriageoverloadmonitoringMCUascoreisusedtodesignhardwarecircuitandthissubjectweuseinfraredsensors,identifycircuitandalarm-circuitlatchcircuittodesignacarriageoverloadmonitoringsystemthatenablesthekeyboardtomanuallysetlimitsonthenumberofpassengersandcanuseLEDatthesametimetodisplaythenumberofpassengersthepassengeroverloading,thesoundandlightalarmsystemcutsoffthebusthroughtheelectroniclaunchdoingthis,theoverloadmonitoringsystemcanlockthecar,sothatthecarcan’tbetheoverloadiscanceled,thesoundandlightwarningiscanceled.Thebusisalsounlockedandcanbeoperatednormally.
Thedesignisdividedintotwoparts,hardwaresystemdesignandsoftwaresystemdesign.Thehardwaresystemspartsusesinfractedsensorsandidentifycircuittodetectandjudgethesituationwhetherthepassengersaregettingonoroffthebus.ThissystemcandisplaythenumberofpassengersonLED.ThesoundandlightalarmcircuitiscomposedofbuzzerandLEDs,thelockfunctionofthebus’slaunchdevicesachievesbyusingtherelayunit.Assemblelanguageisusedinthesoftwaresystemandmodularizationdesignideaisadopted.Themonitorsystemcancompleteanalarmbeforehandforoverload,meanwhilethemutualitycontrolwillbeadopted.
Keywords:
carriage;overloading;monitoring;SCM（singlechipmicrocomputer）
第1章绪论
立题的意义
随着生活水平的不断提高，人们外出打工、探亲、旅游的人数越来越多，尤其是节假日，而与此相关的公路客运（长途客车，旅游客车等）的运力却没有相应增加，致使超员现象频频出现。
目前，它已成为一个严重影响交通运输环境和社会经济可持续发展的社会问题。
客车超载对国家的公路设施和客运市场造成了不良的影响，也影响车辆本身和车辆的驾驶、控制，容易引发事故，我们都知道车辆超载运输并且长期处于超负荷状态，就会导致车辆的制动装置和操作系统等安全性能迅速下降，表现为轮胎变形爆胎，刹车失灵，转向器轻飘抖动，钢板弹簧折断，半轴断裂等等。
而客车一旦发生事故，给国家和百姓带来重大的经济损失和感情伤害。
目前，国家虽然出台了一系列的政策法规来制止客车超载，各地政府也制定了相关的制度来对客车超载进行管理，在一定程度上减少了客车超载现象，但在节假日等客流高峰期，超载现象还是屡禁不止。
在采取行政监督管理的同时，通过科学技术的手段来消除客车超载的现象也有着极其重要的意义和实用性。
单片机作为微型计算机的一个很重要的分支，是将CPU、存储器、总线、I/O接线口电路集成在一片超大规模集成电路芯片上。
自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。
因此它广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
（1）在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
（2）在工业控制中的应用
单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
在家用电器中的应用
现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等。
单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等。
因此单片机的出现应用于监测系统后，智能化的监测系统的模型也就基本具备了。
单片机以其兼容性强，软件、硬件应用设计资源资料丰富，以及极高的性能价格比受到人们的重视和关注。
单片机以及外围芯片的不断发展促进了超载、超量监测系统的发展。
以单片机为核心的智能监控系统以其体积小，抗干扰能力强，对环境的要求不高，价格低廉，可靠性高，开发较为容易，并可获得较高的经济效益等特点，很快占有了监控器领域的市场,所以其应用很广，发展很快。
因此本课题正是基于此点，采用单片机为核心的智能监控系统可以对客车内乘客人数的统计，并通过LED显示器实时显示。
当客车出现超载时，系统进行声光报警。
同时通过继电器关闭客车的启动装置来阻止超载客车的运行。
反之，当超载解除后，声光报警被解除，系统也相应解除对客车的锁定，客车可正常运行，从而达到了智能监控客车超载的要求，大大减少因超载而发生交通事故，使乘客的生命财产安全得到有效的保障。
课题研究任务及目标
本课题主要任务是以MCS-51单片机为控制核心，能够自动检测车内乘客的人数并用LED即时显示，通过键盘设置超载人数的上限值，一旦客车超载时能进行声光报警，同时锁定客车的启动装置。
它的硬件电路部分主要包括检测电路（红外传感器和方向识别电路）、键盘电路、显示电路、控制电路和报警电路五大部分。
其中，主要研究内容为：
红外检测技术、运动方向识别电路、LED数码管的显示、单片机控制系统等。
该设计技术指标如下：
能够完成车厢内人数的显示，并用LED即时显示
超载人数的上限值可以通过键盘设置（默认人数为30）
客车一旦超载时将发出声光报警信号，并关闭汽车的启动装置。
光报警信号要实现1S闪烁功能，声音报警电路要产生1kHz音频信号驱动蜂鸣器完成。
课题主要内容
本文主要介绍了客车超载监控系统的软硬件设计思想、各功能的实现方法、相应的电路原理、以及各元器件性能型号的选择，内容主要分为两部分：
第一部分是硬件的设计，包括硬件电路方案的设计、元器件的选择等，具体的硬件电路包括检测电路（传感器和方向识别电路），AT89C51单片机的最小系统电路、键盘输入电路、LED显示电路、声光报警电路、锁定电路等。
以硬件来完成具体的功能使整个系统完整，并达到最终可以准确的检测客车超载检测的最终目的。
第二部分是软件的设计，软件设计采用模块化的思想，逐步完善设计功能，初步绘制出电路图和程序的流程图。
以软件配合硬件，使其可以利用软件来使硬件相互关联、相互辅助，使整个设计完整。
第2章客车超载检测系统的方案论证
系统的原理
本课题所设计的客车超载监控系统主要是避免因人数超载而引发的交通事故，所以本系统应该具备对乘客上、下车动作的智能检测，通过单片机来处理传感器获取的信息，可以自动统计客车上、下乘客的具体人数，能用LED来进行即时的数字显示。
当客车内的实际人数超过设置的预定数值的上限值时，检测系统将自动进行声光报警，同时客车的启动装置也将会被锁定，这样可以有效地阻止超载情况的发生，从而降低因超载而引发的交通事故。
本系统中智能检测的方法显得尤为重要。
其中，智能检测包括两部分：
第一是检测模块部分。
通过E3F-DS30C4反射式红外传感器和双D触发器对乘客的上、下车动作进行检测和判断。
第二是数据统计部分。
由单片机对接收的脉冲信号进行相应的加减计数运算，即完成统计乘客人数的功能。
只有对车内人数准确的监视，才能判断出是否超载，来避免交通事故的发生，从而达到防患于未然的现实意义。
系统的组成
系统结构框图如图所示。
主要包括：
检测电路（红外传感器和方向识别电路）、键盘电路、单片机系统、LED显示电路、继电器控制电路、报警电路六部分。
图系统的总体设计框图
系统各部分的基本功能简介如下：
反射式红外传感器
该传感器是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当探测器前方有障碍物时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
当探测器前方没有障碍物时，探测器输出端输出高电平，当检测到障碍物时，探测器输出端输出低电平。
因此，当有乘客经过车门完成一个上车或者下车的动作时就会产生脉冲信号，这样就完成了对乘客上、下车动作的检测，实现了将动作信号转换成电信号的功能。
方向识别电路
方向识别电路是由双D触发器组成的双稳态电路，它可以通过自身的逻辑电路，来实现辨向的功能。
方向识别电路与单片机的T0、T1口相连，当乘客上车时会产生一个相应的负脉冲信号，把其接入T0端作为乘客上车动作信号的输入端，从而实现辨别乘客运动方向的功能。
同理，当乘客下车时也会产生一个相应的负脉冲信号，把其接入T1端，即T1端作为乘客下车动作信号的输入端。
单片机系统
单片机是本系统的核心元件，它实现了对传感器所采集的信号的判断和处理，控制硬件部分的键盘电路、显示电路、报警电路从而完成客车超载的智能监控。
键盘
键盘采用4个独立式的按键来手动设置客车乘客人数的上限值，系统内的复位。
LED显示电路
该电路用两位共阴极LED数码管来即时显示，其系统开始时显示预置上限人数，当系统进入监控阶段则显示客车内乘客的即时人数。
继电器
在该系统中用继电器来模拟客车的启动装置。
若继电器断开，则代表客车已被锁定无法开启；若继电器闭合则代表客车恢复正常的启动，可以运行。
报警电路
报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，当接收到单片机的命令时进行相应的声光报警和解除报警。
第3章客车超载监控系统的硬件设计
系统的硬件设计是该系统设计成功与否的基础。
按照系统设计的总体方案，本设计采用模块化的设计思想。
硬件设计的主要组成部分：
检测电路、单片机最小系统电路、LED显示电路、继电器控制电路、声光报警电路、键盘输入电路。
客车超载监控系统的检测电路
在客车超载监控系统的检测电路中主要有：
传感器的选择、反射式红外传感器检测原理、方向识别电路的设计。
传感器的选择
在本系统中传感器的主要作用是完成上、下车乘客动作信号的检测，因而在对传感器选择时应尽量考虑实际需求。
其中包括适当的监测范围、灵敏度、调理电路简单、高性价比等。
常用的传感器有反射式红外传感器、超声波式传感器、激光雷达和MMW雷达等。
几种传感器的优缺点进行比较如表所示。
表传感器性能比较
传感器类型
优 点
缺 点
超声波
价格合理，夜间不受影响
测量范围小，对天气变化敏感
红外线
能直接测量，价格便宜
探测距离较近
视觉
易于多目标测量和分类，分辨率好
算法复杂，处理速度慢
激光雷达
价格相合理，夜间不受影响
对水、灰尘、灯光敏感
MMW雷达
不受灯光、天气影响
价格贵
其中超声波传感器的基本原理是超声波的直线传输特性。
传感器有一个超声波发射端，上电后发射超声波，另有一个超声波接收端，如果前方有障碍物，超声波反射回来被接收端接收，并在输出端输出一个响应的电平信号。
该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。
其优点是价格合理，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。
但是超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但可能在传输中受到其它信号的干扰，所以不能用于本系统。
视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。
其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。
但是算法复杂，处理速度慢。
雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。
主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。
近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用，但是仍存在性价比的问题。
本设计采用的是一种集发射与接收于一体的光电传感器。
检测距离可以根据要求进行调节。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。
该漫反射型光电开关检可以检测前方3-80cm（可以调节）；工作电压为5V直流电压。
工作电流小于10mA；输出驱动电流为100mA；使用温度范围为－40～70
；这是一种应用最为广泛的光电开关，它的直径为17mm，固定时只要在设备外壳上打一个17mm的园孔就能轻松固定，长度约45mm，引线长度为45mm。
反射式红外传感器检测原理
漫反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。
漫反射式光电开关工作示意图如图所示。
图漫反射式光电开关工作示意图
测量电路也是传感器组成的一部分。
由于传感器由敏感元件和转化元件组成，但转化元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制。
这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路。
随着集成电路技术的发展，传感器的测量电路也逐渐开始集成芯片化。
一般需要辅助电源供电。
测量电路的选择视转化元件的类型而定，常采用的有电桥电路、脉宽调制电路、振荡电路、高输入阻抗电路。
红外传感器采用E3F-DS30C4型光电开关，该传感器为漫反射式光电开关，漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。
粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度，而且被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。
当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时晶体管导通，负载得电工作。
该传感器探测距离为3-80cm，根据实际需要把车门两个传感器的探测距离调整为40cm。
方向识别电路的设计
在该系统的设计中，传感器单元的功能是检测乘客经过车门的动作信号，但是对乘客的具体上、下车的动作不能作出判断，因而采用方向识别电路对传感器的输出信号进行区分、判断就成为了一个必要的环节。
在本课题的设计中，反射式红外传感器安装在客车车门附近，其具体安置方法如图所示。
图检测传感器安放图
本系统对方向识别电路的设计采用了双D触发器，实现了对乘客方向的识别。
方向识别电路如图所示。
图辨别方向电路图
图辨别方向DXP电路图
如图所示，将双D触发器的复位端分别与7406相连。
由于双D触发器的置位端为低电平有效，将置位端接+5V电压，从而对置位信号进行屏蔽。
将D触发器的
端与
端连接起来，这样D触发器的特征方程为
。
当时钟信号CLK=0时，D触发器的
端和
端保持逻辑状态不变；当CLK=1时，即D触发器时钟信号的上升沿到达时，
端和
端的状态要进行翻转，转变成相反的逻辑状态。
其特性表如表所示。
表边沿触发器特性表
C
R
S
D
×
0
1
×
0
×
1
0
×
1
↓
0
1
×
↑
1
1
0
0
↑
1
1
1
1
当没有乘客经过车门时，传感器1、2均输出为高电平,经74F06反相处理后，输出为低电平。
触发器的复位端和置位端为低电平有效，在本设计中对触发器的置位端接入+5V进行屏蔽。
在没有乘客上车时，两个D触发器的时钟信号CLK1、CLK2均等于0,
=0,
=0,D1=0,D2=0。
如图所示，当有乘客上车时，乘客先经过1号传感器，此时传感器1输出信号为低电平，经第一个74F06后变为高电平，CLK1=0,CLK2=1；D1=0，D2=1；
=0，
=1,即
的状态发生翻转。
当乘客离开1号传感器时，由于此时CLK1=0,D1=0,R1=1，D1触发器的
和
端状态将会保持不变，CLK2=0,R2=1,
=1也保持为高电平状态。
当乘客进入2号传感器的检测范围时，传感器2输出信号为低电平，这样CLK1=1，CLK2=0；D1=1，D2=1；R1=1，R2=0；
和
逻辑状态要进行翻转
=0，
的状态仍保持不变。
在上车这一过程中，只有
和
状态发生了变化，从低电平变为高电平再变为低电平。
这样就产生了一个可由单片机T0端识别的脉冲信号。
根据本电路的设计，T0端为乘客上车动作信号的输入端，从而实现了辨别乘客运动方向的功能。
同理，当乘客下车时也会产生一个相应的脉冲信号接入T1端，在本设计中T1端是乘客下车动作信号的输入端。
双D触发器
在电子技术中，N/2（N为奇数）分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经N/2分频后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。
CD4013是双D触发器，在以CD4013为主组成的若干个二分频电路的基础上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成N/2分频电路。
工作原理:
SD和RD接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。
当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。
我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。
工作过程如下：
（1）CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。
同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。
（2）当CP由0变1时触发器翻转。
这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。
Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。
由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
（3）触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。
这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。
Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。
因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。
总之，该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。
与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。
脉冲特性:
（1）建立时间:
由于CP信号是加到门G3和G4上的,因而在CP上升沿到达之前门G5和G6输出端的状态必须稳定地建立起来。
输入信号到达D端以后，要经过一级门电路的传输延迟时间G5的输出状态才能建立起来,而G6的输出状态需要经过两级门电路的传输延迟时间才能建立,因此D端的输入信号必须先于CP的上升沿到达，而且建立时间应满足：
tset≥2tpd。
（2）保持时间：
为实现边沿触发,应保证CP=1期间门G6的输出状态不变,不受D端状态变化的影响。
为此，在D=0的情况下，当CP上升沿到达以后还要等门G4输出的低电平返回到门G6的输入端以后,D端的低电平才允许改变。
因此输入低电平信号的保持时间为tHL≥tpd。
在D=1的情况下，由于CP上升沿到达后G3的输出将G4封锁，所以不要求输入信号继续保持不变,故输入高电平信号的保持时间tHH=0。
（3）传输延迟时间：
从CP上升沿到达时开始计算,输出由高电平变为低电平的传输延迟时间tPHL和由低电平变为高电平的传输延迟时间tPLH分别是:
tPHL=3tpdtPLH=2tpd
（4）最高时钟频率：
为保证由门G1～G4组成的同步RS触发器能可靠地翻转，CP高电平的持续时间应大于tPHL,所以时钟信号高电平的宽度tWH应大于tPHL。
而为了在下一个CP上升沿到达之前确保门G5和G6新的输出电平得以稳定地建立，CP低电平的
升级会员 