汽车超速报警系统设计讲解.docx
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汽车超速报警系统设计讲解
基于单片机的汽车超速报警器的设计
摘要
为了降低车辆超速造成的交通事故，设计了一种利用89C51单片机对机动车超速行驶情况进行蜂鸣报警和灯光报警的系统。
随着国民经济的发展，机动车辆规模及流量大幅度增加。
为了保护司乘人员安全，降低事故发生率成为当务之急，在汽车装置中，设置超速警示系统，为车辆驾驶人员提供警示标志，以便驾驶人员提前减速，成为一种必要手段。
详细阐述了系统的总体设计方案，给出了界面模块与89C51接口电路，最后介绍了软件设计方法及程序流程图。
关键词：
89C51；传感器；界面模块
ABSTRACT
Designasoundalarmingsystemusing89C51singlechipwhichcanexamtheoverspeedmotorvehicleandmeanwhilegiveoutsound.WiththedevelopmentofthenationaleconomyScalesofmotorvehiclesareexperiencingasubstantiallyincensement.Assortingwithandinducingtraffictoprotectthesafetyofdriversandpassengers，reducingtheaccidentratebecomeaurgentaffair.Settingupspeedingalertsystemandsupplyingthedriverswith
Thesystemwithsimplestructure,highreliabilityandconvenientoperationcanwidelyusedonmotorbike,carandsoon.Thispaperdetailedlyintroducesthewholedesignschemeofthesystem、thecircuitoninterfacemoduleand89C51,themethodofthesoftwaredesignandprogramflowchart.
Keyword:
89C51;transducer;Interface-Modul
目录
第一章绪论1
1.1研究背景1
1.2系统设计方法1
1.3研究目的与意义1
1.3.1研究目的1
1.3.2研究意义2
1.4研究现状2
1.4.1国内外研究现状2
1.5研究内容4
第二章硬件部分设计4
2.1AT89C51单片机简介4
2.1.1管脚说明6
第三章系统总体设计7
3.1设计方案7
3.2测速传感器8
3.3界面模块9
3.4存储器扩展10
3.5抗干扰设计10
3.6软件设计11
3.7主程序11
3.8监测车辆速度12
3.8.1GPS车速检测12
3.8.2跟踪流程13
3.9键盘中断子程序15
3.10报警子程序15
3.11显示子程序设计15
3.11.1信息显示的方式选择15
3.11.2LED显示屏的优点16
3.12RAM数据保护的条件陷阱16
4总结17
参考文献18
致谢19
第一章绪论
1.1研究背景
随着我过国民经济和汽车技术的飞速发展,本课题针对汽车运行的安全,设计了由单片机作为中央控制单元的汽车报警系统,主要设计汽车超高速报警功能，该设计将单片机的实时控制及数据处理功能与传感器的转换技术相结合，充分的利用了AT89C51的内部资源，使报警系统的工作于最佳状态，从而提高系统的综合反映灵敏度，使报警系统及时准确，实现汽车多功能的报警控制，最大限度的保护消费者的利益[1]。
所设计的报警系统对出现的危急情况能够及时进行声、光、网络报警级响应的显示，提醒车主或驾驶员尽快地采取响应的措施，有效的保护自身和他人的利益和安全，尽快的降低事故发生率。
随着国内机动车数量的迅速上升，交通事故也呈现上升趋势。
根据2003年我国交通事故统计发现，2003年全国共发生道路交通事故567753起，造成99217人死亡、451810人受伤，直接财产损失27.7亿元。
其中车辆超速行驶造成交通事故的比例占16%左右，共造成19741人死亡，88180人受伤，在交通事故原因中仅次于无章驾驶所造成的危害[2]。
本文从驾驶员角度出发，设计了一种超速报警系统。
该报警系统允许驾驶员通过系统自带键盘设置本车辆安全行驶的最高速度。
当车辆处于行驶状态中，该系统通过测速传感器时刻监测机动车辆，并通过6位LED显示车辆的实际车速和用户设置的安全参数，当发现车辆速度超过驾驶员设置的最高值时，蜂鸣器开始报警，警告灯不断闪烁，提醒驾驶员减速，达到防患于未然的目的。
1.2系统设计方法
该报警系统硬件主要包括以下四大模块：
89C51单片机主控板、传感器模块、报警模块和显示模块等。
其中89C51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，报警模块主要负责报警和灯光报警，显示模块完成字符、数字的显示功能[3-4]。
1.3研究目的与意义
1.3.1研究目的
利用现有技术:
雷达视频测速、车牌识别与LED电子显示屏进行超速警示，在系统设计中，为达到最优的性价比，将遵循以下设计原则[5]:
合理性:
以系统工程学及其它先进理论指导，使系统的各部分合理配置，有机融合并尽可能地发挥设备潜力和软件功能，最大限度地提高系统性能价格比。
先进性:
采用先进设备，使系统功能完备，易于升级换代，在保证其先进性的前提下具有较长的生命周期。
实用性:
系统功能充分满足车辆检测、警示超速车辆的实际需求，简便实用，易于使用、管理、维护和扩展。
可行性:
系统设计、选材、选型等选取高科技新产品，符合国家和地方政府的法规政策和标准，与管理部门的管理制度相适应。
经济性:
充分利用所选择的设备，控制整体设计的成本，与经济能力方面的实际情况相吻合。
可靠性:
采用高集成设备，采用自动监测、自动监控和容错等技术来保证可靠性。
安全性:
系统具有防病毒、防震、防灾、防误操作能力，较强的抗干扰、抗静电能力，以及数据备份、数据恢复等功能。
还将提供用户等级权限保护，有效排除人为因素的干扰。
1.3.2研究意义
高精度、高速度、经济实用动态实时的车辆超速警示系统，将为公安机关与交理部门提供有效的技术手段，使公安机关与交通管理部门有效地实施超速管理，保车安全、行人安全、财产安全有着显著的社会效益和经济效益。
同时，还具有以下有点：
1、不同于传统的检测系统，能够改变现场值勤、现场发现违章、现场处罚的交通超速的管理模式，节约警力资源，提高了超速警示的作用;
2、它基于硬件与软件相结合的检测警示模式不仅更具智能性，而且具有多功特点，可以进行多种交通违章行为的监控;
3、能够为处理超速车辆提供准确有力的证据，同时也给超速车辆提供警示;
4、能够利用软件对雷达视频检测的数据进行处理分析，自动获取超速车辆信使视频资源得以充分利用。
1.4研究现状
智能交通系统是在科学技术发展的背产生的大范围、全方位、实时、高效的交通管理系统，它将先进的信息、数据通信子控制及计算机处理等技术有机的融合，运用于地面交通管理体系。
主要是使汽车路的功能智能化，从而保障交通安全、提高交通效率、改善城市环境、降低能源消即在较完善的道路设施基础上，将先进的智能交通理论与高新技术集成并运用于道通的整个过程，以协调车、路、人。
智能交通系统强调的是系统性、实时性、信息性以及服务的广泛性，与原来的交通管理与交通工程有着本质的区别。
1.4.1国内外研究现状
随着智能交通的发展，美国正在研究和部署车辆避碰、司机与车辆监控、与乘坐者安全性能改善等工作。
欧洲正在支持开发聪明（smart）的约束系统，制用信息与通信系统的道路安全长期计划，开展为优化人机界面和道路安全的远程信理“智能道路”的研究和示范，通过标准和使用者信息提高隧道中的安全，建立卫位事故警示系统等。
澳大利亚也正在用智能交通系统新技术改善道路安全。
美国是世界上公路最发达的国家之一，从上个世纪50年代中期就开始按照公规划进行大规模建设，目前已实现了纵横交错、四通八达的现代化公路网络，高速公路总长度己达10万公里。
但是随着经济与社会的发展，公路交通量与日俱增，其交通堵塞、交通拥挤与交通肇事等现象日益增多。
且公路占地多、环境污染和财力不足等诸多原因，美国己不再主要用修建更多公路的办法来解决交通问题，而是致力于用高科技改造现有公路网的技术状况和完善交通管理体系，以提高现有路网的通过能力，适应当前和未来交通量大幅度增长的社会需求。
从2000年到2006年，美国准备投资2000亿美元构造全国ITS。
并且在洛杉矶等地开发使用ITS。
应用计算机系统监控全市的交通状况和系统自身性能;道路上埋设的感应线圈可检测车辆的车速，车流量及道路占用情况，并可在一秒钟内实时修改数据;交通信号可由计算机根据实际情况进行自适应调整或人为干涉;关键路段和重点地区配有摄像机实时监控交通情况。
现在，美国的ITS正在研究将城市地区开发的交通管理技术和系统功能推广应用，通过先进的电子通信技术，提高行车的安全性，方便外国游客出行。
系统包括为驾驶员和事故受害者提供援助的无线紧急呼救系统，恶劣道路和交通环境的实时警告系统，以及有关服务设施和旅游路线、景点等信息系统。
在日本，ITS的发展始于20世纪70年代，其显著特点就是政府有关各部门共同参与，密切合作，以保证在技术发展过程中没有遗漏。
从1973年到1978年，日本投入了大量的人力和资金，成功地组织了一个“动态路径诱导系统”的实验。
在20世纪80年代中期到90年代中期的10年时间，日本相继完成了路车间通信系统（以cs）、交通信息通信系统（TICS）、宽区域旅行信息系统、超智能车辆系统、安全车辆系统及新交通管理系统等方面的研究。
1993年7月，日本“车辆、道路与交通智能协会”成立，从而在与ITS有关的五个部，即建设省、通产省、邮政省、运输省和警察厅之间建立了协调工作机制。
综合分析ITS，上述5个部在1995年提出了日本《公路.交通·车辆领域的信息化实施方针》，其目的在统一的规划下推进其工作。
ITS由导航系统、自动收费系统、安全驾驶6援助系统等9个开发领域和20个用户服务功能构成〔6]。
欧洲的ITS研究开发是由官方（主要是欧盟）与民间并行进行的。
同时，由于欧洲的大部分国家国土面积比较小，因此，ITS的开发与应用是与欧盟的交通运输一体化建设进程紧密联系在一起的。
1969年欧共体委员会就提出要在成员国之间开展交通控制电子技术的演示。
从1986年起，西欧国家开始在“欧洲高效安全交通系统计划（PROMETHEUS）”和“保障车辆安全的欧洲道路基础设施计划（D砒VE）”两大计划指导下开展交通运输信息化领域的研究、开发与应用。
1988年由欧洲10多个国家投资50多亿美元，联合执行旨在完善道路设施，提高服务质量的D班VE计划。
目洲各国正在进行Telematics的全面应用开发工作，计划在全欧范围内建立专门的无线数据通信网。
智能交通系统的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕Tele和全欧无线数据通信网来展开。
欧洲民间也联合搞了一个叫PROMETHEUS的计即欧洲高效安全交通系统计划[6]。
其它国家，如韩国政府于2001年3月制订了全新的RRS计划:
RRS蓝图21，投入75亿美元，建成包括汽车及高速公路系统，先进交通管理系统，电子收费系统个先进的RRS子系统。
而新加坡的ITS研发也具有了较高的水平，其已建成的系统:
城市高速路监控系统（EMAS），优化交通信号系统（GLIDE），出行者信息服务系统。
1.5研究内容
近年来我国加强了对超速行驶的治理力度。
在组织上，投入了大量警力，经常组织专项治理活动;在设备上，陆续引进了一些先进的雷达测速系统和固定式测速抓拍系统，对违章超速的监督力度得到显著加强。
但与西方国家相比，在治理的系统性上，尤其是在体系管理方面，尚有一定差距。
如何做到实时监控检测，进一步改进测速方式。
具体在本论文中研究以下内容:
在测量车辆速度上，选择适合的雷达与摄像设备以及良好安装位置与安装角度。
算法上，改进对测速算法和其他去干扰的噪声算法，提高测速速度，完成车辆测速，减少误差。
应用LED，通过现代的通信方法，进行超速的人性化警示，进而完成系统的设计。
通过雷达与摄像设备检测车辆信息，安装简便、价格便宜，建设施工难度不大，应用范围广，且有利于升级改造;利用视频图像处理，实时图像信息，对超速车辆抓拍，进行车牌定位字符分离，字符识别，从而完成车牌识别;结合雷达与摄像设备检测的车辆速度，利用LED与现代的通信技术，对超速车辆进行超速警示，实现高速公路的交通超速警示，这对减少交通事故，进行实时监测，与事后的责任认定，具用良好的实际应用价值。
第二章硬件部分设计
2.1AT89C51单片机简介
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。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次[7]。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图1所示:
图1外形及引脚排列
其主要特性：
··与MCS-51兼容；
·4K字节可编程FLASH存储器；
·寿命：
1000写/擦循环；
·数据保留时间：
10年；
·全静态工作：
0Hz-24MHz；
·三级程序存储器锁定；
·128×8位内部RAM；
·32可编程I/O线；
·两个16位定时器/计数器；
·5个中断源；
·可编程串行通道；
·低功耗的闲置和掉电模式；
·片内振荡器和时钟电路；
2.1.1管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
第三章系统总体设计
3.1设计方案
该系统硬件主要包括以下四大模块：
89C51单片机主控模块、传感器模块、报警模块和显示模块等。
其中89C51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和灯光报警;显示模块完成字符、数字的显示功能。
系统总体设计方案如图2所示。
图2系统总体设计
本系统采用89C51单片机作为控制核心，并将其工作频率设置为12MHZ，方便计数器对速度传感器产生的脉冲进行计数。
89C51具有32根I/O口线，其中P0引脚用于连接外部锁存器74LS373芯片的D0-D7引脚、外部存储器6264芯片的D0-D7引脚以及8155芯片的AD0-AD7引脚；P2.0-P2.4引脚作为地址高5位连接到6264芯片的高地址引脚；P1.0用于控制扬声器；P1.1用于控制警报灯；P3.5引脚连接速度传感器的开关，将其脉冲信号输入计数器1；P3.6和P3.7引脚作为外部存储器和8155的读写选通信号；其余引脚悬空。
89C51单片机还具有低功耗和低电压的特点，所以可以利用电池对系统进行供电。
但89C51内部数据存储器容量较少，为满足系统需求，采用了外接RAM芯片的方法对其进行扩展。
3.2测速传感器
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[8]。
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，其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计数器1的P3.5引脚，作为计数器1的计数脉冲信号。
89C51利用定时器T0定时一段时间后，然后提取T1中的脉冲个数，经过公式计算就可测量出车辆行驶的瞬时速度。
图3是霍尔开关集成传感器的内部框图。
图3霍尔开关集成传感器的内部框图。
它主要有稳压电路霍尔元件、放大器、整形电路及开关输出5部分组成。
稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开关输出可使该电路方便的与各种逻辑电路连接。
当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压，该电压经放大器放大后送至整形电路。
当放大后的霍尔电压大于“开启”阀值时，电路反转输出高电平，使三极管导通，并具有拉流的作用，整个电路处于开状态。
当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后其值还小于“关闭”阀值时，整形器又翻转，输出低电平，使三极管截止，电路处于关状态。
这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。
其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置，汽车行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生的开关信号输入到单片机的计数器T1引脚。
89C51的定时器0定时一段时间后，提取T1中的脉冲个数，就可计算出汽车行驶的瞬时速度。
3.3界面模块
界面模块包括键盘、LED数字显示器、蜂鸣器以及报警灯的设计。
接口电路如图4所示。
图4界面接口电路
为了节省I/O口线，系统由8155芯片将键盘与显示器接口电路组合在一起。
图4中8155的C口作为键盘的行扫描输出口，只设置了12个按键。
8155的A口作为键盘的列选口和6个LED的位选口，LED为共阴极，而8155的B口作为6个LED的段码输出口。
LED的段选口均采用8位集电极开路的驱动器8718进行驱动。
P1.0端口用导线连接到音频放大模块区域中的SPKIN端口上，在“音频放大模块”区域中的SPKOUT端口上接上一个8欧的或者是16欧的喇叭，进行声音报警。
P1.1端口接警报灯。
当输出高电平时，警报灯亮；输出低电平时，警报灯灭。
当车辆超过设置的安全参数时，系统通过该引脚不断的输出高低电平，达到闪烁的警报效果。
3.4存储器扩展
为了存储程序和数据的运算，系统采用INTEL的6264芯片，扩展8K的数据RAM。
数据存储器6264引脚图如图5所示。
图5数据存储器6264引脚图
SRAM的典型芯片有2KB的6116、8KB的6264以及32KB的62256,其中6264芯片应用最为广泛。
Intel6264是8K×8SRAM，单一的+5V电源，所有的输入端和输出端都与TTL电路兼容。
它的电路原理图逻辑符号如图5所示。
其中，CS为片选信号，OE为输出允许信号，WE为写信号，A0~A12为13根地址线，D0~D7为8位数据线。
3.5抗干扰设计
由于本仪表系统是为汽车、摩托车设计的，而汽车、摩托车的点火系统有较强的电磁干扰，另外车辆移动性大，有可能处于较强电磁干扰的环境中，因此必须采取抗干扰措施，否则系统难以稳定、可靠运行。
为提高其抗干扰性，采用了电源抗干扰措施、过压保护电路措施等，达到系统的电气与外界电路完全隔离，物理上作到完全屏蔽，防止空间的电磁辐射。
除此之外还采用了软件抗干扰编程和软件“看门狗：
技术。
3.6软件设计
该系统软件主要由主程序、数据采集与A/D转换子程序、键盘中断子程序、告警子程序、显示子程序等模块组成。
因为实时控制系统必须考虑时间的精确度，所以采用汇编语言编写。
3.7主程序
主程序主要完成硬件初始化、子程序调用以及显示、报警等功能，主程序流程图如图6所示。
图6主程序流程图
3.8监测车辆速度
3.8.1GPS车速检测
GPS是全球卫星定位系统的英语缩写，由遍布全球的24颗全球定位卫星组成。
目前，全球GPS技术应用范围越来越广，价格也越来越低。
GPS是真正实现了全球、全天候、连
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