(武漢工程大學(xué) 湖北 武漢 430200)

一、引言

目前，作為汽車主動(dòng)安全裝置之一的超速報(bào)警系統(tǒng)成為各國(guó)汽車行業(yè)的重要研發(fā)項(xiàng)目之一。通過多次研究超速現(xiàn)象造成的道路交通安全事故，我們得出超速對(duì)駕駛員的影響主要有駕駛員的視野變窄、動(dòng)視力下降、辨別近物的能力下降[1]。目前已上市的超速報(bào)警系統(tǒng)主要是采用激光、雷達(dá)以及影像傳感等方式。例如，我國(guó)四川中測(cè)電子科技有限公司生產(chǎn)的測(cè)速報(bào)警裝置。就國(guó)內(nèi)技術(shù)而言，遠(yuǎn)近雷達(dá)、電子傳感等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，生產(chǎn)更為先進(jìn)和人性化的超速報(bào)警裝置已成為可能。

本系統(tǒng)基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種超速報(bào)警裝置，主要目的是當(dāng)汽車行駛在不同限速路段時(shí)，依據(jù)不同路段速度的要求，利用按鍵輸入初始值來設(shè)定汽車最高的行駛速度，同時(shí)由液晶顯示屏顯示當(dāng)前的速度；再利用測(cè)速傳感器對(duì)汽車行駛速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)送入單片機(jī)；經(jīng)由單片機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)速度與設(shè)定速度進(jìn)行比較。若行駛的速度超過設(shè)定的最高速度，則警報(bào)器及時(shí)報(bào)警，提醒駕駛員降低行駛速度。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

(一)主控模塊

主控模塊由STC89C51為主體的最小系統(tǒng)構(gòu)成。包括單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路三部分[2]。如圖1所示，12MHz晶振來提供信號(hào)脈沖，引腳XTAL0和XTAL1構(gòu)成振蕩電路產(chǎn)生諧波，此處選用30pf的電容來保持電路的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)電平復(fù)位方式，通過RST(9引腳)端與電源接通來實(shí)現(xiàn)。按鍵后，RST端為高電平，上電后電容緩慢充電，RST端電壓逐步轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定的低電平，復(fù)位完畢。

圖1 STC89C51最小系統(tǒng)電路圖

1.按鍵引腳

13腳/14腳：該引腳為單片機(jī)的通用IO口，在此系統(tǒng)中作為按鍵輸入接口，按下鍵后將IO口電平拉低對(duì)報(bào)警速度進(jìn)行設(shè)置[3]。

2.并行I/O引腳

12腳：外部中斷信號(hào)輸入端0，該引腳引入霍爾傳感器測(cè)速電路，作為速度信號(hào)的輸入端。

(二)測(cè)速模塊

A3144E系列高溫霍爾效應(yīng)集成傳感器由穩(wěn)壓電源，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出放大器組成，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為數(shù)字電壓訊號(hào)?；魻杺鞲衅骱彤a(chǎn)生磁場(chǎng)的磁鋼需配對(duì)使用。

1.霍爾傳感器測(cè)速原理

測(cè)量車速需將車輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。該系統(tǒng)采用了M法(測(cè)頻法)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將兩塊永久磁鋼固定在車輪轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼也同步旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)盤下方安裝霍爾器件，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)受磁鋼的磁場(chǎng)影響，霍爾器件輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比[4]。脈沖信號(hào)的周期與車輪的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系[5]。式中，P為車輪轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)。

(1)

2.霍爾傳感器與單片機(jī)的連接

霍爾傳感器測(cè)速電路如圖2所示。

圖2 霍爾測(cè)速電路 圖3 LCD1602顯示電路 圖4 聲光報(bào)警電路

實(shí)際測(cè)量時(shí)，霍爾傳感器固定在底板上，與霍爾探頭相對(duì)的電機(jī)軸上固定兩塊磁鋼塊，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器發(fā)出兩個(gè)脈沖信號(hào)，將此信號(hào)接到C51的P3.2引腳。設(shè)定T0定時(shí)，每分鐘進(jìn)入P3.2引腳的脈沖個(gè)數(shù)即車輛的行駛速度。沒有磁鋼時(shí)輸出高電平，有磁鋼時(shí)輸出為低電平[6]。

(三)顯示模塊

本系統(tǒng)顯示裝置采用可以同時(shí)顯示32個(gè)字符(即16列2行)的字符型液晶LCD1602。如圖3所示，第3腳V0為液晶的灰度調(diào)整，本電路中第3腳與地之間的阻值為1k，與電源間的阻值為10k。第4～14腳都接單片機(jī)的I/O口。

(四)報(bào)警模塊

本系統(tǒng)采用的是聲光報(bào)警器，如圖4所示，9012型PNP三極管相當(dāng)于開關(guān)，單片機(jī)P1.0口輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器與發(fā)光二極管工作，報(bào)警電路工作；P1.0口輸出高電平時(shí)，報(bào)警電路停止運(yùn)作。

三、軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、脈沖計(jì)數(shù)程序、顯示模塊以及報(bào)警模塊程序的設(shè)計(jì)[7]。

(一)主程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序作用是實(shí)現(xiàn)硬件初始化、調(diào)用計(jì)數(shù)子程序、顯示和報(bào)警等功能。接通電源后系統(tǒng)初始化，提取已設(shè)置好的限速值，調(diào)用計(jì)數(shù)子程序完成對(duì)車速的檢測(cè)，并計(jì)算出車輛的實(shí)時(shí)速度。若測(cè)量的速度高于最初設(shè)定值，則主程序調(diào)用報(bào)警子程序，報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若測(cè)量的速度低于最初設(shè)定值，則主程序調(diào)用顯示子程序[8]。

void main()

{

init();//定時(shí)器初始化

lcd_init();//1602顯示屏初始化

while(1)

{

display();//時(shí)速顯示子程序

display_shangxian();//設(shè)置值顯示子程序

key();//超速值設(shè)置

alarm();//報(bào)警子程序

}

}

(二)脈沖計(jì)數(shù)程序的設(shè)計(jì)

STC89C51含有2個(gè)用于定時(shí)(T0、T1)和計(jì)數(shù)的16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。在計(jì)數(shù)模式下，T0和T1對(duì)單片機(jī)引腳P3.4和P3.5的外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。接通電源后，定時(shí)/計(jì)數(shù)器初始化，霍爾傳感器將速度信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化后輸送到可識(shí)別脈沖信號(hào)的單片機(jī)，開始進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器每過1s讀一次外部中斷計(jì)數(shù)值，此值即為脈沖信號(hào)的頻率。脈沖計(jì)數(shù)流程如圖6所示。

圖6 脈沖計(jì)數(shù)流程

(三)顯示模塊程序的設(shè)計(jì)

LCD1602顯示屏由C51驅(qū)動(dòng)進(jìn)行車速的顯示。通過相應(yīng)的程序設(shè)定將實(shí)時(shí)顯示出經(jīng)由計(jì)數(shù)脈沖計(jì)算的車速(r/min)、最高限定車速值和超速警告等信息。

void lcd_init()//液晶初始化函數(shù)

{

uchar a;

write_1602com(0x38);//設(shè)置液晶工作模式：16*2行顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)

write_1602com(0x0c);//開顯示不顯示光標(biāo)

write_1602com(0x06);//整屏不移動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移

write_1602com(0x01);//清顯示

write_1602com(0x80);//顯示固定符號(hào)從第一行第1個(gè)位置之后開始顯示

for(a=0;a<16;a++)

{

write_1602dat(tab1[a]);//向液晶屏寫固定符號(hào)部分

}

write_1602com(0x80+0x40);//顯示固定符號(hào)寫入位置，從第2個(gè)位置后開始顯示

for(a=0;a<16;a++)

{

write_1602dat(tab2[a]);//顯示固定符號(hào)

}

}

(四)報(bào)警模塊程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)道路車輛行駛的速度要求，將設(shè)置的最高車速連接到電源后報(bào)警模塊進(jìn)行初始化。將單片機(jī)計(jì)算得到的車輛實(shí)時(shí)速度與設(shè)定值進(jìn)行比較，若實(shí)時(shí)速度大于設(shè)定的最高速度，則報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警來提醒駕駛員減速。報(bào)警程序流程如圖7所示。

void alarm()

{

if(RPM>=shangxian)//判斷是否超過設(shè)定速度值

BUZZ=0;//超過蜂鳴器置0

else

BUZZ=1;//未超置1

}

(五)軟件調(diào)試與仿真

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們使用Keil c51和Proteus軟件來進(jìn)行程序編寫和系統(tǒng)仿真[9]。仿真結(jié)果分析如下：

(1)完成電路連接并載入程序，超速報(bào)警系統(tǒng)開始運(yùn)行。如圖8所示，LCD1602顯示屏顯示設(shè)定的最高速度為10000r/min，顯示正常。

(2)調(diào)節(jié)電位器來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速值超過10000r/min時(shí)，報(bào)警裝置開始運(yùn)作，如圖9所示，而當(dāng)轉(zhuǎn)速再次調(diào)整降到10000r/min以下時(shí)，報(bào)警裝置停止運(yùn)行，系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。

圖8 初始化仿真 圖9 報(bào)警狀態(tài)仿真

四、結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)的超速報(bào)警器，其仿真結(jié)果顯示該裝置運(yùn)行良好，并且所設(shè)計(jì)的功能都可以很好的完成。它能對(duì)汽車行駛速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在汽車的實(shí)時(shí)行駛速度超過限定速度時(shí)提醒駕駛員及時(shí)降速，從根本上規(guī)避了超速駕駛汽車這一交通安全隱患。由于社會(huì)的急速發(fā)展，汽車主動(dòng)安全的研究也快速被人們重視起來。超速報(bào)警器作為一種安全、有效的新型裝置為解決交通安全問題提供了一個(gè)相當(dāng)合適的方案。