基于單片機的超速報警器的電路設計第1章前言 11.1研究意義 11.2超速報警器思路 1第2章超速報警器硬件設計 22.1單片機最小系統 22.1.1單片機的選用 22.1.2時鐘模塊硬件電路 32.1.3復位電路 42.1.4振蕩電路 52.2外接采集節點模塊電路 62.2.1顯示電路設計 62.2.2鍵盤電路設計 72.2.3蜂鳴報警器 82.2.4信號轉換部分的設計 92.3超聲波測速模塊 102.3.1超聲波發射模塊 102.3.2高頻變壓器的設計 102.3.3超聲波接收電路處理模塊 112.4GPS定位模塊 122.4.1GPS的電路圖 122.4.2GPS接收機 13第3章超速報警器系統軟件設計 153.1匯編語言 153.2超速報警器主程序設計 153.3超速報警器其他子程序設計 163.3.1數據采集處理子程序 163.3.2車速測量子程序 164.2.3GPS模塊定位數據的采集 173.2.4系統顯示子程序 183.2.5報警子程序程序設計 19結論 20參考文獻 21第1章前言1.1研究意義在當今時代里，汽車是最普遍的交通運輸工具，交通事故發生的頻率也不斷增加，每年由于司機超速行駛而產生的交通事故很多，因此造成的經濟損失很多。超速行駛所帶來的危害是多方面的，一是安全可靠性降低；二是碰撞時沖擊破壞力大，多為惡性事故；三是在制動效果上，車速每增加一倍，制動距離約增加四倍；四是超速行駛時駕駛員精神緊張，心理和生理能量消耗大，容易疲勞；五是在彎道上行駛，車輛的穩定性降低，車速越快越易發生翻車事故。鑒于超速情況越來越嚴重，有必要來設計簡單耐用的汽車超速報警器來滿足基層汽車消費者的市場需求。1.2超速報警器思路基于單片機的超速報警器電路是一個具有數字顯示功能的單片機系統，通過速度顯示電路得知車輛當前速度輸出，當達到所設定的速度上限時通過報警電路進行報警，使駕駛人員得知車輛已經超速，使駕駛員做出反應，以保證駕駛人員的人身安全。數值通過與單片機內部設定值相比較。如果超過了鍵盤輸入的最大值則可判斷汽車超速，然后通過蜂鳴器報警提示。數值通過與單片機內部設定值相比較。如果超過了鍵盤輸入的最大值則可判斷汽車超速，然后通過蜂鳴器報警提示。報警電路單片機報警電路單片機電源電路電源電路顯示電路顯示電路時鐘電路超聲波測速電路時鐘電路超聲波測速電路復位電路按鍵電路復位電路按鍵電路圖1.1超速報警器總原理圖第2章超速報警器硬件設計第2章超速報警器硬件設計正所謂硬件是基礎，軟件是靈魂，打好基礎是相當關鍵的。該系統的硬件主要包含的模塊有：單片機最小系統、速度采集模塊、報警模塊、超聲波測速模塊等。2.1單片機最小系統2.1.1單片機的選用AT89C51單片機作為主控制器的微處理器，是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位有4K字節的閃存微控制器是可擦寫只讀程序存儲器和128字節的隨機存取取數據存儲器（RAM）中，裝置采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲器技術生產，與標準MCS-51指令，8-芯片，通用的中央處理單元（CPU）和閃存單元兼容。如果RST持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。每次復位后，單片機的程序都會從第一條開始從新執行。單片機系統的硬件電路原理圖如圖2.1所示。目前的單片機開發系統只能夠仿真單片機，卻沒有給用戶提供一個通用的最小系統。由設計的要求，只要做很小集成度的最小系統應用在一些小的控制單元。圖2.1單片機最小系統圖2.2AT89C51單片機系統的硬件電路原理圖2.1.2時鐘模塊硬件電路DS1302是一個高性能，低功耗的實時時鐘芯片，DS1302與微控制器連接只需要三個線，采用三線SPI接口與CPU進行同步通信發送時鐘信號或多個字節的數據RAM。DS1302為每一位讀者需要16個時鐘脈沖，8地址前脈沖輸入操作和寫命令。DS1302讀取和寫入實時數據，用于定時控制照明燈具的啟停。在本系統中，AT89C51為主器件，DS1302為從器件，而從器件則相應接收數據、送出數據。即SCLK、I/O、RST。其中位7必須為1；位0為0時向芯片寫入數據，為1時從芯片讀出數據；位6～位1選定芯片中的地址。后8個脈沖寫入或讀出數據。本次系統設計中系統時鐘所采用的晶振為50MHz的有源晶振，該有源晶振主要采用3.3V的直流電源作為系統時鐘電路的供電電源。經實際電路測試，該時鐘電路可以穩定輸出50MHz的時鐘頻率，在示波器中實際測試觀察可以看到頻率中的紋波很小幾乎可以忽略不計，該時鐘電路是單片機最小系統中常用的系統時鐘電路，因此該設計電路非常可行，穩定性也很好。圖2.3時鐘模塊硬件電路圖2.1.3復位電路在MCS系列的單片機中，普遍采用的復位電路便是如圖4.4所示的復位電路，其有效時間就持續24個振蕩周期以上才能完成復位操作。T89C51的復位信號是從REST引腳輸入到芯片內的施密特觸發器中的。當系統處于正常工作狀態時，且振蕩器穩定后，如果REST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統復位。RST引腳是復位信號的輸入端，復位信號為高電平有效，在RST端出現一定寬度的正脈沖，能有效有實現上電自動復位和手動復位。在12MHz時鐘時，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，需持續2μs以上才能完成復位操作。圖2.3晶振電路與復位電路隨時間的增加，電容上面的電壓值慢慢增大，而RST引腳上的電壓值逐漸降低，當RST引腳的電壓值降低至低電平時，單片機恢復到正常狀態，稱為上電復位。2.1.4振蕩電路單片機內部有一個高增益、反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。通過這兩個引腳在芯片外并接石英晶體振蕩器和兩只電容（電容和一般取33pF）。這樣就構成一個穩定的自激振蕩器。振蕩電路脈沖經過二分頻后作為系統的時鐘信號，再在二分頻的基礎上三分頻產生ALE信號，此時得到的信號時機器周期信號。振蕩電路如圖2.4所示：圖2.4振蕩電路2.2外接采集節點模塊電路根據原理圖該系統主要可分為鍵盤部分，顯示部分和蜂鳴器4部分，每部分協調工作，來實現超速報警信號監測功能。2.2.1顯示電路設計液晶顯示采用LCD12864，這樣就算是在不使用計算機的情況下，控制系統系統也能正常運行，并且能具有直觀的可視性。顯示電路主要是通過鍵盤，實現醫院實驗室的各功能設定、當前參數等設定。利用龍丘提供的12864OLED顯示屏可以很清晰的在檢測裝置查看當前環境各項指標，龍丘提供的方案有I2C、SPI、I/O并行通訊等方式，我們選用占用MCU資源較少的I2C方案，實體及原理圖2.5如下：圖2.5LCD12864參數利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。下圖是顯示原理圖2.6：圖2.6LCD顯示原理圖本設計的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。本系統可以通過鍵盤來設置測速數據狀態，具有良好的人機交互功能。2.2.2鍵盤電路設計鍵盤是最常見的人機接口設備，通過鍵盤人們可以向AT89C51單片機輸入各種操作指令和數據，AT89C51單片機捕捉到這些按鍵信息后，有AT89C51單片機進行相應的處理。由于一般人按鍵會有抖動，抖動信號造成鍵盤掃描時會出現一些錯誤的信號，要不就是掃描不進數據，要不就是重復輸入很多次數據，因此需要有一個消除抖動的程序。讓單片機不響應一些相關的抖動信號，而只響應一次確實存在的按鍵信號。消抖動程序是這樣實現的，本設計采用AT89C51單片機處理，按鍵是采用行列式鍵盤。圖2.7鍵盤電路原理圖圖2.8鍵盤示意圖2.2.3蜂鳴報警器聲音檢測模塊駐極體傳聲器作為檢測器，通過電平變換電路，在有麥克風的聲波，晶體管基極偏置，使得在流動方向上的駐極體傳聲器急劇下降的內部電阻，使晶體管的變化，從而達到聲音，以確定是否為目的。蜂鳴器是利用三極管處于開關狀態時，具有導通與截止兩種工作狀態，相當于電鍵的閉合與斷開，在三極管導通時，蜂鳴器工作，三極管截止時，蜂鳴器不工作。三極管采用8050NPN型晶體管，將其基極接于P2.6口，當其為高電平時三極管導通，當其為低電平時三極管截止，如圖2.9所示。當測速存在超速后，蜂鳴器會發出聲音進行提示。圖2.9蜂鳴器與單片機的接口電路圖報警電路路如圖2.9，其中單片機的P2口進行控制，P2口的P2.3～P2.6分別控制4個發光二極管，予以報警，如圖所示。2.2.4信號轉換部分的設計圖2.10A/D轉換電路圖ADC0808采樣分辨率為8位，逐次逼近原理、d/a轉換裝置。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址鎖存器信號解碼后，只有門8模擬輸入信號的A/D轉換。22（ALE）：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。6(開始):A/D轉換啟動脈沖輸入，輸入一個正脈沖寬(至少100ns)讓它開始下降沿(脈沖上升沿0809恢復，開始的A/D轉換)。數據輸出允許信號，輸入，高電平有效[[]祝世峰.基于GPRS網絡移動車輛監控調度系統的設計與實現[D].山東大學2005][]祝世峰.基于GPRS網絡移動車輛監控調度系統的設計與實現[D].山東大學20052.3超聲波測速模塊2.3.1超聲波發射模塊為了使選通信號CH_CLOSE作用，須經過SN74F00D四路與非門，輸出信號的波形將由選通信號CH_CLOSE決定。各輸出半波信號，合起來形成一個完整的波形。驅動電路如圖2.11所示。圖2.11邏輯驅動電路的設計2.3.2高頻變壓器的設計為了驅動工作電壓為1000V，額定頻率為26KHZ的超聲波換能器，必須將上述所得到的PWM波經過高頻變壓器來輸出高頻高壓信號。壓電材料的這種周期性的形變帶動周圍的介質周期的往復運動，這樣就把超聲波信號發送到介質中去。在磁芯確定的基礎上來確定繞組的阻數，對于本設計采用的雙端（推挽式）變壓器來說，理論上磁通密度正負對稱。圖2.12發射電路圖2.3.3超聲波接收電路處理模塊（1）精密放大電路本設計中采用了收發一體式的超聲波探頭，因而較大發射信號直接進入接收電路，對接收信號有一定的干擾。接收到的超聲波回波信號經過接收電路處理后，輸出含有流速信息的模擬信號，進入數字信號處理電路進行后續處理。為此在精密放大之前必須經過二極管雙向限幅環節對接收信號放大器的輸入電壓進行箱位，來保護后續的放大電路。如圖2.13所示。圖2.13前置放大電路（2）帶通濾波電路這里的帶通濾波器采用單個集成運放構成壓控電壓源二階帶通濾波電路，如圖2.14所示。圖2.14帶通濾波電路2.4GPS定位模塊2.4.1GPS的電路圖此次選擇的GPS模塊為深圳百年星科技有限公司生產的ET-387。GPS信號模塊安裝于車輛的隱蔽位置，接收車輛當前的GPS位置信息，并依據系統要求分析車輛的狀態數據，響應車主的功能控制，并及時準確的將這些信息依據監控管理中心要求上傳。由于沒有初始化模塊上電后定位數據發送和接收模塊可以自動，所以不需要控制操作，系統不需要發送控制命令GPS模塊。其GPS模塊的連接圖如圖2.15所示。圖2.15GPS電路連接圖圖2.16GPS模塊硬件接口電路把GPS模塊和單片機相連接，GPS的引腳TXA和RXA分別連接單片機RXD和TXD引腳，引腳VCC接電源，引腳GND接地，單片機通過USB數據線與電腦相連接。由于GPS模塊的時刻接收衛星數據和輸出的模塊自動TXD從衛星定位信息到單片機，當GPS模塊通電后，打開上位機可以接收GPS接收數據，并顯示在計算機上[[]蘇永紅.基于物聯網的物流車輛監控系統的設計與實現[J].計算機與數字工程.2011(07)][]蘇永紅.基于物聯網的物流車輛監控系統的設計與實現[J].計算機與數字工程.2011(07)2.4.2GPS接收機GPS信息接收模塊通過GPS接收天線接收GPS定位衛星信息，當其收到4顆以上的衛星信息時，便可以計算出自身（同時是車輛）的三維坐標：經度、緯度、高度以及方位角等信息，并通過串口將數據傳送到系統控制模塊進行處理。微處理器是接收機的核心，負責整個系統的管理，控制和實時數據處理，軟件的操作下，衛星接收機，接收信息采集，放大，識別、存儲、處理和輸出有用的定位信息、速度和時間信息。如圖2.17所示為TC35i連接腳示意圖。圖2.17TC35i連接腳第3章超速報警器系統軟件設計第3章超速報警器系統軟件設計3.1匯編語言匯編C語言是單片機編程語言的一種重要形式，也是最常用的在今天的單片機開發人員程序開發的語言形式。匯編語言是一種替代機器語言的編程語言。匯編語言的特點是每個指令助記符。并進行目標程序、檢查修改程序中的錯誤，對程序運行結果進行分析，直到正確為止。因此，本系統采用C語言來進行系統的軟件設計，本次設計軟件調試的環境是KeiluVision4。3.2超速報警器主程序設計圖3.1程序流程圖3.3超速報警器其他子程序設計3.3.1數據采集處理子程序轉換器初始化轉換器初始化選中轉換通道接收轉化后的數據接收多路器地YN數據處理圖3.2A/D轉換子程序流程通過單片機輸出多路復用器地址Dl多路復用器移位寄存器。上述擴張過程可以實現數據轉換從模擬到數字量[[]C.Krishnamurthy.UsingSMStoDeliverLocation-basedServices.2002IEEEInternationalConferenceonPersonalWirelessCommunications.2002]。數據處理主要包括數字濾波、十進制轉化和查表。經過數據處理，其中包括過濾和十進制轉換，然后查表數據到字體大小，用于顯示，程序流程圖如圖3.2[]C.Krishnamurthy.UsingSMStoDeliverLocation-basedServices.2002IEEEInternationalConferenceonPersonalWirelessCommunications.20023.3.2車速測量子程序圖3.3車速測量子流程圖當系統判斷測速數據有效時，需要對測量出來的數據進行顯示，本次設計是針對速度在60km/s以下運動物體速度測量，顯示保留兩位小數，即利用3位顯示。測速系統程序由按鍵s1控制單片機發送方波，方波的發射是靠單片機產生方波，由P2.5口發出，周期的控制由高低電平時間來實現，設計要求產生40KHZ的方波，所以控制方波的周期為25us，即高電平12.5us，低電平12.5us。4.2.3GPS模塊定位數據的采集通信模塊通過GSM網絡接收從車載端傳來的GPS數據或向車載端發送命令。GPS信號接收機信號發送的GPS衛星用于確定衛星位置空間，可以計算空間衛星和用戶接收機之間的距離。GPS模塊獲得當前車輛從GPS衛星定位信息，包括車輛信息如經度、緯度的當前位置和速度，而每次收回的這些重要信息都是集成在一個字符串中，這一部分的工作是NMFA-0183協議按照規則字符串分解，提取所需的信息，實現部分的功能流程圖如圖3.4所示。打開串行口、設置波頻率打開串行口、設置波頻率設置定時器為1秒、定時讀串行口開始Y提取UTC時間并轉換為北京時間判斷接受狀態是否有效刪掉復制語句中的表頭復制該語句并從緩存中刪掉該語句讀取串行口1緩存、判斷是否GPRMC語句？分別提取經緯度和速度提取UTC日期NYNY圖3.4GPS信息的采集和提取流程圖3.2.4系統顯示子程序因為通過模數轉換模塊，使單片機的數據以16進制儲存于寄存器當中，為了讓LED顯示需要轉換為BCD碼。本次采用軟件消抖，通過調用子程序延時來解決，可以很好地解決單片機的