汽車車型進行自動識別系統(tǒng)設計

1、摘 要目前由于交通建設的高速發(fā)展，公路，橋梁等收費有償類交通設施的建設越來越多，相應對其交通控制管理及收費方式的要求也在不斷提高。目前車型的大小主要靠人工判斷，還沒有達到智能化。如果能夠對汽車車型進行自動識別，就可以為公路的智能化收費系統(tǒng)的實施解決了關鍵問題。所以本系統(tǒng)針對以上問題進行設計。本文簡要介紹了8位單片機AT89S52，并詳細闡述了利用單片機實現(xiàn)車輛車型自動檢測的設計方案。主要以超聲波傳感器為檢測元件；下位機與主PC機通信所構成的系統(tǒng)。AT89S52單片機作為整個下位機系統(tǒng)的核心，通過軟件編程，來采集車輛信息從而達到車型的自動識別與收費控制。本系統(tǒng)可分為硬件設計和軟件設計兩部分。在硬

2、件設計部分對系統(tǒng)主要組成，設計方法選擇做了詳細闡述。硬件電路由單片機、顯示電路、報警電路、檢測電路、電源電路、欄桿控制電路組成。軟件部分采用匯編語言編寫。軟件設計中給出了程序的流程圖、初始化程序、以及檢測程序、控制程序。關鍵詞：單片機AT89S52；超聲波傳感器；RS232；車型檢測AbstractAs the current rapid development of transportation construction, highways, bridges and other fees paid transport facilities such as the construction o

3、f more and more, corresponding to its traffic control management and pricing requirements are also rising. The current models rely mainly on the size of judgement, has not yet reached intelligent. If the Automatic Vehicle Identification, we can intelligent highway system in the implementation of the

4、 settlement of the key issues. Therefore, the system designed for the above-mentioned problems.System gave a briefing on 8-bit microcontrollers AT89S52, and elaborate on the use of MCU vehicle inspection system design. Focused on the practical applications of SCM in the merits. Introduced to ultraso

5、nic sensors to detect components; under the crew and the main phase of PC communications systems. AT89S52 SCM as a whole under the crew the heart of the system, through software programming, to collect information vehicles to reach the semi-automatic charging the purpose. The system can be divided i

6、nto the design of hardware and software design in two parts. System and the main component of the structure, design methods and equipment choices made elaborate. Hardware circuit by the microcontroller, display circuit, alarm circuits, detection circuit, the power circuit, railings control circuit.

7、And gives a detailed flow chart of the design process, initialization procedures and testing procedures, control procedures. Assembly language software used to prepare. Key words: SCM AT89S52; ultrasonic sensors; RS232; model testing目 錄第1章 緒 論11.1 關于自動檢測收費的發(fā)展趨勢11.2 本課題研究意義及內容11.3 系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性2第2章 系統(tǒng)設計方案

8、論證32.1 車輛分類方法32.2 車型檢測方法選擇42.3 系統(tǒng)功能42.4 車型自動識別系統(tǒng)組成5第3章 系統(tǒng)硬件設計63.1 單片機選擇63.2 單片機基本電路設計93.2.1 時鐘電路設計93.2.2 復位電路設計93.2.3 看門狗定時器103.3 傳感器選擇和設計113.3.1 超聲波傳感器113.3.2 電磁傳感器173.4 欄桿控制器電路設計173.4.1 光電隔離管與繼電器簡介173.4.2 抬桿電路接線圖及工作原理183.5 顯示電路193.5.1 LED顯示器結構與原理193.5.2 LED顯示方式203.5.3 顯示器與單片機連接圖213.6 單片機與主PC機通信接口2

9、33.7 電源部分243.8 報警電路253.9 鍵盤電路25第4章 系統(tǒng)軟件設計274.1 系統(tǒng)軟件設計思想274.2 地址及內存分配274.3 主程序284.4 信號采集子程序294.5 數(shù)據(jù)抗干擾算法流程圖304.6 單片機與主機通信程序314.7 中斷子程序324.8 車型識別及顯示子程序33第5章 結 論34參考文獻35致 謝36附 錄3739 / 43文檔可自由編輯打印第1章 緒 論1.1 關于自動檢測收費的發(fā)展趨勢ETC(Electronic Toll Collection) 不停車收費系統(tǒng)是目前世界上最先進的路橋收費方式。通過安裝在車輛擋風玻璃上的車載電子標簽與在收費站ETC車

10、道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計算機聯(lián)網(wǎng)技術與銀行進行后臺結算處理，從而達到車輛通過路橋收費站不需停車而能交納路橋費的目的。ETC是國際上正在努力開發(fā)并推廣的一種用于公路、大橋和隧道的電子自動收費系統(tǒng)。該技術在國外已有較長的發(fā)展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區(qū)的電子收費系統(tǒng)已經(jīng)局部聯(lián)網(wǎng)并逐步形成規(guī)模效益。我國以IC卡、磁卡為介質,采用人工收費方式為主的公路聯(lián)網(wǎng)收費方式無疑也受到這一潮流的影響。不停車收費技術特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境下采用。在傳統(tǒng)采用車道隔離措施下的不停車收費系統(tǒng)通常稱為單車道不停車收費系統(tǒng)，在無車道隔離情況下的自由交通流下的不停車收費系統(tǒng)通常稱為自由流

11、不停車收費系統(tǒng)。實施不停車收費，可以允許車輛高速通過(幾十公里以至100多公里)，故可大大提高公路的通行能力；公路收費走向電子化，可降低收費管理的成本，有利于提高車輛的營運效益；同時也可以大大降低收費口的噪聲水平和廢氣排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以縮小收費站的規(guī)模，節(jié)約基建費用和管理費用。另外，不停車收費系統(tǒng)對于城市來說，就不僅僅是一項先進的收費技術，它還是一種通過經(jīng)濟杠桿進行交通流調節(jié)的切實有效的交通管理手段。對于交通繁忙的大橋、隧道,不停車收費系統(tǒng)可以避免月票制度和人工收費的眾多弱點，有效提高這些市政設施的資金回收能力。1.2 本課題研究意義及內容目前，我國公路收費有兩種，

12、一種是高速公路按行使里程、車型收費，另一種是普通公路收費站按汽車車型一次性收費。在普通公路收費站，大多數(shù)都采用了半自動收費系統(tǒng),半自動收費系統(tǒng)是采用人工觀測判斷車型，以此作為收費的依據(jù)；由閉路電視監(jiān)視，計算機完成各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。這種系統(tǒng)管理水平高,運營成本低,但存在一個致命的不足:人工干預多, 由于存在人為因數(shù)的影響，收費標準有時不能得到嚴格的執(zhí)行，容易造成應收款流失，給國家財產(chǎn)造成損失。如果在半自動收費系統(tǒng)中加入車型自動識別與收費控制功能，就可以提高公路收費的自動化程度,有效的減少收費糾紛,提高車輛通過率、費額征收率及管理效率和經(jīng)濟效益。本文針對普通公路收費站設計了一種車型自動識別與收費控制

13、系統(tǒng)，以提高公路收費站的自動化程度,提高費額征收率，增加經(jīng)濟效益。本課題設計要求：1確定車型的分類方法及檢測方法。2進行車型自動識別與收費控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計。1.3 系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性目前單片機的廣泛應用及其產(chǎn)生的效益令人矚目，它以其價格便宜且應用領域廣等諸多優(yōu)點成為控制系統(tǒng)中采用最多的器件和芯片，該系統(tǒng)正是采用單片機AT89S52進行控制，另外，該系統(tǒng)在外圍電路中所用到的傳感器、鍵盤、顯示器等器件都是單片機控制系統(tǒng)中常用的器件，便宜且可靠性能好。因此，該系統(tǒng)具有結構簡單、成本低，可靠性高等特點。本套系統(tǒng)相對比其他控制系統(tǒng)來說，本系統(tǒng)的性價比遠遠高出市面上其它的控制系統(tǒng)。第2章 系統(tǒng)設計方

14、案論證2.1 車輛分類方法普通公路收費站對過往車輛的收費標準不同于高速公路收費站，它是由各省、市人民政府頒布收費標準，車輛一般分為4中類型，車型的劃分主要是按車輛出廠時標記的載重噸位、載客的位數(shù)進行（不分重載、輕載）。遼寧省對車型的規(guī)定如表2.1所示。表2.1 車輛分類及收費標準車 型參 數(shù) 標 準收費金額（元）小 型2.5噸以下貨車、13座以下客車。10中 型35噸貨車、1329座客車。15大 型610噸貨車、3060座客車20特 型10噸以上貨車、6080座客車、車長超13米。25汽車有許多外型參數(shù)，與車輛類型有關的參數(shù)有4個：（1）總長：與接地面平行測得的汽車最大長度。（2）總寬：測得的

15、汽車最大的寬度。（3）總高：從地面至汽車最高部的高度。（4）軸距：指汽車的前后軸中心的距離。三軸汽車的前軸與中軸間的距離為第一軸距。中軸與后軸的距離為第二軸距。不同車輛其外型參數(shù)是不同的，通過查閱汽車有關資料得知，車輛的類型與車輛的外型參數(shù)有一定的聯(lián)系，其中：小型車：車長5米，車高2.1米。中型車：車長5.17.0米，車高2.142.7米。大型車： 車長7.210米，車高2.583.3米。特型車： 車長11米，車高3.4米。因此，車輛類型的劃分可以依據(jù)車輛的外形參數(shù)中的車長和車高來確定車輛的類型。2.2 車型檢測方法選擇車型自動識別系統(tǒng)的技術關鍵是應用現(xiàn)代計算機技術和先進的檢測技術，實現(xiàn)對過往

16、車輛的自動識別與分類。對車輛的檢測方法通常有紅外線檢測、圖象處理、地感線圈檢測和超聲波檢測等。由于紅外線抗干擾能力較差，利用紅外遙控來判別車輛信息，受環(huán)境的影響較大，因此在外界環(huán)境很差情況下，其錯誤率較高；應用圖像識別技術 對“車牌照識別”，需在公路收費站口設置車牌照抓拍系統(tǒng)，雖然準確率高，但是需要龐大的數(shù)據(jù)庫，用來存儲各種車輛車牌號，這需要全國統(tǒng)一車牌號的編寫，目前這種方法在國內實施起來難度較大；用地感線圈檢測，由于線圈安裝在地下，維護比較困難，因此也未得到實際應用。超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小,反射能力較強，在介質中傳播的距離較遠等優(yōu)點，并且超聲波測距的優(yōu)點是比較耐臟

17、污，即使傳感器上有塵土，只要沒有堵死就可以測量，可以在較差的環(huán)境中使用。并且檢測比較準確、快速，方法簡單可靠，實時性好，在測量精度方面能達到設計要求。通過以上分析，本系統(tǒng)選用超聲波檢測技術來實現(xiàn)對車輛車型的檢測與分類，通過在公路上方安裝兩個超聲波傳感器，對過往車輛的高度、長度以及車速進行測量。把采集到的車輛信息送至計算機中，通過軟件編程，實現(xiàn)對車型的自動檢測與識別。2.3 系統(tǒng)功能本系統(tǒng)主要由位于收費現(xiàn)場的下位機和位于管理中心的PC機組成。管理中心的PC機主要進行信息的存儲與管理，實時接收下位機傳輸?shù)能囕v信息，監(jiān)督下位機的工作，進行數(shù)據(jù)的存儲、管理和打印等功能。下位機的控制功能：對于通過的車輛

18、進行車型自動檢測與分類、可以自行顯示收費金額、控制欄桿起落、對逃費車輛進行報警、向管理中心PC機上傳車輛信息等。本文設計重點對下位機進行設計。2.4 車型自動識別系統(tǒng)組成根據(jù)系統(tǒng)功能，本車型自動識別系統(tǒng)擬采用單片機做控制器、采用超聲波傳感器來采集車輛信息、利用電磁傳感器采集車輛位置信號，超聲波采集的信號經(jīng)過單片機處理計算出收費的金額，由顯示器顯示出來。司機交款后，由操作員按下相應的功能鍵，單片機會控制欄桿抬起，并把綠色信號燈點亮，放車通過。同時將采集的車型數(shù)據(jù)傳送到遠程PC機上做為記錄，從而實現(xiàn)車型的自動識別與管理。本系統(tǒng)下位機硬件設計包括：單片機基本電路設計、下位機通信接口電路、傳感器選擇設

19、計、顯示電路設計、控制執(zhí)行電路設計。下位機系統(tǒng)的組成框圖如圖2.1所示。超聲波發(fā)射/接收電路單片機電源電路時鐘電路串行通信接口電路電磁傳感器顯示電路欄桿及報警電路圖2.1 組成框圖各部分電路的功能：1. 超聲波發(fā)射/接收電路：由超聲波接收及驅動模塊Polaroid 6500和超聲波傳感器Polaroid 600組成。主要完成超聲波信號的發(fā)射和采集工作。2. 控制執(zhí)行電路：由繼電器、光電隔離管和非門組成。主要完成對欄桿和紅綠燈的控制。3. 主機電路：由AT89S52單片機和時鐘電路組成。主要完成對采集來的信息進行運算處理，最終實現(xiàn)對車輛的自動識別。4. 顯示電路：由LED顯示塊、74HC164驅

20、動芯片組成。主要完成對過往車輛應收費用的顯示。5. 串行接口電路：由RS232和MAX232驅動芯片組成。主要完成與PC機的通信，從而將車輛信息保存，從而實現(xiàn)車型自動識別與收費的現(xiàn)代化管理。第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1 單片機選擇單片機是本控制系統(tǒng)的核心，其性能直接決定著整個系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)選擇AT89S52單片機做下位機控制器，它在整個系統(tǒng)中將完成所有的控制任務，包括車輛信息的采集、車型分類、數(shù)據(jù)處理和計算、應收費額的顯示、點亮指示燈、欄桿控制及通信等功能。AT89S52單片機是美國ATMEL公司的低功耗，高性能CMOS 8位單片機產(chǎn)品，AT89S52具有8K在線可編程Flash存儲器，使用

21、Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與MCS-51系列 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式，空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作，掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。AT89S52主要性能如下：1. 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器2. 1000次檫寫周期3. 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz4. 三級加密程序存儲器5. 32個可編程I/O口線6. 3個16位定時

22、器/計數(shù)器7. 8個中斷源8. 全雙工UART串行通道9. 低功耗空閑和掉電模式10. 掉電后中斷可喚醒11. 看門狗定時器12. 雙數(shù)據(jù)指針13. 掉電標識符AT89S52引腳圖如圖3.1所示：圖3.1 AT89S52元件引腳功能如下：VCC ：電源 GND：地 P0口：P0口是一個8 位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8 個TTL邏輯電平。對P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8 位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0 具有內部上拉電阻。在flash 編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需

23、要外部上拉電阻。 P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，p1 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0 和P1.2 分別作定時器/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P1口第二功能如下： 1. P1.0 T2 （定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入）時鐘輸出 2. P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載

24、觸發(fā)信號和方向控制） 3. P1.5 MOSI （在系統(tǒng)編程用） 4. P1.6 MISO （在系統(tǒng)編程用） 5. P1.7 SCK （在系統(tǒng)編程用） P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2 輸出緩沖器能驅動4 個TTL 邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）在訪問外部程序存儲器或用16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)

25、存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。 在flash 編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，p2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。1. P3.0 RXD（串行輸入） 2. P3.1 TXD（串行輸出） 3. P3.2 INT0（外部中斷0）4. P3.3 INT0（外部中斷

26、0） 5. P3.4 T0 （定時器0 外部輸入） 6. P3.5 T1 （定時器1 外部輸入） 7. P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) 8. P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) RST：復位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE

27、以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE 脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置1，ALE操作將無效。ALE：僅在執(zhí)行MOVX 或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 PSEN：外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。 當AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。 EA/VPP；訪問外部程序存儲

28、器控制信號。為使能從0000H 到FFFFH 的外部程序存儲器，讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內部程序指令，EA應該接VCC。在flash 編程期間，EA也接收12伏VPP電源。 XTAL1；振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2；振蕩器反相放大器的輸出端。3.2 單片機基本電路設計3.2.1 時鐘電路設計時鐘可以有兩種方式產(chǎn)生：內部時鐘方式和外部時鐘方式，本設計采用內部時鐘方式，如圖3.2所示。外部振蕩器和單片機內部的時鐘電路一起構成了單片機的內部時鐘方式。單片機內部有一個高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是這個放大器的輸入端和輸出端。放大器與作為反饋元

29、件的片外的石英晶體或陶瓷諧振器一起構成一個自激振蕩器?？梢杂檬静ㄆ鲝腦TAL2腳觀察到單片機輸出的矩形波。 圖3.2 時鐘電路圖外接電容C1和C2會響應振蕩器的穩(wěn)定性和戚震的快速性，它還可以對振蕩頻率起微調作用。當外接石英晶體時，C1和C2常選30pF左右。晶體振蕩頻率可在1.212MHz選擇，頻率越高，單片機速度越快，通常使用11.0592MHz。3.2.2 復位電路設計復位操作可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此非常重要。單片機的復位都是靠復位電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘震蕩脈沖（2個機械周期）以上的高電平，單片機就能實現(xiàn)復

30、位。單片機系統(tǒng)在工作時，由于各種干擾信號的影響，有時會出現(xiàn)程序的“跑飛”或死機現(xiàn)象，這就需要系統(tǒng)能夠自動復位，重新運行。為了保證系統(tǒng)可靠復位，需要設計復位電路。1、簡單復位電路簡單復位電路有手動復位和上電復位兩種，不管是那種復位電路都要保證在RESET引腳上提供10ms以上穩(wěn)定的高電平。圖 3.3(a) 是常用的上電復位電路，這種上電復位電路利用電容器充電來實現(xiàn)。當加電時，電容C充電，電路有電流通過，構成回路，在電阻R上產(chǎn)生壓降，RESET引腳為高電平，當電容器充滿電后，電路相當于斷開，RESET的電位與地相同，復位結束。可見，復位的時間與充電的時間有關，充電時間越長，復位時間越長，增大電容或

31、增大電阻都可以增加復位時間。圖3.3(a)上電復位電路圖 圖3.3(b)手動復位電路 圖3.3(c) 脈沖復位電路圖3.3(b)是按鍵式復位電路，它的上電復位功能與圖3.5(a)相同，但它還可以通過按鍵實現(xiàn)復位，按鍵按下，通過R1和R2形成回路，使RESET引腳產(chǎn)生高電平。按鍵的時間決定了復位時間。圖3.3(c)是按鍵脈沖式復位電路，它利用RC微分電路在RESET引腳產(chǎn)生正脈沖來實現(xiàn)復位。3.2.3 看門狗定時器 AT89S52內部含有看門狗定時器，它是一種需要軟件控制復位方式的看門狗。片內WDT由13位計數(shù)器和特殊功能寄存器中的看門狗定時器復位存儲器（WDTRST）構成。WDT在默認情況下無

32、法工作，為了激活WDT，用戶必須往WDTRST寄存器（地址：0A6H）中依次寫入01EH和0E1H。當WDT激活后，晶振工作，WDT在每個機器周期都會增加。WDT計時周期依賴于外部時鐘頻率。除了復位（硬件復位或WDT 溢出復位），沒有辦法停止WDT工作。當WDT溢出，它將驅動RSR引腳一個高個電平輸出。為了激活WDT，用戶必須向WDTRST寄存器（地址為0A6H 的SFR）依次寫入0E1H和0E1H。當WDT激活后，用戶必須向WDTRST寫入01EH和0E1H喂狗來避免WDT溢出。當計數(shù)達到8191(1FFFH)時，13位計數(shù)器將會溢出，這將會復位器件。晶振正常工作、WDT 激活后，每一個機器

33、周期WDT 都會增加。為了復位WDT，用戶必須向WDTRST寫入01EH 和0E1H（WDTRST 是只讀寄存器）。WDT計數(shù)器不能讀或寫。當WDT計數(shù)器溢出時，將給RST引腳產(chǎn)生一個復位脈沖輸出，這個復位脈沖持續(xù)96個晶振周期（TOSC），其中TOSC=1/FOSC。3.3 傳感器選擇和設計3.3.1 超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米

34、的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產(chǎn)生顯著反射，形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑

35、和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標：1) 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。2) 工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效 。3) 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。1、超聲波工作原理為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械

36、方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 共振板壓電晶片電極壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖3.4所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。圖3.4 超聲波傳

37、感器結構2、運動物體的探測原理超聲波測距原理：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。即：S=340t/2 （3-1）這就是所謂的回波測距法。3、本系統(tǒng)數(shù)學模型的建立超聲脈沖回波技術是歷史最久、應用最廣的一種超聲無損檢測技術。它具有安全、可靠、精度高、可操作性強、維護簡便等一系列優(yōu)點。通常采用超聲波回波檢測法對探測物體進行測量。（1）車輛高度的檢測將超聲波發(fā)射探頭安裝于道路上方高為H處（一般由

38、空中架線或安裝專用龍門架解決，如圖3.5所示）。探頭發(fā)射超聲波向下輻射，遇到車輛由下方通過，其頂部將使超聲波發(fā)生反射并被同一探頭接收（見圖3.6）。設聲速為C，自探頭發(fā)出超聲脈沖至收到回波信號的時間間隔為T，車輛高度為D,則有： （3-2）車道圖3.5傳感器安裝圖（2）車輛速度的檢測將探頭為成組安裝于道路上方，每個車道上相距L的兩個探頭同時工作（見圖3.6）。當車輛自奇數(shù)號探頭向偶數(shù)號探頭行駛時，若其速度為 V，由奇數(shù)號探頭下方與到達偶數(shù)號探頭下方時間差為T1，則有：D12LHdV圖3.6檢測原理圖 （3-3）（3）車輛長度的檢測當車輛通過探頭下方時，必然會有一個持續(xù)時間。若車輛頭尾到達同一探

39、頭時間差為T2，車輛長度為d，則有： （3-4） 對于車輛分型的判別，由于車輛的外型輪廓的差別，其接收超聲回波時間會不盡相同，車長d，車高D是反映車輛外形的主要參數(shù)，將計算所得參數(shù)與寄存在計算機內的車型參量進行比較，算出相關度，即可將車輛分型。4、超聲波檢測電路本系統(tǒng)選用Polaroid 600超聲波傳感器（俗稱超聲波探頭）、Polaroid 6500超聲波接收、驅動模塊，來檢測車輛信息。Polaroid 600超聲波傳感器是集發(fā)送探頭與接收探頭于一體，傳感器里面有一個圓形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一層金屬薄膜，在其背面有一個鋁制的后板。薄片和后板構成了一個電容器，當給薄片加上頻率

40、為49.4kHz、電壓為300VAC pk-pk的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，從而產(chǎn)生頻率為49.4kHz的超聲波。Polaroid 600超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角，如圖3.7所示：    圖3.7 波束角 Polaroid 600傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結束后才能啟動接收，設發(fā)送波束的時間為D，則在D時間內從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號的工作

41、。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進行回波接收，以上兩個原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，Polaroid 600傳感器的測量值與實際值總有一些偏差，表3.1列出了Polaroid 600傳感器測量值與對應的實際值：表3.1超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值 單位：m實際值12345678測量值1.121.883.104.104.996.017.088.10從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值總是比實際值大出大約17cm，經(jīng)過分析原因主要有三個方面：第一方面，超聲波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運行需占用一定的時間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為

42、了防止其他信號的干擾，單片機開始計數(shù)時，驅動電路發(fā)送16個脈沖串。對于單個回聲的方式，當驅動電路接收到碰到障礙物返回的第四個脈沖時就停止計數(shù)，所以最終測得的時間比實際距離所對應的時間多出四個脈沖發(fā)送的時間。為了減小測量值與實際值的偏差，本系統(tǒng)采用最小二乘法對表3.1的數(shù)據(jù)進行修正。經(jīng)過擬合，本系統(tǒng)得到下面的方程：                y=1.0145x-9.3354  （其中：y為實際值，x為測量值） （3-5）修正后本超聲波

43、測距系統(tǒng)測量值與實際值的對應關系如表3.2所示：表3.2 修正后超聲測距系統(tǒng)測量值與實際值 單位：m實際值12345678測量值1.082.063.004.095.036.017.088.03       從修正后的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的測量誤差在±2%以內，滿足本系統(tǒng)的測量要求。6500接收和驅動模塊內部有一個420KHz的陶瓷晶振，6500接收和驅動模塊開始工作時，在發(fā)送的前16個周期，陶瓷晶振被8.5分頻，形成49.4KHz的超聲波信號。當接收回波時，Polaroid 6500內有一個調諧電路，使得只有頻率接近49.4k

44、Hz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾。工作時，微處理器AT89S51先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內部定時器T0開始計時。600超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時表明信號已經(jīng)返回，微處理器進入中斷,關閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。Po

45、laroid 6500超聲波接收驅動模塊內部組成如圖3.8所示：超聲波控制器6500接收及驅動模塊引腳功能如下：1) GND：地2) VCC：電源3) BLANK：空載控制引腳4) XDCR：超聲波控制脈沖發(fā)射引腳。工作時，該引腳輸出49.4kHz信號脈沖。5) XGND：超聲波脈沖信號接收引腳。圖3.8 Polaroid 6500超聲波接收驅動模塊內部組成6) OSC：時鐘輸出引腳，可輸出頻率49.4kHz7) ECHO：超聲波接收。檢測到回波時，該引腳出現(xiàn)兩個時鐘周期以上的高電平。8) BINH：禁止空載引腳。9) INIT：超聲波啟動引腳。當INIT引腳有邊沿觸發(fā)脈沖時，6500控制模塊

46、將在XDCR腳上產(chǎn)生49.4kHz脈沖。圖3.9超聲波傳感器檢測電路3.3.2 電磁傳感器在本系統(tǒng)中，電磁傳感器主要作用是檢測車輛是否行駛出收費區(qū)，來控制欄桿落下。電磁傳感器主要由半導體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個部分組成。典型結構是將一對磁阻元件安裝在一個永磁體的刺激上，元件的輸入輸出端子接到固定器上，然后安裝在金屬盒中，再用工程塑料密封，形成密閉結構，這個結構就具有良好的可靠性。磁旋轉傳感器有許多半導體磁阻元件無法比擬的優(yōu)點。除了具備很高的靈敏度和很大的輸出信號外，另外，這種傳感器還能夠應用在較大的溫度范圍中，有較長的工作壽命、抗灰塵、水和油污的能力強等特點。關于電磁傳感器的數(shù)據(jù)

47、有以下計算公式：線圈相對磁場運動的速度v或角速度表示，則所產(chǎn)生的感應電動勢e為 e=-NBLv；e=-NBSw （3-6）式中：l每匝線圈的平均長度； B線圈所在磁場的磁感應強度； S每匝線圈的平均截面積。這樣通過一個光電耦合器，就可以得到所需求的信號變化。從而得出車輛是否行駛出收費區(qū)。3.10 電磁傳感器與單片機接口電路3.4 欄桿控制器電路設計抬桿電路是系統(tǒng)的執(zhí)行電路。本電路由繼電器，光電隔離管組成。其各器件功能如下所述。3.4.1 光電隔離管與繼電器簡介1、光電隔離器為了將控制對象和微機部分在電器上隔離開來。本系統(tǒng)采用光電隔離技術來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。光電隔離器的結構及工作原理：光電隔

48、離器以光轉換原理傳輸信息，它由發(fā)光器件和光接收器件兩部分組成并封裝在同一個外殼內，其原理如圖3.11所示。當發(fā)光二極管無控制信號時，不導通，光敏三極管接收不到光信號處于截止狀態(tài)，則被控電路斷開。當發(fā)光二極管有信號控制時，導通發(fā)光，光敏三極管接收到光信號導通，則被控電路開始工作。圖3.11光電隔離管2）常用的光耦合器二極管晶體管耦合的4N25、TLP541G；二極管達林頓管耦合的4N38、TPL570；二極管TTL耦合的6N137等。 繼電器是根據(jù)某種輸入信號接通或斷開小電流控制電路來實現(xiàn)遠距離控制或高壓控制的自動控制電路，是電器保護電路中常用的器件。繼電器的結構由電磁機構和觸點機構組成，由于其

49、結構簡單，價格優(yōu)廉，使用維護方便，廣泛用于控制系統(tǒng)中。3.4.2 抬桿電路接線圖及工作原理本設計中，由單片機控制P1.2引腳來控制欄桿的抬起；由P1.3引腳控制放行綠燈的亮滅；由P1.6引腳控制報警電路的接通。當P1.2口為高電平時，欄桿電路不接通，欄桿水平放置，當P1.2口輸出低電平時，欄桿電路接通，欄桿抬起，同時，P1.低口輸出高電平，放行綠燈電路接通，允許車輛放行。電路圖如圖3.12所示：圖3.12 抬桿電路接線圖 3.5 顯示電路3.5.1 LED顯示器結構與原理LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也稱為數(shù)碼管，其封裝引腳如圖3.13( c)所示。LED顯示塊有共陰極和共陽極

50、兩種。內部結構如圖3.13（a）3.13(b)所示，數(shù)碼管是由8個發(fā)光二極構成，通過不同的組合可用來顯示09,AF小數(shù)點等字符。共陰、共陽極共陰極LED顯示塊發(fā)光二極管陰極共地,當某個發(fā)光二極管陽極為高電平時,此二極管點亮。顯然，要顯示某個字符，就應使此字符的相應字段點亮。通常將控制8個發(fā)光二極管的8位數(shù)據(jù)稱為段數(shù)據(jù)、段選碼或字型代碼，公共極稱為位控端或位選線，共陰極顯示塊常用的字型代碼如表3.3所示共陽極與共陰極的段選碼互為反碼。通常將字型代碼按順序存放在ROM中的固定區(qū)域內，當要顯示某字符時，可根據(jù)地址查表讀取該字符。（a）LED共陰極結構圖 b）LED共陽極結構圖 （c）LED引腳圖 圖

51、3.13 LED顯示塊結構圖3.5.2 LED顯示方式LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。1、動態(tài)顯示方式動態(tài)顯示方式是一位一位地輪流點亮顯示器的各個位，對于顯示器的每一位而言，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間有關。2、靜態(tài)顯示方式靜態(tài)顯示方式就是顯示器顯示某一字符時，相應段的發(fā)光二極管恒定地導通或截止，并且顯示器的各個位可以同時顯示。靜態(tài)顯示時，較小的驅動電流就能得到較高的亮度。N位靜態(tài)顯示器要求有N*8條I/O口線，占用I/O口資源較多。故在顯示位數(shù)較多時往往不采用靜態(tài)顯示方式。表3.3共陰極數(shù)碼管的字型代碼 dpgfe d c b a 字型

52、碼0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011016DH6011111017DH70000011107H8011111117FH9011011116FHA0111011177H B0111110076H C0011100139H D010111105EH E0111100179H F0111000171H P0111001173H 續(xù)表3.3U001111103EH Y011011106EH滅0000000000H亮11111111FFH3.5.3 顯示器與單片機連接圖本設計中采用了共陰極LED。常用的L

53、ED顯示器接口芯片有MC14499，8279，8155，MAX7219，74HC164等。這里，MC14499為串行輸入BCD碼即十進制譯碼驅動器，用它來構成顯示器接口，大大減少I/O口的數(shù)量，但是，由片內振蕩器經(jīng)過四分頻的信號，經(jīng)過位譯碼后只能提供4個位控信號，使顯示的數(shù)量受到限制;同時，MC14499的價格由于市場的問題價格偏高，這幾年較少使用；8279為INTEL公司生產(chǎn)的通用鍵盤/顯示器接口芯片，其內部設有16*8顯示數(shù)據(jù)RAM，若采用8279管理鍵盤和顯示器，可以減少軟件設計，提高效率，但因8279是一個并行芯片，占用口資源較多，外圍電路特別復雜，在本系統(tǒng)也不適使用；利用8155與L

54、ED數(shù)碼管接口，需外部擴展驅動器并一般采用動態(tài)顯示，而且一般用在顯示信息較多的場合，而采用動態(tài)顯示的最大缺點就是CPU負擔太重；MAX7219是以動態(tài)掃描方式顯示，采用3線串行接口傳送數(shù)據(jù)(與CPU三線接口)，占用口資源較少，但是，MAX7219的價格也相對偏高，在小批量的產(chǎn)品中較適宜使用。從上面的分析可知：74HC164占用CPU的I/O口只有2個，而且74HC164的價格十分便宜，同時由于本設計中被顯示的能耗數(shù)據(jù)每4秒左右更新一次即可，利用LED靜態(tài)顯示，CPU只需隔4秒與74HC164聯(lián)絡一次即可，考慮到上述諸多因素，本設計最終選擇了74HC164作為LED數(shù)碼管的驅動芯片。一般情況下，當用74HC164移位寄存器與MCS-51兼容的單片機接口時，如果不考慮其它因素，最簡單的方法就是利用單片機的串行通信口TXD和RXD，將74HC164的數(shù)據(jù)移位輸入線DA或DB與RXD相連，將時鐘輸入線CLK與TXD相連，然后將單片機的串行通信口設置在方式0移位寄存器方式，通過串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF將要顯示的字型代碼發(fā)送至74HC164的并行