【基于單片機(jī)的超速報(bào)警器的電路設(shè)計(jì)6100字（論文）】

基于單片機(jī)的超速報(bào)警器的電路設(shè)計(jì)第1章前言 11.1研究意義 11.2超速報(bào)警器思路 1第2章超速報(bào)警器硬件設(shè)計(jì) 22.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 22.1.1單片機(jī)的選用 22.1.2時鐘模塊硬件電路 32.1.3復(fù)位電路 42.1.4振蕩電路 52.2外接采集節(jié)點(diǎn)模塊電路 62.2.1顯示電路設(shè)計(jì) 62.2.2鍵盤電路設(shè)計(jì) 72.2.3蜂鳴報(bào)警器 82.2.4信號轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì) 92.3超聲波測速模塊 102.3.1超聲波發(fā)射模塊 102.3.2高頻變壓器的設(shè)計(jì) 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(jī) 13第3章超速報(bào)警器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 153.1匯編語言 153.2超速報(bào)警器主程序設(shè)計(jì) 153.3超速報(bào)警器其他子程序設(shè)計(jì) 163.3.1數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的采集 173.2.4系統(tǒng)顯示子程序 183.2.5報(bào)警子程序程序設(shè)計(jì) 19結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 21第1章前言1.1研究意義在當(dāng)今時代里，汽車是最普遍的交通運(yùn)輸工具，交通事故發(fā)生的頻率也不斷增加，每年由于司機(jī)超速行駛而產(chǎn)生的交通事故很多，因此造成的經(jīng)濟(jì)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(wěn)定性降低，車速越快越易發(fā)生翻車事故。鑒于超速情況越來越嚴(yán)重，有必要來設(shè)計(jì)簡單耐用的汽車超速報(bào)警器來滿足基層汽車消費(fèi)者的市場需求。1.2超速報(bào)警器思路基于單片機(jī)的超速報(bào)警器電路是一個具有數(shù)字顯示功能的單片機(jī)系統(tǒng)，通過速度顯示電路得知車輛當(dāng)前速度輸出，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的速度上限時通過報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，使駕駛?cè)藛T得知車輛已經(jīng)超速，使駕駛員做出反應(yīng)，以保證駕駛?cè)藛T的人身安全。數(shù)值通過與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)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(bào)警提示。數(shù)值通過與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)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(bào)警提示。報(bào)警電路單片機(jī)報(bào)警電路單片機(jī)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(fù)位電路按鍵電路復(fù)位電路按鍵電路圖1.1超速報(bào)警器總原理圖第2章超速報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)第2章超速報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)正所謂硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂，打好基礎(chǔ)是相當(dāng)關(guān)鍵的。該系統(tǒng)的硬件主要包含的模塊有：單片機(jī)最小系統(tǒng)、速度采集模塊、報(bào)警模塊、超聲波測速模塊等。2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)2.1.1單片機(jī)的選用AT89C51單片機(jī)作為主控制器的微處理器，是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位有4K字節(jié)的閃存微控制器是可擦寫只讀程序存儲器和128字節(jié)的隨機(jī)存取取數(shù)據(jù)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(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)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(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。每次復(fù)位后，單片機(jī)的程序都會從第一條開始從新執(zhí)行。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖2.1所示。目前的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)只能夠仿真單片機(jī)，卻沒有給用戶提供一個通用的最小系統(tǒng)。由設(shè)計(jì)的要求，只要做很小集成度的最小系統(tǒng)應(yīng)用在一些小的控制單元。圖2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)圖2.2AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)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(shí)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(jìn)行同步通信發(fā)送時鐘信號或多個字節(jié)的數(shù)據(jù)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(shí)時數(shù)據(jù)，用于定時控制照明燈具的啟停。在本系統(tǒng)中，AT89C51為主器件，DS1302為從器件，而從器件則相應(yīng)接收數(shù)據(jù)、送出數(shù)據(jù)。即SCLK、I/O、RST。其中位7必須為1；位0為0時向芯片寫入數(shù)據(jù)，為1時從芯片讀出數(shù)據(jù)；位6～位1選定芯片中的地址。后8個脈沖寫入或讀出數(shù)據(jù)。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)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(tǒng)時鐘電路的供電電源。經(jīng)實(shí)際電路測試，該時鐘電路可以穩(wěn)定輸出50MHz的時鐘頻率，在示波器中實(shí)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(jì)，該時鐘電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)中常用的系統(tǒng)時鐘電路，因此該設(shè)計(jì)電路非常可行，穩(wěn)定性也很好。圖2.3時鐘模塊硬件電路圖2.1.3復(fù)位電路在MCS系列的單片機(jī)中，普遍采用的復(fù)位電路便是如圖4.4所示的復(fù)位電路，其有效時間就持續(xù)24個振蕩周期以上才能完成復(fù)位操作。T89C51的復(fù)位信號是從REST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果REST引腳上有一個高電平并維持2個機(jī)器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號為高電平有效，在RST端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖，能有效有實(shí)現(xiàn)上電自動復(fù)位和手動復(fù)位。在12MHz時鐘時，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，需持續(xù)2μs以上才能完成復(fù)位操作。圖2.3晶振電路與復(fù)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(dāng)RST引腳的電壓值降低至低電平時，單片機(jī)恢復(fù)到正常狀態(tài)，稱為上電復(fù)位。2.1.4振蕩電路單片機(jī)內(nèi)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(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩電路脈沖經(jīng)過二分頻后作為系統(tǒng)的時鐘信號，再在二分頻的基礎(chǔ)上三分頻產(chǎn)生ALE信號，此時得到的信號時機(jī)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(jié)點(diǎn)模塊電路根據(jù)原理圖該系統(tǒng)主要可分為鍵盤部分，顯示部分和蜂鳴器4部分，每部分協(xié)調(diào)工作，來實(shí)現(xiàn)超速報(bào)警信號監(jiān)測功能。2.2.1顯示電路設(shè)計(jì)液晶顯示采用LCD12864，這樣就算是在不使用計(jì)算機(jī)的情況下，控制系統(tǒng)系統(tǒng)也能正常運(yùn)行，并且能具有直觀的可視性。顯示電路主要是通過鍵盤，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室的各功能設(shè)定、當(dāng)前參數(shù)等設(shè)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(dāng)前環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)，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(shí)體及原理圖2.5如下：圖2.5LCD12864參數(shù)利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(shè)計(jì)的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)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(diǎn)陣的圖形液晶模塊。本系統(tǒng)可以通過鍵盤來設(shè)置測速數(shù)據(jù)狀態(tài)，具有良好的人機(jī)交互功能。2.2.2鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤是最常見的人機(jī)接口設(shè)備，通過鍵盤人們可以向AT89C51單片機(jī)輸入各種操作指令和數(shù)據(jù)，AT89C51單片機(jī)捕捉到這些按鍵信息后，有AT89C51單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)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(xiàn)一些錯誤的信號，要不就是掃描不進(jìn)數(shù)據(jù)，要不就是重復(fù)輸入很多次數(shù)據(jù)，因此需要有一個消除抖動的程序。讓單片機(jī)不響應(yīng)一些相關(guān)的抖動信號，而只響應(yīng)一次確實(shí)存在的按鍵信號。消抖動程序是這樣實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)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(bào)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(fēng)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(nèi)部電阻，使晶體管的變化，從而達(dá)到聲音，以確定是否為目的。蜂鳴器是利用三極管處于開關(guān)狀態(tài)時，具有導(dǎo)通與截止兩種工作狀態(tài)，相當(dāng)于電鍵的閉合與斷開，在三極管導(dǎo)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(dāng)其為高電平時三極管導(dǎo)通，當(dāng)其為低電平時三極管截止，如圖2.9所示。當(dāng)測速存在超速后，蜂鳴器會發(fā)出聲音進(jìn)行提示。圖2.9蜂鳴器與單片機(jī)的接口電路圖報(bào)警電路路如圖2.9，其中單片機(jī)的P2口進(jìn)行控制，P2口的P2.3～P2.6分別控制4個發(fā)光二極管，予以報(bào)警，如圖所示。2.2.4信號轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì)圖2.10A/D轉(zhuǎn)換電路圖ADC0808采樣分辨率為8位，逐次逼近原理、d/a轉(zhuǎn)換裝置。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址鎖存器信號解碼后，只有門8模擬輸入信號的A/D轉(zhuǎn)換。22（ALE）：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。6(開始):A/D轉(zhuǎn)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(fù)，開始的A/D轉(zhuǎn)換)。數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效[[]祝世峰.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)移動車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)2005][]祝世峰.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)移動車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)20052.3超聲波測速模塊2.3.1超聲波發(fā)射模塊為了使選通信號CH_CLOSE作用，須經(jīng)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(qū)動電路如圖2.11所示。圖2.11邏輯驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)2.3.2高頻變壓器的設(shè)計(jì)為了驅(qū)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(jīng)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(zhì)周期的往復(fù)運(yùn)動，這樣就把超聲波信號發(fā)送到介質(zhì)中去。在磁芯確定的基礎(chǔ)上來確定繞組的阻數(shù)，對于本設(shè)計(jì)采用的雙端（推挽式）變壓器來說，理論上磁通密度正負(fù)對稱。圖2.12發(fā)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(shè)計(jì)中采用了收發(fā)一體式的超聲波探頭，因而較大發(fā)射信號直接進(jìn)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(jīng)過接收電路處理后，輸出含有流速信息的模擬信號，進(jìn)入數(shù)字信號處理電路進(jìn)行后續(xù)處理。為此在精密放大之前必須經(jīng)過二極管雙向限幅環(huán)節(jié)對接收信號放大器的輸入電壓進(jìn)行箱位，來保護(hù)后續(xù)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(yùn)放構(gòu)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(chǎn)的ET-387。GPS信號模塊安裝于車輛的隱蔽位置，接收車輛當(dāng)前的GPS位置信息，并依據(jù)系統(tǒng)要求分析車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)，響應(yīng)車主的功能控制，并及時準(zhǔn)確的將這些信息依據(jù)監(jiān)控管理中心要求上傳。由于沒有初始化模塊上電后定位數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊可以自動，所以不需要控制操作，系統(tǒng)不需要發(fā)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(jī)相連接，GPS的引腳TXA和RXA分別連接單片機(jī)RXD和TXD引腳，引腳VCC接電源，引腳GND接地，單片機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線與電腦相連接。由于GPS模塊的時刻接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)和輸出的模塊自動TXD從衛(wèi)星定位信息到單片機(jī)，當(dāng)GPS模塊通電后，打開上位機(jī)可以接收GPS接收數(shù)據(jù)，并顯示在計(jì)算機(jī)上[[]蘇永紅.基于物聯(lián)網(wǎng)的物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程.2011(07)][]蘇永紅.基于物聯(lián)網(wǎng)的物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程.2011(07)2.4.2GPS接收機(jī)GPS信息接收模塊通過GPS接收天線接收GPS定位衛(wèi)星信息，當(dāng)其收到4顆以上的衛(wèi)星信息時，便可以計(jì)算出自身（同時是車輛）的三維坐標(biāo)：經(jīng)度、緯度、高度以及方位角等信息，并通過串口將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)控制模塊進(jìn)行處理。微處理器是接收機(jī)的核心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理，控制和實(shí)時數(shù)據(jù)處理，軟件的操作下，衛(wèi)星接收機(jī)，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(bào)警器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第3章超速報(bào)警器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1匯編語言匯編C語言是單片機(jī)編程語言的一種重要形式，也是最常用的在今天的單片機(jī)開發(fā)人員程序開發(fā)的語言形式。匯編語言是一種替代機(jī)器語言的編程語言。匯編語言的特點(diǎn)是每個指令助記符。并進(jìn)行目標(biāo)程序、檢查修改程序中的錯誤，對程序運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，直到正確為止。因此，本系統(tǒng)采用C語言來進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)軟件調(diào)試的環(huán)境是KeiluVision4。3.2超速報(bào)警器主程序設(shè)計(jì)圖3.1程序流程圖3.3超速報(bào)警器其他子程序設(shè)計(jì)3.3.1數(shù)據(jù)采集處理子程序轉(zhuǎn)換器初始化轉(zhuǎn)換器初始化選中轉(zhuǎn)換通道接收轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)接收多路器地YN數(shù)據(jù)處理圖3.2A/D轉(zhuǎn)換子程序流程通過單片機(jī)輸出多路復(fù)用器地址Dl多路復(fù)用器移位寄存器。上述擴(kuò)張過程可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換從模擬到數(shù)字量[[]C.Krishnamurthy.UsingSMStoDeliverLocation-basedServices.2002IEEEInternationalConferenceonPersonalWirelessCommunications.2002]。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)字濾波、十進(jìn)制轉(zhuǎn)化和查表。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，其中包括過濾和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，然后查表數(shù)據(jù)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(dāng)系統(tǒng)判斷測速數(shù)據(jù)有效時，需要對測量出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，本次設(shè)計(jì)是針對速度在60km/s以下運(yùn)動物體速度測量，顯示保留兩位小數(shù)，即利用3位顯示。測速系統(tǒng)程序由按鍵s1控制單片機(jī)發(fā)送方波，方波的發(fā)射是靠單片機(jī)產(chǎn)生方波，由P2.5口發(fā)出，周期的控制由高低電平時間來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)要求產(chǎn)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(shù)據(jù)的采集通信模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)接收從車載端傳來的GPS數(shù)據(jù)或向車載端發(fā)送命令。GPS信號接收機(jī)信號發(fā)送的GPS衛(wèi)星用于確定衛(wèi)星位置空間，可以計(jì)算空間衛(wèi)星和用戶接收機(jī)之間的距離。GPS模塊獲得當(dāng)前車輛從GPS衛(wèi)星定位信息，包括車輛信息如經(jīng)度、緯度的當(dāng)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(xié)議按照規(guī)則字符串分解，提取所需的信息，實(shí)現(xiàn)部分的功能流程圖如圖3.4所示。打開串行口、設(shè)置波頻率打開串行口、設(shè)置波頻率設(shè)置定時器為1秒、定時讀串行口開始Y提取UTC時間并轉(zhuǎn)換為北京時間判斷接受狀態(tài)是否有效刪掉復(fù)制語句中的表頭復(fù)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(jīng)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(tǒng)顯示子程序因?yàn)橥ㄟ^模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，使單片機(jī)的數(shù)據(jù)以16進(jìn)制儲存于寄存器當(dāng)中，為了讓LED顯示需要轉(zhuǎn)換為BCD碼。本次采用軟件消抖，通過調(diào)用子程序延時來解決，可以很好地解決單片機(jī)的