超速报警系统设计与实现

本 科 毕 业 设 计题目 ： 基于单片机的超速报警器的设计 学 院: 信息科学与工程学院专 业: 自动化学 号: 201004134143学生姓名: 樊迪指导教师: 宋玉阶日 期: 二一四年六月武汉科技大学本科毕业设计I摘 要随着汽车工业和高速公路建设的发展，每年由各种交通事故造成的人员伤亡数目惊人，造成了巨大的经济损失。据统计，造成各种交通事故的主要原因是车辆的超载和超速行驶，而后者随机性很大，纠章困难，并且由于中国公路条件复杂，不同等级的公路允许的最高速度不同，现有的限速装置难以适应这种情况。针对这种情形，开发具有智能超速报警功能的车载系统具有重要意义。本文从驾驶员自身安全角度出发，设计了一种可设定阈值的汽车超速报警系统。该系统采用 16 位单片机 MC9S12XS128 为控制核心，可通过按键在液晶屏上设定报警阈值和显示汽车实际速度，利用 8 位 A/D 转换芯片和霍尔传感器采集车轮转速，通过IIC 总线实现与单片机的双向通信，具有灯光闪烁报警和语音提示报警这两种预警机制，对可能的突发事件做到防患于未然。根据目的和要求，本次设计利用万用板搭建了各个模块的硬件电路，并且通过编写代码实现了系统的具体功能，该系统能够长时间稳定的运行，达到了设计要求。该系统结构简单，可靠性高，操作方便，可广泛应用于摩托车、汽车等各种机动车辆，为人们的安全出行提供有力保障。关键词： 单片机； 液晶屏； IIC 总线； 语音； 超速报警武汉科技大学本科毕业设计IIAbstractWith the development of auto industry and highway construction, each year the number of casualties caused by all kinds of traffic accidents is amazing, caused a great economic loss. According to statistics, the main causes of traffic accidents is the vehicle overloading and speeding, the latter is very random correcting formidably, and because of Chinese road condition is complex, the allowed highest speed of different grade highways are different, the current limiting device is difficult to adapt to the situation. Aiming at this situation, to develop the vehicle system with an intelligent speed alarm function is of great significance. From drivers own security perspective, this paper designs a car speeding alarm system which can set the alarm threshold. The system adopts the 16-bit single chip computer MC9S12XS128 as the control core, by which can set alarm threshold through the button on the LCD panel and show the actual motor speed, using 8-bit A/D converter chip and holzer sensor to collect the wheel speed ,through the IIC bus to implement the two-way communication with single-chip microcomputer, with lights flashing alarm and voice alarm the two early warning mechanism, for possible emergencies do nip in the bud.According to the purpose and requirements, the design uses universal board to set up hardware circuit of each module, and by writing code to realize the function of the system, the system can run stably for a long time ,which has reached the design requirements.The system has the advantages of simple structure, high reliability, convenient operation, and can be widely applied to motorcycles, cars and other motor vehicles providing a strong guarantee for peoples safely traveling.Key words: single-chip microcomputer; LCD panel; IIC bus; voice; over-speed alarm武汉科技大学本科毕业设计III目 录1 绪论 .- 1 -1.1 概述 .- 1 -1.2 各章主要内容简介 .- 1 -2 系统总体方案设计 .- 2 -2.1 系统设计需求分析 .- 2 -2.2 主控芯片的选择 .- 2 -2.3 超速报警器的工作原理 .- 3 -2.3.1 车轮转速检测原理 .- 3 -2.3.2 按键输入与液晶显示原理 .- 4 -2.3.3 语音报警原理 .- 5 -2.4 系统整体框架 .- 5 -2.4.1 系统运行流程简介 .- 5 -2.4.2 系统整体结构框图 .- 6 -3 系统硬件设计与实现 .- 7 -3.1 整体电路设计框图 .- 7 -3.2 电源模块的设计 .- 7 -3.3 MC9S12XS128 单片机最小系统设计 .- 8 -3.3.1 电源部分 .- 9 -3.3.2 时钟部分 .- 10 -3.3.3 复位电路与 BDM 接口 .- 10 -3.4 速度检测模块 .- 10 -3.4.1 霍尔传感器 .- 10 -3.4.2 A/D 转换器 PCF8591T.- 11 -3.5 人机交互模块 .- 13 -3.5.1 按键部分 .- 13 -3.5.2 OLED 显示部分 .- 13 -3.6 语音报警模块 .- 14 -4 系统软件设计 .- 17 -4.1 系统程序框架图 .- 17 -4.2 初始化程序设计 .- 18 -4.2.1 系统时钟模块 .- 18 -4.2.2 TIM 定时模块 .- 20 -4.3 人机交互设计 .- 21 -4.4 IIC 总线读取 A/D 转换值 .- 22 -4.5 语音芯片的驱动 .- 22 -5 系统开发平台与辅助调试工具 .- 24 -5.1 系统硬件开发平台 .- 24 -5.2 系统软件开发平台及调试工具 .- 25 -6 总结 .- 27 -参考文献 .- 28 -武汉科技大学本科毕业设计IV致谢 .- 29 -附录 A .- 30 -武汉科技大学本科毕业设计- 1 -1 绪论1.1 概述汽车超速行驶是造成机动车道路交通事故的主要原因，据国家权威部门统计，2006 年度我国因汽车超速造成 12000 多人死亡，同时所造成的伤残人数更为惊人，在给国家、企业和个人造成巨大经济损失的同时，留给事故受害者亲人的痛苦和遗憾，更是无法用金钱来衡量的。尽管汽车上都安装了速度表盘，司机可以通过速度表盘知道当前汽车的速度，但是汽车的驾驶有时候是一个长时间、高强度的工作，很长时间的连续驾驶可能会使司机因疲惫而麻痹超速问题。为了能够及时的在汽车超速时提示和警告司机，从而保证行车的安全，避免因超速问题带来的道路交通事故，给汽车设计和安装上超速报警器是大有裨益的。汽车超速报警器是在汽车行驶过程中，通过速度传感器测出当前车速，当超过驾驶者设计的最高时速时，发出报警信号，提醒司机减速行驶。本设计中，将汽车超速报警器与单片机联系在一起，器件操作简单，成本更低廉，更能被广大消费者所接受。该系统可以有效预防和杜绝汽车超速行驶，避免或减少道路交通事故的发生，培养驾驶员遵章守法驾驶的良好习惯，减少车辆管理压力，把人、车和安全三者有机的结合起来，对落实“两部一局”的通告要求，保障道路交通安全有重要意义。1.2 各章主要内容简介第一章 绪论：简要介绍了汽车超速行驶的背景以及超速报警器设计的重要意义。第二章 系统总体方案设计：概要叙述了超速报警器的设计原理，将控制系统分解为具体的模块，分别分析在各个模块中所设计的原理知识以及采取的大致方案。第三章 系统硬件设计与实现：概述了超速报警器系统的硬件电路组成，并具体分析各模块电路的设计思路与原理，以及在实际调试中所遇到的问题和采取的解决方案。第四章 系统软件设计：概述了超速报警器系统的控制思想，各模块功能的具体实现。第五章 开发与调试：介绍了所用到的硬件和软件开发环境，以及在调试过程中所采用的各种辅助手段等。最后总结所设计的超速报警器系统的实用性和性能指标，并指出其中的不足和值武汉科技大学本科毕业设计- 2 -得改进的地方。2 系统总体方案设计2.1 系统设计需求分析根据设计要求，为了实现车速报警的基本控制功能，系统的硬件电路应由单片机控制部分、数据采集部分、人机界面部分以及光控、声控报警部分组成。考虑到系统的运行场所是在汽车上，而汽车又时刻处于高速的动态运动过程中，需适应各种恶劣多变的环境，因此在单片机的选型上要注重其数据的快速处理性能、稳定性和芯片成本。数据采集部分由车速传感器，信号的前级处理和 A/D 转换芯片组成。为了能够直观的显示汽车的当前运行速度和调节汽车超速报警器的报警阈值，需要设计人机交互界面，由按键输入和液晶显示部分组成。最后一个重要的组成部分则是报警电路，根据设计要求，当超限20%时，可由语音报警来实现，及时的提醒司机减速行驶，语音报警电路由扬声器、SD 卡及语音解码芯片组成 1。单片机就像一个大脑，数据采集部分如同人的眼睛，报警部分好似人的嘴巴，一个灵活的头脑时刻盯着驾驶员的一举一动，当出现危险的驾驶行为式，及时的纠正驾驶员的错误，超速报警器永远陪伴在驾驶员左右，一起安全出行。2.2 主控芯片的选择目前世界上的单片机或则微控制器的种类繁多，单片机供应商也有很多，例如Freescale、ATMEL、NXP、ST 、Microchip 、Infineon、TI 、NEC 等，其中，Freescale（飞思卡尔）公司的 8 位、16 位、32 位单片机性能稳定、品种齐全，针对不同的应用领域可以选择不同性能、型号的单片机。MC9S12XS 系列单片机是其高性能单片机 MC9S12XE 系列单片机的经济性、高效性产品的补充，带有一套为汽车车身和乘客舒适度应用而优化设计的改进芯片上外围设备、存储器等模块，可应用于汽车座椅控制模块、空调控制模块、各种车身控制模块等的设计应用。MC9S12XS128 是 S12X 家族中的一个成员。该器件包括大量的片上存储器和外部I/O。MC9S12XS128 是一个 16 位器件，由 16 位中央处理单元（ CPU12X） 、128KB 程序 Flash（P-Flash） 、8KB RAM、8KB 数据 Flash（D-Flash）组成片内存储器。同时还包括 2 个异步串行通信接口（SCI） 、一个串行外设接口（SPI） 、一个 8 通道输入捕捉/输出比较（IC/OC）定时器模块（TIM） 、16 通道 12 位 A/D 转换器（ADC ）和一个 8通道脉冲宽度调制模块（PWM） 。MC9S12XS128 具有 91 个独立的数字 I/O 口，其中某些数字 I/O 口具有中断和唤醒功能。另外还具有一个 CAN 2.0 A/B 标准兼容模块（WSCAN） 2。武汉科技大学本科毕业设计- 3 -传统的 51 系列单片机，价格低廉，性能稳定，深受广大电子设计爱好者所喜欢。但与飞思卡尔的 16 位单片机相比，体积过大，资源不足，运算速度也较慢，不适于实际的应用之中，因此，本次设计选择的主控芯片是飞思卡尔的 16 位单片机MC9S12XS128。2.3 超速报警器的工作原理2.3.1 车轮转速检测原理方案一（磁钢+霍尔传感器）当有一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势 U，其表达式为：U=K*I*B/d，其中 K 为霍尔系数，I 为薄片中通过的电流，B 为外加磁场（洛伦兹力）的磁感应强度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。因此，可以采用霍尔传感器和磁钢，利用二者在磁场中相互作用的原理来检测汽车轮胎的转速，检测模型如图 2.1 所示。图 2.1 检测模型磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。在非磁材料的圆盘（汽车轮胎）边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘边缘附近，由于霍尔传感器的检测距离有限，因此霍尔传感器应尽量贴近磁钢使检测灵敏可靠。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以近似得出圆盘的转速 3。方案二（光电编码器）增量式编码器的工作原理如图 2.2 所示。它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。在图形的主码盘(光电盘)周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布武汉科技大学本科毕业设计- 4 -的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，并刻有 a、b 两组透明检测窄缝，它们彼此错开 14 节距，以使 A、B 两个光电变换器的输出信号在相位上相差 90。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器 A、B 的输出电压相位差为 900，光电编码器结构如图 2.2 所示。图 2.2 光电编码器光电编码器的光源最常用的是自身有聚光效果的发尤光一二傲极。管目。 。当宣光尤电电码僻盘盈随睫上工作作：轴舢一一起越转将动硎时 Hq， ，光尤线玟透过光电码盘和光栏板狭缝，形成忽明忽暗的光信号。光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向数控系统输出脉冲信号，也可由数码管直接显示位移量 4。其输出波形如图 2.3 所示。图 2.3 码盘输出波形根据设计要求，需要信号的前级处理具有 A/D 转换功能，考虑到霍尔传感器的输出电压为模拟信号而单片机从光电码盘处直接获取的为数字信号，因此本次设计采用了方案一。2.3.2 按键输入与液晶显示原理武汉科技大学本科毕业设计- 5 -采用轻触微动开关，通过设计逻辑电路使其在无干预和有干预状态下具有 0、1 两种逻辑电平。利用单片机的不断查询方式，判断有无按键按下。由于机械按键在按动过程中不可避免的出现机械抖动，当判断出有键按下时，利用一个 1020ms 的软件延时消除机械抖动，从而让单片机可靠地判断出按键的当前状态。显示部分采用龙丘公司生产的 1