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西安科技大学 硕士学位论文 基于8051f单片机的智能车辆管理系统研制 姓名:潘小飞 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:何万库 2011 论文题目:基于 8051f 单片机的智能车辆管理系统研制 专业:机械电子工程 硕 士 生:潘小飞(签名) 指导教师:何万库(签名) 摘要 论述了一种新型车辆收费管理系统,针对其它系统如 ic 卡需要插卡操作,无线射 频卡操作距离在几十厘米,对车辆进出门比较宽的情况使用受限制等问题。提出以 315mhz 无线载波数字传输进行测试与控制的车辆管理系统,有效操作距离可达 10-20 米,车辆在出入时无需停车,所有的识别、判断均由系统远距离无线控制实现,当车辆 通行时,对合法车辆无需人工干预自动通过。 内容包括系统总体设计、硬件设计、软件设计等。总体方案设计包括:停车收费管 理的基本工作流程, 无线身份信息的数字传输, 收费数据库信息管理, 查询与数据修改, 电动门控系统,车辆识别与保护系统等。 控制系统硬件采用 c8051f330d 单片机作为核心,设计了无线载波数据信号接收解 码电路、滤波电路、日历时钟电路、收费信息存储模块电路、工作状态数字显示电路、 信息修改和查询的 ps2键盘输入模块、led 低功耗交通灯电路、红外车辆信息识别与 输出控制电动门开关的驱动电路等。 软件监控程序设计包括单片机无线控制信号解码,车辆通过自动识别、缴费信息注 册、车辆缴费信息判断、实时时间及缴费信息显示、数据库修改、控制自动门的动作等 部分构成。 制作的样机实现了车号自动识别、led 交通信号灯指示、蜂鸣器报警、ps2 键盘输 入、数码管显示器显示、无线遥控信号控制和单片机之间的通信等功能。并在西安图书 馆进行了实际应用。 关 键 词:单片机;无线信号;车辆管理;解码;自动控制 研究类型:应用研究 subjectsubjectsubjectsubject: : : :developmentdevelopmentdevelopmentdevelopment ofofofofintelligenceintelligenceintelligenceintelligence vehiclevehiclevehiclevehicle managementmanagementmanagementmanagement systemsystemsystemsystem basedbasedbasedbased o o o on n n n8051f8051f8051f8051f mmmmicrocontrollericrocontrollericrocontrollericrocontroller specialtyspecialtyspecialtyspecialty: : : :mechanical-electronicmechanical-electronicmechanical-electronicmechanical-electronic engineeringengineeringengineeringengineering namenamenamename: : : :panpanpanpanxiao-feixiao-feixiao-feixiao-fei(signature)(signature)(signature)(signature) instructorinstructorinstructorinstructor: : : :hehehehe wan-kuwan-kuwan-kuwan-ku(signature)(signature)(signature)(signature) abstractabstractabstractabstract the paper discusses a new type of vehicle charge management system. in view of the common problems existed in the vehicle charge system, such as ic card, inserted needed; wireless rf cards, operated within a distanceoftensofcentimeters; wide vehicles, severely restricted when gate access ect. in this paper a vehicle management system with 315mhz wireless carriers focusispresented, to reach more than 10 to 20 m of the effective operating distance,noneed to park when vehicles entering and leaving.allthe recognition and judgment are realized via wireless control, without manual intervention for the legal vehicles ofsubordinate yard. thisissue mainly includes whole design of the system, software and hardware design. in this paperitpreceded from actual conditions first, made a analysis of function and performance requirements for the vehicle management system and posed thegoalthat the system to fulfill. according to basic working procedures of the vehicle management, aswell as target, event and data involved during work,itfinally defined functional model of the system and fulfilled the overall design of the system. the hardware design adopts c8051f330d mpu as central processing unit and designs wireless signal reception decoding circuit, filter circuit, clock circuit, memory modules circuit, digital display circuit, ps keyboard input mould ect.itmakesfulluse of internal resource of c8051f330d mpu and advanced technologyonthe market, simplifies the system circuit and increases the integration density of circuit. software design covers decoding for wireless control signal, register of vehicle payment information, judgment of effectivenessofvehicle payment information, real time payment information display and action for the automatic gate control. samples realize the function ofautomatic identification of vehicle number, led traffic light display, buzzer sounds, ps2 keyboard input, digitron display on a monitor, wireless remote signal control and direct communication with mpu. by experimental findings, remote -control distancecanreach more than 15m and realize the expected related functions. keykeykeykey wordswordswordswords: : : :microcontrollerwireless signalsvehicles managementdecoding automatic control thesisthesisthesisthesis: : : :application research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 本课题研究的目的与意义 近些年汽车的拥有量急剧增加,车辆停放的有效管理和费用收缴问题也越来越普 遍。智能停车场管理系统在住宅小区、停车场、机关单位等的需求也越来越大。目前许 多住宅小区、停车场、机关单位还在采用人工登记、发卡方式,耗时费力;也有用接触 式 ic 卡刷卡方式的,由于要插卡操作,车辆进出不是很方便;也有用无线射频卡的, 方便了操作,但因其操作距离在几十厘米之内,对单位车辆进出门比较宽的情况使用受 到限制。 本文提出的基于 315mhz 无线载波控制的车辆管理系统,有效操作距离可达 10-20 米,司机不用开车窗就可以把户主信息发送给控制主机,完成自动处理请求信息、显示 车辆信息和缴费信息、对非法闯入车辆进行报警。而且具有成本低,信号传输稳定, 抗 干扰能力强,输出无噪声干扰,安装方便,操作简单等特点。提高小区管理的自动化水 平,有效的防止车辆的丢失及对停车进行有效的收费管理。 1.2 国内外研究现状分析 目前,我国的科技水平高速发展,自动化技术作为今天使用最广的现代化技术已深 入到各个领域,并且正在成为未来社会信息社会的重要支柱。在这样的大背景下, 现代车辆的管理方式,资源建设等方面都发生了重大变化,这种变化表现在车辆工作, 管理和服务平台发生的变化,车辆不再是传统的手工操作,人工管理,而是全面实行计 算机管理1。 车辆管理系统的发展大致可以分为以下四个阶段2: (1) 简单机械管理阶段 初期,利用杠杆原理,用闸杆作挡车器,以人力在一端加压的方式使闸杆转动对车 辆通行进行控制管理。这一阶段只进行车辆通行管理,对车辆的识别由人工根据观察或 检验相关证件来完成。 (2) 电动化管理阶段 随着车辆的日益增多,完全由人力控制闸门已难以胜任,这时普遍采用由电机控制 闸杆运动来进行通行管理,解放了劳动力,管理效率相应得到了提高。在这一阶段, 为 了适应车辆大量增多,市场经济发展的需要,各处停车场如雨后春笋纷纷建立起来, 加 之高等级收费公路的建成,对车辆的管理从单一的通行管理逐渐进入收费、通行的复合 管理模式。这一阶段对车辆的识别仍由人工根据观察或检验相关证件(纸制身份卡) 完 西安科技大学硕士学位论文 2 成;收费管理也完全由人工完成。 (3) 半自动化管理阶段 近年来全球经济迅速发展,特别是我国国民经济连续多年持续高速迅猛发展,带动 了交通运输旅游等各行各业的飞速发展,公私车辆急剧增多,车辆管理系统跟不上形势 发展的需要,管理漏洞大,效率低,常造成交通阻塞。人们想出了各种办法对管理系统 进行改进不断完善管理,使车辆管理进入了半自动化阶段。这一阶段对车辆管理系统的 改进主要围绕以下两方面进行:道闸结构及控制的改进;车辆识别方式的改进。 道闸结构及控制的改进 除了常见的杆式结构外,有人设计出升降柱和翻板式道闸来克服杆式道闸启闭缓 慢的缺陷,以期提高效率。由于这种结构易造成车毁人亡的重大交通事故,难以获得推 广,至今在各种车辆通行管理中仍普遍采用杆式道闸。在进行道闸结构改进的探索过程 中同时进行的是道闸控制方式的改进。人们将现代电子技术应用到道闸的控制系统中。 根据需要采用各种传感器产生相应的控制信号。 为了防止杆式道闸在启闭时对车辆和人 员造成损伤,防撞式杆式道闸投入了市场。这种道闸的闸杆碰到物体时自动让开转向为 直立状态避免发生事故。 车辆识别方式的改进 完全靠人工对车辆和车主身份进行识别效率太低,为了提高识别效率,采用了各种 较先进的识别方式。 指纹识别 事前采取车主指纹存档,需要进行识别时由仪器对比驾驶员指纹和存档 指纹进行车主身分识别。这种方式需停车临时采集车辆驾驶员指纹,效率虽比人工识别 有了较大提高但不满足高效自动化识别的要求。 采用 ic 卡识别 将 ic 卡插入电子仪器由仪器刷卡进行身分识别。相对人工识别效 率大大提高,但需停车插卡,识别后需将卡取出,效率仍不理想,无法实现不停车快速 通行、收费全自动化管理。 采用 rfid 卡识别技术(或称非接触 ic 卡) 由于采用不接触识别,相对前面的识 别方式有了很大提高,也为车辆快速通行、收费全自动化管理奠定了基础。这是一种射 频身份识别技术,通过发射无线电射频信号对 rfid 卡所携带的身份信息进行读取和识 别。根据读卡距离分为近距离(约 10 厘米)rfid 卡和远距离(几十厘米至 100 米以上) rfid 卡。虽然这种技术识别的准确度和速度无容置疑,但当多辆车在一起列队等候识 别时,由识别装置发出的无线电信号遍布在周围空间,在有效读取范围内的所有车辆的 rfid 卡都有可能被读取,识别装置识别到的身份究竟是哪一辆车的身份难以确定,也 就是说所识别的车辆身份与被识别车辆之间的准确对应关系难以确定。不解决这个问 题,就无法实现车辆的智能化管理3。 这一阶段由于对道闸控制机构采用了一些自动控制技术, 对车辆和车主身份的识别 1 绪论 3 采用了现代电子设备和识别技术,减少了人工管理工作,实现了车辆的半自动化管理。 (4) 车辆通行、收费的全自动化管理 本系统是基于单片机所开发的智能车辆管理系统。近年来单片机技术也迅速发展。 所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(center processing unit,也即常 称的 cpu)和数据存储器(ram)、程序存储器(rom)及其他 i/o 通信口集成在一块芯片 上,构成一个最小的计算机系统,而现代的单片机则加上了中断单元,定时单元及a/d 转换等更复杂、更完善的电路,使得单片机的功能越来越强大,应用更广泛4。 在目前世界经济形势不很明朗,电子产业面临市场和成本双重压力的时候,电子企 业在使用和选择 mcu 时,8051 依然是主流的选择。不仅要考虑成本,还要考虑研发成 本。单一架构可以帮助企业降低风险,提高系统的可靠性并降低成本。 1.3 本课题研究目标及研究内容 小区车辆信息管理系统是针对当今社会, 汽车越来越成为主流的这一市场需要而应 运而生的,是为便于小区物业对小区内车辆的管理和小区住户更好、更方便的停车而开 发的管理系统。本课题研究专门针对的是有固定车辆的小区或单位等,对固定车辆进行 有效的管理。只有已注册缴费的车辆才能进入,外来车辆不能进入。 采用 315mhz 无线载波控制,超再生无线接收模块接收无线信号进行解调, 实现中 远距离的自动控制。系统主要有接收解码控制板和主控制板组成,在未有控制信号的情 况下交通信号灯显示红灯,指示车辆不能进入小区,数码管显示屏上显示实时时间和日 期。当车主按下已注册的并且在有效期范围内的控制器后,实现以下功能: (1) 接收解码控制板接收无线信号解调后由单片机进行解码,并将解码结果通过串 口发送给主控制板。 (2) 主控制板控制蜂鸣器响一次,红绿灯显示绿灯,指示允许车辆进入小区,自动 伸缩门打开。保安人员可以在终端管理器数码显示屏上看到车辆的相关信息。门开后倒 车雷达探测, 如果车辆未通过则不关门继续等待; 当探测到车辆已经通过时, 自动关门, 数码显示屏显示实时时间和日期,红绿灯显示红灯。 (3) 当车主按下未注册或者已过期的无线遥控器时,显示红灯,指示不能进入小区, 蜂鸣器报警提示安保人员进行处理,数码显示屏显示实时时间和日期。 缴费注册车辆信息由普通的计算机 ps2键盘输入,数码显示屏显示,每个注册遥控 器对应一个车辆信息。 1.4 本章小结 本章介绍了本课题研究的目的和意义, 分析了本课题在国内外的研究现状和发展趋 势,围绕车辆管理系统的研制目标,提出了本课题的主要研究内容和实现功能。 西安科技大学硕士学位论文 4 2 系统开发设计相关技术 2.1 单片机的选型及介绍 单片机是一种集成的电路芯片,是采用超大规模集成电路技术,把具有数据处理能 力的中央处理器 cpu、随机存储器 ram、只读存储器 rom、中断系统、多种 i/o 口和 定时器/计时器等功能(可能还包括驱动显示电路、 pwm 脉宽调制电路、 模拟多路转换器、 a/d 转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统37。 c8051f330 单片机使用 silicon labs 的专利 cip-51 微控制器内核。 cip-51 采用了流 水线架构, 因此它的指令吞吐量要远远超过标准 8051 架构。 在标准 8051 中, 除了 mul 和 div 之外的所有指令需要执行 12 或 24 个系统时钟周期,最高系统时钟为 12 到 24mhz。而 cip-51内核 70%的指令只需要执行 1 或 2 个系统时钟周期,只有 4 条指令 需要执行超过 4 个系统时钟周期,最高系统时钟为 100mhz。该芯片外部集成了 4 个 16 位计数器/定时器、 一个具有增强波特率配置的全双工 uart、 一个增强型 spi 端口、 768 字节内部 ram、128 字节特殊功能寄存器(sfr)地址空间及 17 个 i/o 端口,是一个低 功耗、体积小、性价比好的处理器芯片5。 cygnal 公司的 c8051f是对 80c51 的重要技术发展,它具有以下优点: (1)其结构与编程 mcs-8051完全内容一致,内部资源增加,但向下兼容,如ram 增加了 512 字节,保留低端 128 字节不变,功能模块特殊功能寄存器的数量增加了约 4 倍,但书本上的 21 个 sfr 继续保持; (2)内部包含 10 位 16 路的逐次逼近型 adc,简化了硬件电路,性能也比书本上的 adc0809 功能强,使用方便,内部地址固定:易学易懂; (3)内部一路 10 位电流型 dac,并且有 0.5ma、1ma、2ma 三种量程可选,可以 方便制作出正弦波信号; (4)片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试,支持断点、单步、观察/修改 存储器和寄存器,将 dip-40 插头换成了 idc-10 芯的插头仿真器连接简便可靠,仿真线 不会遮挡系统电路,便于学生学习硬件电路而不损坏系统; (5)高速 8051 微控制器内核,流水线指令结构,原来需要 12 震荡周期完成的操作 简化到 1 个,同样外部晶振速度提高约 10 倍; (6)内部通用存储器为 768 字节内部数据 ram,使得缓存增加了 4 倍, 提高了运行 效率,8kb 程序存储器(flash)比 51 多了一倍,flash 可在线系统编程 10 万次, 试验系统提供的电路可以直接用作产品; (7)17 个端口均有静态锁存器,内部的双功能端口可以灵活配置,便于电路板设计; 2 系统开发设计相关技术 5 (8) 内部串口除了异步 uart、还增加了同步两线 smbus 和增强型三线 spi 串口, 只用两三根口线就可以很方便的扩展到几个 g 的外部数据 ram 和多种串口设备, 在本 系统中扩展了实时时钟、e2prom; (9)4 个通用 16 位计数器/定时器,它的定时脉冲源分频速率可以有 1,1/12,1/48 多种选择,便于时间控制; (10)5 个 16 位可编程计数器/定时器阵列(pca) ,可以很便的产生连续 pwm 波, 有 3 个捕捉/比较模块,提高处理外部实践的实时性。 2.2无线载波信号识别技术 时至今日,无线遥控器已经在生活中得到了越来越多的应用,给人们带来了极大的 便利。随着科技的进步无线遥控器也扩展到了许多种类,简单来说常见的有 2 种,一种 是家电常用的红外遥控模式(irremote control) ,另一种是防盗报警设备、门窗遥控、 汽车遥控等等常用的无线电遥控模式(rf remote control) 。两者各有不同的优势,应 用的领域也有所区别6。 红外遥控模式的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波; 红外 接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成,它们将红外发射器发射的红外光 转换为相应的电信号,再送后置放大器。 无线电遥控器(rf remote control)是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制 的遥控设备。这些信号被远方的接收设备接收后,可以指令或驱动其它各种相应的机械 或者电子设备,去完成各种操作,如闭合电路、移动手柄、开动电机,之后再由这些机 械进行需要的操作。作为一种与红外遥控器相补充的遥控器种类,在车库门、电动门、 道闸遥控控制,防盗报警器,工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用34。 红外遥控和无线电通信的区别是:红外遥控是用红外线来传送控制信号的,它的特 点是有方向性、不能有阻挡、距离一般不超过 7 米、不受电磁干扰;无线电遥控是用无 线电波来传送控制信号的,它的特点是无方向性、可以不“面对面”控制、距离远。 基 于本系统的设计要求所以采用无线电遥控技术,每个遥控其都有自己的遥控编码,以防 止出现“窜门”现象。 一个典型的无线通信系统一般分为发射和接收两个部分。信源、输入变换器和发送 设备组成发射部分;接收设备、输出变换器和信宿组成接收部分。通信模式见图 2.2 所 示: 信源就是信号的来源,是信息的发布者,其作用是形成信息,短距离无线电发射具 有四种频率控制类型:谐振回路 lc、saw、晶体和合成器。 输入变换器主要担负将信源输入的消息变换为电信号,即基带信号。基带信号的特 点是频率较低,相对宽度较宽。 西安科技大学硕士学位论文 6 发送设备的作用是对基带信号进行某种变换和处理, 使基带信号变换成合适的信号 在信道上传播,实现这一变换的技术叫做“调制” 。 电波传播传输主要以自由空间位媒介。不同频率的电磁播,其传播方式不一样, 1.5mhz 以下的电磁播主要是沿地表传播;1.530mhz 的电磁波,主要靠天空中的电 离层折射和反射传播;30mhz 以上的电磁波主要沿空间直线传播12。 接收设备是接收已调信号进行处理,恢复出与发送端相对应的基带信号,实现这一 变换功能的技术环节叫“解调” 。 输出变化器是将接收设备输出的基带信号转换成发送端所要发送的信息。 信宿是信息传输的归宿,得到原来信息源形式的信息。 噪声源是指非人为的产生的,在信息传输的过程中客观存在的,噪声的干扰要尽量 避免7。 信 源 输 入 变 换 器 发 送 设 备 基 带 信 号 噪 声 源 输 出 变 换 器 接 收 设 备 信 宿 已 调 信 号 已 调 信 号 基 带 信 号 电 波 传 播 发 射 部 分 接 收 部 分 图 2.1 无线通信一般模式 2.3 i2c 总线通信技术 i2c(inter intergarted circuit)总线是为了简化电路设计而开发的一种用于内部 ic 连接的简单双向串行数据总线。因其具有需要连线少(仅需要两根线 sda 数据线和 scl 时钟线) ,允许多主机控制,具有总线仲裁和同步功能,可随意增加和摘除总线上 的从器件等诸多功能而得到了非常广泛的应用。 拥有i2c 总线接口的模块器件可以方便 的被拼装成一个系统8。 主 器 件从 器 件1 从 器 件2 s d a s c l v c c m c u r 图 2.2 典型 i2c 配置 2.3.1i2c 总线的特征 2 系统开发设计相关技术 7 1、只需要两条总线:一条串行数据线 (sda) 、一条串行时钟线 (scl) 。同时 sda 和 scl 都是双向线路,分别通过上拉电阻连接到正电源。 2 、 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单主机/从机关系 软件设定地址;主机既可以作为主机发送器,也可以作为主机接收器。 3、它是一个真正意义上的的多主机总线,如果两个或更多主机同时初始化数据传 输可以通过冲突检测和总线仲裁来防止数据被破坏。 4、串行 8 位数据双向传输的位速率在标准模式下可达 100kbit/s。快速模式下可达 到 400kbit/s。高速模式下可达到 3.4mbit/s。 5、片上滤波器可以滤去数据线上的毛刺波,保证数据完整性。 6、连接到同一总线上的 ic 数量只受到总线的最大电容 400pf限制。 2.3.2i2c 总线数据结构 一个典型的i2c数据传输包括一个起始条件(start)、一个地址字节(位 7-1:7 位 从地址;位 0:r/w 方向位)、一个或多个字节数据和一个停止条件(stop)。每个接收 的字节(由一个主器件或从器件)都必须用 scl 高电平的 sda 低电平来确认(ack)。 如果接收器件不确认,则发送器件将读到一个非确认(nack),这用 scl 高电平期间的 sda 高电平来确认。如图 2.3 所示: 起始和停止条件一般由主机产生总线在起始条件后被认为处于忙的状态, 在停止条 件的某段时间后总线被认为再次处于空闲状态。总线的空闲状态表现为 sda 和 scl 都 一直保持高电平状态。如果产生重复起始条件(start)而不产生停止条件(stop),总线 会一直处于忙的状态。 s d a sc l 起 始停 止 s d a s c l 应 答 非 应 答 图 2.3i2c协议几个状态 i2c 总线的寻址过程是通常在起始条件后的第一个字节决定了主机选择哪一个从 机。第一个字节的前 7 位组成了从机地址,最低位(lsb)是第 8 位,是读写控制位, 如图 2.4 所示。第一个字节的最低位如果是 0,表示主机将写信息到被选中的从机;最 低为是 1,表示主机将向从机读取信息。当发送了一个地址后,系统中的每个从器件都 在起始条件后将第一个字节的头 7 位与自己的地址进行比较。如果一样,器件就认为它 被主机寻址。至于是从机接收数据还是从机发送数据这都由第八位(r/w)位决定。 从 机地址由一个固定和一个可编程的部分构成。 由于很可能在一个系统中有几个同样的器 件,从机地址的可编程部分使最大数量的这些器件可以同时连接到i2c 总线上,器件可 编程地址位的数量由它可使用的管脚决定。 例如器件有 4 个固定的和 3 个可编程的地址 西安科技大学硕士学位论文 8 位,那么相同的总线上共可以连接 8(2 的 3 次方)个相同的该器件。 r/w 从 机 地 址 m s bl s b 图 2.4i2c总线起始条件后第一个字节 发送到 sda 线上的每个字节必须为 8 位。每次传输可发送的字节数量不受限制, 每个字节后必须跟一个应答位。首先传输的是数据的最高位(msb) ,每个字节后必须 跟一个应答位, 也就是经常所说的 ack。在响应的时钟脉冲期间,发送器释放 sda 线, 在这个相应周期,接收器将 sda 线拉低,使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定 的低电平,必须考虑建立和保持时间。在通常情况下,接收器在每收完一个字节的数据 后都会发送一个 ack 相应位。当从机不能响应从机地址时,例如它正在执行一些实时 函数不能接收, 发送从机必须使数据线保持高电平主机然后产生一个停止条件终止传 输或者产生重复起始条件开始新的传输。如果再传输一段时间后,接收器不能再接收数 据,这时接收器要是总线拉高,接着主机发送器会产生一个停止信号。i2c 总线的写时 序如下图所示9: 数 据 起 始 从 地 址 写 地 址 高 字 节地 址 低 字 节 n个 数 据n+x个 数 据 停 止 图 2.5i2c总线写时序 、发送起始位 、发送设备地址和写命令 、接收应答位、发送地址高字节 、接收应答位、发送地址低字节 、接收应答位、发送一字节数据 、接收应答位、继续发送返回 5 、发送停止位 1 图 2.6i2c总线读时序 2 系统开发设计相关技术 9 、发送起始位 、发送设备地址和写命令 、接收应答位、发送要读的寄存器地址 、发送设备地址和读命令 、接收应答位、读取一个字节数据 、重复第 5 步,直到读取完第 n 个字节数据 、接收非应答位、发送停止位 2.3.3i2c 总线仲裁 一个主器件只能在总线空闲时启动一次传输。在一个停止条件之后或 scl 和 sda 保持高电平已经超过了指定时间,则总线是空闲的。两个或多个主器件可能在同一时刻 产生起始条件,所以使用仲裁机制迫使一个主器件放弃总线。这些主器件继续发送起始 条件,直到其中一个主器件发送高电平而其它主器件在 sda 上发送低电平。由于总线 是漏极开路的,因此被拉为低电平。试图发送高电平的主器件将检测到 sda 上的低电 平而退出竞争。 赢得总线的器件继续其数据传输过程, 而未赢得总线的器件成为从器件。 该仲裁机制是非破坏性的:总会有一个器件赢得总线,不会发生数据丢失5。 2.4 本章小结 本章介绍了芯片的选型、无线信号传输的特性及原理,无线电信号传输得频率特性 及接收灵敏度。同时介绍了本系统中涉及到的i2c 总线。 西安科技大学硕士学位论文 10 3 系统硬件设计 本车辆管理系统总体结构如图3.1所示: 系统主要由无线信号发射模块、 信号解码模 块、电动伸缩门和主控制系统组成。系统工作原理为:在未接收到控制信号的情况下交 通信号灯显示红灯,电动门关闭,指示车辆不能进入小区,数码显示屏上显示日期和时 间。当车主开车离门10米距离内时可以按下无线电遥控器,发送户主信息;接收解码器 接收后解码,将解码信息发送给主控制器,查询存储器e2prom中存储的对应编号的户 主车辆缴费信息。当接收到符合条件的解码信息时,在数码管显示器上显示车牌号, 缴 费适用期限等信息,控制绿色交通信号灯亮指示准许通过,并打开电动门。当车辆探测 红外传感器检测到车辆通过时关闭电动门。对不符合条件的车辆信息,当车辆探测红外 传感器检测到车辆到达并试图进入时进行报警。提醒门卫进行适当处理。 车主不用打开 窗,只 需 在 车 内按下遥控器 遥控器发出的 无线射频信号 p s2键盘用于车辆 信息的注册输入 数码管显示器显示 实 时 时 间、日 期 和 车辆缴费信息 单 片 机 控 制3个 继 电 器 的 通 断,来 控制遥控器的按 键,从 而 控 制 自 动 门 的 开、关 和 停止三种状态。 e2prom 蜂 鸣 器 8051 f3 3 0 无 线 接 收 模 块 接 收 解 码 控 制 器 自 动 伸 缩 门 红 绿 灯 u a rt power blo ck 向 量 中 断 控 制 器 8k flash p s2接 口 768字 节 r a m 通 用i/o p1 0 通 用i/o p1 1、p1 2 c8051f3 3 0 通 用i/o p1 3、p1 4 p1 5 通 信 模 块 主 控 制 器 sc l s d a 实 时 时 钟 s c l s d a 3.3v 电 压 转 换 模 块 电压转换模块 开 关 电 源 ci 2 ci 2 p1 4 p1 5 p1 6 p0 1 c8051f3 3 0 uart 通 信 模 块 红 外 传 感 器:判 断 车 辆 是 否已经通过或者是否有车辆 强 行 通 过 图 3.1 硬件整体设计原理框图 3 系统硬件设计 11 3.1 硬件电路设计原则 作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统,首先要考虑的就是 系统的硬件电路设计。为使硬件电路设计趋于合理,提高抗干扰性、可靠性及安全性, 系统的硬件电路设计中应该遵循以下几个原则10: (1) 尽可能选择标准化、模块化的典型电路,提高设计的成功率和结构的灵活性。 (2) 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适 当余地,以便进行二次开发。 (3) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构和软件方案会产生相互影响, 考虑的原则是: 软件能实现的功能尽可能由软件来实现, 以简化硬件结构。 但必须注意, 由软件实现的硬件功能,其响应时间要比直接用硬件响应来的长,而且占用 cpu 时间。 所以,选择软件方案时,要考虑到这些因素。 (4) 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配,例如选用晶振频率较高时,存 储器的存取时间有限,用该选择允许存取速度较高的芯片;选择 cmos 芯片单片机构 成低功耗系统时,系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。 (5) 可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分,它包括芯片、器件选 择,去耦滤波等。 (6) 单片机外接电路较多时,必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不 可靠,解决的办法是增加驱动能力,增设线驱动器或减少芯片功耗,降低总线负载。 (7) 系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上,应适当留有余 地,以备将来修改、扩展之需。 (8) 在对硬件总体结构考虑时,同时要注意通用性的问题。 3.2 电源模块设计 电源模块是把现有的电压转化成系统所需的某种类型的电压的一种电子装置, 这种 装置包括电子器件组成的变换电路及其所需的相应的控制电路。 它是一个控制系统的动 力,没有电源系统就不能工作,而且它的优劣直接会影响到各类电子设备的性能。电源 可分为三类:直流电源、交流电源和特种电源,开关电源是直流电源中的一种25。开关 稳压电源具有以下优点11: 稳定性好、纹波小(5mv)、瞬态响应快、线路简单、效率高、自身抗干扰性强、 输入电压范围宽、模块化,内置过流保护,输出可持续短路。 在本系统中,由于 c8051f330d 单片机和e2prom 供电为 dc3.3v,数码显示屏和 无线接收模块需要 dc5v 电压,而继电器、交通指示灯和蜂鸣器需要 dc24v 电压。因 此选择能提供 dc24v 和 dc5v 电压的开关电源供电(输入 ac220v,输出 dc24v、 西安科技大学硕士学位论文 12 dc5v) 。3.3v 电压转换选用集成稳压块 ams1117,其最大输出电流为 1a,在输出电流 最大时其最大压差不超过为 1.3v,并随负载电流的减小而逐渐降低。使用简单,可进行 短路和过热保护。稳压开关电源 5v 电压在经过 ams1117 得到 3.3v 电压。电源模块电 路设计如图 3.2 所示: 图 3.2 电源模块原理图 3.3 无线控制信号发射与接收 无线控制信号发射与接收模块在整个系统中占有重要地位, 此部分设计的合理与否 会直接影响到系统的稳定性。这部分主要包括无线信号的编码发射、信号接收及解码。 采用 pt2262 遥控编码芯片进行编码,pt2272 是与其相对应的接收解码芯片,两者常常 配对使用,现已广泛用于汽车门控、遥控门锁、门禁管理等领域,也可用于传送数字信 息。pt2262 具有 19 位二进制编码功能;pt2272 的解码只有 46 位,这就限制了数据 传输的应用。在此从 pt2262 接收的信号特征入手,利用 c8051f330单片机直接对无线 模块接收到的解调信号进行解码,解析出 pt2262 发出的全部 12 位三态数据,从而进行 控制系统13。 3.3.1 无线信号编码发射 无线信号编码发射模块采用市面上技术成熟的 pt2262 编码遥控器,此种遥控器为 12位三态编码芯片pt2262及无线载频集成, 可以组合提供531441(312)个不同的地址码。 电磁转换效率高、发射功率大、功耗低,采用声表器件(saw)稳频,6.5g 超高频三 极管。 同时节省了系统的设计时间, 简化了系统电路设计。 遥控器的技术指标如下表 3.1 所示: 表表 3.13.13.13.1 遥控器技术参数遥控器技术参数 工作电压振荡方式工作频率编码格式工作电流调制方式频率偏差 12v(23a) 电池 saw谐振 315mhz 433mhzpt22629maask 75khz (max) 遥控器内部编码芯片 pt2262 是一种 cmos 工艺制造的低功耗低价位通用编解码 3 系统硬件设计 13 电路,发送的编码信号是由:地址码、数据码、同步码组成的一个完整码字,最多可以 有 12 位(a0a11)三态地址端引脚(悬空、高电平、低电平),pt2262 最多可有 6 位 (d0-d5)数据端管脚,设定的地址码、数据码和同步码从 17 脚串行输出14。两个脉冲对 一位数据或地址进行编码:两个窄脉冲表示“0”接地,两个宽脉冲表示“1”接高, 一 个窄脉冲一个宽脉冲表示“f”悬空。其中窄脉冲约为 200s;宽脉冲约为 1200s,宽 窄脉冲间宽为 200s,两个窄脉冲之间宽 1200s。在 4 组字码中,每组的字码间隔为 14 000s。遥控器内部如图 3.3 所示,新买的遥控器 12 位(a0-a11)三态地址端管脚都是 悬空的,我们可以通过用焊锡搭焊得方法来将 a0-a11 分别接高电平、低电平或悬空编 码器来组合不同的地址码和数据码。当按键按下时,设定的地址码和数据码从 17 引脚 串行输出,经发射元件 ired 发出信号,通过调节电阻rosc可以调节发射频率。 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 a 0 a1 1 a1 0 a9 a8 p t2262 a 1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 v s s v c c dout d in o sc1 o sc2 g n d s w 2 5p 5pir e d g n d 图 3.3遥控器内部电路 pt2262 个引脚功能如表 3.2 所示: 表表 3.23.23.23.2pt2262pt2262pt2262pt2262 引脚功能引脚功能 序号名称功能及使用 1-8,10-13 7-8,10-13 9 14 15 16 17 18 a0-a11 d0-d5 vss din osc2 osc1 dout vcc 地址管脚,可置为“0”,“1”,“f” 地址管脚 电源负端(-) 数据信号输入端,来自接收模块输出端 外接振荡电阻 外接振荡电阻 数据输出端 电源正端(+) 西安科技大学硕士学位论文 14 3.3.2 单片机解码电路设计 无线信号的接收采用pcr1a 超再生接收模块,通过接收天线接收射频信号并进行 解调,成为不同宽度的脉冲信号,最后由 c8051f330d 单片机进行解码。pcr1a 无线接 收模块特点是低电压、小体积、高性价比,另有 1.7ma5v 小电流高灵敏度接收机, 具体参数如表 3.3 所示: 表表 3.33.33.33.3pcr1apcr1apcr1apcr1a 超再生接收模块参数超再生接收模块参数 标称 电压 工作 电流 工作 频率 输出数 据电平 接口 最大 速率 接收 灵敏度 最大外 型尺寸 工作 温度 dc(5v 0.5v) 4ma5v260mhz 433mhz ttl 电平 4pin(间 距 2.54 mm) 1khz-105dbm3013.6 8mm -10 +60 pcr1a 有四个引脚,接口电路设计如图 3.4 所示: 图 3.4 无线接收模块接口电路 为了提高系统的接收灵敏度和接收距离一般都需要外接天线。 接收模块的工作电压 为 5 伏,静态电流 4 毫安,接收灵敏度为105dbm 的超再生接收模块 pcr1a,其接收 天线最好为 2530 厘米的导线,采用螺旋状,同时天线最好能竖立起来15 16。 3.3.3 继电器控制电路设计 继电器控制电路主要是控制自动门的遥控器通断, 自动控制门的遥控器一般有三个 按钮实现开门、停止和关门三个动作。本系统中通过继电器的通断来控制按钮的通断从 而控制自动门的相关动作。继电器驱动电路如图 3.5 所示,joa1 和 joa2 接开门按钮、 joa3 和 joa4 接停止按钮、joa5 和 joa6 接关门按钮。例如当单片机口 po14输出为 低电平时,对应 mc1413 输出 ji1 为高电平+24v,继电器不吸合;当单片机口 po14输 出为高电平时,对应 mc1413输出 ji1 为低电平,继电器吸合,joa1 和 joa2 合上, 相 当于按下了遥控器的开门按钮,遥控器发出开门信号,开启自动门。 3 系统硬件设计 15 图 3.5 继电器驱动电路 3.4 主控制模块的设计 主控制模块是整个控制系统的核心部分, 主要以 c8051f330 单片机为控制核心实现 外围电路控制设计,其中包括外部时钟电路设计,存储电路设计,实时时钟电路,蜂鸣 器和外部 ps2接口等。 3.4.1 时钟电路的设计 c8051f330 单片机有一个可编程内部高频振荡器、 一个可编程内部低频振荡器和一 个外部振荡器驱动电路。内部振荡器复位值已经过工厂校准,对应的基频为 24.5mhz, 精度为2%,由于其精度较差,在单片机通信时容易产生偏差。在实际中,为了使单 片机系统运行更稳定、速度更快,采用了外部晶振。外部晶振必须并接到 xtal1 和 xtal2 引脚,还必须在 xtal1 和 xtal2 引脚之间并接一个 10m的电阻,这是由于 连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器,将输入进行反向 180 度输出,晶振处的 负载电容电阻组成的网络提供另外 180 度的相移,整个环路的相移 360 度,满足振荡的 相位条件,同时还要求闭环增益大于等于 1,晶体才正常工作5。外部晶振电路设计如 图 3.6 所示: 晶振输入输出端并接的电阻作用是产生负反馈, 以保证放大器工作在高增益的线性 区,其阻值一般在 m 欧级,我们可以选择 10m,输出端的电阻与负载电容组成网络, 提供 180 度的相移, 同时起到限流的作用, 防止反向器的输出对晶振过驱动而损坏晶振。 并进去的两个电容根据 lz 的晶振为几十 mhz 一般是在 2030p左右, 主要用对频率和 波形的微调,并影响幅度。 西安科技大学硕士学位论文 16 图 3.6 外部晶振电路 3.4.2 信息存储电路设计 在本课题设计中有大量的信息需要保存,且要求车辆的缴费信息能长时间保存、 易 于读写、掉电后数据不丢失。根据此要求选择e2prom(型号:24c512)用于存储注册 的车辆信息、密码等。 24c512为 64k 串行电可擦除的可编程存储器,它是一种掉电后数据不丢失的存储 芯片,内部有 512 页,每一页 128 字节,任何一单元的地址为 16 位,地址范围为 00

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