【基于单片机的客车超载检测系统设计（论文）9300字】

一、绪论1.1课题背景及意义伴随着人们生活水平的不断提高，大家外出旅游、探亲、出差的人变得越来越多，节假日时外出的人数更多，随着外出的人数变多公路客车这一行业并没有因此变大，而客车超载的情况却经常发生，这种情况会导致客车司机对车辆的控制，就会非常容易的出现车祸交通事故，将会带来不可磨灭的伤害[1]。相应的国家也颁布了很多的法律规范，从而达到降低客车超载这一现象，由于每个省的政府也针对这一现象颁布了很多的法例来解决，虽然效果很显著，但是在节假日外出的等情况下，客车人数超员的情况还是会频频的出现。所以不仅需要法律法规的限制，也需要通过科学的方式杜绝车辆超员的情况发生。针对客车超载的现象国内国外都有很多解决方法，但是的大多都是通过单片机进行对车辆超员进行智能控制的监督，

单片机拥有非常高的性价比，单片机可以使用的地方非常多，所以受到很多使用者的喜爱，从而促使了单片机的发展。它涉及到的领域有很多，大概可以归类为下面几个邻域：单片机在智能仪器里的应用，因为单片机的很小，决定能力很强，机动能力优秀所以很适合应用在智能仪器中，通过各种各样的传感器可以实现对多种物理量的测量；在计算机方面单片机也有很重要的影响，给通讯设备供应了很重要的基础，现在单片机都普遍的应用在各个通讯设备里。本文正是由于以上的原因，通过单片机当主体进行对车辆内人数情况的计算，然后就可以通过LED显示器将客车内的人数表示出来，当车辆内人数超过额定值时，就会触发报警系统，并且继电器也会工作，车辆将会无法启动，从而来阻止车辆行驶。如果车辆内人数下降到限定人数之下时，与此同时停止报警系统，继电器停止工作，车辆也可以正常的启动了，由此来达到对客车的智能监察，极大的降低了客车超载这一现象而引发的各种问题，有效的保障车辆内人员的生命安全。1.2国内外现状由于需要运输行业，所以国家的交通变得十分便利，也导致国家的的交通事故频繁发生，所以国家对这一现象变得非常重视。外国大多数国家进行对行驶中车辆的动态情况进行分析的装置来阻止车辆超载这一现象。外国第一批用来解决车辆超载的方法特别简单，就是通过对静止汽车状态下的重量测量，从而防止客车超载，大型电子地磅就是最先一批的装置。但是之中装置用起来不太方便，所以又有科研人员发明了比它更方便装置，该装置更方便而且携带很方便，可以用来静止称重以及在车辆很慢时也可以进行称重，相对于之前的装置有了很大的进步，变得更加成熟。这项技术在国外使用了将近30多年，这种技术在国际上得到了一致的好评，使用率非常高，这一技术又称为WIM技术[2]。而我们国内最开始的仪器是通过本国科研人员研究的BQZ-I型的静态测量仪器，该仪器携带十分方便，非常容易掌握对该仪器的使用安装的方法现在国内推行的车辆超载监测系统大部分都是通过动态检测，例如公路车辆动态测试仪等。郑军庭等人研发出了一种在桥梁上高速行驶的超载车辆的动态检测方法，他们通过非常精准的传感器，来进行对高速行驶时车辆的检测，只需要把该仪器安装到桥下。该仪器会通过传感器进行对车辆速度和重量的分析，由此获得车辆在高速情况下的测量，从而达到对车辆超载的情况的控制，该检测方法十分准确并且安装使用非常方便。1.3主要研究内容与章节安排本文的主要任务是检测车辆是否超载，通过单片机当主体进行对车辆内人数情况的计算，然后就可以通过LED显示器将客车内的人数表示出来，当车辆内人数超过额定值时，就会触发报警系统，并且继电器也会工作，车辆将会无法启动，从而来阻止车辆行驶。如果车辆内人数下降到限定人数之下时，与此同时停止报警系统，继电器停止工作，车辆也可以正常的启动了，由此来达到对客车的智能监察。该检测系统主要包括五个部分：检测装置、显示装置、控制装置和报警装置。然后对这五大部分进行研究的内容有：红外检测技术、LED数码管显示、单片机系统、报警系统、继电器的控制等。本文分为六个章节：第一章为绪论，主要讨论系统的研究背景以及对国内外现状的研究，介绍了本文设计的主要内容。第二章为系统的总体结构的方案设计，对整个系统的组成和原理进行了描述。第三章为系统硬件电路设计，对系统的检测模块电路，单片机模块电路进行描述。对数码管显示电路，警报电路，继电器控制电路进行设计，同时对硬件实现所需的相关芯片和元器件的选型进行说明。第四章为系统的软件设计，对系统各模块软件设计和工作模式进行介绍，并对系统的整体设计进行说明。第五章为系统测试与结果分析，克服系统重点与难点技术后，把各模块组合成一个系统，并对其进行仿真测试，根据显示结果查看本系统是否能够达到客车超载报警的要求。结论，对本系统的设计进行总结并指出不足之处。

二、系统的总体方案设计2.1系统组成原理本文进行的是对客车超载智能监控装置的研究，研究该程序的原因是车辆超员而导致的各种危险事故。所以这个装置能够对车辆内人数的智能监控，由单片机为主题进行计算，通过LED显示器将客车内的人数表示出来，当车辆内人数超过额定值时，就会触发报警系统，并且继电器也会工作，车辆将会无法启动，从而来阻止车辆行驶。如果车辆内人数下降到限定人数之下时，与此同时停止报警系统，继电器停止工作，车辆也可以正常的启动了，由此来达到对客车的智能监察，利用该系统从而降低由于载客人数过多而引发的各种问题，从而来保障人员的生命安全[4]。该装置用来检测车辆内人员人数的模块以及对人数的运算统计的方法非常重要。用来检测车辆内人数的仪器是采用反射式红外传感器来感应车辆内上下车的动作的收集；而人数的计算及统计是通过单片机进行对传感器传来的信息进行处理，从而完成车辆内人数监控。通过上面两个模块来显示出车辆内人员的人数，就能判断车辆有没有超员，由此来避免由车辆超员而引发的危险，来实现本课题的意义。2.2系统各部分功能介绍该系统可以分为三大部分，检测部分，单片机以及控制报警部分，由图2.1所示为系统的设计框图。图2.1系统设计框图检测部分的仪器是采用反射式红外传感器来感应车辆内上下车的动作的并且进行收集。而人数的计算及统计是通过单片机进行对传感器传来的信息进行处理，然后再把单片机处理的信息传输到控制部分，通过LED显示器将车辆里的人数表示出来，从而完成车辆内人数的监控，当车辆中的人数超过额定值时系统触发扬声器报警系统，同时继电器将会锁定启动装置，车辆无法正常行驶，该系统各组成模块的功能如下：单片机在整个程序里起着至关重要的作用，通过单片机系统接受来自传感器的信号，然后再由单片机进行计算统计，然后将计算的信息传输到显示电路以及报警电路，由此来进行对车辆内人数的检测。检测模块的反射式红外传感器有两个部分组成，分别是发射器和接收器，一个用来发射信号，一个用来接收信号。当发射器前方有障碍物的时候，接收器接收到光线，传感器的端口就会产生高电平；当传感器没有检测到物体的时候，接收器接收不到光线，传感器的端口就会产生低电平。所以在有人上车下车就会通过反射式红外传感器，传感器的端口就会产生高低电频，从而来完成对人数的检测[5]。报警模块是由蜂鸣器组成，通过单片机传来的信息进行报警任务。继电器模块是用来控制车辆的启动装置。当人数超过上限继电器断开，从而车辆无法正常行驶；当人数下降到限定人数之下，继电器闭合车辆可以的正常行驶。LED显示电路采用的是两位LED动态显示，当有人上下车时，显示模块就会将车辆内的人数显示出来。2.3本章小结本章介绍了系统的组成部分系统组成原理。运用反射式红外传感器进行上下车人数统计。通过单片机系统分析处理车上人数，显示模块输出载客人数，当人数超过额定值触发扬声器报警系统，继电器锁定启动装置。

三、系统硬件电路设计3.1系统硬件的总体组成系统硬件的设计是该系统中最为重要的，该系统包括三个部分的设计：检测模块的设计通过两个反射式红外传感器装置来判断乘客上下车的数量；单片机模块的设计使用了AT89C51芯片进行对乘客人数的加减计算；控制模块的设计包括了客车内人数的显示，报警系统，继电器控制的设计。3.2检测模块电路检测模块电路使用了两组反射式红外传感器装置，这两个组装置应该在车辆的上下车的地方进行安装，当发射器前方有人经过的时候，接收器接收到光线，传感器的端口就会产生高电平；当传感器没有检测到物体的时候，接收器接收不到光线，传感器的端口就会产生低电平，然后由单片机进行统计。该部分电路模块设计的电路如图3.1。图3.1检测电路模块发射器和接收器装置要保持30cm～50cm的距离如图3.2，如果没有人从两个装置中走时，光敏三极管接收不到由发射装置发射出的射线，所以端口产生的是低电频，然后传递给单片机。如果有人从两个装置中走时，人首先通过装置E1，发射装置通过人的反射，光敏三极管就可以接受到发射装置所发出的信号，然后人从E1和E2经过，将两个装置都给挡住，接下来人离开E1挡住E2装置。通过之前的信息分析，可以知道在进车时A3端口的电平是在改变的，所以在人进入车辆时会有脉冲信号，然后将上车的信息送到单片机中进行加减计算，在该情况下B3端口没有任何变化[6]。各点的时序如图3.3所示。人E2E1人E2E1图3.2人的走动方向图3.3各点时序波图车内人员下车时与上车时的方向相反，所以车内人员首先经过E2，然后把E1与E2都挡住，最后在经过E1。这种形况下B3端口的信号与之前相反，然后将车内人员下车的信息输入到单片机中，再通过单片机对车辆中的人数统计。红外线传感器是一个能够将红外线进行发射与接收的机器或器件。根据它的机理性的不一样将其归为两种分别是：主动型红外线传感器与被动性传感器。而主动型红外线传感器也可以分为两种，一个是红外发射传感器另一个为红外接收传感器，这两个传感器也能够互相搭配使用。CD4013通过两个一样的但是互不干涉的引脚触发器，在各种电路中可以经常看见它的身影。CD4013的内部有两个一模一样的D触发器FF1和FF2[7]。如图3.4所示，CP是时钟脉冲的输入端，D是数据的输入端，Q与Q/是一对互补地输出端，R是复位端，S是置位端，Vpp与Vss分别为电源的正端与电源的负端。图3.4CD4013管脚CD4013的功能如表3.1所示，由该表可以看出，当R=S=0的时候，在CP端口上升沿的作用下，Q端口与D端口的状态一样，为Qn+1=D，也就是将D端口的数据传入触发器中。当R=0、S=1的时候，Q=1；R=1、S=0时，所以Q=0，这称作为直接置1和置0，不需要CP与D之间的配合。在一般的情况下不能允许在R、S两个端口同时施加高电平，因为这么做施加的高电平就不能进入正常的工作。表3.1CD4013的功能表CPDRSQn+1↑0000↓x001↓x00QnXx100Xx0113.3单片机模块电路该单片机模块是对检测模块传送过来的信息进行分析，通过计算来统计出车辆内乘客的数量。由于在该电路中所处理的信息比较少，而且只进行加减运算，所以对系统需求较小，因此在该电路模块选择了AT89C51芯片。AT89C51芯片是MCS-51系列中的8位芯片，AT89C51芯片拥有高性能、低功耗等优点，它的机动性很优秀、在各方面的能力非常强并且性价比非常高，因此该芯片在很多地方都能够方便的应用，深的使用者的喜爱[8]。该模块选择了AT89C51芯片，从而进行加减计算并且进行储存的功能，如图3.5为单片机的最小系统。图3.5单片机最小系统3.4

控制模块电路在单片机之中，控制模块会依据提设定好的载客人数值进行处理，当上车的乘客数量超过了额定值，扬声器开始发出报警，在此同时继电器断开，从而车辆无法正常行驶，而且车辆上的人员会通过LED屏进行实时显示[10]。3.4.1数码管显示电路设计

数码管的电路设计之中，把没有发出的信息改变成BCD码，然后把该信息进行传输，使用共阴极数码管译码驱动器74LS48把BCD码变为七段码，最后把它输送给数码管进行显示信息，如图3.6所示。图3.6乘客人数显示电路LED显示器一种通过二极管组合以及控制而进行显示的状态。段式LED显示器的使用十分频繁，因为该显示器拥有较强的可靠性，性价比高，使用很稳定，能够使用的时间也很长等等的优点；而点阵LED显示器经常在商店门口使用，用来显示各种信息。[11]但LED显示器的功率消耗很大，容易发热，相比来说体积算是比较大的了。LED显示器是通过LED组合的，如果有任何一个LED导通，这个LED所显示的地方将被点亮，LED显示器上的二极管由单片机进行控制，由此来表示出各种不同的信息[12]。在LED显示中，不能将该电路复杂化，需要节省成本，所以动态显示这一设计拥有很大的实用性，这类设计也是现在最为普遍的方案。本模块使用的是两位的LED显示器，通过单片机对位选线与段选线控制，从而让该LED显示器表达出想要的内容[13]。3.4.2报警电路设计报警程序是在人数超过限定值时开始启动，该程序收到来自单片机的信号，然后该信号经过警报程序的功率放大器，最后扬声器发出警报，电路框图如图3.7所示。图3.7报警电路框图LM386芯片是给一些电源消耗小的电路而做的功率放大器。该芯片能够通过电池来补充电能，不工作时只有4mA的电流消耗，并且失真较低[14]。LM386的接脚图如图3.8所示图3.8LM386的接线图如果系统检测出来客车的乘客数量超过了额定值的时候，扬声器就会收到来自由P2.2端口传递来的1KHz的音频信号，从而扬声器开始工作，发出报警，该程序如图3.9所示。图3.9报警电路3.4.3继电器控制电路设计经过在点火线路之中加入继电器开关从而来实现对汽车的锁定。如果启动开关打开的时候，P3.7处为低电平时，不会触发继电器，车辆可以正常启动。如果系统检测来客车上的乘客数量超出了额定值时，高电平就会从P3.7口进行输出，这时就会触发继电器，车辆无法正常行驶。只有车辆内的人数到额定值人数之下时，系统就会再次输入低电平到P3.7口，继电器将会恢复到原有的状态，从而使客车可以正常的启动行驶，通过该方法来抵制了客车的超载现象[15]。该电路常常都需要在线圈的两边加二极管，进行吸收断电时所产生的反电动势，进而防止受到外界的干扰，继电器的控制电路如图3.11。图3.11继电器控制电路3.4本章小结本章进行了对客车超载系统的电路的设计。通过对检测模块的设计，单片机模块的设计以及控制模块的设计来进行介绍。

四、系统的软件设计4.1系统软件的整体设计根据全部的设计设计想法来看，客车超载的框图如4.1所示。首先需要进行对系统的初始化。首先把单片机的寄存器的数据清空，从而方便储存车辆内人的数量，另外一个用来储存车辆的可以乘坐的上限人数，之后把寄存器储存的人数输送到累加器中，由相应的指令来进行判断车辆内的人数是否超过限定的条件，若检测到的人数没有达到上限人数，继续对指令进行判断，当车辆里人数超员时，继电器与扬声器开始工作，车辆无法正常启动[16]。图4.1整体设计程序框图同时，该程序还能够实时的显示车辆上的乘客人数。该系统的循环来判断目前客车内的人数，如果车里的人数小于设定的人数时，随时可以清除报警的程序，从而使继电器的常闭触头开始闭合，可以让客车再次正常的启动。在显示的子程序中，主要让外部的中断产生的计数值从16进制转变成8

位的BCD

码，从而显示数据[17]。4.2计数功能程序设计计数程序的框图如图4.2所示图4.2计数功能程序框图计数模块的作用是能够把红外线传感器传递过来的信息送到AT98S51芯片的STATUS寄存器中来进行计算统计，把客车内的人数和设置的额定值进行比较循环，如果等于上限客车人数将会发出报警的信号从而进行报警，如果大于上限的人数就将会被执行程序锁定发动机的电路[18]。4.3报警电路的程序设计这个部分的主要功能就是不断的查询该来自单片机的传来的电平信号，当有收到信号后，就会由LM386芯片，然后扬声器开始工作，发出警报，从而降低警报电路程序框图如图4.3所示。图4.3警报电路程序框图4.4本章小结本章介绍了整体的设计思想，计数功能程序的设计以及报警电路的整体设计，通过程序框图可以更清晰的看清设计思路，更清楚地体现系统的软件设计更迅速的进行接下来的工作。

五、系统测试与结果分析通过前两章进行选择系统所需要的元器件、设计完整个程序后，通过本章把各个模块组合为成一个完整的系统，从而对其仿真测试。5.1PROTEUS软件简介本次设计使用的是Proteus仿真软件。相对于市面上的其它的仿真软件来说并没有进行广泛介绍以及展示，而且也没有进行大量的宣传，但是这个软件用简单而且便捷得操作与强大得功能作为基础，非常成功的进入了中国的市场，直到今天许多的单片机的研究者与很多高校都会把它当作仿真和教学的重要工具，而且在很多专业的领域之中有很多的单片机的开发者与各个商业公司都会通过使用这个软件[19]。开始推出的时候，这个软件所能适用的各种处理器的模型就已经有了很多，包括了8051、HC11、ARM、AVR、808和MSP430等等多种多样的处理器，但是自从推出以来Proteus这个软件就在一直不停的更新，就在这几年之间又连续不断的添加很多种系列的处理器芯片，例如在2010年进行添加的新的处理器功能性就变得十分全面。与此同时该软件能够进行IAR、Keil与MATLAB多种软件的使用，编译地便捷。和其他的软件相比较，Proteus软件拥有着非常丰富的元器件库，而且搜索十分地方便，布线非常简单且快捷[20]。可以让设计出来的系统通过这个软件仿真对其进行测试与调试，让系统的效果可以更加直观的展示在自己的电脑上，而且在对系统调试的过程之中假如发现了系统中出现的问题就可以随时的进行修改，节省了很多的时间。该软件仿真的效果和处理器实物的相似度十分高，所以在仿真后可就可以直接进行参考系统的仿真图把各个元件进行连接，可以在进一步实物的制作之中有非常好的参考的作用[21]。5.2PROTEUS仿真调试打开protues软件，将各个部分连接在一起。复位开关A和B来表示红外线传感器检测到的人员上下车的动作，通过摁下复位开关A和B来表示车辆内人数的加减。将hex文件导入单片机中，使用页面左下角四个按钮进行调试，分别代表：运行、单步运行、暂停、停止运行，刚刚开始时的电路的显示结果如图5.1所示数码管刚开始显示为00，继电器上的二极管亮起，继电器和扬声器都不启动。图5.1开始工作时电路仿真结果通过对A和B复位开关操作，数码管上所表示的数字就会进行相应的改变。如果按下复位开关A的话LED所显示的数字变大，每按动一下显示器上的数字就会加一；如果按下复位开关B的话LED所显示的数字变小，每按动一下显示器上的数字就会减一。如过一直按复位开关A，在LED显示器上的数字增加到40以上的时候，显示电路如图5.2所示。图5.2超过限定人数时仿真结果显示数字超过40之后，继电器上二极管不发光，继电器与扬声器都启动开始工作到40以上后按下复位开关B，LED显示器显示的人数小于等于40时，电路图如图5.3所示图5.3人数未超过限定值时仿真结果当人数小于等于40时，蜂鸣器和继电器就会停止工作，发光二极管也会开始发光。5.3本章小结本章进行了对客车超载系统的调试与仿真，并且介绍了进行仿真所使用的软件以及整个仿真的过程。

结论本文研究了以AT89C51单片机为控制中心的一套智能客车超载检测系统本文介绍了各模块的主要仪器的选型，采用了红外线接收器能够准确的检测出乘客的动作，系统中选择了AT89C51芯片，它拥有高性能、低功耗等优点，通过该芯片进行人数的计算及统计，然后再把单片机处理的信息传输到控制部分，通过LED显示器将车辆里的人数表示出来，从而完成车辆内人数的监控，当车辆中的人数超过额定值时系统触发扬声器报警系统，同时继电器将会锁定启动装置，车辆无法正常行驶。最后完成了仿真测试，测试结果表明此系统可以进行对客车人数的实时监控，实现对人数的智能监控，从而降低车辆超员引发的事故。本设计用的是以单片机为核心的控制元件，以及红外传感器，抗干扰能力很强，通过对客车上的人数的检测与计算，非常完美的完成了客车超载这一问题的提前预警。该系统运行十分可靠、稳定、准确、快速，检测到的结果可以实时的显示，并且拥有抗干扰能力强、操作方便等很多优点。通过本次设计对Keil，proteus软件有了根深地认识，它们具有仿真调试的功能，拥有强大的绘图功能，也发现了自己的短板，也提高我了我解决问题的能力，因为时间和个人能力的有限，该智能型检测的系统还存在很多需要完善与进行研究的地方。今后在系统测试阶段应多考虑实用性，实验测试和现场使用有很多不同之处，在此方向需要更加努力。

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