智能型客车超载检测系统的设计.docx
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智能型客车超载检测系统的设计
学士学位论文（设计）
题目：
智能型客车超载检测系统的设计
姓名：
李航
学号：
24
学院：
工学院
专业/届别:
电气工程及其自动化（工业电气）/2021届
指导教师：
付东辉
职称：
副教授
表1
牡丹江师范学院学士学位论文（设计）
选题论证报告
姓名
李航
专业/年级
电气工程及其自动化（工业电气）/2010级
题目
智能型客车超载检测系统的设计
选题的目的和意义
通过对客车超载系统的设计，掌握检测系统的原理，将所学理论和社会实践初步结合。
实现对客车载客人数的检测、分析处理以及结果显示。
本系统通过红外线发射接收对管来实现对人数的检测，以判断客车是否超载，如果超载，可通过扬声器报警发出警告，同时通过继电器控制电路对发动机进行锁定以抑制事故的发生，减少国家和人民群众的损失和伤害。
研究内容与方法
主要研究内容：
通过对当前客车超载产生危害的分析，完成智能型客车超载检测系统的设计。
主要研究方法：
1.分析实践法：
根据文献资料了解研究对象，分析整个系统的需求，科学进行实践配置。
2.数据辩证法：
通过实际操作，记录运行过程中的错误，进行研究辩证。
3.调查研究法：
通过考察了解客观情况直接获取有关材料，并对这些材料进行分析的研究方法。
研究进度安排
第一阶段2013年6月20日论文开题
第二阶段2013年10月5日完成论文提纲
第三阶段2013年12月19日完成论文一稿
第四阶段2013年12月19日中期检查
第五阶段2013年12月25日完成论文二稿
第六阶段2014年4月15日完成论文三稿
第七阶段2014年4月21日论文答辩
指导教师意见：
指导教师（签名）：
年月日
开题报告专家论证意见：
专家组长（签名）：
年月日
摘要
对于客车的超载常常造成重大事故，设计了一种智能型客车超载检测系统。
本系统所用的核心为AT89S51单片机。
以红外线发射和接收装置检测客车的载客人数，进而由单片机对所检测的数据进行处置分析，同时LED会显示出检测的结果，若是客车已超载，扬声器先报警，然后由继电器将汽车的打火装置切断，最终实现超载情形的相关操纵。
关键词:
客车超载监测系统；红外线发射和接收装置；单片机
Abstract
Accordingtotheoverloadingofthecurrentbuscausingthemajoraccident，thepaperdesignsakindofmonitoringsystemaboutthebusoverloading.ThedesigningisatthecoreofAT89S51single-chip.ThisdesigningdetectsthenumberofpassengersonbusbyFiredinfra-redreceiver，andthenitanalysesdetecteddatathroughthesingle-chip，asthesametimeLEDwilldisplayeddetectedresults.Ifthebusoverloads，thespeakerwillalarms，andthentherelaywillcutsoffthebranddevicesonbus，finallyitachievestherelatedcontrolofoverloading.
Keywords:
Carriageoverloadmonitorsystem;Infraredsensor;MCU
1引言
最近几年来，人民生活水平慢慢提高，致使旅行、探亲、打工的人数愈来愈多，尤其是在节假日期间，然而，客车运力却没有取得相应的增加，致使超载现象不断显现。
到目前，它已经是一个严峻阻碍社会经济可持续进展和交通运输环境的社会问题。
客车超载给国家的客运市场和公路设施造成了不良的阻碍，也对车辆的驾驶和操纵产生阻碍，容易造成交通事故。
为此，国家公布了一系列的法律法规来制止超载，各地政府针对客车超载也制定了相关的制度进行治理。
尽管这必然程度上减轻了客车超载现象，但在农忙和节假日等客流量顶峰期，超载现象仍然很多。
因此，在采取监督治理的同时，通过科技的手腕来减少客车超载也有着超级重要的意义。
什么是客车超载呢？
一样来说，大中型客车载客人数超过规定人数5人之内为超载，超过规定人数6人以上的是严峻超载。
客车的严峻超载会带来很多不平安的因素，例如制动功效变差、横向稳固性变差、破坏公路设施等。
第一，制动功效变差。
通过汽车的制动器热衰退原理咱们明白，当制动蹄片的温度高达436～460℃时，汽车的制动力矩便会下降为前轮正常温度时的23％，后轮为正常温度时的27％。
超载严峻的车辆在下陡坡时制动后，会由于制动蹄片受热衰退造成制动功效变差，制动距离增加，还会致使制动侧滑、跑偏，乃至致使制动失效。
第二，横向稳固性变差。
横向稳固是指汽车转弯时避免侧滑和侧翻的性能。
这种性能是有限的，汽车在转弯或行驶的进程中转弯时。
就会有一种离心力显现而直接抗击横向稳固力，若是离心力大于等于横向稳固力时，就容易发生侧滑或侧翻。
第三，破坏公路设施，会使公路的保护费用增加、公路的利用寿命缩短。
车辆超载和它对路面的损害是成正比的，超载10%的车辆对公路损坏会增加40%。
本系统对人数的检测是用红外线发射和接收对管实现的，再由单片机组成的中央处置单元分析客车的人数，来判定客车当前是不是超载，若是超载，系统通过扬声器发出警告，并通过继电器锁定发动机幸免发生事故，使国家和人民群众的损失和损害降低。
2系统的整体结构
系统的组成
本系统的组成份为三个部份，检测模块、单片机模块和操纵模块。
系统的整体设计框架可由图2-1所示。
检测模块的功能是运用两组红外线发射和接收对管来统计上车和下车的人数。
单片机系统的功能是分析处置车上乘客的人数，与此同时把分析后得出的结果输出到操纵模块来实现对其的操纵。
LED显示模块显示当前的乘客人数，当客车超载时系统进行扬声器报警，并通过继电器锁定客车。
图2-1系统设计框图
Figure2-1Diagramofthesystemdesign
系统的原理
系统对上车人员的检测是由两组红外线发射和接收对管来实现的。
红外线发射和接收对管传递给单片机系统搜集到的信息，由单片机系统对人数进行加计数和减计数，并且把它们转化为BCD码由LED数码管加以显示。
与此同时，单片机系统还能够通过比较指令同预先设定的内容相比较，来判定当前车内的人数是不是已达到预定人数，若当前车内的人数小于预定人数，那么对车内的人数继续进行判定，反之，扬声器报警启动，对人们进行警告，若是数分钟后人数仍然大于预定的人数那么由继电器操纵电路锁定汽车发电机，假设人数减少至小于预定人数时，系统则停止锁定汽车发动机，使汽车能够继续运行。
3系统硬件的设计
系统硬件整体的组成
硬件电路的设计是本系统设计的核心工作。
系统功能模块决定了本设计包括三个部份：
检测模块的设计、单片机模块的设计和操纵模块的设计。
检测模块电路
该部份选用两组红外线发射和接收对管，在客车车门处适当位置安装，依照乘客通过汽车车门时遮挡两个红外线发射和接收对管发出红外线不同的时序，用单片机来判定乘客上车或是下车。
该部分硬件电路设计的电路图如图3-1。
图3-1检测电路模块
Figure3-1Detectioncircuitmodule
在图3-1所示的电路中，F1A～F4A是由CMOS集成的反相放大器CD4069的放大滤波电路；ICA是由CD4013组成的CMOS双D触发器，Y1A、Y2A则是CD4081的四个2输入端与门，它们与CD4069输出的信号进行运算，然后在Y1A和Y2A的输出端输出适合的电平信号，把它们别离送至AT89S51单片机的T0和T1（计数器0和1的时钟输入端）。
如图3-2
，两个传感器（E1和E2）之间要存在必然距离（30cm～50cm），当没有人通过传感器时，红外线二极管发出的光线照射不到光敏三极管上，给单片机的一直是维持不变的低电平信号，系统不会计数。
有人上车时，E1先被遮挡住，与E1相对应的红外线二级管发出的光则照射在人的身上，反射到光敏三极管上，故电路中的A1端发出一个高电平信号，经放大滤波、逻辑运算，最后在A3输出一个低电平信号。
继而E1和E2都被遮挡，然后是撤离E1遮挡住E2，最后离开。
由以上可知在整个进程中A3点的电平是高低转变的，即一个上车脉冲信号，送至单片机的STATUS寄放器进行加计数，而B3的输出状态是不变的。
具体的检测方式和脉冲产生的时序如图3-3所示。
图3-2人的走动方向
Figure3-2Peoplewalkingdirection
图3-3各点时序波图
Figure3-3Eachpointsequentialporto
同时人上车时各点的逻辑关系如表3-1所示。
表3-1人上车时各点逻辑关系
Table3-1Eachpointwhenpeoplegetonthebuslogicrelationship
传感器工作状态
A1
B1
A2
B2
A3
B3
1无人上车
0
0
0
0
0
0
2遮挡E1
1
0
1
0
0
0
3遮挡E1，E2
1
1
1
1
1
0
4遮挡E2
0
1
0
1
0
0
5人离去
0
0
0
0
0
0
当人下车时那么是把之前遮挡的顺序恰好反过来，B3点的脉冲是相反的，信号送至单片机的STATUS寄放器进行减计数，单片机即可通过内部程序计算出车箱内的实际人数并存储于寄放器中。
红外线传感器是指能够发射和接收红外线的机械或器件。
依照其机理不同能够分为主动型红外线传感器和被动型红外线传感器。
其中主动型红外线传感器，包括红外发射传感器和红外接收传感器，两种传感器配套利用可以组成一套完整的红外线遥控、检测系统，此类传感器也被称为光探测传感器，本设计利用红外发射二极管和红外接收三极管来检测和判定客车当前的载客人数。
CD4013是CMOS双D触发器，在它的内部集成了两个性能相同、引脚独立的D触发器，采纳14引脚双排直插塑料封装，在目前来看，是开发和设计电子电路的经常使用器件，利用很是灵活方便且容易把握，受到电子爱好者的一致喜爱。
CD4013管脚的排列如图3-4所示，其内部有两个相同的D触发器FF1和FF2。
图中，CP为时钟脉冲输入端，D为数据输入端，Q和Q\为一对互补的输出端，R为复位端，S为置位端，Vpp和Vss别离为电源正负端。
图3-4CD4013管脚
Figure3-4CD4013pin
CD4013的功能如表3-2所示，由表可知，当R=S=0时，在CP上升沿的作用下，Q端与D端的状态相同，即Qn+1=D，也确实是将D端数据置入触发器。
当R=0、S=1时，Q=1；当R=一、S=0时，Q=0，叫做直接置1和置0，无需CP和D的配合。
一样情形下不许诺在R、S两头同时加上高电平，因为这时高电平会同时出此刻触发器的两个输出端，这是不正常的工作状态。
表3-2CD4013的功能表
Table3-2CD4013functiontable
CP
DRSQn+1
↑
↓
↓
X
X
0000
1001
x00Qn
x100
x011
CD4013有四种大体方式，即数据锁存器、无稳态工作方式、单稳态工作方式和双稳态工作方式。
单片机模块电路
单片机模块用于对上下车人数的加减计数。
单片机模块的设计中，由于系统的数据量和程序量较少，需要的I/O口相对来讲也较少，关于系统的需求,ATMEL公司的AT89S51芯片的资源能够专门好的知足，因此在本系统设计中使用MCS-51系列单片机AT89S51芯片的最小系统。
AT89S51是一种高性能、低功耗的8位单片机，片内带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器（EPROM），它采纳了ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术和CMOS工艺，而且它的指令系统和输出引脚都与MCS-51兼容。
此外，AT89S51具有着MCS-51系列单片机的一切优势。
内部128位RAM、32位双向输入输出线、两个十六位按时/计时器、两级中断优先级、5个中断源、一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
片内的可编程可擦除只读存储器许诺在系统内改变程序或采用常规的非易失性存储器来编程。
因此AT89S51是一种灵活性高、功能强而且经济实惠的单片机，它可以在各类操纵领域方便地应用。
AT89S51的要紧性能有：
◇与MCS-51微操纵器产品兼容；
◇4KB可改编程序FLASH存储器;
◇全静态工作：
0Hz-24MHz；
◇三级存储器保密；
◇128x8字节内部RAM；
◇32条可编程I/O线；
◇2个16位按时器/计数器；
◇6个中断源；
◇可编程串行通道；
◇片内时钟振荡器；
管脚功能：
AT89S51的40引脚图如图3-5所示
图3-5AT89S51引脚
Figure3-5AT89S51pin
1）I/0口线：
P0、P1、P2、P3共四个八位口；
P0口为三态双向口，也称为数据总线口。
因为只有它能直接用于外部存储器的读/写操作，来输出来自外部存储器低8位的地址。
因为是分时输出，故应该在外部安装锁存器锁存该地址的数据，ALE用于地址锁存信号。
P1口是专门供用户利用的I/O口，是准双向口。
P2口用于系统扩展时作为高8位地址线。
若是不扩展外部存储器，P2口也可作为用户I/O口线来利用，P2口也是准双向口。
P3口是双功能口，每一名都可以独立地概念为第一I/O功能或第二I/O功能。
作为第一功能利历时操作与P1口相同。
P3口的第二功能如表3-3。
表3-3P3口的第二功能
Table3-3ThesecondfunctionP3mouth
2）操纵口线：
PSFN（片外取操纵）、ALE（地址锁存操纵）、EA（片外储器选择）、RF-SFT（复位操纵）；
3）电源和时钟：
Ccc、Vss；XTAL1，XTAL2
本系统选用高性能的单片机方便了扩展功能，大体电路如图3-6所示。
图3-6单片机大体电路
Figure3-6Basiccircuitofsinglechipmicrocomputer
操纵模块电路
在单片机内，操纵模块依照预先设定的载客人数，若是上车人数超过了设定值，单片机就用继电器来操纵汽车的打火器，锁定汽车执行机构，使无法启动，当前人数会通过LED显示，并通过扬声器报警。
3.4.1数码管显示电路设计
数码管电路的设计中，将待显示的数据转化为BCD码输出，通过共阴极数码管译码驱动器74LS48将BCD码转换成七段码送给数码管显示。
显示电路如图3-7所示。
图3-7显示电路
Figure3-7Displaycircuit
74LS48为3～8线的译码器，译码器输入端A、B、C别离接单片机的，，，译码器输出端Y0～Y7接8个数码管从低位到高位的共阴极端。
电路中需显示的数字通过串行口P1送到74LS48，把单片机输送过来的BCD码，转换成高低电平，通过Y0～Y7送给LED显示器，不同电平会顺序地操纵七个数码管的亮与灭，然后显示出不同数字，若是检测电路检测到有5个人上车，单片机遇输送一个显示0的数据给第一个74LS48，同时送去一个显示5的数据给第二个74LS48，如此整体显示为“05”的字样，当系统检测到有16个人上车时，单片机输送显示1的数据给第一个74LS48，同时送去显示6的数据给第二个74LS48，如此整体显示“16”的字样。
LED显示器都是多个发光二极管通过组合而成的。
段式LED显示器的应用最为普遍，它是一种靠得住性高、本钱低，稳固性高的显示器，亮度也很高，利用寿命比较长；点阵LED显示器作为户外文字信息和广告牌也被普遍利用。
但LED显示器功率消耗大，易发烧，相对来讲体积较大。
LED显示器是由LED组成的，当其中一个LED导通时，此LED表示的点或段就会被点亮，单片机操纵的多个不同点或段的亮或灭，从而显示出不同的字符或数码。
经常使用段式的LED显示器包括“七段”结构LED显示器和“米字”结构LED显示器。
它们有共阴极和共阳极两种结构，其中，共阳极LED显示器内部所有发光二极管的阳极连接在一路，而所有发光二极管的阴极各自独立。
共阴极LED显示器的内部所有发光二极管的阴极连在一路，而所有发光二极管的阳极各自独立，段式LED显示器的操纵方式分为动态显示操纵和静态显示操纵两种。
动态显示操纵，确实是多位显示器依次扫描，任意的时刻只有某显示器是亮的，而其他的都不亮，一位亮一按时刻后转向另一名。
这种动态依次扫描多位LED显示器的方式会使显示位“闪烁”，可是，适度调整扫描速度，利用人的视觉暂留，令人的眼睛看起来“不闪烁”。
静态显示操纵方式比动态扫描LED显示器方式的电路复杂一些，动态扫描LED显示器的亮度和扫描频率有关，另外，还和各段的导通电流有关。
静态显示操纵，确实是若是一个LED显示器显示出某字符，操纵码就操纵相应的LED段使其处于恒定的导通状态，静态显示操纵在电路上需要把操纵码锁存在LED显示器的各段输入引脚，若是LED显示器有多位，每位都需要一个8位的锁存器，AT89S51单片机只在需要更改显示器所显示的内容时，才从头锁存在8位锁存器中以新的操纵码。
静态显示操纵的LED显示器的亮度与各段的导通电流大小有关，静态操纵在显示时是比较稳固的。
报警电路设计
在报警电路中，单片机传送过来的报警信号通过功率放大器来驱动扬声器，它的整体设计如图3-8所示。
图3-8报警电路框图
Figure3-8Alarmcircuitdiagram
当系统检测出客车上的人员数量超过设定值时，将通过口输出的1KHz的音频信号驱动扬声器，发出报警信号，本设计采用了音频放大集成芯片LM386，报警电路如图3-9所示。
图3-9报警电路
Figure3-9Alarmcircuit
LM386是特意为低损耗电源设计的功率放大器。
供给电源可利用电池，输入电压范围为4V~12V，无动作时只消耗4mA电流，失真低。
LM386的内部方块图及接脚图如图3-10、图3-11所示。
图3-10接脚图
Figure3-10Feetfigure
图3-11内部方块图
Figure3-11Internalblockdiagram
3.4.3继电器操纵电路设计
汽车锁定的实现要通过在点火线路中所加的继电器开关。
当启动开关打开（即点火开关）时，口处于低电平，因此继电器不动作，对客车的正常工作没有阻碍。
当系统检测出车上人员数量超出设定值时，将通过口输出一个高电平，使继电器工作，进而断开点火线路，使汽车无法启动。
当车内人数转变至设定人数以下时，系统将再次输送低电平到，继电器就会恢复至原有的状态，客车又能够正常启动，进而有效地抗击了客车的超载。
继电器电路通常都要在继电器线圈两头加上一个二极管来吸收继电器线圈断电时产生的反电动势，避免受到干扰。
4系统软件的设计
系统软件的整体设计
依照整体方案的思想，系统的程序框图如图4-1所示。
第一进行系统的初始化，包括设置按时器计数初值、设置堆栈指针、设置按时器的工作方式、设置中断许诺操纵。
把通用寄放器清零，以寄存车上目前的人数，一个单元寄存设定客车能搭载的最大乘客数，继而把寄放器寄存的目前车内人数存至累加器中，通过比较指令和单元的内容相比较，判断当前车内的人数是不是已抵达预定的人数，若是当前车内人数小于预定人数，那么继续对车内人数进行判定，若是当前车内的人数大于预定的人数，那么跳转至报警指令，扬声器报警，同时继电器动作，汽车点火器断开。
图4-1程序框图
Figure4-1Programblockdiagram
同时，程序还能够实时显示车内的人数。
系统循环判定当前车内的人数，当车内的人数小于设定人数时，随时清除报警程序，使继电器的常闭触头闭合，可使客车能够再次正常启动。
在显示子程序中，要紧使外部中断所产生的计数值由十六进制转化为8位的BCD码，继而显示数据。
计数功能程序设计
这部份程序的功能是把传感器检测到的两路上下车信号送至AT98S51单片机STATUS寄放器来进行加和减计数，将实时数量和设定在W寄放器的上限人数（40人）循环不断地进行比较和查询，一旦等于40就发出报警信号进行报警，大于40那么执行程序,锁定发动机电路。
LED显示电路的程序设计
该部份程序的功能是对单片机的显示位加以查询，使数码管的高位和低位能够不中断地刷新，用来实时显示客车上的乘客人数。
报警电路程序设计
该部份的功能是一直查询单片机的报警操纵位，一旦有高电平输出，系统通过LM386驱动扬声器报警提示客车司机，来及时避免超载现象的发生。
5结论
该论文设计的特点是利用了红外线发射接收器这一经济实惠的检测器件，并采用双D触发器组成的互锁电路来抵御来自外界的干扰，与此同时，系统的核心是AT89S51单片机微操纵器，由检测电路、操纵电路、显示电路、报警电路、和系统软件组成，本设计完成的工作要紧有：
（1）采用红外线检测上下车人数。
（2）使检测和输出的信号不失真地反映到显示器。
（3）系统采纳的红外线发射接收器能够实时、持续地在线监测、显示。
（4）系统的扬声器在系统检测到超载时进行报警。
（5）系统的继电器操纵电路还能够在警告发出后切断汽车的发动机电路。
本设计通过检测和计算客车的人数，较好地完成了客车超载的提示预警。
系统的运行靠得住、稳固、准确、快速，结果能够实时显示，并具有抗干扰能力强、操作方便等优势。
但因为时刻和个人能力有限，本智能型检测系统尚存在一些需要完善和进一步研究的地址，希望通过以后的学习来提升。
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