车辆超速报警器系统.docx
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车辆超速报警器系统
青岛理工大学
毕业论文
题目：
汽车超速报警系统设计
学生姓名：
董衍生
学生学号：
201089088
院系名称：
机电工程系
专业班级：
机电一体化技术104班
指导教师：
武传艳
2013年06月15日
毕业设计任务书
专业机电一体化班级104姓名董衍生下发日期2013-3-1
题目
汽车超速报警系统设计
专题
单片机及传感器的应用
主
要
内
容
及
要
求
主要内容：
（1）绘制系统整体结构框图，确定设计方案；
（2）“汽车超速报警系统”的硬件设计；
（3）主要元器件选择；
（4）单片机控制系统软件设计；
（5）对设计的系统进行总结。
要求：
（1）能通过键盘设定最高车速并能通过LCD进行显示。
（2）报警的条件可以根据地方对车速的要求进行增减的设置。
（3）当车速超过所设定的速度最大值实时，实现蜂鸣器报警和灯光报警。
（4）整个设计在技术上是先进的,在经济上是合理的,在生产上是可行的。
技
术
参
数
（1）AT89C51单片机
（2）HN70型磁电式转速传感器
（3）蜂鸣器，红绿发光二极管
进
度
及
完
成
日
期
2013年4月1日-2013年4月19日，查阅国内外文献,上交开题报告。
2013年4月22日-2013年5月10日，系统方案选择与论证,软硬件设计。
2013年5月13日-2013年5月24日，主要参数计算及元器件的选择,上交中期审核表。
2013年5月27日-2013年6月05日，完成毕业设计说明书的撰写,上交初稿。
2013年6月06日-2013年6月15日，根据老师意见进行修改完善。
2013年6月16日-2013年6月20日，论文打印,完成答辩PPT,准备答辩。
系主任签字
日期
教研室主任签字
日期
指导教师签字
日期
指导教师评语
指导教师:
年月日
青岛理工大学毕业设计（论文）评阅意见表
设计（论文）题目
汽车超速报警系统设计
评价项目
评价标准（A级）
满分
评分
A
B
C
D
E
文献资料利用能力
能独立地利用多种方式查阅中外文献；能正确翻译外文资料；能正确有效地利用各种规范、设计手册等。
10
10
9
8
7
≤6
综合运用能力
研究方案设计合理；设计方法科学；技术线路先进可行；理论分析和计算正确；动手能力强；能独立完成设计（论文）；能综合运用所学知识发现和解决实际问题；研究结果客观真实。
20
19－20
17－18
15－16
13－14
≤12
设计（论文）质量
设计（论文）结构严谨；逻辑性强；语言文字表准确流畅；格式、图、表规范；有一定的学术水平或实际价值
40
37-40
32-36
28-31
25-27
≤24
创新能力
有较强的创新意识；所做工作有较大突破；设计（论文）有独到见解
15
15
13-14
11-12
10
≤9
工作量
工作量饱满；圆满完成了任务书所规定的各项任务。
15
15
13-14
11-12
10
≤9
总分
是否同意将该设计（论文）提交答辩：
是（）否（）
具体评阅及修改意见：
评阅人：
年月日
注：
1.请按照A级标准，评出设计（论文）各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中；
2.计算出总分。
若总分<60分，“设计（论文）质量”<24分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。
该设计（论文）须限期修改合格后重新申请答辩。
3.评阅意见栏不够可另附页。
答辩委员会评语
评
定
成
绩
周记
论文
图纸
答辩
总评
答辩委员会主席签字
日期
（5%）
（65%）
（30%）
百分制
等级制
摘要
近年来，随着现代汽车控制技术和高速公路的飞速发展，在世界各国特别是发达国家，无论是运输业还是个人，汽车都已成为长距离运输的主要交通工具。
在高速公路上长时间高速行驶时，驾驶员长时间操纵加速踏板而得不到活动，容易造成疲劳。
在限速路段总会出现超速现象，对他人和自己都造成安全隐患。
本设计就是为了解决这一问题而诞生的。
本设计从驾驶员自身安全角度出发，设计了一种检测车辆超速的报警系统。
该报警系统允许驾驶员通过自带键盘设置车辆安全行驶的最高速度，当车辆处于行驶状态中，该系统通过HN70型磁电式传感器时刻监测机动车辆速度，并输入AT89C51单片机进行分析处理。
当发现车辆速度超过驾驶员设置的最高值时，进行蜂鸣报警和灯光报警，提醒驾驶员减速。
该系统结构简单，可靠性高，操作方便，实时性高，可广泛应用于摩托车、汽车等机动车辆。
关键字：
AT89C51单片机；汽车超速；HN70型磁电式传感器；灯光蜂鸣报警
Abstract
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofmodernautomotivecontroltechnologyandhighway,inthewholeworldespeciallydevelopedcountries,vehicleshavebecomeamajortooloftransportforlongdistancetransport.Inalongtimeathighspeedonthehighway,thedriverforalongtimetomanipulatetheacceleratorpedaltobedeprivedoftheactivitieslikelytocausefatigue.Speedingphenomenoninthespeedlimitsectionmaycausesecurityrisk.Thisdesigncouldsolvethisphenomenonwell.
Thisdesignisamicroprocessorcontrolledspeedalarmsystem.Alarmsystemstodetectthespeedofvehiclesfromthedriver'sownsafetypointofview.Thealarmsystemallowsthedrivertosetthemaximumsafespeedofthisvehicleusingkeyboard.Whenthevehiclespeedexceedsthehighestvaluesetbythedriver,thebuzzeralarmtoalertthedrivertoslowdowntoachievethepurposeofproactive.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofmicrocomputerapplicationsystem,theAT89C51micro-controllerisoftenusedasacorecomponentto.Thisdesignisa51MCUmotorvehiclespeedingalarmbuzzerandlightalarmsystem.
Keywords:
AT89C51micro-controller;vehiclespeeding;Magnetoelectricsensor;Thebuzzeralarm
目录
第1章绪论2
1.1研究背景2
1.2研究目的与意义2
1.2.1研究目的2
1.2.2研究意义3
1.3国内外研究现状3
1.4本论文研究内容4
第2章设计方案的选择5
2.1设计要求5
2.2方法选择5
第3章车辆超速报警系统的工作原理7
3.1系统的基本工作原理7
3.2系统总体设计框图7
3.3系统各单元简单介绍8
第4章系统硬件设计9
4.1系统总体框图9
4.2测速传感器的确立9
4.2.1测速传感器的简介9
4.2.2磁电感应式传感器的工作原理10
4.2.3变磁通式磁电传感器的工作原理11
4.2.4磁电式转速传感器的应用举例13
4.3单片机的确立14
4.3.1单片机的选用原则14
4.3.2AT89C51单片机简介15
4.3.3管脚说明17
4.4光电耦合单元19
4.5测速传感器单元20
4.6电源单元21
4.7报警单元22
4.8显示单元24
第5章系统软件设计27
5.1系统流程图27
5.2主程序28
5.3初始化程序28
第6章总结31
参考文献32
致谢33
附录34
附录Ⅰ源程序代码34
附录ⅡSingleChipMicrocomputerOverspeedAlarm42
附录Ⅲ单片机超速报警器45
前言
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相当惊人,同时也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,控制困难,而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。
针对这种状况，开发具有智能决策模块的汽车速度报警控制系统对自动驾驶显得极为重要。
因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置,减少驾驶员的负担和判断错误,对于提高交通安全将起到重要作用。
设计限速路段超速自动提示和报警系统主要是为了防止司机在一些繁华人多车多路段超速驾驶。
交通事故往往发生在一些人流动大，车多的地方，司机有意无意的超速是引发交通事故的最大因素。
装有本系统的汽车能够有效地防止以下几种原因所造成交通事故。
首先车主在知道该路段的最高限制速度情况下，通过设置最高报警时速实时调整车速，从而减少交通事故；其次车主醉酒驾驶无意超速所引起的交通事故。
使用汽车超速报警器可以减少财产损失，甚至是生命损失。
汽车超速报警器具有实用性，易操作性，便于维修的优点，因此被广泛采用与应用。
我们本着主动性的思路，实现设定最高速度可以随时修改，声光报警等特点，在车辆行驶过程中，该系统通过速度传感器时刻监测机动车辆，并通过LED显示车辆的实际车速和用户设置的安全参数。
当车辆速度超过驾驶员设置的最高速度时，蜂鸣器开始报警，警告灯点亮，提醒驾驶员减速。
该系统结构简单，可靠性高，操作方便，可广泛应用于摩托车、汽车等机动车辆。
第1章绪论
1.1研究背景
随着我过国民经济和汽车技术的飞速发展,本课题针对汽车运行的安全,设计了由单片机作为中央控制单元的汽车报警系统,主要设计汽车超高速报警功能，该设计将单片机的实时控制及数据处理功能与传感器的转换技术相结合，充分的利用了AT89C51的内部资源，使报警系统的工作于最佳状态，从而提高系统的综合反映灵敏度，使报警系统及时准确，实现汽车多功能的报警控制，最大限度的保护消费者的利益[1]。
所设计的报警系统对出现的危急情况能够及时进行声、光报警响应，提醒车主或驾驶员尽快地采取响应的措施，有效的保护自身和他人的利益和安全，尽快的降低事故发生率。
随着国内机动车数量的迅速上升，交通事故也呈现上升趋势。
根据2003年我国交通事故统计发现，2003年全国共发生道路交通事故567753起，造成99217人死亡、451810人受伤，直接财产损失27.7亿元。
其中车辆超速行驶造成交通事故的比例占16%左右，共造成19741人死亡，88180人受伤，在交通事故原因中仅次于无章驾驶所造成的危害[2]。
本文从驾驶员角度出发，设计了一种超速报警系统。
该报警系统允许驾驶员通过系统自带键盘设置本车辆安全行驶的最高速度。
当车辆处于行驶状态中，该系统通过测速传感器时刻监测机动车辆，并通过6位LED显示车辆的实际车速和用户设置的安全参数，当发现车辆速度超过驾驶员设置的最高值时，蜂鸣器开始报警，警告灯不断闪烁，提醒驾驶员减速，达到防患于未然的目的。
1.2研究目的与意义
1.2.1研究目的
利用现有技术:
传感器测速技术、单片机的应用技术与声光超速报警技术，在系统设计中，为达到最优的性价比，将遵循以下设计原则[3]:
合理性:
以系统工程学及其它先进理论指导，使系统的各部分合理配置，有机融合并尽可能地发挥设备潜力和软件功能，最大限度地提高系统性能价格比。
先进性:
采用先进设备，使系统功能完备，易于升级换代，在保证其先进性的前提下具有较长的生命周期。
实用性:
系统功能充分满足车辆检测、警示超速车辆的实际需求，简便实用，易于使用、管理、维护和扩展。
可行性:
系统设计、选材、选型等选取高科技新产品，符合国家和地方政府的法规政策和标准，与管理部门的管理制度相适应。
经济性:
充分利用所选择的设备，控制整体设计的成本，与经济能力方面的实际情况相吻合。
可靠性:
采用高集成设备，采用自动监测、自动监控和容错等技术来保证可靠性。
安全性:
系统具有防病毒、防震、防灾、防误操作能力，较强的抗干扰、抗静电能力，以及数据备份、数据恢复等功能。
还将提供用户等级权限保护，有效排除人为因素的干扰。
1.2.2研究意义
高精度、高速度、经济实用动态实时的车辆超速警示系统，将为普通大众车主提供有效的技术手段，能够为公安机关与交通管理部门分忧，对行车安全、行人安全、财产安全有着显著的社会效益和经济效益。
该报警系统允许驾驶员通过系统自带键盘设置本车辆安全行驶的最高速度。
对出现的危急情况能够及时进行声、光报警响应，提醒车主或驾驶员尽快地采取响应的措施，有效的保护自身和他人的利益和安全，尽快的降低事故发生率。
1.3国内外研究现状
各国为了解决车主有意无意超速驾驶问题，采取了各种各样的措施，与此同时，汽车电子限速装置也在不断发展之中，有许多电子设计者或公司从事这方面的研究，力求能设计出一种普遍使用的汽车限速装置。
其表现如下：
1、广州唯创也推出了一款超速报警器，它是一种实时指示车辆行驶速度，记录超速记录，并通过语音提醒司机安全驾驶的智能电子设备。
该设备实时显示车辆速度。
当超过测定速度的最高值时，及时播放语音提示，提示司机。
2、据悉，法国汽车制造和营销委员会与法国标致雪铁龙汽车集团和雷诺汽车公司日前联合向用户推出三种汽车限速装置。
报道说，这三种装置中，最简单的一种是“超速报警器”。
安装上这种装置的汽车如果超过预先设定的车速时，报警器就会发出声响警报，同时有指示灯在车内闪烁，以警示司机降速。
其它两种限速装置是可以直接对汽车的部分功能及行驶进行调整的装置。
一种是限速器，另一种是调速器。
司机可以通过这种限速器提前设定最高时速，如果司机在汽车行驶中想超过开车前设定的最高时速，加速器也不会响应，而是把车速限定在一定范围内。
1.4本论文研究内容
超速报警器的设计将车速传感器产生的车速信号经过光电耦合单元，送入单片机记数，与单片机内部设定值相比较。
如果超过了预设值则可判断汽车超速，蜂鸣器报警提示。
该系统由电源电路、时钟电路、复位电路、速度显示电路、按键电路、键盘（设定报警车速值）、报警电路、测速传感器连接电路和控制单片机组成。
电源电路给整个系统提过动力，使整个系统快速的运转起来。
AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成组成时钟电路。
复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。
测速传感器连接电路通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速，得出系统的速度。
按键电路包括速度设置、速度增加、速度减小以及速度确定，有四个开关可以对速度上限值进行设定，另外有速度增减按键，可以方便的根据当地限速的要求实时实地进行速度更改以达到报警目的，具有很强的灵活性。
方便驾驶员的操作。
显示电路主要显示系统的速度。
报警电路主要有声音报警，报警电路相对来说比较简单，起报警作用。
以此来通知驾驶员进行调速，减少发生交通事故。
第2章设计方案的选择
2.1设计要求
我们要求设计一个具有数字显示功能的单片机系统,实现车辆当前速度输出，当达到所设定的速度上限时并报警，以保证驾驶人员的人身安全。
首先要进行系统的总体方案设计，在设计中一般应考虑以下几点：
（1）遵循从整体到局部的设计原则。
在过程中，应遵循从整体到局部的设计原则，把复杂难处理的问题分为若干个较为简单的、容易处理的问题，分别加以解决。
（2）经济性要求。
为了获得较高的性能价格比，设计时不应盲目追求复杂高级的方案。
在满足性能指针的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着所用的元器件少，可靠性高，而且比较经济。
（3）可靠性要求。
所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
可靠性指针除了可用完成功能的概率表示外，还可以用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来表示。
（4）操作和维护要求。
在车速报警系统的硬件和软件设计时，应当考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。
系统的输入输出方式，操作程序应尽量简单明了，无须专门训练就能掌握其使用方法。
2.2方法选择
方案一：
采用模拟电路的方法，通过积分器得到电压，然后用比较器来控制报警输出，这种方法其原理简单，易于实现。
但测量精度会比较粗，不能精确设置速度。
此方法运用电子元器件较多，不能很好的得到测量精度的控制要求，不便于维修。
方案二：
采用车载GPS系统，能提供车辆的定位信息，包括车速信息，但价格昂贵。
方案三：
采用嵌入式车载限速装置，在设计汽车时就已经考虑并在制造时嵌入整车电子控制系统中。
测速传感器将车速转化为脉冲信号，传入单片机，单片机将输入的一定值的脉冲转换为对应的速度值。
方案一是模拟电路，特别是运放和比较器测量精度会比较粗，不能精确设置速度。
不符合设计要求。
方案二价格昂贵。
不符合设计要求。
方案三在2005年以后国内生产的中高档乘用车中已初见端倪，但是国内约4000万辆在用汽车中的近90%并未安装。
鉴于此为在用汽车设计一种外挂式汽车超速报警器有着巨大的市场需求，并且结构简单易于实现。
综上所述，我们选择方案三。
运用单片机实现车辆超速报警。
第3章车辆超速报警系统的工作原理
3.1系统的基本工作原理
汽车超速报警器主要是利用软硬件将车速传感器产生的车速信号经过光电耦合器单元信号传递，得到一个与车速信号频率一致的脉冲信号，送入单片机记数。
记数满后与单片机内部设定值相比较。
如果超过了预设值则可判断汽车超速，蜂鸣器报警提示。
3.2系统总体设计框图
首先设计系统总框图。
当车辆处于行驶状态时，该系统通过测速传感器时刻监测车辆速度，故需要测速传感器来测量速度传送到单片机中，为了减少系统误差和信号的干扰，实现非接触测量就需要在单片机和测速传感器之间加上一个光电耦合单元[5]。
由于单片机需要稳定的电压，所以需要电源单元。
最后采集的速度与设定的速度送往液晶屏，相比较，超速就需要报警，所以需要报警单元。
故可以得出如图3.1所示的超速报警系统总框图。
图3.1超速报警系统总框图
3.3系统各单元简单介绍
系统以AT89C5l单片机为核心，由测速单元、光电耦合单元、按键单元、报警单元、显示单元和电源单元组成。
（1）AT89C5l单片机:
是超速报警系统的总体控制部分。
（2）测速单元：
时刻监测车辆速度，将测量速度传送到单片机中。
（3）光电耦合器单元：
主要是为了减少系统误差和信号的干扰。
（4）按键单元：
实现基本速度的设置。
（5）蜂鸣报警单元:
实现报警功能。
（6）显示单元：
用于的显示设定的速度和实时速度。
（7）电源单元：
提供直流稳压电源。
第4章系统硬件设计
4.1系统总硬件模块
图4.1系统硬件模块
由以上分析可得出，系统以AT89C5l单片机为核心，由测速传感器电路模块、光电耦合器电路模块、按键电路模块、电源单元电路、显示电路模块和声光报警电路组成。
如图4.1所示。
4.2测速传感器的确立
4.2.1测速传感器的简介
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
测速传感器是能测量被测物运行速度的仪器。
我们要实现对速度的报警，故应该选择测速传感器。
测速传感器包括测量线速度传感器和测量转速度传感器。
1.线速度传感器：
线速度传感器是用来测量直线运动速度的传感器，它的输出电压和被测物体运动速度成线性关系，该传感器具有极高的频率响应，可检测小模数齿轮和其它物体的转速，具有稳定的工作性能。
输出为方波信号，能实现远距离传输。
线速度传感器具有结构简单可靠，不用外加电源稳压器，频率响应好，输出灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强等优点，它的输出直流电压可直接由高输入阻抗的直流电压表显示。
2.转速传感器：
转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器，属于间接式测量装置。
按信号形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数字式两种。
前者的输出信号值是转速的线性函数,后者的输出信号频率与转速成正比,或其信号峰值间隔与转速成反比。
常用的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式以及测速发电机等。
在实际测量中我们要测量车轮的转速，旋转运动速度测量较多，而且直线运动速度也经常通过旋转速度间接测量。
要输出方波信号，不加电源稳压器，我就要选择转速度传感器。
其中测速发电机是一种转速度传感器，目前广泛使用的测速传感器是直流测速发电机，可以将旋转速度转变成电信号。
测速发电机要求输出电压与转速间保持线性关系，并要求输出电压陡度大，时间及温度稳定性好。
测速发电机一般可分为直流式测速发电机和交流式测速发电机两种。
直流式测速发电机的励磁方式可分为他励式和永磁式两种，电枢结构有带槽的、空心的、盘式印刷电路等形式，其中带槽式最为常用。
兼顾以上旋转测速传感器，本设计我们选择了磁电感应式测速传感器。
4.2.2磁电感应式传感器的工作原理
磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。
它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又
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