单片机智能型客车超载检测系统的设计.docx
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单片机智能型客车超载检测系统的设计
单片机智能型客车超载检测系统的设计
摘要
本文设计了一个智能型客车超载检测系统，以STC单片机为核心，利用反射式红外传感器、方向识别电路、报警电路、锁定电路设计，能够通过键盘手动设置乘客人数的上限值，并用液晶LCD显示器显示车内的实时乘客人数。
当客车内人数超载时，系统发出声光报警，并通过继电器切断客车的电子启动装置，从而将汽车锁定，使之无法行驶。
当超载解除后，声光报警也相应的解除，客车锁定解除，可以正常运行。
本设计共分两部分，硬件系统设计和软件系统设计。
硬件部分利用红外传感器和方向识别电路将乘客的上、下车情况进行检测和判断并输入单片机系统。
经过单片机系统将处理的数据送液晶LCD显示，声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，用继电器实现对客车启动装置的锁定。
软件部分用C语言进行编程，采用模块化设计思想。
该系统通过调试后，能够较好的完成客车超载的预警提示，并对超载情况进行相关控制。
关键词：
客车；超载；监控；单片机；LCD
Abstract
Isdesignedinthispaperanintelligentoverfreightdetectionsystem,basedonSTCMCUasthecore,usingareflectiveinfraredsensor,directionidentifyingcircuit,alarmcircuit,lockingcircuitdesign,canthroughthevalueoftheupperlimitofthekeyboardtomanuallysetthenumberofpassengers,andLCDdisplaywithnumberofreal-timepassengercar.Whenthebusnumberisoverloaded,thesystemalarmelectronicstartingdeviceandtherelaytocutoffthebus,whichwilllockthecar,makesitimpossibletodrive.Whentheoverloadisremoved,thesoundandlightalarmalsolifted,buslockisreleasedtonormaloperation.
Thisdesignisdividedintotwoparts,hardwaresystemdesignandsoftwaresystemdesign.Hardwarepartoftheuseofinfraredsensorsandthedirectionoftheidentificationofthepassengersonthebus,getoffthesituationtodetectanddeterminethesituationandentertheMCUsystem.ThedatasentbythesinglechipmicrocomputersystemwillbeprocessedbytheliquidcrystalLCDdisplay,thesoundandlightalarmcircuitiscomposedofabuzzerandalightemittingdiode.ThepartofthesoftwarewithCprogramminglanguage,usingtheideaofmodulardesign.Thesystemthroughthedebugging,cancompletethebusoverloadwarning,andcontrolofoverloading.
Keywords:
Bus;overload;monitoring;singlechipmicrocomputer;LCD
第1章绪论
1.1立题的意义
随着生活水平的不断提高，人们外出打工、探亲、旅游的人数越来越多，尤其是节假日，而与此相关的公路客运（长途客车，旅游客车等）的运力却没有相应增加，致使超员现象频频出现。
目前，它已成为一个严重影响交通运输环境和社会经济可持续发展的社会问题。
客车超载对国家的公路设施和客运市场造成了不良的影响，也影响车辆本身和车辆的驾驶、控制，容易引发事故，我们都知道车辆超载运输并且长期处于超负荷状态，就会导致车辆的制动装置和操作系统等安全性能迅速下降，表现为轮胎变形爆胎，刹车失灵，转向器轻飘抖动，钢板弹簧折断，半轴断裂等等。
而客车一旦发生事故，给国家和百姓带来重大的经济损失和感情伤害。
目前，国家虽然出台了一系列的政策法规来制止客车超载，各地政府也制定了相关的制度来对客车超载进行管理，在一定程度上减少了客车超载现象，但在节假日等客流高峰期，超载现象还是屡禁不止。
在采取行政监督管理的同时，通过科学技术的手段来消除客车超载的现象也有着极其重要的意义和实用性。
单片机作为微型计算机的一个很重要的分支，是将CPU、存储器、总线、I/O接线口电路集成在一片超大规模集成电路芯片上。
自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。
因此它广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
（1）在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
（2）在工业控制中的应用
单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
（3）在家用电器中的应用
现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
（4）在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等。
（5）单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等。
因此单片机的出现应用于监测系统后，智能化的监测系统的模型也就基本具备了。
单片机以其兼容性强，软件、硬件应用设计资源资料丰富，以及极高的性能价格比受到人们的重视和关注。
单片机以及外围芯片的不断发展促进了超载、超量监测系统的发展。
以单片机为核心的智能监控系统以其体积小，抗干扰能力强，对环境的要求不高，价格低廉，可靠性高，开发较为容易，并可获得较高的经济效益等特点，很快占有了监控器领域的市场,所以其应用很广，发展很快。
因此本课题正是基于此点，采用单片机为核心的智能监控系统可以对客车内乘客人数的统计，并通过液晶LCD显示器实时显示。
当客车出现超载时，系统进行声光报警。
同时通过继电器关闭客车的启动装置来阻止超载客车的运行。
反之，当超载解除后，声光报警被解除，系统也相应解除对客车的锁定，客车可正常运行，从而达到了智能监控客车超载的要求，大大减少因超载而发生交通事故，使乘客的生命财产安全得到有效的保障。
1.2课题研究任务及目标
本课题主要任务是以STC单片机为控制核心，能够自动检测车内乘客的人数并用液晶LCD即时显示，通过键盘设置超载人数的上限值，一旦客车超载时能进行声光报警，同时锁定客车的启动装置。
它的硬件电路部分主要包括检测电路（红外传感器和方向识别电路）、键盘电路、显示电路、控制电路和报警电路五大部分。
其中，主要研究内容为：
红外检测技术、运动方向识别电路、液晶LCD的显示、单片机控制系统等。
该设计技术指标如下：
（1）能够完成车厢内人数的显示，并用液晶LCD1602即时显示
（2）超载人数的上限值可以通过键盘设置（默认人数为50）
（3）客车一旦超载时将发出声光报警信号，并关闭汽车的启动装置。
（4）光报警信号要实现0.5S闪烁功能，声音报警电路要产生1kHz音频信号驱动蜂鸣器完成。
1.3课题主要内容
本文主要介绍了客车超载监控系统的软硬件设计思想、各功能的实现方法、相应的电路原理、以及各元器件性能型号的选择，内容主要分为三部分：
第一部分是硬件和软件的设计，包括硬件电路方案的设计、元器件的选择等，具体的硬件电路包括检测电路（传感器和方向识别电路），STC15F2K60S2单片机的最小系统电路、键盘输入电路、LCD1602显示电路、声光报警电路、锁定电路等。
软件设计采用模块化的思想，逐步完善设计功能，初步绘制出电路图和程序的流程图。
第二部分是软、硬件仿真，程序采用汇编语言编写，通过Keil软件进行编译调试，硬件电路用protues软件绘制。
程序调好后，利用Keil软件生成单片机能识别的后缀为“.hex”的机器码文件，然后把程序下载到protues电路图中的单片机芯片，运行程序和protues电路（即protues和Keil的联调）来实现设计要求的各功能。
第三部分是在实验板上焊接硬件电路的各个模块，每一部分单独调试，在各个部分调试成功后，联调整个硬件电路，全部调通后用烧录器把程序烧到STC115F2K60S2单片机里，上电后一切运行正常，系统实现预期的目标。
第2章客车超载检测系统的方案论证
2.1系统的原理
本课题所设计的客车超载监控系统主要是避免因人数超载而引发的交通事故，所以本系统应该具备对乘客上、下车动作的智能检测，通过单片机来处理传感器获取的信息，即自动统计客车内的具体人数，能用LCD1602进行实时显示。
当客车内的实际人数超过设置值的上限值时，系统将自动进行声光报警，同时客车的启动装置也被锁定，这样可以有效地阻止超载情况的发生。
本系统中智能监控的方法显得尤为重要。
其中，智能监控包括两部分：
第一是检测模块部分。
通过E3F-DS30C4反射式红外传感器和双D触发器对乘客的上、下车动作进行检测和判断。
第二是数据统计部分。
由单片机对接收的脉冲信号进行相应的加减计数，即完成统计乘客人数的功能。
只有对车内人数准确的监控，才能判断出是否超载，来避免交通事故的发生，从而达到防患于未然的现实意义。
2.2系统的组成
系统结构框图如图2.1所示。
主要包括：
检测电路（红外传感器和方向识别电路）、键盘电路、单片机系统、LCD1602显示电路、继电器控制电路、报警电路六部分。
图2.1系统的总体设计框图
系统各部分的基本功能简介如下：
（1）反射式红外传感器
该传感器是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当探测器前方有障碍物时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
当探测器前方没有障碍物时，探测器输出端输出高电平，当检测到障碍物时，探测器输出端输出低电平。
因此，当有乘客经过车门完成一个上车或者下车的动作时就会产生脉冲信号，这样就完成了对乘客上、下车动作的检测，实现了将动作信号转换成电信号的功能。
（2）方向识别电路
方向识别电路是由双D触发器组成的双稳态电路，它可以通过自身的逻辑电路，来实现辨向的功能。
方向识别电路与单片机的T0、T1口相连，当乘客上车时会产生一个相应的负脉冲信号，把其接入T0端作为乘客上车动作信号的输入端，从而实现辨别乘客运动方向的功能。
同理，当乘客下车时也会产生一个相应的负脉冲信号，把其接入T1端，即T1端作为乘客下车动作信号的输入端。
社会UCHU____________________________________________________________________________________________________________
（3）单片机系统
单片机是本系统的核心元件，它实现了对传感器所采集的信号的判断和处理，控制硬件部分的键盘电路、显示电路、报警电路从而完成客车超载的智能监控。
（4）键盘
键盘采用4个独立式的按键来手动设置客车乘客人数的上限值。
（5）LCD1602显示电路
该电路用LCD1602液晶来即时显示，其系统开始时显示预置上限人数，当系统进入监控阶段则显示客车内乘客的实际人数。
（6）继电器
在该系统中用继电器来模拟客车的启动装置。
若继电器断开，则代表客车已被锁定无法开启；若继电器闭合则代表客车恢复正常的启动，可以运行。
（7）报警电路
报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，当接收到单片机的命令时进行相应的声光报警和解除报警。
第3章客车超载检测系统的硬件设计
系统的硬件设计是该系统设计成功与否的基础。
按照系统设计的总体方案，本设计采用模块化的设计思想。
硬件设计主要完成：
检测电路、单片机最小系统电路、LCD1602显示电路、继电器控制电路、声光报警电路、键盘输入电路。
3.1客车超载检测系统的检测电路
3.1.1传感器的选择
在本系统中传感器的主要作用是完成上、下车乘客动作信号的检测，因而在对传感器选择时应尽量考虑实际需求。
其中包括适当的检测范围、灵敏度、调理电路简单、高性价比等。
常用的传感器有反射式红外传感器、超声波式传感器、视觉传感器、激光雷达和MMW雷达等。
几种传感器的优缺点进行比较如表3.1所示。
表3.1传感器性能比较
传感器类型
优 点
缺 点
超声波
价格合理，夜间不受影响
测量范围小，对天气变化敏感
红外线
能直接测量，价格便宜
探测距离较近
视觉
易于多目标测量和分类，分辨率好
算法复杂，处理速度慢
激光雷达
价格相合理，夜间不受影响
对水、灰尘、灯光敏感
MMW雷达
不受灯光、天气影响
价格贵
其中超声波传感器的基本原理是超声波的直线传输特性。
传感器有一个超声波发射端，上电后发射超声波，另有一个超声波接收端，如果前方有障碍物，超声波反射回来被接收端接收，并在输出端输出一个相应的电平信号。
该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。
其优点是价格合理，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。
但是超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但可能在传输中受到其它信号的干扰，所以不能用于本系统。
视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。
其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。
但是算法复杂，处理速度慢。
雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。
主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。
近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用，但是仍存在性价比的问题。
本设计采用的是一种集发射与接收于一体的光电传感器。
检测距离可以根据要求进行调节。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。
如图3.1所示。
图3.1红外传感器
该漫反射型光电开关检可以检测前方3-80cm（可以调节）；工作电压为5V直流电压。
工作电流小于10mA；输出驱动电流为100mA；使用温度范围为－40～70
；这是一种应用最为广泛的光电开关，它的直径为17mm，固定时只要在设备外壳上打一个17mm的园孔就能轻松固定，长度约45mm，引线长度为45mm。
3.1.2反射式红外传感器检测原理
漫反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。
漫反射式光电开关工作示意图如图3.2所示。
图3.2漫反射式光电开关工作示意图
测量电路也是传感器组成的一部分。
由于传感器由敏感元件和转化元件组成，但转化元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制。
这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路。
随着集成电路技术的发展，传感器的测量电路也逐渐开始集成芯片化。
一般需要辅助电源供电。
测量电路的选择视转化元件的类型而定，常采用的有电桥电路、脉宽调制电路、振荡电路、高输入阻抗电路。
红外传感器采用E3F-DS30C4型光电开关，该传感器为漫反射式光电开关，漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。
粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度，而且被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。
当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时晶体管导通，负载得电工作。
该传感器探测距离为3-80cm，根据实际需要把车门两个传感器的探测距离调整为40cm。
3.1.3方向识别电路的设计
在该系统的设计中，传感器单元的功能是检测乘客经过车门的动作信号，但是对乘客的具体上、下车的动作不能作出判断，因而采用方向识别电路对传感器的输出信号进行区分、判断就成为了一个必要的环节。
在本课题的设计中，反射式红外传感器安装在客车车门附近，其具体安置方法如图3.3所示。
图3.3检测传感器安放图
本系统对方向识别电路的设计采用了双D触发器，实现了对乘客方向的识别。
方向识别电路如图3.4所示。
图3.4辨别方向电路图
如图3.4所示，将双D触发器的复位端分别与74F04相连。
由于双D触发器的置位端为低电平有效，将置位端接+5V电压，从而对置位信号进行屏蔽。
将D触发器的
端与
端连接起来，这样D触发器的特征方程为
。
当时钟信号CLK=0时，D触发器的
端和
端保持逻辑状态不变；当CLK=1时，即D触发器时钟信号的上升沿到达时，
端和
端的状态要进行翻转，转变成相反的逻辑状态。
其特性表如表3.2所示。
表3.2边沿触发器特性表
C
R
S
D
×
0
1
×
0
×
1
0
×
1
↓
0
1
×
↑
1
1
0
0
↑
1
1
1
1
当没有乘客经过车门时，传感器1、2均输出为高电平,经74F04反相处理后，输出为低电平。
触发器的复位端和置位端为低电平有效，在本设计中对触发器的置位端接入+5V进行屏蔽。
在没有乘客上车时，两个D触发器的时钟信号CLK1、CLK2均等于0,
=0,
=0,D1=0,D2=0。
如图3.3所示，当有乘客上车时，乘客先经过1号传感器，此时传感器1输出信号为低电平，经第一个74F04后变为高电平，CLK1=0,CLK2=1；D1=0，D2=1；
=0，
=1,即
的状态发生翻转。
当乘客离开1号传感器时，由于此时CLK1=0,D1=0,R1=1，D1触发器的
和
端状态将会保持不变，CLK2=0,R2=1,
=1也保持为高电平状态。
当乘客进入2号传感器的检测范围时，传感器2输出信号为低电平，这样CLK1=1，CLK2=0；D1=1，D2=1；R1=1，R2=0；
和
逻辑状态要进行翻转
=0，
的状态仍保持不变。
在上车这一过程中，只有
和
状态发生了变化，从低电平变为高电平再变为低电平。
这样就产生了一个可由单片机T0端识别的脉冲信号。
根据本电路的设计，T0端为乘客上车动作信号的输入端，从而实现了辨别乘客运动方向的功能。
同理，当乘客下车时也会产生一个相应的脉冲信号接入T1端，在本设计中T1端是乘客下车动作信号的输入端。
3.2单片机最小系统的设计
3.2.1单片机的选择
如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。
虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但是速度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。
STC单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，但是存在溢出隐患问题。
8051系列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级。
当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。
而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。
所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。
汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。
而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。
鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程，所以STC系列单片机在此处不是非常适合。
为适用于本论文设计的客车超载检测系统，应选择一种比8051系列速度快，功耗低，抗干扰性好，而又避免C语言编程溢出问题的单片机。
宏晶科技新推出的STC12系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051单片机快8~12倍。
而且STC12系列下属的STC15F2KXXS2系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器（PWM）等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。
而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应用适应性。
STC15F2KxxS2系列单片机有7种型号：
分别是STC15F2K08S2、STC15F2K16S2、STC15F2K24S2、STC15F2K32S2、STC15F2K48S2、STC15F2K56S2和STC15F2K60S2。
它们是以单片机内部集成Flash的大小区分的。
在价格相同的情况下，尽量选择Flash较大的芯片，所以选择了STC15F2K60S2单片机作为本论文设计的客车超载检测系统的单片机核心芯片。
它体积小，价格低，非常适用于本设计，下面介绍STC15F2K60S2的自身特点。
图3.5STC15F2K60S2芯片引脚图
STC15F2K60S2单片机的特点
STC15F2K60S2单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。
其内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。
STC15F2K60S2单片机的管脚结构如图3.1所示。
图3.1STC15F2K60S2单片机管脚图
STC15F2K60S2单片机具有以下特点：
（1）Flash存储器
STC15F2K60S2Flash存储器为60KB。
Flash存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序；程序运行时能对其中的1段或多段进行擦、写操作，因此兼有数据存储器功能。
Flash存储器的掉电保护功能可用于程序数据保存，可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过擦除的位为“1
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