基于单机片的客车超载警报系统的设计与实现 2.docx
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基于单机片的客车超载警报系统的设计与实现2
基于单机片的客车超载警报系统的设计与实现
摘 要
在本文中设计了一种应用于客车中超载报警系统，本系统以单片机为核心，同时摆包含反射式红外传感器、HX711重量检测芯片、报警电路、锁定电路以及键盘模块等等，司机在开车之前可手动设置人数上限以及车辆的最大重量，通过传感器模块可将当前车辆人数以及总重量在显示模块中进行显示。
当客车上的人数或总重量超过设定的阈值时则系统发出报警，此时单片机对信息进行处理后会发出信号控制继电器动作，客车电子起动器工作，此时车辆处于制动状态，不能正常发动和行驶。
本文所设计的基于单机片的客车超载警报系统分为两大部分，其一为软件部分，其二为硬件部分。
其中硬件部分包含红外传感器、方向识别电路等，可实现对上下车人数的检测和判断、HX711重量检测芯片和AD转换电路把重量变化的模拟量转换为数字信号并输入单片机系统。
单片机将传感器检测的数据发送到单片机进行处理后会将当前车辆人数和总重在显示模块中予以显示，若超过设定阈值，则报警模块中蜂鸣器发出报警声且发光二极管发出红光，提示超员或超载。
在最后对本文设计的基于单机片的客车超载警报系统进行了调试，调试结果表明本系统可实现预期功能，且具有一定的功能扩展性，本文的设计对相似系统的设计提供了一定理论借鉴。
关键词：
客车超载系统检测，单片机，光电传感器，重量传感器
DesignandImplementationofPassengerCarOverloadAlarmSystemBasedonSingleChip
ABSTRACT
Inthispaper,anoverloadwarningsystemforpassengercarsisdesigned.Thesystemisbasedonsingle-chipmicrocomputer.Atthesametime,itincludesreflectiveinfraredsensor,HX711weightdetectionchip,alarmcircuit,lockingcircuitandkeyboardmodule.Thedriverisdriving.Theupperlimitofthenumberofpeopleandthemaximumamountofthevehiclecanbemanuallyset,andthecurrentnumberofvehiclesandthetotalweightcanbedisplayedinthedisplaymodulebythesensormodule.Whenthenumberofpeopleonthebusorthetotalweightexceedsthesetthreshold,thesystemwillissueanalarm.Atthistime,theMCUwillsendasignaltocontroltherelayactionaftertheinformationisprocessed.Thebuselectronicstarterworks.Atthistime,thevehicleisinthebrakingstateandcannotbenormal.Startanddrive.
Thesingle-chip-basedpassengercaroverloadwarningsystemdesignedinthispaperisdividedintotwoparts,oneisthesoftwarepart,andtheotheristhehardwarepart.Thehardwarepartincludesaninfraredsensor,adirectionrecognitioncircuit,etc.,whichcanrealizethedetectionandjudgmentofthenumberofpeoplegettingonandoff,theHX711weightdetectionchipandtheADconversioncircuitconverttheanalogquantityoftheweightchangeintoadigitalsignalandinputitintothesinglechipsystem.AftertransmittingthedatadetectedbythesensortotheMCUforprocessing,theMCUwilldisplaythecurrentvehiclenumberandtotalweightinthedisplaymodule.Ifthesetthresholdisexceeded,thebuzzerinthealarmmodulewillsoundanalarmandtheLEDwillemitredlight.Promptoveroroverloaded.Attheendofthispaper,thesingle-chip-basedpassengercaroverloadwarningsystemdesignedinthispaperisdebugged.Thedebuggingresultsshowthatthesystemcanachievetheexpectedfunctionandhascertainfunctionexpansion.Thedesignofthispaperprovidesacertaintheoreticalreferenceforthedesignofsimilarsystems.
Keywords:
coachoverload,systemdetection,microcontroller,photoelectricsensorHX711
第1章 绪论
1.1开发背景与现状
随着社会经济的发展，人们出行的频率越来越高，尤其是节假日出行更高峰时选择乘坐客车的人数越来越多，但公路交通运力确并未有所提升，因此超载现象频发，由此带来的安全问题屡屡发生，为社会和个人带来了极大的损失。
客车超载不仅危害客运市场，同时也影响车辆的驾驶和控制，易引发严重交通事故，客车的超载主要对于我们乘客来说，在乘坐的过程中，拥挤，空气不流通等感官上的不好的影响，直接降低乘客的乘坐体验，和对旅游等事情的热忱。
同时，车上密集的人群是在车辆行驶当中很大的安全隐患，车辆的急行与急停都可能造成乘客的受伤，在出现事故时将造成严重的生命财产损失。
当前国家出台了相关法规政策，并且地方政府也制定了管理客车超载的相关政策。
然而，在假期期间的客流高峰期，过载现象仍然存在。
在监督和控制管理的同时，通过科学技术手段消除客车超载现象是非常实际和重要的。
基于此，采用单片机对客车人数进行监控不仅节省了大量的人力物力，同时对于提升出行安全具有重要意义。
当客车上的人数或总重量超过设定的阈值时则系统发出报警，此时单片机对信息进行处理后会发出信号控制继电器动作，客车电子起动器工作，此时车辆处于制动状态，不能正常发动和行驶。
相反，当过载被释放时，声光报警器被释放，系统解锁乘用车，总线可以正常运行，从而智能监控客车的过载，很大的减少因超载发生的事故，使人员的生命和经济得到安全的保护。
1.2开发设计的意义
设计一种基于单片机的客车超载报警系统有利于防止客车出现超载，减少安全事故的发生，本系统可通过键盘模块实现最大人数的设定，同时通过传感器模块以及报警模块等实现对客车好状态的检测，实现超载报警。
本文技术指标如下：
（1）显示模块可实时显示当前车内人数以及总重。
（2）超载人数最大值可通过键盘予以设置
（3）客车超载后会发出警报，提示灯闪烁。
（4）光报警信具有1S闪烁功能，通过蜂鸣器进行报警。
1.3课题主要内容
在本文中设计了一种应用于客车中超载报警系统，主要介绍了系统模块设计方法、硬件选型以及调试等内容，主要分为下述三部分：
第一部分为硬件系统和软件系统的。
硬件设计包含检测电路、显示电路以及报警电路的设计，软件设计采用模块化思想实现，根据系统预期实现的功能绘制电路图和程序流程图。
第二部分是软件和硬件模拟，软件部分采用C语言编写程序，由Keil和protues实现联合调试。
第三部分是在实验板上焊接各个模块，并将其组成一个系统对系统功能进行调试，观察系统是否可实现预期功能。
第2章 客车超载监控系统的方案论证
2.1系统的原理
本次的课题是客车超载警报系统，在实际生活应用中是在客车运营中避免因为载客人数过多而引起交通事故，在这个前提下，本系统设计了乘客上、下车的动作检测，随后将检测信息传输到单片机中进行处理，简单来说就是当客车内有人上车下车，系统自动统计客车内的具体人数，并且实时的把人数显示在LED显示屏上面。
单片机将传感器检测的数据发送到单片机进行处理后会将当前车辆人数和总重在显示模块中予以显示，若超过设定阈值，则报警模块中蜂鸣器发出报警声且发光二极管发出红光，提示超员或超载。
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、LED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
红外传感从漫反射型光电开关发射的光反射在待检测物体的表面上。
表面反射率将决定接收器接收的光的强度。
由粗糙表面反射回的光强度应小于由光滑表面反射回的强度，并且被检查物体的表面应垂直于光电开关的发射光。
当没有检测到物体时，常开型光电开关接通的负载由于内部输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通以通电工作。
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。
（2）方向识别电路
方向识别电路的主要功能是实现对乘客上下车的识别。
（3）单片机系统
单片机为系统核心部件，实现对系统其它硬件部分的控制，实现预期的智能监控功能。
（4）键盘
采用独立按键设置乘客上限。
（5）LED显示电路
显示模块的主要功能是实现当前车辆人数以及重量的显示。
（6）继电器
继电器模块的主要功能是实现起动器的控制，继电器动作后车辆不能正常运行。
（7）报警电路
本系统中采用蜂鸣器和LED作为报警提示器件。
该电路运行的机理为：
IO端口输出经过三极管8550的导通去带动蜂鸣器运行。
若是IO口输出为高电压，三极管此时就会处于闭合状态，也就是蜂鸣器不会发生声音。
反之则三极管对电流进行放大从而让蜂鸣器顺利发生声音。
第3章 客车超载警报系统的硬件设计
系统硬件电路设计过程中采用模块化设计方式，硬件模块包含显示模块、最小系统、继电器模块、报警模块以及键盘模块等等。
3.1客车超载监控系统的检测电路
3.1.1传感器的选择
传感器的主要功能是检测上、下车乘客动作的，所以我们在选择传感器时，要考虑到传感器的检测范围、灵敏度等实际需求。
常用的传感器包含反射式红外传感器、超声波式传感器等。
各种传感器优缺点对比如下。
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
超声波通过发出声波实现定位，虽然声音可以传很远，但是基于本次的设计是声波环境很复杂的，在使用过程中非常容易受其他信号干扰，因此不予使用。
们这次是用单片机来作为处理器，如果用视觉传感器，就要图形处理，图像识别等很复杂的一些算法，这样就会造成整个系统的响应速度非常慢，性能问题。
总之，本设计使用集成了发送和接收的光电传感器。
它通常用于避免机器人障碍和计数装配线。
可以根据调整感应距离，该模块具有测距远、成本低，组装简单，使用方便。
3.1.2反射式红外传感器检测原理
漫反式光电开关是一种集成式发射和信号接收装置，传感器检测到物体时，光电开关产生开关信号，因为检测到的物体将从光电开关的发射器发出的光直接反射到接收器。
漫反式光电开关的原理图：
图3-2漫反射式光电开关工作示意图
测量电路是传感器模块的重要部分，传感器灵敏度较高，测量电路的选择取决于转换部件的类型，但经常使用桥接电路等实现对信号的测量。
3.1.3方向识别电路的设计
传感器单元的主要功能是实现乘客运动检测，但是不能检测上行和下行，因此在本文中设计了方向识别电路对乘客上下车方向进行判别，并为单片机实现计数提供支持。
本设计中将反射红外传感器放置在车门上，具体位置如下。
图3-3检测传感器安放图
本系统中方向电路中所应用的是双D触发器，其主要功能是实现对乘客上下车方向的识别，电路图如下。
图3-4辨别方向电路图
如图3.4所示，将双D触发器复位端与74F04相连，实现对位置信号的屏蔽，其主要特性如下表。
表3-2系统管理员
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，则传感器输出高电平，经过反向电路处理后输出为低电平，触发器为低电平有效，在乘客上车过程中只有和状态出现变化，即从低电平转换为高电平最后又变为低电平，由此可产生一个T0端识别的脉冲信号。
3.2单片机最小系统的设计
3.2.1单片机的选择
系统设计中选用
单片机作为系统主控模块。
由于系统体积小，系统的可靠性高，系统的成本低的优势它可称为世界上最小的应用系统。
但要求程序长度小于4K，共四个I/O接口供使用。
可编程为5伏电压，擦除时间仅为10毫秒，只有8751和
的分数之一。
与器件相比，设备不易损坏，对电源无要求。
当芯片被重写时，可以重复在多个控制领域进行使用。
运行状态下的电压区间宽泛（一般维持在2.7V~6V范围内）。
而主控芯片在静态模式下运行时，其对应的频率区间是
。
相比之下，使用8751单片机时工作电压范围较窄。
该类型单片机数据总线是在P0节点位置处，并且是三态双向数据连接端口，能够实现外接存储单元的读取以及写入。
单片机在主控领域具备较强的竞争优势，在正常工作状态下能耗低，运算速度快，运行较为稳定。
芯片具备可多次编写多次擦除的储存器，次数可达1000次，程序可存十年。
保存时间为十年。
可轻松应用于各种领域。
图3-5显示了STC89C52的引脚图。
下面详细介绍了该型号单片机的主要特点：
（1）它是8051单片机的升级优化版本，所以拥有更加强劲的CPU;
（2）P3.0/P3.1端口负责芯片的程序编任务;
（3）单片机的的工作电压分为3和5V两种;
（4）存储器通过片上集成最高达到1280字节;
（5）设备的输入输出端口众多;
（6）设备的时钟输出有3路;
（7）互在系统中可以直接编辑联网供应商;
（8）由大规模的集成电路实现可编辑技术列阵/PWN;
图3-589C52芯片引脚图
引脚功能如下：
端口：
端口是一个双向I/O端口，8位漏极开路，驱动8个逻辑电平来进行数据输出。
这样的工作模式，端口内部会出现上拉的阻力，所以在验证程序的时候就需要外部的上拉电阻。
端口：
端口也可以进行输入和输出双向作用，并且位数是8位的，和
端口一样存在上拉电阻。
根据不同的的工作要求，该端口负责接收字节的功能。
引脚所具有的的另一个功能
定时器/计数器：
、
端口：
端口也可以进行输入和输出双向作用，并且位数是8位的，和
端口一样存在上拉电阻。
该端口只能够驱动4个逻辑电平。
在用高8位地址来获取16位地址的外部数据存储时，会输出闩锁的内容。
在进行其他功能时，该端口也承担着接收外部控制信号的责任。
端口：
端口也可以进行输入和输出双向作用，并且位数是8位的，和
端口一样存在上拉电阻。
该端口只能够驱动4个逻辑电平。
该端口作为输入端口时是通过上拉电阻升高端口。
端口负责输入时，被外部拉下的针脚会由于内部电阻会有输出。
端口还承担这单片机的其他功能：
接收外部的控制信号。
引脚所具有的的另一种功能
定时器/计数器：
、
在进行其他功能时，该端口也承担着接收外部控制信号的责任。
RST：
在工作过程中起到对输入进行重置的作用，利用的是两个机器周期内的高电平完成的。
：
当系统需要对外部程序器进行访问或者是进行访问数据存储器时，
的作用是将地址的低8位脉冲字节索存。
因为通常情况下，
的输出时间是固定的，是时钟振荡频率的1/6，利用这一特性可以用它来实现计时的功能。
但是如果要进行外部数据存储的访问时，系统会自动越过
脉冲。
系统编程产生的闪存时，引脚还起到输入输入
的作用。
在可能的情况下，禁止
操作可以通过在
区域的0号位置安装
来实现。
因为在0号位置之后只有一个固定的指令才能实现
的激活。
此外，引脚会稍微升高，不执行内部程序时，需要让禁止位无效。
：
从外部选取的信号来提供给程序存储器使用。
单片机在外部获取指令时，
只能产生两次有效的循环，换言之有两个脉冲输出。
这时候访问外部数据存储器，系统会自动越过两个
信号。
：
访问外部的程序内存只能够通过
来进行。
此时的状态应该是处于接地状态。
特别的是，此时编程已经加密了的
，则在重置期间，
状态将在内部锁定。
定时/计数器的结构图如图所示。
图3-6定时/计数器的结构原理图
定时器/计数器访问地址按顺序：
8AH-8DH。
不同寄存器均可实现单独访问，寄存器可用来保存时序以及计数处置，还有8位定时器模式寄存器TMOD和8位定时控制寄存器TCON。
寄存器通过总线与控制逻辑以连接，TMOD、TCON的主要公式分别为用于选择定时器的工作模式以及控制定时器的启动和停止。
3.2.2单片机外围电路的设计
根据大年纪设计原理，首先应当采用功能强大的单片机，实现系统预期功能。
其次，应当具有一定的可扩展功能，实现其他功能的扩展。
（1）晶振电路
晶振基本上会出现在每一个单片机的系统，它能把电能和机械能相互转化，用于保持稳定，晶振对电路产生的很大的作用影响，单片机所需求的时钟频率是通过内部的晶振电路来说笑呢，单单片机晶体谐震器提供的始终频率在很大程度上与单片机的运行速度相关，时钟频率越高，单片机的运行速度也就相应越快，单片机的一切指令的执行通过该装置来实现。
通常而言，普通晶振频率的绝对精度高达50%。
内部时钟模式如图3-8所示。
在本课题中晶振采用11.0592MHz。
图3-789C52片内振荡器电路图图3-8内部时钟方式电路图
（2）复位电路
复位电路的设计目的就是为了让单片机经过一系列操作后，又重新回到实现系统的初始化，复位电路的主要功能是为CPU中的部件设定一个初始值，通过初始值的复位之后可从初始点开始进行工作。
当单片机复位引脚为高电平时电容C3电压升高则单片机就会发生复位。
复位电路如图。
图3-9单片机复位电路图
一般的复位电路都是采用两种不同的形式，其一为手动复位形式，其二为自动复位形式，前者的主要特征是由操作者按下键盘模块中的复位按钮之后自动产生复位信号，单片机在接收到信号之后产生复位；上电复位是瞬间产生的复位过程，在RES端会先处于一种高电平的一段时间，然后通过电阻与地连接，此时的RES段会逐渐的变为低电平，使复位口从0到1的转化，达到复位的效果。
本文所设计的复位电路采用第一种复位方式，其电路原理图如下所示，当电容减小充电电流时，此时RES/VPD端电压为高电平，系统在接收到信号之后自动完成复位。
系统在复位过程中，按下图中的复位按钮时，C3上的电压不断升高，这样导致程序从头开始执行。
当按键按下时，复位电路工作在按键复位方式，RST端电压
为：
（3.1）
经设计
=200
，
=1K
，C=22μF。
单片机复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零。
3.3显示电路的设计
数码管价格低廉，且显示效果较好，通过输入电流到对应的管脚控制其发光，可实现温度、日期等多种参数。
它广泛用于电器，尤其是家用电器，如显示屏，空调，热水器，冰箱等。
通常使用的LED数码管是7段LED，它是由7个LED和一个小圆点LED组成的。
这7个LED的a～b成“日”字形排列，当某一LED导通时，相应地点和笔画就会亮起来，不同的数字，字母和其他符号由LED不同的明暗组合形成。
引线内部连接仅需要绘制它们各自的笔划和公共电极。
LED是对发光二极管的一种统称，发光二极管是一种半导体元件，其工作原理是将固体半导体作为发光裁量，通过载流子的复合效应发出光亮，发光二极管可发出的颜色包含常见的红黄蓝白等多种。
LED照明产品即使用半导体发光二极管制造的照明设备，用于生产生活的照明领域之中。
LED数码管中LED有两种接法：
①共阳极接法是将所有LED的阳极连接在一起；②共阴极接法是将所有LED的阴极连接在一起。
当公共阳极的发光二极管处于低电平时，相应的段码点亮；当公共阴极的发光二极管处于高电平时，相应的段码点亮。
通常，单个LED的管压降约为1.8V，电流不超过30mA。
发光二极管需要对应的驱动电流予以驱动，并通过限流电阻器进行控制。
共阴极连接方法可以不具有外部电阻器，但是共阳极连接方法中的LED必须要与外部电阻器相连接。
本文所选用的现实模块外形结构如下。
图3-10结构外形图
LED数码管要加上对应的驱动电路后才能实现正常显示，根据驱动方式的不同可将其分为两种类型，其一为静态形式，其二为动态显示。
1、静态显示
静态驱动方式也称之为直流驱动。
静态驱动指的是数码管每个段码均连接单片机的输入输出接口并进行驱动，或使用BCD码进行驱动，静态驱动具有编程简单、显示效果清晰等诸多优势，但是占用的端口较多，因此会增加硬件电路的复杂性。
2、动态显示
LED数码管动态显示方式是当前应用最为广泛的方式，动态驱动方式相较于静态驱动方式而言具有占用的接口数量少，在进行轮流显示的过程中，每段数码管点亮时间为1~2ms，由于人的视觉存在暂留现象，虽然所有数码管并非同时点亮，但是只要刷新速度够快，在人眼看来就是一组稳定的数据。
因此动态显示与静态显示具有相同的效果，但是动态显示功耗更低。
显示模块电路图如下。
图3-11LED显示部分电路图
3.4键盘电路的设计
按键是外部命令的触发点，一个按键从按下到松开是一个外部命令输入的过程，精确完成不同按键动作的实时判别对于系统正常运行而言具有重要作用。
当前大多数开关为机械弹性开关，一次电平变化即一次命令转换，但是在实际工作过程中键盘可能会出现抖动，按键信号
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