毕业设计论文新型车速监控装置的设计.docx
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毕业设计论文新型车速监控装置的设计
学号：
常州大学
毕业设计（论文）
（2012届）
题目
学生
学院专业班级
校内指导教师专业技术职务
校外指导老师专业技术职务
二○一二年六月
新型车速监控装置的设计
摘要：
随着经济的飞速发展，现代化建设的步伐不断加快，智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向。
它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或更高的目标。
本文设计题目是新型车速监控装置的设计，采用AT89C52单片机作为小车的检测和控制核心，晶振产生脉冲传送给单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车的行驶，利用红外对管对车速进行测量；采用液晶LCD1602实时显示小车行驶速度。
本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能。
关键词：
单片机；智能小车；AT89C52
DesignofNewspeedmonitoringdevice
ABSTRACT:
Intelligenceisthetrendinfutureasanewproductofmodernsocietywiththerapiddevelopmentofeconomicandmodernizationpaceaccelerating.Itcanworkautomaticallyinthespecificenvironmentaccordingtothemodesetinadvance.Itcanachievetheexpected,evenhighergoalwithouthumanmanagement.
Thetitleisdesignofnewtopicspeedmonitoringdevice.ItcontrolledthesmallcardriveonschedulewithAT89C52whichgetpulsefromcrystalsasthecornunitandusedtheinfraredtomeasurethespeedoftube.CarspeedswasshowedbyLM016L.Thestructureiseasytorealize，butitishighlyintelligent,friendly，andembodiestheintelligenceinacertaindegree.
Keyword:
SCM;smart-carrobot;AT89C52
1绪论
1.1研究背景及意义
我国是世界上经济持续发展较快的发展中国家，随着经济的快速发展和社会的不断进步，交通运输对于保证社会经济体系的正常运转发挥的作用越来越大，部分地区日趋拥堵的交通状况己经成为影响投资环境、制约经济进一步发展的重要因素，同时交通拥堵也使汽车对空气的污染更加严重。
随着我国经济的快速发展和汽车拥有量的不断增加，城市交通拥挤、阻塞愈来愈严重，尽管我们在努力建设道路网络，然而道路的发展速度总是低于车辆的增长速度，而且只是依靠修建道路来解决问题并不是明智之举.基于我国交通运输的发展现状和未来的发展目标，除了应当加强基础设施建设外，还应充分采用现代高科技手段，最大限度的发挥既有设施的能力。
因此应用以信息技术为核心的智能交通监测技术成为当今交通安全，交通控制必备的主要部分。
汽车超速行驶是引发交通事故的主要原因之一。
根据交通管理部门的统计，在全国近几年发生的重特大交通事故中，70％都和超速行驶有关。
对高速公路、国道和主要省道等机动车的管理主要有两种手段：
一是流动管理，如沪宁高速沿线各交警大队加强巡逻和动态纠违，并且流动测速；二是安装固定测速系统，一旦发现超速，则联网实行处罚。
实际上，这两种方法均仅采用测速设备监测行驶中的机动车行驶速度，而测速设备监测具有它本身的局限性，无法实现对高速公路的全程实时监测，而且驾驶人员也始终处于被动的监管状态。
对于动态汽车的检测来说，其意义不仅能够对道路交通管理者的决策起重要的影响作用还对交通安全，道路交通的运行效率起到决定性的作用，因此应用智能交通的检测技术能够完成高速公路的实时检测并能为高速公路的管理及控制起到很好的决定性作用。
智能交通系统（ITS-IntelligentTransportationSystems）是在关键基础理论模型研究的前提下，把先进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地综合运用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输管理体系。
从美国、日本、欧洲以及我国的ITS研究与开发内容来看，ITS是一个基于完善信息系统的综合高效管理系统，道路交通信息是所有ITS项目不可缺少的前提和主要内容，也是制约ITS研究计划顺利执行的关键因素。
交通信息有静态信息和动态信息之分。
静态信息（路网规模、质量、通行能力、设施分布等）易于获得且维护工作量小:
而动态信息（路网的交通流量、行驶车速、行程时间、拥挤程度、停车场的利用情况等）的采集、检测、处理、预测和发布的难度较大，但对交通管理部门和出行者具有更重要的指导意义，因而是道路交通智能化的重要基础和核心内容。
动态的车速信息是实现高速公路交通智能化的关键，而高速公路的实时行车
速度的采集和应用处理是ITS各有关项目如:
高速公路交通智能化调度系统、紧急救援系统、出行者信息服务系统等系统实施的核心基础数据和重要前提之一[1]。
1.2国外研究现状
在ITS研究领域，以实现道路的“信息化”、“智能化”为目标的交通信息系统的开发与应用正以欧洲、美国、日本为中心迅速展开。
同时众多其他国家和地区也纷纷参与投入力量开展研究活动，目前交通信息系统已成为世界规模的热点研究课题。
下面介绍欧、美、日有代表的研究项目，特别着重介绍实时车速采集与处理的研究发展。
国外研究现状
在欧洲，与ITS相关的开发项目在不同层次上同步进行着。
其中有政府主导的“欧洲机动化安全专用道路基础设施（DRIVE:
DedicatedRoadInfrastructureforVehicleSafetyinEurope）项目，也有民间主导的PROMETHEUS（PROgram-mmeforaEuropeanTrafficwithHighestEfficiencyandUnprecedentedSafety:
1995年始是PROMOTE:
PROgramforMobilityinTransportationinEurope）项目。
这些开发项目复杂地相互渗透，与DRIVE.PROMETHEUS相关的开发计划一直保持紧密的协调关系。
欧洲是以欧洲联合体为主导推进ITS的研究，这对发展ITS的研究十分有利。
因为在欧洲任何国家、企业开发的交通信息系统，都可以在环境不同的12个国家做现场试验，从而可以开发出适合各种环境的技术，进而导致新技术的产生。
目前在欧洲具有代表性的采集实时动态行车速度的系统是Trafic-master系统，该系统以伦敦为中心，在大范围高速公路上已经实际应用的系统，而且有效利用现有的寻呼网络来提供动态实时的行驶车速等交通信息。
Trafic-master系统由收集高速公路交通信息的传感器、整理并发送信息的控制中心、以及接收发送来的信息并表示显示屏上的车载终端装置组成。
传感器向车体的前端和后端分别发射两速红外线，根据这两速射线经车辆反向后反向波的进间差来侧定出车辆的速度。
传感器控制机的电脑计算每3分钟的平均速度，如果速度低于40km/h，则将此信息发送到控制中心。
控制中心由很多台计算机组成，其中有的用于收集数据，有的用于发送经分页处理的信息，有的用于文字的录入等等。
车载末端装置类似于收音机功能再加上显示器，可以显示全部区域内或局部放大的区域内的低速区间。
如果切换为文本方式看指定页，则可以获知关于事故、施工等有关的详细信息。
瑞典交通数据采集仪具有测设精度、采样率较高、数据易于处理、车型分类清晰、点速度和区间速度合乎规律、单车信息详细等特点。
美国的智能车路系统（IntelligentVehicle-HighwaySystems,IVHS）是最早的智能交通系统，极大地促进了实时交通信息的采集和处理的实施。
佛罗里达州中奥兰多的项目TravTek（TravelTechnology）实时采集交通阻塞信息、车辆服务信息、出行信息，还为装备了TravTek车载设备的汽车驾驶员提供路线诱导信息.动态交通信息的采集和处理反映了TravTek网络交通的实时状况.
美国nu-metrics公司开发的HI-STAR系列产品一HI-STARNC-97交通数据采集仪，利用磁感应技术和电子技术、通过车辆对地磁的影响，来产生和车辆有关的信息，从而进行交通数据的采集和处理。
能够采集到的数据有交通量、速度、车型、车头时距、温度、干湿度和车辆占有率等。
利用和采集仪相配套的软件HIGHWAYDATAMANAGEMENTSOFTWARE（简称HDM），可以生成关于调查情况的各种报表。
在ITS领域中，交通参数的自动处理也有发展，包括理论、方法和应用的整合。
美国发展一种基于交通流的随机特性，针对动态交通流模型的感应算法.模型用于估计交通变盘（例如行程时间），直接用于动态交通管理中，但对于实时车速并没有给出完整的求解算法。
动态诱导系统中不同数据源的数据整合和数据检测问题已经备受瞩目，美国咨询工程协会研究了一种用于整合行程时间数据的模型，但并没有考虑实时车速的数据整合问题。
而且在实际数据管理和应用中发展了几种成形的数据检测方法，包括阐值检测和交通流理论检侧。
在日本，由建设省、苦示厅和邮电省共同组织的车辆信息与通讯技（VehicleInformationandCommunicationSystem,VICS）项目中，开发T一种新的远红外车辆检测器。
这种检测器也可以作为高带宽双向通讯发射与接收器，向车辆提供实时车速等交通信息，并从装备了这种检测器的车辆获取路段行程时间国外的实时车速采集技术发展迅速，目前已经转向于数据的整合和处理分析，以及具有针对性的应用领域研究[2]。
1.3国内研究现状
目前我国许多城市现代化交通管理己初具规模，智能交通控制系统集成了交通电视监视、交通流检测、交通信号控制、交通信息综合、交通诱导、停车管理、交通违章监测和交通通讯等技术，形成一个计算机管理网络.而智能化的实时信息采集和处理成为交通信息流的主体部分。
具有视频检测功能的交通电视监控系统，不仅可以观察到定性的图像信息，而且还可以得到定量的数字信息，既能用于交通决策，又能用于交通信号的实时控制，可及时进行人工干预，直接观察其控制效果。
采用数字图像处理技术的交通流检测，不仅可以得到车辆识别信息，而且可以得到车辆的流速、流向、流量等定盈的动态信息。
我国一方面由于财力所限，不可能一次性投入巨额资金来重新建立庞大完整的信息采集系统，另一方面许多大城市的交通管理在经历了近十年的引进、试验、开发与应用之后，己经有了一定的基础，因此有必要也有可能利用现有交通设施建立起集实用性、先进性和可扩展性为一体的交通信息采集系统。
我国己有成套的动态车速信息采集设施（如交通部公路科学研究所备），对于安装有GPS定位设备和车载计算机的车辆，可以实时的监视车辆运行状况，动态的记录下车辆在各个路段上的行驶车速。
交通部公路科学研究所设备可以自动同时采集4个车道的车辆数据。
包括时间、车头时距、车道号、车速、轴数和各轴间距。
采用接触开关型传感器，有摄像机通讯接口，在自动采集车辆数据的同时，提供给摄像机采集车辆图像用的时间记录信号，有手动输入键盘，配合摄像机记录车辆。
采用与采集仪配套的统计分析程序Analysis，可以自动提取和分析生成后期设计分析所要求的交通参数。
目前我国对于实时车速随机算法和实时交通数据检测的研究还比较少，有待于进一步深入探讨。
国内的交通管理尚处于初步的理论研究和技术引进阶段，实时交通数据的扩展应用和相关软硬件的开发还比较薄弱，尤其在理论算法的研究方面。
但是由于拥有很大的发挥空间，也有利于向更加深入和广泛的领域发展[3]。
1.4本设计所研究的内容和所实现的功能
本设计完成实时动态超速报警、实时动态限速、动感显示、实时监测并数字显示车辆行驶速度和限速范围并实现三档功能转换。
基于单片机技术可靠性高、便于扩展、控制功能强、实用性好的特点。
本设计以单片机为控制核心，从单片机最小系统设计，车速测量电路设计，电源电路设计，驱动模块设计，显示报警模块的设计等几个方面出发，详细设计了车速监控的各个部分，并结合一套合理的程序算法。
给出了一套基于单片机的车速监控装置的设计的软硬件解决方案。
2系统的总体设计
2.1系统结构及其工作原理
图2.1系统组成原理
车速监控系统主要由测速模块、驱动模块、报警模块、显示模块和电源模块五部分组成，如图2.1所示，其中，电源模块给单片机供电，LED信号灯显示车辆前进、倒退，单片机读取测速模块的测速值并通过显示模块显示出来，根据不同的采集值，超过限速范围报警模块发出声音报警。
2.2各模块方案论证
2.2.1主控单元
方案一：
选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。
CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。
但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。
同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。
若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。
为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。
方案二：
采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。
充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。
这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。
所以选用单片机。
因此，这种方案是一种较为理想的方案。
所以，选择方案二。
2.2.2电机驱动模块
方案一：
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。
方案二：
采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。
但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。
方案三：
采用双运算放大器输出控制直流电机。
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大的特点。
所以，采用方案三。
2.2.3显示模块
方案一：
采用数码管显示。
用数码管显示编程比较简单，价格便宜，但占用单片机I/O口太多，而且显示的信息不多。
方案二：
采用液晶显示。
液晶显示具有耗电量低、体积小等优点，可以很方便的和单片机进行连接。
并且有多种尺寸，可以同时显示多组数据和信息。
所以，采用方案二。
2.2.4测速模块
方案一：
利用激光收发装置测量车速。
这种方法光束集中，测量精度高，抗杂散光干扰能力强。
但是激光器一般对电源要求比较高，重量大，且成本较高。
方案二：
采用光电编码盘。
这种方法具有结构简单、成本低、重量小、便于安装、对电机负载影响小等优点。
所以选用方案二。
3系统的硬件设计
3.1单片机选型
3.1.1主控单片机的选取
在众多的单片机系列中，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。
AT89C52具有以下标准功能：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，一个响亮2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89C52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。
故此选用AT89C52单片机。
3.1.2AT89C52单片机介绍
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52主要性能参数：
兼容MCS51指令系统
·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
·32个双向I/O口
·256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断
·时钟频率0-24MHz
·2个串行中断
·可编程UART串行通道
·2个外部中断源
·共6个中断源
·2个读写中断口线
·3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式
·软件设置睡眠和唤醒功能
3.1.3AT89C52单片机引脚功能
AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和（P1.1/T2EX）。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号[4]。
3.2单片机最小系统设计
单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说，最小系统包括：
单片机、晶振电路、复位电路等。
3.2.1晶振电路
AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3.1（a）所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用[5]。
外部方式的时钟电路如图3.1（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）（b）
图3.189C52内部/外部时钟电路
3.2.2复位及复位电路
（1）复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
（2）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过2us才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触
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