基于单片机技术的汽车限速器设计.docx

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基于单片机技术的汽车限速器设计

基于单片机技术的汽车限速器设计

摘要

随着经济和轿车行业的快速发展，交通安全成为危及人生安全的重要因素，车辆的限速行驶，将显著的降低交通事故的发生。

如今各项先进的电子技术产品应用到汽车上，所以，本文根据汽车限速器的功能要求，设计出基于AT89C52单片机的控制系统。

文中详细介绍了单片机控制系统的功能、原理、硬件、软件的设计，各元器件的选择与应用。

以AT89C52芯片为核心，辅以必要的电子元件及电路，通过LED驱动显示器MAX7219、蜂鸣器、控制开关、按键等能够准确控制电动机启停和报警器的工作状态。

从而，让其车速实现智能化控制，以致于在道路上交通事故的发生率也大大减少了，人们的生命财产得到了有力的保证。

同时达到学习、设计、实际应用的能力。

关键词：

单片机AT89C52；LED驱动显示器MAX7219；蜂鸣器；电动机

Basedonthesinglechipmicrocomputerauto

safetydevicedesign

Abstract

Withtheeconomyandtherapiddevelopmentofthecarindustry,trafficsafetybecomeendangerlifeoftheimportanceofsafetyfactor,thespeedlimit,willdrivevehiclesignificantreductionintrafficaccidents.Nowvariousadvancedelectronicsproductsappliedtothebus,so,thispaperbasedontherequirementsoffunction,thespeedlimitisdesignedbasedonsingle-chipmicrocomputercontrolsystemofAT89C52.Thispaperintroducesthefunctionofsinglechipmicrocomputercontrolsystem,principle,hardware,softwaredesign,thecomponentsoftheselectionandapplication.AT89C52asthecore,withchipwiththenecessaryelectroniccomponentsandcircuits,LEDbydrivingdisplaysMAX7219buzzer,controlswitch,suchaskeyscanaccuratelycontrolmotorrev.Stopandalarmworkingcondition.Thus,letitsspeedtorealizeintelligentcontrol,thatontheroadtrafficaccidentsaregreatlyreducedtheincidenceofthelivesandpropertyofthepeople,bythepowerfulguarantee.Atthesametimetostudy,design,andpracticalapplicationability.

Keywords:

AT89C52singlechip;LEDMAX7219;drivingdisplays;motorbuzzer

1前言

在当今的社会里，轿车行业的迅猛发展，交通道路的发展也随着车辆的增多也贯穿于各大地区，所以，私家轿车也是最普遍的交通运输或代步工具，然而人们往往忽视高速行驶所带来的重大后果。

每年由于司机超速行驶而产生的交通事故很多，因此造成的经济损失很多。

因超速行驶而造成事故者不是他们想开很快，而是他们那时已经有了快感，觉得这样的速度是挺刺激的，根本没有意识到自己是在超速行使，造成巨大的经济损失，甚至丢了性命，因而，他们在事故发生后大都感到很懊悔。

如果他们在汽车上安装汽车限速器，在很大程度上能确保他们超速，避免发生重大的交通事故。

如今的电子电控技术及单片机的技术的发展越来越成熟，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注。

对于单片机来说，它的集成度高、可靠性高、易扩展、控制功能强、体积小、低功耗、价格便宜、易于产品化等等，所以，在很多单片机中MCS—51单片机是最为典型和最具代表性的一种。

在我国，单片机的应用领域很广和发展空间很大，它已广泛的应用到工业过程实时控制、机电一体化产品、办公自动化设备、智能仪器、家用电器、汽车电子产品等各个领域，尤其是在汽车上的控制系统应用也越来越多。

再者电控发动机、自动变速器、电子节气门等典型的电控系统也运用到汽车上。

因此，本课题主要研究的是：

“基于单片机技术的汽车限速器设计”。

2汽车限速器研制背景及意义

2.1汽车限速器研制的背景

2.1.1研制的必要性

随着我国汽车行业的迅猛发展，愈来愈多的中国普通百姓有经济实力购买轿车，圆了自己多年的汽车梦，拥有一部爱车已经成为很多人触手可及的事情。

然而，事情总是有它的两面性，汽车多了，由此引发的道路交通安全问题就变得日益突出了。

造成交通事故的原因主要有两个：

①很多老司机和新司机同时上路，驾驶技术及驾驶习惯参差不齐。

俗话说：

“十次事故九次快”很多司机朋友喜欢超速驾驶，对其他车辆和行人漠然视之，这样的驾驶习惯不仅违反了道路交通法规，而且对个人和行人的生命安全也造成了严重的威胁。

②我国人口众多，特别在大城市人口比较庞大，汽车又多，在一些商业繁华路段往往是一个城市中人口密度最大，车辆最集中的地方，也是交通事故突发率最高的地方。

目前超速行驶导致的交通事故还在不断上升。

据2010年统计，全国交通事故3906164起，同比上升35.9%。

其中涉及人员伤亡的道路交通事故219521起，造成65225人死亡，254075人受伤，直接财产损失9.3亿。

在这些事故中超速行驶肇事最为突出，因超速行驶导致交通事故的占35.3%。

因此有必要采取措施来强制限制车速，来维护个人和行人的生命安全。

2.1.2国内外关于超速限速系统设计情况

各国交通部门及个人为了解决驾驶员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也从事这方面的研究，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。

②广州唯创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。

③广州九芯电子科技有限公司也推出了叉车限速报警器系统，具有遥控设置通断油路等功能，两级速度设定，超过不同级别的速度，就有不同的语音进行提示报警，它的报警锁定时间在0～99秒可调，叉车速度持续超过预设速度，就自动锁住报警，及时提醒驾驶员采取措施。

2.2汽车限速器研制的意义

现实证明通过强制限制车速可以很好地解决汽车超速行驶这一问题，交警通过安装雷达测速器和电子警察来限制车速，同时广大车主司机朋友也在积极采取措施来防止事故的发生，就是在车内安装具有超速自动提示和报警的超速报警器。

而且，统观各种电子限速装置，比如：

汽车速度显示及超速报警器、限速路段超速报警系统、调速器和限速器等等，虽然，这些仪器可以很好地解决汽车超速这问题，收到了一定的效果，但是，这些仪器也有它的局限性，而且，目前雷达测速和电子警察具有覆盖面不够广，无法覆盖整个限速路段；而在车上的仪器也只能在某些限速路段才能起到一定的作用，以致于还是不能随时随地避免“超速行驶”的情况。

因此，针对这些问题，我们取其优点，大胆创新，我独立自主地设计出电子限速装置，它与不同的电子限速装置有相同的地方，也有差异的地方。

为此，我们将设计的系统为“基于单片机技术的汽车限速器设计”。

它在很大程度上有效解决了汽车超速驾驶难以解决的问题，有效的防止司机有意无意的超速行驶，同时为交警减轻了负担，为人们的安全行车提供了有力的保障；而且司机可以根据不同情况设定不同的最高限速值，这样就更能主动地有效地限制车速，因此，该限速器的设计有很重要的意义。

3总体设计方案

汽车限速器的系统组成主要由单片机控制模块、霍尔传感器、LED数码显示器、声光报警器及电子节气门控制模块组成。

针对任务要求，通过查阅资料发现该限速器的设计在单片机接口芯片以及按键电路上一些元器件有不同的选择。

因此，我的设计方案主要对此展开：

3.1方案的提出

方案一：

采取通过带有I/O接口和计时器的静态RAM8155芯片与设定速度的键盘电路，速度显示电路，8155芯片具有256个字节的RAM，两个8位、一个6位的可编程I/O口和一个14为计数器。

系统的硬件电路框图如图3-1所示：

图3-1系统硬件电路框图

霍尔传感器用来产生脉冲方波，键盘输入用来设定限制速度，当车速超过最大速度Vm时，声光报警电路将发出语音报警信号。

单片机外部中断口接霍尔传感器的输出，车轮每转一圈产生一次INT0中断请求，单片机对INT0中断请求的次数进行计数。

并将在1秒内的计数值转换成机动车的时速，送至显示缓冲区以供显示程序调用。

具体算法如下：

设单片机每秒计数值为n，即nr/s。

设该车车轮的周长为dm，则机车的时速V=d×n×3．6km/h。

硬件电路方框图霍尔传感器的输出信号经AT89C52的INT0口输入并存储在内部R0M中，AT89C52外扩一片RAM8155芯片，其PB口作为LED数码管的段选线，PA4～PA0作为LED的位选线和键盘的列线，PCO和PC1口作为键盘的行线，从而组成9个按键的速度按钮键盘。

AT89C52的P2.6口外接三极管放大器用来驱动声光报警电路，P2.6不断地输出101010......的高低电平，驱动声光报警电路报警。

只要使声光报警电路报警重复输出256Hz及350Hz的之间的频率，便可发出报警信号。

车的上限速度Vm通过键盘设置并存储起来。

单片机检测霍尔传感器输出的信息，计算出该车当前的速度V，并送LED显示。

当V≥Vm时，控制声光报警电路报警发出警示音，及时采取措施减速；如是没及时减速的话，此时，单片机向节气门电机发出指令，控制节气门的开度，从而，强行控制该车的行驶速度。

方案二：

利用高集成化的串行输入/输出的共阴极LED驱动数码管显示器MAX7219芯片、电子节气门控制机构及按键电路来实现。

MAX7219有8位LED串行显示驱动器，它采用3线串口传送数据，占用资源少且硬件简单，只需一个外部电阻即可方便地调节LED的亮度；可灵活地选择显示器的个数（1～8个,级联可成倍增加）；可进行译码或不译码显示；内含硬件动态扫描控制，可设置低功耗停机方式。

而对于MAX7219芯片是用来显示当前及设定速度，当速度超过最大速度Vm时，声光报警电路发出报警，按键设定用来设定产生报警的最大速度Vm。

系统的硬件电路框图如图3-2所示：

图3-2系统硬件电路框图

3.2方案的比较及确定

方案一和方案二比较，方案一采用8155芯片使用单片机引脚较多，采用键盘电路较复杂，按键太多速度设置也是固定的，驾驶员对速度上限透明度不高，总体电路较复杂。

方案二采用的MAX7219是一个高集成化的串行输入/输出的共阴极LED驱动显示器，每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，可以数片级连，且与微处理器的连接只需3根线，且速度设定只需通过几个按钮即可实现，并且可以实时实现速度上限的增减，因而硬件电路简单，人眼视觉效果好，可以方便的为驾驶员提供信息，易于实现维护，且MAX7219内部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机接收数据外，平时独立工作，极大地节省了MCU有限的运行时间和程序资源。

对于本课题所研制的“基于单片机技术的汽车限速器系统”而言，其基本出发点就是利用现有的工艺条件，采用现代计算机软件处理技术，提高系统的精度等级和工作的稳定性，拓展其功能并赋予其智能化特征，使报警器不仅能够及时准确地显示车辆的当前速度信息，同时尽可能地减少不必要的人工操作，使报警能随时随地进行，同时还能使车辆在超速后自动降速。

有鉴于此本课题采取“方案二”的设计思路来进行分析设计。

4汽车限速器的功能与原理

4.1该限速器的功能及技术指标

4.1.1超速语音提示报警功能

语音提示也就是说，行驶的车辆的车速即将超过限速器预置速度的上限值Vm时，超速语音提示报警功能也随之开始工作，报警指示灯也不断闪烁；同时，从蜂鸣器里发出人性化的语音提示说：

“您即将超速和请注意路面情况，及时减速”的语言。

当在超速后的3秒内提醒驾驶员采取措施及时降速，降速后报警系统停止工作，又恢复到正常的行驶状态。

当该车再次超速时，系统仍可以自动开启超速语音提示报警功能。

4.1.2超速时限速功能和降速后又自动恢复功能

当车速超过预置速度的上限值Vm时，且在超速后的3秒内车主不做任何反应，汽车将自动把车速降到规定速度以下，此时，车最大行驶速度只能控制到所限的速度以内，这时该车在限速器工作的状态下行驶，如果司机要想再加速的话是不起作用的。

当限速器完成了对车速的限速降速后，限速器系统与电子节气门系统之间的继电器开关自动断开，这时就恢复到原来的电子节气门系统工作。

车辆在降速后，如果车再次超速仍可以开启超速语音提示功能和超速时限速功能，从而，实现超速——报警——限速——恢复的循环功能。

4.1.3限速器的技术指标

（1）适用环境温度：

-35℃～～80℃，相对湿度不大于90%时应能正常工作。

（2）适用道路：

三级及三级标准以上的公路。

（3）限速范围：

40～～120km/h。

（4）限速偏差：

±5公里/小时。

（5）承载力:

XS-24巡航器不小于20公斤。

（6）在汽车限速器工作状态下，随机点动“ON/OFF”键，汽车限速器应100%可靠解除。

（7）在车速高于限速范围下限时，要求限速系统自动接入电子节气门系统工作，将速度限制在限速范围上限以下。

（8）产品的工作电压范围：

5-20V

（9）抗振性能指标：

频率20-50HZ

（10）电磁兼容性能：

抗群脉冲电压达到4000V

4.2该限速器工作的原理

4..2.1发动机电子节气门系统的基本组成

汽车限速器主要是针对中国轿车的保有量，针对快速发展的汽车电控技术，针对越来越成熟的发动机电子节气门技术等等。

所以，为了要很清楚的了解限速器的工作原理，首先需要了解汽车电子节气门系统的结构组成和工作原理。

电子节气门控制系统的基本组成如图4-1所示：

1-发动机2-转速传感器3-节气门位置传感器4-节气门执行器

5-节气门6-加速踏板位置传感器7-车速传感器8-变速器

图4-1电子节气门系统的组成图

其实，图中的转速传感器也可以用曲轴位置传感器或者凸轮轴位置传感器来代替；节气门执行器是一个步进电机，由它来推动节气门以控制节气门的开度；加速踏板位置传感器的构造及工作原理和节气门位置传感器的构造及工作原理是一样的；节气门电子控制单元一般是和发动机电子控制单元做在一起的。

4.2.2发动机电子节气门系统的工作原理

发动机电子节气门系统的工作原理如下：

驾驶员操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。

然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。

节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制。

节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。

驱动步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。

电平的高低控制步进电机转动的方向，脉冲个数控制电机转动的角度，即发出一个脉冲信号，步进电机就转动一个步进角，脉冲频率控制电机转速，转速与脉冲频率成正比。

因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电机精确定位与调速。

控制直流电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等。

控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。

电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。

当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。

ECU对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶员系统有故障。

同时电磁离合器被分离，节气门不再受电机控制。

节气门在回位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置，使车辆慢速开到维修地点。

节气门控制系统原理如图4-2所示：

图4-2电子节气门控制系统原理图

4.2.3该限速器工作的原理

分析组成汽车电子油门系统的几个环节后，在节气门电子控制单元与节气门电机这两个环节之间插入限速控制是最易实现的，因此本文的限速控制设计方案就在这两个环节之间实现。

插入限速器的电子油门系统模型如图4-3所示，图中线框所示的部分即是所设计的限速器主控部分。

图4-3插入限速器的电子节气门系统模型

由上图可以看出限速器可通过键盘、LED数码管显示等人机界面预置速度上限值Vm，其中限速器开关为继电器，其中常闭开关是控制电子节气门系统工作的，常开开关是当超速后控制限速器工作的。

限速器所需要的速度信号由霍尔传感器提供，当霍尔传感器采集到的速度信号通过计算处理，即得出一个速度值Vx,同时将Vx与预置的速度上限值Vm比较，如果计算所得的速度值Vx

此时，霍尔传感器的电信号Ux直接提供给单片机，即限速器输出信号Uy=Ux。

如果计算所得的速度值Vx≥Vm，处于超速状态，则限速器恒定输出预置的速度上限值Vm所对应的电信号Um，限速器输出信号Uy大于最大速度电压信号Um，即Uy≥Um,并传递给单片机，此时图中声光报警电路开始工作，这时报警灯不断闪烁蜂鸣器发出语音信号，而且，继电器的常开开关闭合，常闭开关断开，在开关闭合的同时限速器就给节气门电机输入脉冲信号，来控制电机的转动量从而控制节气门的开度，同时，发动机控制单元也给喷油器信号控制发动机的喷油量，此时的电子节气门系统的工作将由限速器系统代替它工作，实现自动限速功能。

当速度降下来后，霍尔传感器将采集到的Vx

如图4-4所示为超速时速度控制状态曲线图。

假设实际行驶速度Vx由0开始逐渐增大，在未达到设置的最大速度Vm时，最大速度Vy曲线和Vx曲线几乎完全重合。

当Vx>Vm时，Vy的值不随着Vx的增大而增大，保持等于Vm不变。

当Vx下降，Vx

图4-4超速时速度控制状态曲线图

当此车再次超速的话，限速器系统还是按照设定的程序循环的工作，这样就实现了车速的自动控制作用。

对于插入限速器后的电子节气门系统，驾驶员可以根据需要选择是否需要限速功能。

当驾驶员选择了限速功能后，在不超速情况下，与原有的发动机电子节气门系统工作方式是相同的,最大程度地保证了原有系统的完整性。

在设计中，限速器系统中继电器的常闭开关是一直闭合的,使限速器在不能正常工作的情况下，能保证发动机电子节气门系统仍能正常工作，从而，保证系统工作的可靠性。

同样限速器系统也有故障自诊断功能，单片机对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，也就是系统报警指示灯，而且，系统语音报警器也及时提示驾驶员系统有故障。

如果在系统还未进行超速状态限速的情况下，限速器系统不参与限速工作；如果是在进行超速限速的工作状态时，系统语音提示让驾驶员直接关掉限速器系统的电源，此时就恢复到了正常状态，否则，无法再次加速。

如果在行驶途中系统出现了故障的5秒内，而且，驾驶员没直接关掉电源，系统就启动自我保护程序主动切断系统电源。

5汽车限速器的硬件设计

5.1单片机的选择

单片机就是指在一块硅片上集成了构成计算机的基本要素，即把中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、定时器/及I/O接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

一块芯片就相当于一台计算机，称为单晶片计算机。

如图5-1为单片机内部结构图：

图5-1单片机内部结构图

而对于现在的MCS-51系列单片机，因它功能丰富、价格低廉和开发方便等一系列优点，迅速得到广泛的应用，成为当之无愧的主流机型。

这一系列的单片机又把众多不同型号归纳为三个子系列：

基本系列，增强系列，CMOS基本系列。

根据方案论证以及实际限制条件，设计采用51系列的AT89C52作为主控芯片，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，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52单片机实物图如图5-2所示：

图5-2AT89C52单片机实物图

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个外部中断口，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兼容MCS51指令系统：

·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

·3个16位可编程定时/计数器中断

·软件设置睡眠和唤醒功能

·可编程UART串行通道

·低功耗空闲和掉电模式

·2个串行中断、3级加密位

·2个外部中断源、2个