基于单片机的超速报警系统可供参考.docx
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基于单片机的超速报警系统可供参考
教学单位宝鸡文理学院
学生学号200695014034
编号
本科毕业设计
题 目 基于单片机的超速报警系统
学生姓名 查显华
专业名称 电气工程及其自动化
指导老师李雅莉
2010年5月21日
基于单片机的超速报警系统
摘要：
近年来随着科技的飞速本设计是发展，为了克服传统模拟车速显示仪表显示数不准确及没有超速提示的缺点，数字化仪表迅速的进入汽车仪表行业，成为一种趋势，本文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。
单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。
此设计就是一种利用8051单片机对机动车超速行驶情况进行蜂鸣报警和灯光报警的系统。
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。
本设计详细介绍了系统的总体设计方案，给出了界面模块与8051接口电路，系统硬件电路及外围设计电路，最后介绍了软件设计方法及程序流程图，最后用Protues给出了系统仿真。
关键词：
8051；传感器；界面模块；报警
DesignofOverspeedalarmsystemBsaedontheSinglechipMicrocomputer
Abstract:
Recentyears,withrapidscientificandtechnologicaldevelopmentofthisdesignis,inordertoovercomethetraditionalanalogspeedmeterdisplayshowsthenumberofinaccuraciesandshortcomingswithoutspeedingtips,digitalmeterinstrumentsquicklyintothecarindustryhasbecomeatrend,thisarticlefromthedriver'sownsafetypointofview,thedesignofavehiclespeedingdetectionalarmsystem.Thealarmsystemallowsthedrivercomeswiththekeyboardbysettingthesafetyofvehiclestravelingattopspeedwhenthevehicledrivingstate,thesystemtimethroughthespeedsensortomonitormotorvehicles.LEDdisplaybytheactualvehiclespeedandtheusertosetthesecurityparameters.Whentheyfindthedriversetthevehiclespeedexceedsthemaximumvalue,thebuzzerbegantoalarm,flashingwarninglightstoalertdriversslowdown.Toachievethepurposeofpreventivemeasures.Itsapplicationsarecontinuallydeepening,whilethetraditionalcontrolandtestdrivetherapidlygrowingupdate.Inreal-timedetectionandcontrolofthemicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomponent.Thisdesignisaused8051vehicleforspeedingonthesituationofalarmbeepalarmandlightingsystems.Thesystemissimple,highreliabilityandeasyoperation,canbewidelyusedinmotorcycle,automobileandothermotorvehicles.Thedesigndetailsofthesystem'soveralldesignscheme,giventheinterfacemoduleandtheinterfacecircuit8051,systemhardwareandperipheralcircuitdesign,softwaredesignmethods,introducedlastdegreeprogramflowchart.
Keywords：
8051；Sensor；Interfacemodule；Alarm
1绪论
进入21世纪以来，随着我国国民经济和车辆技术的飞速发展，人民的生活水平与安全意识的不断提高，车辆报警系统发挥的作用也越来越重要。
伴随家庭用车的迅速增长，我们充分享受着现代交通带来的便利和快捷，但是交通事故发生的频率不断增加，使车辆安全成为家庭生活中人人担心的问题。
为提高车辆运行的安全性、满足消费者对车辆性能的高追求、更有效的保护消费者的人身财产利益，车辆安全报警系统的研究和设计成为车辆业快速发展所面临的重要问题。
本论文针对车辆运行的安全性，设计了由单片机作为中央控制单元的车辆报警系统，主要涉及车辆防盗报警、车辆倒车防撞报警、酒后驾车报警和车辆超速报警等功能。
该设计将单片机的实时控制及数据处理功能与霍尔传感器转换技术相结合，充分地利用了单片机的内部资源，使报警系统工作于最佳状态，从而提高系统的综合反映灵敏度，使报警系统及时准确，实现车辆多种功能的报警控制，最大限度的保护消费者的利益。
所设计的报警系统对出现的危急情况，能及时进行声、光、网络报警及相应的显示，提醒车主或驾驶员尽快地采取相应的措施，有效的保护自身和他人的利益和安全，尽可能地降低事故发生率。
2概述
2.1设计思路
本文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方案论证
车速报警系统组成主要由单片机控制模块、霍尔传感器、LED数码显示器及声光报警器组成。
针对任务要求，我们发现此项设计在单片机接口芯片以及按键电路上有不同的选择。
因此，设计方案的比较主要对此展开
2.3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，速度显示电路连，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。
系统的硬件电路简图如图1所示。
声光报警电路
8155
键盘
输入
LED数码管
机车车轮
霍尔
传感器
AT89C51单片机
图1系统硬件电路简图
霍尔传感器用来产生脉冲方波，键盘输入用来设定报警速度，当车速超过最大速度Vm时，声光报警电路将发出报警信号。
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INT零中断请求，单片机对INT零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。
则nr/s=6Onr/min。
即只要将计数值乘以60，便可得到每分钟机车车轮的转速。
设机车车轮的周长为dm，则机车的时速
V=d×60n×3．6km/h。
硬件电路方框图霍尔传感器的输出信号经AT89C51的INT0口输入并存储在内部R0M中，AT89C51外扩一片8155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10个按键的键盘。
AT89C51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的叫声各0．73s，便可以模拟警车的叫声，产生警示作用。
机车的上限速度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，计算出机车当前的速度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。
硬件电路图如下
图2硬件电路图
方案二：
利用高集成化的串行输入/输出的共阴极LED驱动显示器MAX7219及按键电路实现。
MAX7219芯片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，按键设定用来设定报警速度（最大速度Vm）。
系统的硬件电路简图如图3所示。
机车车轮
按键
设定
LED
数码管
声光报警电路
MAX7219芯片
MSC-51单片机
霍尔
传感器
图3硬件电路简图
图4系统硬件电路图
2.4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，而且只能显示当前速度，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，可以数片级联，而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实现即可，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。
对于本论文所研制的车速报警系统而言，其基本出发点就是利用现有工艺条件，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，使报警能随时随地不间断进行并保证报警的工作效率。
有鉴于此，同时根据系统的要求，确定系统总
设计方案如图所示:
霍尔
传感器
LED数码管
声光报警电路
MSC-51单片机
按键操作
机车
车轮
MAX7219芯片
报警灯
图5车速报警系统总体设计方案
3系统总体方案及硬件设计
硬件设计该系统硬件主要包括以下四大模块：
8051单片机主拄模块、传感器模块、报警模块和显示模块等。
其中8051主要完成外围硬件的控制以及一些运箅功能：
传感器完成信号的采样功能；报警模块丰要负责声音报警和灯光报警；显示模块完成字符、数字的显示功能。
3.1硬件概述
3.1.1AT89C51单片机
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），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（CPU）和Flash存储单元。
功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
3.1.2AT89C51主要性能参数
1.与MCS-51产品指令系统完全兼容
2.4K字节可重擦写Flash闪速存储器
3.1000次擦写周期
4.全静态操作：
0Hz---24MHz
5.三级加密程序存储器
6.128×8字节内部RAM
7.32个可编程I/O口线
8.2个16位定时/计数器
9.6个中断源
10.可编程串行UART通道
11.低功率空闲和掉电模式
3.1.3AT89C51功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/0口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.1.4AT89C51引脚功能说明
图6AT89C51引脚图
Vcc：
电源电压
GND：
地
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，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，对端口写“1”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口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倒高电平，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）。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口：
P2口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MOVE@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（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区总R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。
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。
作输入端时，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，如下表所示：
表3.1P3口的第二功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3,3
（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
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。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。
ALE/
：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器。
ALE仍一时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
但要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（
）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活，此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
：
程序存储允许（
）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次
有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的
信号不出现。
EA/VPP：
外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H--FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需要注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部会锁存EA端状态。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器3放大器的输出端。
3.1.5时钟振荡器
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图7：
图7振荡电路
外接石英晶体（或陶瓷振荡器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，则推荐电容使用30pF
10pF，而如使用陶瓷振荡器建议选择40pF
10F。
用户也可以采用外部时钟，采用时钟的电路。
在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分钟触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。
3.1.6空闲节电模式
AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉点工作模式。
这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位来实现的。
PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机模式，即PD和IOL同时为1，则先激活掉电模式。
在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设保持激活状态，这种方式由软件产生。
此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL（PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。
程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。
其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。
需要注意的是，当有硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。
为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
3.1.7掉电模式
在掉点模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。
3.1.8空闲和掉电模式外部引脚状态
表3.2空闲和掉电模式外部引脚状态表
模式
程序存储器
ALE
P0
P1
P2
P3
空闲模式
内部
1
1
数据
数据
数据
数据
空闲模式
外部
1
1
浮空
数据
地址
数据
掉电模式
内部
0
0
数据
数据
数据
数据
掉电模式
外部
0
0
浮空
数据
数据
数据
由于89C51采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1000次写／擦循环，数据保留时间为10年。
他是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。
时钟电路由AT89C51的18，19脚的时钟端（XTALl及XTAL2）以及12MHz晶振X1、电容C1，C2组成，采用片内振荡方式。
复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R17，电容C3组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端。
3.2主控模块
本系统采用MCS一51系列的8051单片机作为控制核心。
8051抗干扰性好，适用于恶劣环境的场合。
8051CPU的工作频率采用12MHZ，方便系统对速度传感器的计数脉冲进行快速的处理。
805l的输入，输出引脚具有32根I／O口线。
可以连接存储器、LED显示器、速度传感器等各种外部器件。
8051具有低功耗和低电压工作模式的特点，可以利用电池对系统供电。
但8051内部只有256B的数据存储器，系统可以外接RAM芯片以满足系统的需求。
8051最小应用系统如下
图88051最小应用系统
3.3测速传感器
速度传感器是车辆传感器中的易损器件．所以该系统对测速传感器进行了改进，使它具有灵敏度高、价格低廉、不易损坏等优点。
测速传感器由霍尔开关、磁铁组成．其工作原理足将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置，车辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生的开关信号输人到单片机的计数器T1引脚．805l的定时器0定时段时间后。
提取Tl中的脉冲个数．就可计算出车辆的行驶的瞬时速度。
霍尔传感器的外形图和与磁场的
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