哈工大毕业设计基于LPC2131的电动车远程监控系统的设计.docx

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哈工大毕业设计基于LPC2131的电动车远程监控系统的设计

摘要

当今世界，人们在飞速创造财富和发展文明的同时，也带来了许多负面的效应，环保和能源就是其中重要的两个方面。

而传统汽车的大量使用，是造成环境污染和不可再生能源巨大消耗的重要因素。

电动车以其排放少、噪声低等优点正受到广泛的关注，世界各国都把电动车作为汽车工业的发展方向。

因此，对电动车行驶中各项参数的监测是关系到电动车实用化、商品化的关键技术之一，对环境保护和节约能源等方面都具有重要意义。

本文采用PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核的LPC2131芯片为微处理器，设计了针对电动车的蓄电池电压、电流、温度和车速信息进行监测，并使用GPRS无线通信技术进行远端数据传送。

LPC2131是一个支持实时仿真和跟踪的微处理器，具有流水线技术和低功耗、高性能等特点。

在电动车行驶信息检测方面，选用了霍尔和热敏电阻传感器，为数据的准确采集提供了可靠措施。

同时在远程端数据传输上，本系统选择了GPRS模块MC55，其尺寸小、重量轻、传输速度快等优势保证了电动车的远程监控。

关键词电动车蓄电池LPC2131GPRS

Abstract

Today'sworld,peoplecreatewealthandrapiddevelopmentofacivilthesametime,alsobroughtmanynegativeeffects,environmentalprotectionandenergycouldbeanimportantontwolevels.Widelyusedintraditionalcarsiscausingenormousenvironmentalpollutionandconsumptionofnon-renewableenergyanimportantfactor.Itsemissionsthanelectricvehicles,andlownoisearewidespreadattention,andeverycountryintheworld'selectriccardevelopmentastheautomotiveindustry.Therefore,theparametersofamovingelectricvehiclemonitoringisrelatedtotheelectricvehiclepractical,commercialoneofthekeytechnologiesforenvironmentalprotectionandenergyconservationareallsoimportant.

Inthispaper,basedontheARM7TDMI-SPHILIPScompanyLPC2131chipforthemicroprocessorcore,designedforelectricvehiclebatteryvoltage,current,temperatureandspeedmonitoringinformationandusesGPRSwirelesscommunicationtechnologyforremotedatatransmission.LPC2131isareal-timesimulationandtrackingofthemicroprocessor,withtheassemblylinetechnologyandlowpower,highperformanceandsoon.Trafficinformationdetectioninelectricvehicles,theuseoftheHallandthermistorsensorsforaccuratedatacollectiontoprovideareliablemeasure.Atthesametimedatatransmissionontheremoteside,thesystemselectedtheGPRSmoduleMC55,itssmallsize,lightweight,fasttransmissionofelectriccarsandotheradvantagestoensureremotemonitoring.

KeywordselectriccarbatteriesLPC2131GPRS

Contents

第一章绪论

1.1研究的背景及意义

在中国改革开放经济脚步加快的情况下，当今的科学技术和经济飞速发展，交通系统的空前发展也是必然的。

交通是和每个人都息息相关的事情，这几年公路运输已经成为超越铁路的最重要的地面运输方式，在国民经济和社会发展中起着举足轻重的作用。

随着汽车的普及,使汽车在整个社会进步和经济发展中扮演着非常重要的角色，汽车工业的迅速发展推动了机械、能源、橡胶、钢铁等支柱产业的发展。

然而，随着汽车总有量的增加，交通需求的急剧增长，进入80年代交通运输所带来的交通拥堵、交通事故、环境污染和能源消耗等负面效应也日益突出，汽车尾气的排放的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫化物等污染物已经成为大气污染的主要原因，同时，世界石油资源的日趋紧张，石油价格始终居高不下；另一方面，人们对出行的要求也越来越高，不但追求出行的效率，而且追求出行的质量。

这些都迫使人类需要研制出无污染和节能汽车。

由于电动能源具有突出的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。

电动汽车具有无污染排放、噪声低、易于操纵、维修以及运行成本低等优点，在环保和节能上具有不可比拟的优势，它是解决人类巨大能源和环境压力的有效途径。

因此，电动汽车是2l世纪汽车的发展方向。

随着互联网技术和信息通信技术的发展，远程监控系统成为日常生活中的重要辅助设备。

远程监控技术是运用网络通讯技术实现对现场使用的设备远距离监视和控制，以了解控制系统的运行参数和运行状态。

使有关部门及时掌握现场设备的运行情况，及时做出决策，加强对设备的管理。

在经济脚步加快的情况下，电动车车工业的发展迅猛如飞，以及现代电子技术、通信技术、网络技术等多方面技术的不断融入，电动车结构变得越来越复杂，自动化程度越来越高。

同时，及时掌握电动车电池电流、电压、电量等信息对电动车的安全性有一定的保证。

因此，成功解决对电动车车运行状态进行远程监控，发展智能交通系统，准确地掌握实时信息，成为等待解决的具有重大现实意义的课题。

1.2电动车发展概况

1.2.1国外电动车发展情况

国外的电动车分为了纯电动车、混合动力电动车和燃料电动车三个方向进行发展。

（1）纯电动汽车的发展

纯电动汽车由蓄电池供电，电动机驱动汽车行驶前进。

纯电动汽车行驶时的零排放，受到环保界的高度重视，被认为是本世纪城市交通工具的首选。

十九世纪以来，世界各地就一直运行着各式各样的纯电动汽车，英国保有的纯电动汽车目前居世界首位。

上世纪九十年代开始，新一代的电动汽车不断涌出，GM公司推出EV-1和S-10，法国1995年建成了世界上第一条电动轿车专用生产线，日本各地使用着数十种约7400台的各式纯电动汽车，在美洲商业化的纯电动汽车也已达到了6000辆，在欧洲共同体的主要城市基本上都有试运行的电动公交车。

目前，纯电动汽车的技术已基本成熟，但储能器件的技术进展还不能满足纯电动汽车的运营要求。

由于目前动力蓄电池的比能量、比功率较小，带来了车辆自重大、充一次电续驶里程短的致命缺点，因此，发展纯电动汽车的大范围市场化遇到了暂时的困难，一些针对普通消费者的纯电动汽车己停止销售。

生产单位转而向公交运营、租赁服务、社区交通、专用车辆等方向发展，电动汽车小型化、个性化也是纯电动汽车的一个新的发展方向。

在英国约2万辆电动车每天清晨给家家户户送鲜牛奶。

法国电动汽车的保有量己达一万辆，除了环卫、市政、公交等部门使用外，个人交通和汽车租赁也占很大比重。

美国圣芭芭拉城试验运行的电动公交小巴、纽约市运行的电动客车不仅深受市民喜爱，还可以实现赢利，目前正在扩大规模。

业内人士认为，只有纯电动汽车才能从根本上解决汽车发展给人类带来的能源与污染问题，尽管暂时遇到困难，随着技术进步，纯电动汽车将在不远的未来成为城市内交通的主要工具。

（2）混合动力汽车的发展

混合动力电动汽车动力组成通常同时包含有热机和电机两部分。

根据动力传输方案的不同，又有并联、串联和混联之分。

由于动力组成中含有热机部分，车辆的续行里程可以通过加油得到延续[7]。

从上个世纪九十年代起，各大汽车生产商就不断推出各种方案的混合动力试验样车，从比利时的布鲁塞尔到澳大利亚的堪培拉，世界各地试验运营着各式方案的混合动力电动汽车。

直到新一代混合动力汽车Prius（丰田公司）的上市，才改变了人们原先仅把混合动力电动汽车当作纯电动汽车发展道路的中间过度车型的观念。

Prius混合动力方案，将现有内燃机、电动机通过先进控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以通过发电机工况吸收内燃机功率不能完全被利用时富裕的部分功率和车辆制动的能量，返回储能器件存储。

这样一来，可以大大降低油耗，以减少污染物排放。

目前，丰田公司Prius、本田公司Insight和日产公司Tino混合动力电动汽车已批量投放市场，截至2003年7月31日为止，Prius己总计售出了123174辆，HondaInsight总计售出了14478辆，Hondacivic总计售出了32873辆，EstimaHV总计售出了20233辆，Crown总计售出了4333辆，TinoHV总计售出了100辆，美国各大汽车厂也推出了各式混合动力轿车，与日本的汽车企业开始了在混合动力车市场的竞争，美国GM推出Precept,Ford推出Escape,Prodigy,Daimler-Chrysler推出DodgeESX3，法国推出贝灵格型和XSARA等。

据不完全估计，2004年全年混合动力电动汽车全世界总销量有可能超过20万台，预计在五年后整个混合动力电动车市场规模可能将超过100万辆。

（3）燃料电池汽车的发展

燃料电池汽车的发展前景为各国普遍看好，燃料电池中的氢与氧化剂中的氧分别在电解质两边的正负极上发生反应生成水，同时产生电流。

它不经历热机过程，是直接把燃料的化学能转化为电能，能量转换效率高。

依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池等。

在1993年的加拿大温哥华科技展览会上，加拿大的Ballard公司推出了世界上第一辆以质子交换膜燃料电池为动力的电动公共汽车，可载客20人。

燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作的动力装置，给汽车动力带来一场革命。

使电动汽车脱离了传统的以充电方式补充能源的模式，而采用加注“燃料”的方式补充能源，使电动汽车使用范围不受充电设施的限制。

国外各企业界对这种革命性的清洁型汽车都给予厚望，纷纷组成强大的跨国联盟，共同开发燃料电池汽车的关键技术，以希望达到优势互补的目的。

如日本丰田与美国通用公司，日本东芝公司与美国国际燃料电池公司，德国BMW公司与西门子公司，雷诺汽车公司与意大利DeNora公司，加拿大的巴拉德、美国的福特、德国的戴姆勒-克莱斯勒联盟（XCELLSIS）等等。

各大汽车公司大多推出了品种繁多的各式燃料电池样车。

美国戴姆勒-克莱斯勒公司的甲醇改质型燃料电池汽车“NECARS”于2002年5月20日从旧金山出发，成功横穿了北美大陆，在历经16天之后的6月4日抵达美国华盛顿特区。

这是燃料电池汽车首次成功横穿北美大陆，行驶距离为5250km，最高时速达到了145km/h。

通用公司继AUTOnomy燃料电池概念车在底特律车展上亮相之后，又推出Hy-Wire全新概念车，它由德国通用动力设计工作室所提供的燃料电池，可让Hy-wire拥有160km/h的安全极速。

福特汽车公司采用了最新的混合动力电动汽车技术与先进的新式燃料电池打造了一款全新的高效率、零排放福特“焦点”（Focus）轿车，这是公司有史以来最先进的环保型汽车，也是业内第一批“混合动力燃料电池车”，它将混合动力技术所改善的行驶里程与动力性的优点与燃料电池的综合效益结合了起来。

现代集团在SantaFe型车的基础上开发了燃料电池汽车，该车采用轻度材料及铝制底盘，整车质量只有1615kg，采用75kW的质子交换膜燃料电池及65kW的感应电机。

2000年11月，现代汽车与夏威夷政府联合开发电动汽车，目前己有15辆SantaFe燃料电池汽车试运行。

燃料电池汽车以其高效、零污染的特点在世界范围内引起了汽车行业的广泛关注。

美国、欧洲和日本的著名汽车公司纷纷投入巨资进行燃料电池汽车的研发，并已经取得惊人的成果。

各国政府也在法规和政策方面给予极大的支持，近期联合国开发计划署出资在全球5个国家6个城市进行燃料电池公共汽车的示范运行。

1.2.2国内电动车发展情况

上世纪80年代初，我国就开展了电动汽车研究，曾被列入过国家八五规划。

目前，我国政府也极为关注开发电动汽车的各项关键技术，并以产业化为最终目标，先后将电动汽车列入“九五”攻关重大项目以及“863”重大专项。

近几年中，已研制出部分样车。

东风汽车公司在1996年就推出电动汽车样车，最近又联合湖北省的高校和科研力量，共同组建了“东风电动车辆股份有限公司”,专门开发生产电动汽车。

目前东风电动车辆股份有限公司同时承担两个“863”整车项目。

一是EQ7200HEV混合动力轿车。

该车是以EQ7200-

车型为基础，采用电控自动式变速箱，配置直流永磁无刷电动机和镍氢电池。

二是EQ61100HEV混合动力公交车。

该车采用开关磁阻电机、康明斯ISBe150四缸共轨电喷柴油机、全新设计的车身底盘系统、电控自动变速箱和创新型并联机电耦合设计方案。

长春一汽集团公司正在研发“解放牌”混合动力城市客车和“红旗牌”混合动力轿车，其中混合动力客车项目属于国家“863”项目。

“解放牌”混合动力城市客车的样车具有纯电动驱动、发动机单独驱动（同时充电）、联合驱动、电机启动发动机以及滑行再生制动5种行车模式，配套的动力总成控制实验室已投入使用。

上海燃料电池汽车动力系统有限公司联合上海汽车工业（集团）总公司和同济大学共同承担国家“863”电动汽车重大专项-燃料电池轿车项目，已经研制出春晖一号、超越一号两款燃料电池轿车的样车。

“春晖一号”四轮电驱动燃料电池轿车最高时速控制在50km/h，配置锂离子蓄电池和燃料充氢电池两种混合动力,蓄电池一次充电的续驶里程是50km，加氢后的续驶里程为150km。

“超越一号”燃料电池混合动力轿车已经通过验收[11]。

上海泛亚汽车技术中心有限公司研制的“凤凰”燃料电池汽车是以上海通用汽车生产的别克GL8商务用车为原型，由通用汽车提供燃料电池组和技术支持，由泛亚汽车技术中心负责整车系统集成，是一种燃料电池与蓄电池联合驱动的串联型混合动力汽车。

奇瑞公司与合肥工业大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、哈电发电设备国家工程技术研究中心、安徽英科智能研究所等高校和科研单位联合研制的奇瑞混合动力轿车，采用的是1.0升发动机，其动力性可达到1.6升发动机的传统轿车水平，其最高时速可达160km/h，城市工况的百公里油耗约为6升左右，排放可达欧Ⅳ以上标准。

上海交通大学与奇瑞公司联合承担的国家“863”项目电动汽车重大专项：

奇瑞-交大“863”纯电动轿车QR课题，目前已经开发出5辆样车并通过科技部组织的验收[11]。

长安汽车集团有限责任公司联合清华大学、北京理工大学、重庆大学、北京航空航天大学等高校和科研单位承担的“863”项目ISG混合动力长安轿车整车匹配项目，目前已经通过国家级验收。

长安公司生产的两款混合动力轿车是在SC7130（铃羊）型轿车平台上开发的，有手动档和自动档两种车型。

清华大学成立的北京清华新能源汽车工程中心，承担了国家“863”项目“燃料电池城市客车整车技术的研究开发”和北京市科委有关电动汽车的研究课题。

目前已经研制出12辆16座中巴环保燃料电池轻型客车样车投入运行，其中有3辆在清华大学校内以使用了多年[13]。

纯电动旅游客车由北京理工大学与北方华德尼奥普兰客车股份有限公司共同研制，该车安装了锂离子电池组、超级电容储能系统、先进的多能源管理控制系统和交流驱动系统，整车已通过型式认证试验。

纯电动低地板公交车是北京理工大学与北京市公共交通总公司联合研制的适应城市客运需要以及环保要求的新车型，该车采用了先进的空气悬挂系统，车身可自由升降、侧倾，充分考虑了残障乘客上下车的方便性。

1.2.3电动车发展过程中存在的问题

综合国内外电动汽车发展的现状可见，电动汽车虽然有低噪声、零排放、综合应用能源等突出优点，但其技术的综合性能指标尚未达到实用的要求。

发展电动车必须解决几项主要关键技术，电池、电机及其控制器、电动汽车整车与社会的基础设施（充电站）[5]。

电池技术的落后是限制电动车普及的最主要障碍：

蓄电池的比能量较低；电池的比功率不够：

蓄电池的质量在电动车自身质量中占了很大比例，增加了不少能量消耗；为了使电动车在舒适性、操作性上达到燃油车的水平，还需要增加一系列耗电的设备。

受这些因素制约，使其尚难达到产业化阶段，仍有许多关键技术需进一步深入研究、试验和开发。

无论从环保角度还是能源角度看，未来电动车都需要有一个大的发展。

开发将关系到众多工业的兴衰，能成为未来新的经济增长点。

在我国，电动车更有着独特的市场，大都市都普遍存在着十分严重的交通问题和汽车尾气排放污染问题。

作为一种小型、中速和短途的日常交通工具，电动车是十分理想的，在中国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。

可以预言，在全球性大力推进研究开发电动汽车技术的21世纪，电动汽车的产业化并进入商业营运市场的实用化时期必将到来。

1.3远程监控发展概况

远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。

1997年1月，首届基于Internet的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自30个公司和研究机构的50多位代表到会。

会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。

由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于Internet的下一代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的12家大公司的热情支持和通力配合。

之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统Testbed。

Testbed用嵌入式Web组网、用实时JAVA和Bayesian Net初步形成在Internet范围内的信息监控和诊断推理。

另外，许多国际组织，也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。

许多大公司也在他们的产品中加入了Internet的功能，如Bently公司的计算机在线设备运行监测系统Data Manager 2000可以通过网络动态数据交换的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的National Instruments公司也在它的产品LabWindows/CVI以及LabVIEW中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过WWW、FTP（文件传输协议）、Email方式在网络范围内进行监控数据的传送。

法国“ALARM”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。

国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。

目前，西安交大、华中科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统”、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统”、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统”等。

1.4本文研究的主要内容

针对目前能源情况与环境所造成的社会问题，本文结合GPRS无线通信技术，设计了基于LPC2131的电动车远程监控系统。

本文研究的主要内容：

（1）对电动车行驶车速的检测，以及对电动车的蓄电池电压、电流和温度的检测；

（2）采用LPC2131进行对检测数据的处理；

（3）对系统的按键、显示以及控制电路的设计；

（4）采用GPRS无线通信将电动车的运行车速，蓄电池电压、电流、温度数据进行远端传输；

（5）对系统进行软件设计和抗干扰的设计。

第二章远程数据传输方案选择

2.1方案分析与比较

车辆监控系统的建设要考虑多方面因素，包括监控的覆盖范围、实时性、调度业务、成本费用等。

无线数据传输设备作为基站与各移动目标进行信息交换的枢纽部分，是整个监控系统中的重要组成。

因此，选择合适的远程数据传输方案就显得尤为重要。

目前的车辆监控系统采用的远程数据传输方案主要有无线电台、集群通信系统、GSM通信系统服务和GPRS无线数据网通信系统。

方案一：

无线电台

车载无线电台，就是利用音频调制解调器将数字信号调制到音频带宽，由车载电台进行数据传送[4]。

但其有比较多的缺陷方面:

首先，因为移动通信业务发展迅速，频率资源的利用非常紧张，常规的无线电台可用频率资源非常少，一般的部门要申请专用频点非常困难，而且容易出现因管理不到位而引起有些地方申请到的频点亦因干扰太严重而不能很好地进行工作;其次，巡检速率较低，不适宜于车辆较多的系统。

因为我国的移动通信两个频点间的间隔只有25KHz，所以当调制不合适，或码速率过高时，都将造成误码率增大，对旁频的干扰超标;再次，由于车载电台本身天线的架设高度较低，而作用距离主要受到控制中心天线架设高度的限制，因而会导致通信覆盖范围较小，而且容易受到外界无线电信号的干扰，使得数据发送成功率受到影响。

方案二：

集群通信系统

集群通信系统是采用大区联网的方式工作的一种移动通信专用网。

集群系统的主要优点是共用频率资源，共享覆盖区，共同分担建网费用。

由于采用大区联网的方式，因而它可得到较宽的业务覆盖区。

集群系统的控制方式可分为分散式控制信道方式和集中式控制信道方式，但无论使用那种方式，都需有一定的入网接续时间，一般约0.5秒或更多。

集群系统比较适用于已经建有集群通信网，且冗余频率资源比较多，业务覆盖区域要求比较大的GPS定位管理系统。

但是，由于集群系统不是单为GPS定位管理而建的，就会出现一个业务分配的问题。

如果所有信道都随机分配给GPS业务和非GPS业务，在两者业务都繁忙时，就会发生互相影响。

如果拨出一部分信道给GPS信息传输专用，那集群系统本身和常规无线电台无多大差别。

而且，由于集群系统信令传输要占去相当长时间，每一个频道的利用率必然要低于常规无线电台传输。

在集群系统留给GPS定位信息传输可用的信道不多的情况下，这种传输方式并不适宜于较多车辆的GPS定位传输系统应用。

并且这种传输系统的成本亦要比常规无线电台传输方式高得多。

方案三：

GSM通信系统服务

GSM全名为：

GlobalSystemforMobileCommunications，中文为全球移动通讯系统，俗称"全球通"，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准。

它具有以下技术特点。

（1）频谱效率。

由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。

（2）容量。

由于每个信道传输带宽增加，使同频复用比要求降低至9dB，故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系