精品基于单片机的汽车智能速度限制器的研究毕业论文设计.docx

1、精品基于单片机的汽车智能速度限制器的研究毕业论文设计 编号: 毕业论文(设计)题 目 基于单片机的汽车智能速度限制器的研究 指导教师 王 鹏 学生姓名 许文梦 专 业 自动化 教学单位 德州学院机电工程系 （盖章） 二OO九年五月十二日德州学院毕业论文（设计）开题报告书 2008年12月20日院（系）机电工程系专业自动化姓 名许文梦学号论文（设计）题目基于单片机的汽车智能速度限制器的研究一、选题目的和意义选题的目的：汽车智能速度限制器的功用是在某些特殊路段或行驶条件下对车速进行强制限制，防止因车速过高造成事故，从而保障驾驶员的安全。使人和车在意外的情况下都能受到很好的保护。选题的意义；随着社会

2、的发展，汽车的拥有量越来越多，它给人们的工作和生活带来了非常大的便利，但在使用中也给人们带来了自身安全的很多问题。许多数据证明了速度与安全的必然关系。大量的交通事故统计表明，死亡事故中有50是由于超速行驶引起的。所谓超速行驶是指在一定道路上行驶的汽车，超过了该段道路所规定的行驶速度。超速行驶对行车安全主要危害有增加了事故发生的机会，加大事故的严重程度，影响车辆的安全性能。因此，对汽车行驶速度的限制是直接关系到人们身心健康的大事，有广泛的社会效益和长远的经济效益。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用广泛，发展迅速

3、。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较容易。 随着近几年社会的飞速发展，人们生活水平的不断提高，汽车变得越来越普遍。随之而来的汽车事故也随之增加。 通过对汽车智能速度限制器的研究，我们将有效的降低交通事故的发生率，减少因交通事故而造成的死亡率。同时，对于该系统的研究也为智能化交通奠定了基础。因此现在进行该课题的研究具有很强的现实意义。 三、课题设计方案 主要说明：研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。研究（设计）的基本内容：主要研究汽车在行驶过程中速度的限制。主要进行汽车行驶时速度的测量，汽车行驶的实际速度与行驶的极限速度的比较

4、，超速行驶时报警，以及在汽车长期超速状态下进行强制降速等几个模块的设计。研究（设计）的基本观点：由于汽车超速而造成的交通事故以及由此引发的死亡率较高，因此在汽车上安装测速器，在汽车超速时进行提醒及降速是可行的，并且会取得喜人的成果。研究（设计）的研究途径：（1）设计并实现汽车驶时速度的测量。 （2）设计并实现汽车行驶的实际速度与行驶的极限速度的比较。 （3）设计并实现汽车的报警功能。 （4）设计并实现汽车的自动控制。四、计划进度安排 主要说明：起止时间及分阶段的进度要求。起止时间：2008年12月至2009年5月10日进度安排：（1）2008.12.01至2008.12.31 收集、阅读、分析

5、资料和参考文献，理清思路，同时完成开题报告书。（2）2009.01.01至2009.01.20 设计论文的大体轮廓，草拟样稿。（3）2009.01.21至2009.03.01 进一步收集、分析资料，进行整体设计确立，完成论文的初步设计，同时完成设计中期检查表。（4）2009.03.02至2009.03.12 基本完成设计工作，交由老师审阅。 （5）2009.03.13至2009.04.05 根据导师提出的论文修改和完善意见，对论文做进一步的充实、修改和完善。（6）2009.04.06至2009.05.01 根据导师提出的定稿意见做最后的完善，检查论文的格式和文字等细节，按照论文的同意格式排版并

6、将最终的论文定稿打印、装订。（7）2009.05.02至2009.05.12 准备答辩。五、主要参考文献（只列出最重要的56种）1 张毅刚.单片机原理及应用M.高等教育出版社,2003.1001152 白鹏,张洪涛.国外汽车事故分析与碰撞伤害J.汽车与安全,1991.2742 3 何希才,薛永毅.传感器及其应用实例M.北京:机械工业版社,2004.4364 4 陈超,邬春学,苏玉容.汽车远程报警系统的设计与实现M.长江大学学报,2006.（3）5 厉玉鸣,马召坤,王晶.自动控制原理M.北京:化学工业出版社,2005.40556 王幸之.单片机应用系统抗干扰技术M.北京:北京航空航天大学版社,2

7、000.514指导教师意见及建议：签名： 年 月 日教学单位领导小组审批意见： 组长签名： 年 月 日德州学院毕业论文（设计）中期检查表院(系)：机电工程系 专业： 自动化 2009年02 月 20 日毕业论文（设计）题目：基于单片机的汽车智能速度限制器的研究学生姓名许 文 梦学 号指导教师王 鹏职 称助教计划完成时间：2009年5月01日完成情况：到现在为止，我通过收集、阅读、分析资料完成了开题报告、任务书等的撰写，参考文献已经搜集齐备，设计的整体方案已经确定。论文正文已经进入起始阶段，我相信只要努力，自己一定能按时完成毕业论文的撰写。指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）

8、签 名： 年 月 日备 注：目 录摘 要 11 引言 12汽车速度限制器研究的意义 12.1汽车速度之说法 22.2汽车速度之现象 22.3汽车限速器的效果 33 系统原理 33.1速度的测量与计算 43.2 速度的比较 53.3 超速报警 53.4 强制减速 64系统采用元件的介绍 64.1单片机 64.2霍尔传感器 94.3报警器 105系统的硬件连接图 116系统的程序实现 147系统的抗干扰措施 177.1干扰的分类 177.2常用的抗干扰技术 178结束语 18参考文献 19谢 辞 20基于单片机的汽车智能速度限制器的研究许文梦（德州学院机电工程系，山东德州 253023）摘 要：近

9、年来随着科技的飞速发展，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技术日新月益更新。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1。在日常生活中，如果在速度控制方面做不好，道路行驶还是无法保障安全。汽车智能速度限制器的使用，最大限度的控制了汽车在特殊情况下对速度的调整，对于减少交通事故有明显效果。本系统由80C51单片机系统、霍尔效应传感器、报警器等组成。关键词：单片机，汽车，速度，自动控制 1 引言随着近几年社会的飞速发展，人们生活水平的不断提高，汽车变得越来越普遍。由于汽车工业和高速公路建设的发展，道路交通事故在人类安全事故中所占比例越来越大，每年由

10、于各种交通事故造成的人员伤亡数目惊人。人们在享受速度所带来的高效率的同时，却要面对安全的巨大阴影。俗话说“十次事故九次快”，汽车工业虽然经历了一百多年的发展，但汽车速度的控制技术始终是最重要的问题。自动控制的应用在过去来讲，主要以定值控制为主，随着控制向集中化发展，定值控制与随动控制的区别越来越模糊，这有助于对系统运行的深入理解，具有一定的通用性和普遍意义2。通过对汽车智能速度限制器的研究，我们将有效的降低交通事故的发生率，减少因交通事故而造成的死亡率。本论文以轿车为对象,分析汽车在高速公路行驶过程中的速度的限制。2 汽车速度限制器研究的意义随着道路交通建设的加快，高速公路网络遍布。为了治理超

11、速，国家制定了严格的法律法规，但是超速现象还是屡禁不止。在目前阶段，降低汽车的最高时速几乎不太现实，而限速是交通法明确规定的。除了中国，超速和限速也是其他许多国家汽车行业和交通运输面临的重大问题，除了交管部门在道路上采取了各种各样的限速设施和方法外，汽车企业也在行车限速保障驾驶员安全方面做出了很多努力，其中最为突出的就是汽车限速器。专家提示，这种类似于报警提示的主观限速装置要比目前国内市场流行的超速探头电子狗更加安全。高速公路限速行驶是必须的，也是国际上通行的作法，我国之所以对小型汽车最高限速为160千米小时，是考虑了诸如道路性能，车辆机械性能、气候特点、驾驶员的生理特性等众多因素，是在既保证

12、驾驶员安全，又保证充分利用道路资源的基础上制定的，因而是科学的、合理的。所有高速公路的限速，都是根据国家颁布的“高速公路设计规范”严格执行的，“规范”中根据路段是否属山区、隧道以及转弯半径、坡度等，都限定了最高时速，当然最低时速与最高时速之间的空间还是比较大的，公路管理部门可根据实际情况再进行调整。此外，还要考虑该高速公路的已使用年限、道路地形条件、当地气候条件等诸多因素。限速多少是在设计高速公路时就定下的，这是设计师在设计高速公路时，参考公路地段和宽窄等因素设定的。而最后路面的限速标志是多少，则要由交通部门或者高速路的业主单位与交警部门协商后确定。 所谓车载限速器，分为两种，一种是在车辆超速

13、时发出语音警报，提醒驾驶者超速行驶应立即减速，比如有的中文语音限速器就十分人性化，在车辆行驶超过160千米小时的时速后，车辆会自动报警。另一种限速器是在车辆超过限定速度后，通过车载电脑发出指令，强制降低车辆行驶速度3。而这第二种限速器目前在国产车型中还未有安装。2.1汽车速度之说法所谓超速行驶是指在一定道路上行驶的汽车，超过了该段道路所规定的行驶速度4。大量的交通事故统计表明，死亡事故中有50是由于超速行驶引起的。并且超速行驶违章随着道路交通条件的改善而不断增多。超速行驶对行车安全为什么有这么大影响呢？归纳有以下几个方面：（1） 增加了纵向碰撞的可能性。超速行驶的车辆往往是紧跟其他车辆行驶，在

14、当前车采取紧急制动时，后车很容易因距离过近而引发追尾事故。（2） 增加了翻车的可能性。车速过快，当车转向时，离心力增加，打轮稍急，必定翻车。（3） 影响驾驶员的判断能力。速度越快，反应时间越短，常听到驾驶员说：“我还没反应呢，事故就发生了。”（4） 增大事故后果的严重性，高速公路上发生事故，后果比普通公路严重得多，这是车速过快造成的，速度越快，冲击力越大，这是人所共知的。2.2汽车速度之现象在目前社会，超速行驶是一个普遍的现象。一项网上调查表明，70的被调查者有过超速行驶行为，并且在高速公路上的超速行为占到一半以上。超速行驶属于重大违章，许多数据证明了速度与安全的必然关系，但是这么多人为什么置

15、生死于不顾而逞一时之快呢？首先，对于汽车驾驶员来讲，对超速行驶带来的危害认识不够据了解；此外，汽车的限速值与汽车本身的最高时速差距较大5。例如：在北京，限速最高的机场高速路为120公里小时，而我们的轿车从一出厂时最高时速都能达到200至240公里小时，远远超过法定的最高限速，更远远超过实际行驶的速度。 2.3汽车限速器的效果根据来自英国伦敦交通部门的研究显示，私人汽车安装这种装置后，发生撞车事故的几率将会下降19。而中国每年有数十万起交通事故发生。如果汽车限速器能够在国产车中普及，势必会降低国内交通事故发生率，从而挽回不必要的财产和生命损失。如果国内汽车政策能够给汽车限速器提供某些利好政策，汽

16、车企业也会大力投入限速器的研发和安装，毕竟，同适应消费税等政策相比，汽车企业更愿意在实在的研发领域提升产品性能。而且，同近期在国内市场上热销的电子狗产品相比，汽车限速器更具有主动规避事故的优势6。电子狗只是在接近超速测试探头时才提醒车主减速，这种类似“反侦察”的车载电子设备，大大增加了发生事故的隐患，如果汽车企业能够大力普及车载限速器，也就不会给电子狗这种危险产品留下生存空间，从而保护了消费者。3系统原理本论文是基于单片机系统的设计，在系统中，首先要对汽车的行驶速度进行测量与计算，其次对汽车行驶的实际速度与行驶的极限速度进行比较，再次若汽车超速行驶则报警，最后在汽车长期超速状态下进行强制降速等

17、几个模块的设计。根据系统的特点，我们采用80C51单片机，霍尔效应传感器，音乐报警器等元件。以轿车为对象,分析汽车在高速公路行驶过程中的速度的限制。设轿车的车轮直径为40厘米，高速公路上轿车的最高行驶速度为160千米/小时。系统工作流程如下：单片机不断接收霍尔传感器的数据，计算与比较当前车速。如果超速则使用音乐报警，若超速5s后仍未降速至最高行驶速度以下则发出控制信号切断供油。汽车切断供油后车速会降低，当低于限速值时恢复供油。这样，汽车最多超速5s就会减速到正常速度。工作流程图如图1所示。图1 工作流程图3.1速度的测量与计算目前科研生产中采用的速度测量方法可分为：直接测量法和间接测量法两大类

18、7。直接测量法是通过某种测量原理或效应直接获得速度量，如多普勒测速仪、空间滤波测速等。这种方法的最大优点是反应快、可测量瞬时速度，但设备成本高，且受到大气物理环境的限制。间接测量法是测量目标的移动距离和时间，通过计算得到速度量，如光电测速、光栅测速、磁栅测速和图像测速等，用于测量小型弹丸的天幕法和光幕法测速系统、用于车辆测速的激光测速仪，以及用于生产流水线上的光电脉冲测速方法。根据本系统的特点，我们采用霍尔效应传感器来测量汽车的行驶速度。霍尔效应传感器在汽车应用中是十分特殊的，这主要是由于变速器周围空间位置冲突，霍尔效应传感器是固体传感器，它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃

19、油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。霍尔效应传感器，是由一个几乎完全闭合的包含永久磁铁和磁极部分的磁路组成8。一个软磁铁叶片转子穿过磁铁和磁极间的气隙，在叶片转子上的窗口允许磁场不受影响的穿过并到达霍尔效应传感器，而没有窗口的部分则中断磁场，因此，叶片转子窗口的作用是开关磁场，使霍尔效应象开关一样地打开或关闭，这就是一些汽车厂商将霍尔效应传感器和其它类似电子设备称为霍尔开关的原因，该组件实际上是一个开关设备，而它的关键功能部件是霍尔效应传感器。将一排磁性圆盘固定装在车轮主轴上。圆盘边缘等距离用对氧树脂粘贴块状磁钢，磁钢采用永久磁铁分割成的磁力较强的小磁块。

20、通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。主轴转动，磁块靠近霍尔元件处于磁块之间时，输出高电平。从而使得在车轮转动过程中，霍尔元件集成电路输出连续脉冲信号。 单片机外部中断0端口接于霍尔传感器的输出端。主轴转动时开启外部中断口和计数器。主轴每转一圈将产生一次中断请求信号申请中断。单片机对在1秒内计数的值进行处理，转换成每小时的车速。具体计算如下： 设单片机每秒计数到N个值即N(r/s)。小汽车车轮直径40厘米，则每小时车速值为：0.0004N3600（千米）。使用霍尔传感器测量汽车行驶过程中的速度已在测量系统中得到了应用，具有良好的使用效果，具有实现成本低、可靠性好、精度良好的优点。3.2速度

21、的比较 使用霍尔传感器测量汽车的转速，进行汽车速度的比较9。由公式： 0.0004Nmax3600=160千米/小时,计算得轿车在高速公路上行驶时1秒时间内的最高转速Nmax=35(r/s)。假设汽车在行驶过程中的1秒时间内的转速为N，高速公路的最高转速为35(r/s)。将汽车的实际行驶转速N与最高转速进行比较。若N35，则表明汽车的行驶速度正常，不属超速行驶。若N或35，表明汽车在超速行驶，应立即降低速度。3.3超速报警当检测到汽车超速行驶时，要及时的进行音乐报警，以免造成交通事故。 在汽车速度大于最高行驶速度时，单片机P1.7脚输出高电平触发语音电路发出报警提示，警告司机汽车的速度已经过快

22、，提醒他降低速度。 音乐报警器对自动驾驶显得极为重要。它可以发出各种悦耳的音乐，进一步提醒超速行驶的司机，避免交通事故的发生，大力减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全起到重要作用10。3.4强制减速单片机的P1.7脚和P1.6脚分别控制音乐报警电路和油路控制电路。若音乐报警仍不能引起司机的注意，在汽车超速行驶5秒后，则要进行强制减速，以保证司机的人身安全。由于超速行驶的危害性极大，且交通事故的发生极快，另外，考虑驾驶员的反应速度以及减速时间，因此，设定5秒超速后强制减速。在执行超速处理操作过程中，当车速大于限速值时，P1.7脚输出高电平触发语音电路发出报警提示。程序设计了5s超速延时，

23、当音乐报警提示5s后仍然超速，则单片机P1.6脚输出低电平到油路控制继电器11。油路控制继电器控制汽车喷油嘴供电电路开关：单片机的P1.6脚输出高电平控制油路控制继电器接通，汽车喷油嘴供电电路可以保持正常供电；P1.6脚输出低电平控制油路控制继电器断开，切断汽车喷油嘴供电电路工作，从而达到限速的目的。4系统采用元件的介绍4.1单片机4.1.1单片机的特点与应用（1） 小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装各种智能式测控设备及各种智能仪表。（2） 可靠性高、适应的温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。（3） 易扩展、控制功能强。

24、很容易构成各种规模的应用系统。指令系统中有丰富的逻辑控制功能指令。（4） 可以方便地组成多机和分布式计算机控制系统，实现多机和分布式控制。（5） 低功耗、低电压，便于生产便携式产品。4.1.2 80C51单片机的组成及结构图2为80C51单片机的基本组成功能方块图。由图可见，在一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括中央处理器（CPU）、256个内部数据存储器（内部RAM）、4KB内部程序存储器（内部ROM）、2个16位的定时器/计数器、4个8位的并行I/O口、1个全双工的可编程串行口、中断系统、时钟电路。外时钟源 外部事件计数 内中断外中断 控制 串行通信 并行口图2 80C

25、51单片机功能方块图4.1.3 80C51单片机的引脚定义及功能80C51单片机采用40脚双列直插封装（DIP）形式，如图3所示。80C51单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。下面说明这些引脚的名称和功能:（1） 主电源引脚Vss和VccVss：接地。Vcc：主电源+5V。（2） 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地;对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2：接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大电路的输出端，振荡电

26、路的频率是晶体振荡频率。若需要采用外部时钟电路，对于HMOS 单片机，该引脚输入外部时钟脉冲，对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。图3 80C51单片机引脚图（3） 控制信号引脚RST、ALE/、/VPPRST：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位。ALE/：访问片外存储器时，ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信号。平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或其他需要使用；在访问片外数据存储器时会丢失一个脉冲。ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL。：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储

27、器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外存储器时，这两次有效的信号不出现。端同样可驱动8个LSTTL负载。根据、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。/VPP：当端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。当输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。（4） 输入/输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚）P0P3是4个寄存器，也称为4个端口，是80C51单片机与外界联系的4个8位双向并行I/O口。由于在数据的传输过程中，CPU需要对

28、接口电路中输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器像对存储单元一样进行编址。P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据。在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节。P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在访问片外存储器时，它输出高8位地址。在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在整个系统中，这8 个引脚还具有专门的第二功能，如表1所示表1

29、P3口各位的第二功能 P3口的各位第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行口输入）TXD（串行口输出）INT0（外部中断0输入）INT1（外部中断1输入）T0（定时器/计数器0的外部输入）T1（定时器/计数器1的外部输入）WR（片外数据存储器写选通控制输出）RD（片外数据存储器写选通控制输出）4.2霍尔传感器 霍尔传感器的外形图和磁场的作用关系如图4所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。 图4 霍尔传感器的外形图和磁场的作用关系霍尔传感器检测转速示意图如图5所示。在汽车的轮胎上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近12。圆盘每转

30、动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出汽车的转速。图5 霍尔传感器检测转速示开关型霍尔传感器A3144E工作原理：开关型的霍尔传感器A3144E是三个引脚，一个VCC电源正，一个GND电源地，还有一个信号输出的引脚V0。霍尔传感器的原理就是如果经过磁场，其电流大小发生改变，使得V0输出一个电压信号。 如果要测量一个轴或轮子的转速，则把一个小磁铁固定在被测的转动的物体上，然后霍尔传感器靠近它，当小磁铁转动到霍尔传感器附近时，传感器产生一个信号。可以加个运算放大器把信号放大然后再接一个反相器后，接到单片机的外部中断引脚。开关型的霍尔传感器本身已经存在滤波电路，输出

31、无须再加装滤波，可直接供单片机的比较器直接参与比较，信号非常稳定，而且抗干扰能力也很强。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性传感器的精度高、线性度好；霍尔开关传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级）。其中取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围可以很宽，可达55150。4.3报警器音乐报警电路可以使报警声优美悦耳。发声电路可购买市售的乐曲发生器，发出的乐曲声可用来作为汽车超速时的提示信号或报警信号。可根据自己对乐曲的喜好来购买相应的集成电路。音乐报警接口由两部分组成：（1） 乐曲发生器，即集成电子音乐芯片；（2） 放大电路，也可采用集成放大电路。音乐报警接口电路如图6所示，图中采用华尔兹乐曲的电子音乐芯片7920A。当8051从P1.7输出高电平时，电子音