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1、毕业论文（设计）题 目 公交车平顺性检测装置研究 院 系 专 业 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 二一三 年 五 月 六 日目 录1 绪论11.1研究背景11.2研究目的及意义21.3研究现状31.3.1国外研究现状31.3.2国内研究现状42.公交车平顺性的影响因素与评价体系42.1客观影响因素52.1.1加速度变化的影响52.1.2车辆振动的影响52.2评价方法62.2.1加速度变化率的评价方法72.2.2公交车振动的评价方法83.平顺性检测装置硬件电路研究设计113.1单片机核心模块113.1.1STC89C52芯片简介113.1.2主要功能特性133.1.3STC89C52芯片封装
2、133.1.4 STC89C52引脚功能143.1.5控制信号介绍153.2加速度模块154.系统软件设计174.1开发环境介绍174.2 加速度模块185.论文总结与研究展望195.1总结205.2研究展望21参考文献21致 谢22公交车平顺性检测装置研究 摘要：随着社会经济的发展，交通问题越来越得到大众的重视，公交车作为生活中的一种主要载体，其服务质量也越来越得到民众的关注。公交车的平顺性好坏则是服务质量中的重要指标，本文以平顺性检测为研究主题，进行探讨研究。通过归纳总结，确定了加速度变化率以及车身振动两种影响因素，并对这两种影响因素的评价方法进行了汇总与研究。本文基于51单片机建立加速度
3、模块、显示模块等，经过不断的硬件电路设计与软件编程，最终实现了对公交车平顺性的检测。该装置可以有效检测监控现如今公交车的行驶状况，有效改善平顺性，进而提高公交车服务质量，缓解交通拥堵与安全问题。关键词：公交车；平顺性；单片机；ADXL3451 绪论1.1 研究背景 我国城市化水平逐年提高，这极大程度上提高了人们的生活水平，同时也促进了经济发展以及社会进步，但伴随着交通需求量的快速增长，大量的交通拥堵现象在城市中频繁出现，交通供需矛盾显得更加尖锐。交通问题已不仅仅是交通领域内部的问题，也是一个社会问题，一个全球性的问题。交通通畅，则城市充满活力；交通拥堵，则城市聚集效应以及规模效应难以实现。交通
4、拥堵不但造成了城市里日常的生活秩序显得紊乱，于是致使社会经济、政治、文化、社会与生态文明等功能的衰退，而且会引发城市环境质量的退化，“行路难，乘车难”也成为了人民群众反映的一大社会热点问题。据相关研究表明，我国大多数的城市已经表现出不同程度上交通拥堵的现象，居民外出不方便，交通运输的成本也随之水涨船高。城市交通拥堵问题，对我国城市产生了越来越大的压力，成为制约城市化水平提高，城市全面发展的一大难题。为了解决城市交通拥堵的问题，城市开通了地铁、高铁等交通工具来缓解部分城市交通压力，取得了不错的效果，但并不能从根本上解决交通拥堵的问题。汽车时代的到来，城市化水平的提高，经济的不断发展，私家车得到大
5、大普及，城市道路负荷不了急剧增加的车辆，尽管说有许多控制私家车上路的措施，例如单、双号出行、平常日休息日出行、限时限地出行等，但这些举措只能在一定程度上缓解交通压力。经过相关部门调查，公交车作为城市的主要出行力，能够很大程度上减轻出行压力，并且在同等服务水平下，公交车可以极大程度上节省公路交通资源，同时它平均占用公路的面积最小，在目前的交通方式中，公交车、自行车与人占据的道路资源比为1:4:121。因此在路况较差的地段，我们应该优先选择公交车出行，这样将节省交通压力，提高出行效率。如今在中国的城市公交系统之中，公交车以及地铁总共承担了80%以上的客运流量2。由此可见公交车辆在城市公共交通系统中
6、的地位不容忽视，提高公交车舒适性指标势必使“行路难，乘车难”的社会难题得到有效缓解，其中，对公交车平顺性进行有效检测控制又是举足轻重的环节。这些年以来，社会人群对于公交车行驶平顺性的关注度越来越高。在城市化程度不断加深，交通依赖性迅速增长，交通方面的供需矛盾逐渐凸显的今天，如何保证公交车受到更多人的欢迎，人们出行时可以乘坐到更舒适、更具平顺性的公交车，是保证城市公交发展需要面临的重要问题。1.2研究目的及意义已改公交车平顺性指的是公交车在平时行驶中针对来自公交车自身工作状态及由于路面不平坦等状况而引发振动的响应能力3，公交车平顺性是公交车自身性能评价系统的重点之一。在交通日益发展的今天，人民外
7、出越来越依赖公交车，与此同时乘客对公交车乘坐的舒适性程度要求逐步提高，而公交车平顺性指标的好坏程度会直接作用到公交车的舒适程度评价。其中，影响公交车平顺性的因素总体来说可以划为两大类：公交车自身因素与行车的路况因素。公交车的平顺性因素不仅仅会影响乘客的舒适性程度，还会影响到乘客自身的身体健康状态心情等方面。不论是驾驶人员还是乘客都要求在驾乘过程中保持高度舒适性，确保驾乘结束后不会影响到之后需要完成的工作或活动。乘客普遍有这样的经历，乘车的不适导致身体诸多不适，据研究机构的有关调查报告显示，有这种经历的乘客占总数的50%，身体会有头晕、呕吐、难受等晕车状况。这样的经历不仅仅影响到驾乘人员的驾乘感
8、受与之后的工作和活动安排，长期积累下来也会导致驾乘人员身体健康得到损伤。因为人们如果长时间待在振动激烈的环境之中，会很容易出现头晕、心慌、疲劳这些不良状况，严重的甚至会引发出各种心脏疾病4。公交车是一个综合的集成系统，其所有组成部分与各性能之间也是相互作用，相互联系的，在公交车的行进过程中，如果车辆本身平顺性效果处理不当，势必会造成持续的振动，这对公交车的各零部件会产生持续冲击，长时间的持续冲击会缩短各零部件的使用寿命，进而车辆本身需要经常维护，增加了维护成本。不但如此，激烈的振动同样会使公交车出现弹跳而产生短时间的离地状况，这对公交车行驶中的稳定性与操纵性而言是很大的安全隐患，严重影响到了公
9、交车的动力传输以及制动效果。此时，为了保障行车安全，驾驶人员必定会降低车速，车速的降低会导致其运行效率降低，并且低速行驶的车辆其燃油燃烧不够充分，燃油效率的下降后，排放性能也会变差。这一系列的举动无形中增加了公交车的燃油使用成本与对外界环境的污染。倘若车速不降低，长期振动除了会致使公交车自身各个零部件有损伤出现，还会使得驾驶人员产生头晕眼花、注意力不集中、疲劳等状况，这些很容易导致交通事故的发生5。公交车行驶中的平顺性，在保证驾驶员的操作安全性，乘客的乘坐舒适性和车辆本身稳定性方面有着显而易见，非常重要的作用。因此，构建合理的公交车平顺性检测装置是非常具有意义的。1.3研究现状已改本论文此次的
10、研究内容是公交车平顺性检测装置，此研究方向需参考汽车平顺性范畴，因此得知车辆平顺性的检测方法以及评价体系中的内容具有深刻的意义。由汽车平顺性引申出的公交车平顺性检测，对提高驾乘人员乘坐舒适性，保证交通拥堵现状得以缓解有着重要的作用。国内外学者在此领域已进行了大量的研究，现在对研究现状总结成文如下。1.3.1国外研究现状已改从1931年开始Reiher与Meister针对十名志愿者利用振动台进行振动测试试验后，国际上就已经产生有关于汽车行驶平顺性的科学研究成果，随后学者们对于汽车行驶平顺性的科研成果得到了不断地完善与发展，大致在60年代后期，国际上对于汽车平顺性的科学研究已有了较长足的进步与发展
11、。在诸多研究中，较具影响力的是Janeway准则以及Dikman的K系数法。于1948年，学者Janeway通过进行大量的实验研究，总结出振动会引起头晕、疲劳、注意力无法集中等不适状况的成果，并以此为根据公布了人体所承受振动的舒适性评价准则，即Janeway评价准则，同时将影响人体所感舒适性的主要原因大致分为三个部分：其中振动的频率在低频段时主要影响因素为加加速度；在中频段时主要影响因素为加速度；在高频段时主要影响因素为速度。Janeway在做了大量数据的实验分析工作之后，得出了人体舒适性的评价指标J值的计算公式以及Janeway准则曲线，同时指出当J值处于Janeway准则曲线的上方，车辆振
12、动对人体感官的影响是最大的6。1957年，德国科学家Dikman在前人的基础上提出创新，通过新的数学方法建立了新的数学模型，在这样的科研结束后提出了K系数法，用来评价车辆行驶过程中的平顺性。之后的学者在如何建立人体振动模型以及人体传递特性方面上进行了大量的科学研究。1961年，D.E.Godman与H.E.Von.Gierker在前人汽车行驶平顺性的研究成果上进行实验与总结，通过大量的分析以及完善后，他们提出，当人体在承受0-100Hz低频低振级振动的时候，可以将此时的人体看作简化的具有刚度阻尼质量的集成系统，并且如果该系统模型的振动频率范围在3-6Hz时，会引发胸腹的共振；如果范围在20-3
13、0Hz时，则会引发“头-颈-肩”此系统的共振；如果在60-90Hz时会导致眼球的共振，引起人体的不适。D.E.Godman与H.E.Von.Gierker的研究成果更加印证了振动因素对人体健康的影响。于1968年，通过大量针对性实验的验证，Lee R.A.联合Pradko F.等人得出如下结论：当振动频率处于0-60 Hz范围中，并且输入力大小为0-320N时，身体的变形范围则是0-10.16mm，此时可以把人体简化成一个近似的线性系统。基于此观点，Lee R.A.等人提出了车辆行驶平顺性评价方法功率吸收法，之后又颁布了吸收功率的幅值频率修正法78。提出的吸收功率法将人体视作一个弹性体，在上文
14、提及的情况下可以被看作近似一个线性系统。在人体承受振动时，振动产生的能量为人体吸收，传递至全身。其中人体所吸收振动能量的时间变化率则为吸收功率，用此方法去评价人体承受振动的情况被称之为吸收功率法，这种评价方法主要被美国同北约军方使用。1972年，德国学者Mitschke在前人的研究结果下做出总结及创新，提出新的车辆行驶平顺性的评价方法，他运用座椅垂直方向加速度的均方根以及整车纵向加速度均方根值去评价汽车的行驶平顺性910。尽管说这种评价方法可以更直观地反映出汽车本身平顺性的物理特征，却没有考虑到驾乘人员的直观感受，由于这种影响受到人群主观因素的制约，比方说身体素质不同的人对振动的敏感程度和可承
15、受的振动程度也有不同。这种没有综合考虑到振动因素对人群生理、心理方面影响的评价方法，具有着一定的片面性。1.3.2国内研究现状已改关于汽车平顺性的科学研究在我国展开得较晚，大致在上个世纪70年代左右，由于国外汽车平顺性研究的技术被我国不断学习吸收，以及精密仪器设备被进口引进，由此一直以来我国在汽车平顺性的研究工作才能不断突破与积累，国内才能在基于汽车行驶平顺性的研究工作中有了较大的突破进展。1997年时，我国长安大学的张玉芳研究人员等对汽车平顺性的影响因素做了大量的实验研究，经过不断摸索，他们使用模糊数学理论去评测各方面不同的因素对于汽车平顺性的作用影响，实验结果表明：在各种影响因素之中，振动
16、是影响汽车平顺性的主要因素，再其次就是垂直颠簸，这是由路面不平、路况不佳引起的，接下来则是噪声，前后摆动以及左右摇晃等等。由此可以得出，如果需改善汽车的行驶平顺性，需要减少车辆自身的振动性以及改善道路状况、不平整度，只有如此方可提高乘客所感到的平顺性。1980年左右，清华大学等高校首先利用ISO 2631国际标准作为基础，并进行了大量的研究工作，这些推动了我国汽车平顺性的研究发展。1982年，提出了汽车的相对阻尼系数以及悬架系统的固有频率的测试方法，并在之后在1985年发表了车辆平顺性的随机输入以及单脉冲输入实验方法11。经过了不断的研究工作，研究人员在过去研究成果的基础上，于近年再次提出了与
17、客车行驶平顺性有关的评价指标以及其极限值的研究成果。直到现在为止，我国学术界已经基本形成了成熟的车辆行驶平顺性的评价体系12-15。2.公交车平顺性的影响因素与评价体系已改公交车舒适性是驾乘人员主观上对乘车环境感觉的数字化衡量，也可以看作是公交车服务质量体系中驾乘人员感受的单方面描述，其中，平顺性指标在服务质量体系中的作用不容忽视，因为其往往直接影响了人体感受。公交车平顺性在乘客身上的主要表现反映的是人体于乘车过程中的一系列生理反映，例如说感觉不适，又或者身体出现了不良症状，头晕、呕吐、晕车等。经过查阅资料得知，晕车是运动病中的一种，是由乘车环境引发的恶心、头晕、出冷汗、呕吐以及面色苍白等不良
18、症状。人体的体质各有不同，所能承受的车内环境影响也各有差异，晕车状况与人体自身的致晕阀值相关，也与车内环境因素以及公交车行驶情况有着很大关联。由于晕车对人体舒适性有着严重影响，晕车人群易因主观因素无法对公交车平顺性因素做出客观判断，为保证论文对平顺性影响因素与评价体系的真实客观性，因此本文研究主要基于不晕车人群的公交车平顺性的客观评价，采用的也都是不晕车人群对平顺性判断的客观数值。本文将针对公交车行驶平顺性的影响因素与评价体系一一作出阐述。2.1平顺性影响因素已改公交车辆行驶平顺性的影响因素，经查阅与研究可分为车辆自身加速度变化因素，以及自身或路况带来的振动因素。现本文将两方面的影响介绍如下。
19、2.1.1加速度变化的影响公交车自身的加速度变化是一种可控的影响，因为其是由驾驶员的操作情况而产生的。公交车的加速度变化与列车的冲动情况相比较为相似。列车在行驶过程中存在着因为制动或者上下坡运行中出现突然性的加减速结果造成列车纵向冲击，影响了乘客舒适性以及平顺性，公交车同样如此。公交车的冲动指的是车辆在进出站时启动停止或者突然速度变化导致加速度的变化率较大的过程。公交车大的冲动主要表现在启动、停车以及紧急制动时。通常情况下，公交车在加减速时，乘客要承受不够舒适的冲击，在紧急制动时公交车加速度较大，致使加速度变化率也较大，这容易导致乘客重心不稳，有前倾或后倒的情况发生，容易发生安全事故。站立的乘
20、客，由于惯性的作用力，重心会有偏移，乘客只能依靠加大抓扶力度来平衡身体重心，这会对乘客产生心理上的压力与不适感。公交车冲动通常由驾驶员操作不正确或者紧急制动造成的，有部分驾驶人员因为缺乏足够的驾驶经验，所产生的加速度变化较大，具有一定的危害性。公交车辆的冲动不等同于公交车垂直振动产生的加速度,通过简单运用加权平均的方法来评价舒适性程度显然是不可取的。由于数值较大，单次作用在乘客身上产生的影响是乘客平顺性感觉最直接的表现，因此，应该依据加速度变化的超限次数来做评价。根据以上的表述可知，如果能准确获知公交车在加减速过程中的纵向加速度数据，并且采用一定的量化标准对驾驶人员的驾驶水平高低进行比对，同时
21、建立出公交车冲动对乘客乘坐的平顺度数学模型以及平顺性的评价标准，这对于公交车平顺性检测装置的研究与建立有着非常重要的意义。2.1.2车辆振动的影响已改对运动物体来说，振动是一种常见的特性。公交车的振动主要来源于车辆自身以及车辆和路面共同作用的结果，因此公交车的振动不可避免与消除，只能降低或者削弱。公交车的振动时双方面因素，一方面是车辆发动机引起的，另一方面则是由路况不平导致的，又或者有两者的耦合作用因素。其中，发动机引起的振动隶属于较高频率振动范畴，这种振动时自发性的，一般情况下对乘客所感受到的平顺性没有太大影响。但是，路况不佳、路面不平整引起的车体耦合振动属于低频振动范畴，振动幅度往往比较大
22、，对于平顺性与舒适性有着很大的影响，这种振动甚至导致许多乘客患上运动病。公交车座椅靠背的水平振动同样会影响到平顺感，0.5Hz频率以下的运动会导致各种不良影响，其中就有因为振动而引起的运动病。如果乘客长时间处于这样的振动环境下，乘客的后续工作或活动很多都无法正常完成。其实，在对不同振动量对人体承受的划分，是以实出发，以乘客期盼完成的活动作为参考标准。其中规定，乘客对于不同振动量值的反应程度取决于乘客对旅行持续时间的期望和乘客所期望完成的活动， 例如阅读、书写、进食等)。不同频率的振动，致使人体的感受也有差异，如果振动频率与人体各部位的振动频率接近，就容易引起公交车与身体之间的共振，长时间的共振
23、后，人体也容易有损伤。其中，人体各部位的共振频率也有区别，下面表2.1则是人体各部位的共振频率范围。表2.1 人体各部位工作频率范围人体对于上下振动敏感的范围是4-8Hz，对于前后振动的敏感频率是1-2Hz，人体感觉严重振动响应频率为30Hz以下16。公交车辆的振动对人体的主要影响是由上述频率的振动产生的。2.2评价方法已改从上个世纪30年代开始，人们便开始探索有关于人体全身受振的相关研究并总结其评价标准。在工业革命以及汽车普及之后，因为汽车平顺性对驾乘人员而言影响甚大，它不但与人们乘坐汽车是否感觉舒适，乘坐长久后是否感觉疲劳有关，也与汽车在长途行进中的安全问题相关。只是因为汽车的平顺性主要由
24、人体处于全身振动中的感受所决定的，所以怎样既全面又准确地评价汽车平顺性是一个较困难的问题。从汽车再衍伸到公交车，平顺性的评价体系更应该小心归纳，应当满足以下的要求：1.评价方法各项指标应该有科学依据，即在理论上或者实验上，指标与受振量二者之间的关系都应当被证明；2.各项指标的精确度应当与实验要求满足，即可以表示受振量同指标数量之间有着高度的相关度。此外，在相同的实验条件下，重复实验的结果应当基本保持一致，误差控制在一定范围内；3.指标的灵敏程度要满足要求，也就是随着振动量的变化，指标数量应该尽量参照比例进行相应地增加或减少；4.指标系统应包含表征规定类型公交车处于不同环境下的行驶条件的行进平顺
25、性评价。2.2.1加速度变化率的评价方法已改加速度对于公交车舒适性的影响是通过加速度的变化率来体现的，并且不同车辆平顺性被变化率影响是有一定差异的，甚至在不同的国家，不同的行业，采用值也各有不同。介于公交车的加速度变化与列车的冲动情况相比较为相似，可以借鉴列车纵向冲动的评定方法。根据1995年旅客列车纵向冲动评定方法中的相关规定，以列车冲动时加速度的变化率为标准考核评定列车司机的平稳操纵性能17。此加速度的变化率可以通过J来测量，J=da/dt（ms3，式中a表示加速度）17。而后铁道部在过去的基础上得到创新，提出新一代的评分体系，新一代的评分标准体系具体如下表2.2所示。表2.2 列车冲动的
26、评价标准尽管说列车冲动与公交车加速度有一定相似，但上述的评分标准体系与数值划分，用于公交车加速度变化对平顺性感觉评价并不足够合适。相比较而言，公交车运行没有列车平顺，振动也更大，没有人体处于列车中安全，因此人体需要承受的加速度变化也会更大一点。所以，公交车产生的纵向冲动并没有上文表格数值大，而且公交车驾乘人员也无法承受住这么大的加速度变化。日本对于线性电动车的实验则表明通常情况下的制动减速度处于1.1m/s2之下，如果冲动达到1.0 m/s2地步，则大多数乘客都能够接受。一般情况下认为减速度为1.0 m/s2时，变化率为2.0m/s3；减速度为1.2 m/s2，变化率为1.0m/s3。当法向加
27、速度an1.8 m/s2时，车内的普通乘客会感受不明显；当an达到3.6 m/s2时，车内乘客能感受加速度，但在人体承受范围内；当an5.0 m/s2时，乘客则难以忍受了。不但如此，若加速度值变化比较快，会形成冲击力，由此得出，人体对加速度有一定的承受能力，根据相关数据，对于车内人体可以承受的最大横向加速度大概处在0.4-1.0 m/s3范围内，而在铁路设计中，通常则采用法向加速度an0.305 m/s3。铁路上采用的是离心加速度as0.3 m/s3，公路则是参考这一规定采用as0.6 m/s3，高速公路会根据规定采用as=0.35 m/s3，最大时为as=0. 5 m/s3。关于一般情况下道
28、路的取值原则为：高速路要小一些，低速路大一些；平原区应该小一些，山岭区应该大一些；路段上应该小一些，交叉口处应该大一些18。 根据上文的研究，并综合考虑到公交车的实际运行状况，论文中平顺性评价选取的加速度变化指标的限值为as0.6 m/s3。当公交车的加速度变化率超出了此值时，则对每次公交车纵向冲动作扣分的评价处理。2.2.2 公交车振动的评价方法关于车辆的振动评价，研究人员展开过的研究很多，得到的评价方法例如有加权加速度均方根法、K系数法、吸收功率法与总乘坐值法等等。以下对振动的评价方法进行比较与分析，以便最后得出适用于公交车的振动评价方法。（1）Janeway指标Janeway指标主要根据
29、车辆垂直方向的振动为基础而提出的，主要在日本等国家使用，相较而言更适用于坐着乘客，对于站着的乘客，这种加速度的敏感性相较更差一些。Janeway指标可以用公式表示： 低频范围的表现为：加速度变化慢，可视作常数1.24g；中频范围的表现为加速度不变，其极限是0.033g；高频范围的表现是：速度不变，为2.66mm/ms19。（2）加权加速度均方根国际标准化组织（ISO）目前公布了国际评价标准ISO/DIS2631-1，这个标准规定，振动量值的大小情况，用加权加速度的均方根来表示。其中，加权加速度均方根的定义表达式表示为： 式1在本表达式中，a（t）代表某时刻t加速度值，单位m/s2；T代表振动测
30、量的时间长度，单位是秒；aw为时间函数，单位分别是m/s2或者rad/s2。同时瞬时加速度的表达式为：其中表示瞬时计权加速度值。则是瞬时加速度的产生时间。加速度均方根值法把三个方向上振动的总加权加速度的均方根值用公式表示为：在本式中，awx、awy、awz分别与正交坐标轴x、y、z三轴上的计权均方根的加速度相对应；kx、ky、kz则代表着方向因数。至于坐姿以及站立人体的座椅支撑平面上的x，y和z轴，k的值为1。由于人体在不同方向上时振动的主观感受有所差异，当坐姿情况时，能承受一定的上下振动，但无法很好地承受住向前的水平振动感。加权加速度的均方根的评价方法建立在假设人是一个处于带宽随机振动环境内
31、的整体，但是采用此评价方法有一定的不合理，如果加速度在某条窄频带上的加速度均方根要大大超过允许值，但是在其他频带上的加速度均方根值却较小，在加权时这些均方根值相互弥补，最终得出的结果并不大。加权加速度均方根评价方法忽略了个别差异，更着重于总量的评价，因此并不是有效的振动评价与分析方法。（3）K系数法201957年，德国科学家Dikman在前人的基础上提出创新，通过新的数学方法建立了新的数学模型，在这样的科研结束后提出了K系数法，用来评价车辆行驶过程中的平顺性。1971年，德国学者米奇克又提出运用垂直和纵摆加速度的标准差随着车速变化关系已达到评价汽车的平顺性的目的。只是此方法虽然可以表现出振动的
32、差异性，但是无法量化分析总体评价。（4）吸收功率法1968年时，美国学者A. Lee与F. Pradko等提出了吸收功率法（AP法），包括之后的修正方法，即吸收功率的幅值频率分布法。吸收功率法假定人体在一定范围内时是一个弹性系统，由于人体接收的振动能量可以传遍全身，由此得出吸收功率是振动能量的时间变化率。吸收功率将人体承担的横向振动（前后与左右）、垂直振动以及坐式时人体脚步的振动加在一起，运用数据来阐述评价。吸收功率法共有两个特点：第一、这种评价方法通过物理量瓦特来表现指标，十分直观并且容易测量；第二、这种评价方法的指标在不同轴上测量时，最后可以统一汇总成一个单值。同时，吸收功率法也可以进行时
33、域分析，对于建立非线性系统模型而言是非常重要的。但是该评价方法还有一些未能解决的问题，比方说该方法应该有一个平顺性评价的极限指标，但是这个指标会因不同的情况而产生数值变化，这显然是颇为不当的。所以，吸收功率法并不适合成为公交车平顺性的评价方法。（5）总乘坐值法学者Janeway提出了舒适度系数法，即Janeway准则，此方法在日本深受推荐。同时在IS02631/CD-1991草案里引入“总乘坐值法”的概念，并且给出了加速度值同人主观感受之间的联系，同时将人体主观感受用0-1间的小数表示，用1表示舒适，0表示极不舒适。下表2.3给出人体对不同加权加速度的主观感受与量化评价。表2.3 不同加权加速
34、度对人体的主观感受与量化评价Janeway准则不仅综合了加权加速度均方根法在统计分析上的优点，而且结合了人体主观感受进行了量化，因此该准则可以较好地实际应用于公交车振动平顺性的评价过程。现根据上述表格中的加权平均加速度值，可以对相应的评价区间进行线性划分，得到以下公式：由上式可以得出，分段区间近似线性，因此可以简化为：简化后可得到： Z(x)是依据单次检测得出的平均加权加速度值来计算出的振动平顺性评价值。如果该值越大，则表明人体在公交车乘坐过程中主观感觉越好，对于公交车的平顺性评价度也更高。3.平顺性检测装置硬件电路研究设计已改本论文提出的平顺性检测装置，应当对系统各个模块进行功能设计以及实现
35、，论文主要通过单片机核心模块来连接其余功能模块，系统主要包含微处理器、液晶显示模块、加速度传感器模块以及数据存储模块等。以下对上述的硬件模块的芯片分别进行介绍，并对电路连接予以说明。3.1单片机核心模块已改本设计采用STC89C52作为主控制系统；采用1602液晶显示作为显示部分；采用ADXL345作为加速度传感器。本电路是由STC89C52单片机为控制核心，具有操作简单、高性能的优点。系统硬件框图如下图3.1所示：图3.1系统硬件框图3.1.1 STC89C52芯片简介 STC89C52是一种带8K字节可编程可擦只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasa
36、ble Read Only Memory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，即单片机。该器件采用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21。单片机总控制电路如下图3.2所示。图3.2单片机总控制电路图其中，51系列单片机具有有4个输入输出端口（通常把4个端口笼统地表示为P0P3），每个端口都是8位的准双向端口。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0P3)、一个输入缓冲器和输出驱动器。在没有片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。在系统需要片外扩展存储器的设计中，P2口作为高8位地址线，P0口分时间
37、段分别作为低8位地址线和双向数据总线。51系列MCU的4个I/O端口线路设计的非常巧妙，学习I/O端口逻辑电路，不但有利于正确合理地使用端口，而且会给设计单片机外围逻辑电路有所启发。3.1.2 时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚TXD和RXD分别是此放大器的输入端和输出端。单片机的时钟有两种方式产生一种是外部方式，另外一种是内部方式。内部方式的时钟电路如图3.3（a）所示，在RXD和TXD引脚上另外接外置时钟芯片，内部的振荡器就可以产生自激振荡。我们通常所用的定时元件通常是有石英晶体和电容组成的并联谐振回路。外部方式的时钟电路如图3.3（b）所示，RXD引
38、脚接地，TXD接外部振荡器芯片。如果电路对外部振荡信号没有特殊要求，只要求拥有一定的脉冲宽度，通常都采用频率低于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，提供给单片机使用。RXD接地，TXD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）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图3.3时钟电路时钟电路的作用是产生单片机工作所必须的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机可以看做是一个复杂的同步时序电路
39、，为了保证单片机有条不紊的工作，电路应在唯一的时钟信号的严格控制下工作。单片机的内部设计有一个高增益反相放大器，其输入输出端分别为引脚XTAL 1和引脚XTAL2，只需要在单片机XTAL 1和XTAL2之间外部跨接晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值的范围在5pF-30pF,典型值为30pF，晶振的频率通常选择11.0592MHZ和12MHz。单片机的自激振荡器在单片机内部会产生时钟脉冲信号。时钟振荡电路如图3.4所示:图3.4时钟振荡电路3.1.3 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000
40、0H，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，当由于程序运行出现错误或者人为的操作错误将迫使系统处于死锁状态，此时为了摆脱困境，也需按复位键将单片机初始化即将各位都置高位。除PC之外，RST操作还对其他一些寄存器有影响，单片机的复位状态如表3.5所示：表3.5一些寄存器的复位状态（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，其有效时间应持续二个机器周期以上。如果使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图3.6所示：图3.6复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产
41、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时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到单片机内部复位操作所需要的信号22。 复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从以这上状态开始工作。单片机常见的复位电路通常单片机复位电路有两种复位电路，按键复位电路。上电复位电路:上电复位电路是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。利用电容充电的原理来实现的电路如图3.7所示:图3.7复位电路图（3）复位电路工作原理上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RST引脚的.旬电平将逐渐下降。 RST引脚的
42、高电平只要保持足够的时间(2个机器周期)，单片机就可以进行复位操作。上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作。本设计选用上电复位电路。3.2液晶显示模块已改3.2.1液晶的简介 液晶显示的原理是利用液晶所特有的物理特性并且通过电压对其进行控制，有电就能够显示。液晶显示器具有厚度薄、能够被集成电路直接驱动，能够实现全彩色显示等特点，目前己被已得到广泛的使用，在小家电以及其他电子行业得到了广泛的应用23。液晶显示按照其显示的方式可以分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。1602芯片的运用及其广泛，屏
43、幕的显示成本较低，在各类或者中小型的设备显示领域都非常适合，由于公交车内显示屏运用较多，因此要降低成本，1602液晶显示模块很符合实际要求。1602液晶显示模块主要用于显示公交车内的状况，进而把车内的信息利用界面显示提供给乘客与驾驶员观看，这样可以提供出较好的人机互动界面。液晶的16位引脚的介绍见表3.8：表3.8液晶16位引脚的介绍1602液晶与单片机的连接电路如图3.9所示:图3.9液晶与单片机的连接电路3.2.2液晶的设置（1）初始化设置见表3.10:表3.10初始化设置（2）显示开/关及光标设置见表3.11：表3.11显示开关及光标的设置3.3 I2C总线协议由于本论文选用ADXL34
44、5加速度传感器，其共有两种工作模式，I2C模式和SPI模式，本文采用I2C总线方式。其中，I2C（InterIntegrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。I2C只要求两条总线线路：一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。他可以连接多个设备每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器。3.3.1起始和终止信号I2C
45、总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。 图3.12起始信号与终止信号时序图3.3.2字节传送与应答每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。如果一段时间内没有收到从
46、机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。 图3.13 字节传送时序图由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非.应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。3.3.3 总
47、线的寻址I2C总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。D7D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。图3.14 I2C总线寻址控制字当主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器或接收器。从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。3.4 加速度模块已改如今绝大多数的乘客在乘坐公交车时，会明显感受到车辆在行驶行程中较为颠簸，尤其在驾驶人员猛踩油门或者急刹车的时候，这样则会致使乘客感受非常不适，但是就目前调查看，现在的公交车系统尚未找到有效的措施来对这样的情况进行有效预防，所以除了亲身坐车，还无法有效地对车辆行车情况建立了解。本文所学习建立的公交车平顺性检测装置，利用加速度传感器以达到公交车行驶情况监督的目的。3.4.1 ADXL345加速度传感器简介ADXL345是一