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1、目 录1 引言11.1 课题产生原因11.2 课题研究背景21.3 课题的发展现状41.4 汽车超速报警器的未来前景51.5 论文结构51.6 研究的主要内容51.7 本章小结62 汽车超速报警器的总体设计72.1 设计要求72.2 设计方案的选择72.3 设计总体设计框图102.4 本章小结103 系统硬件的选用113.1 速度传感器的选用113.2 显示系统的选用163.3 主控系统（单片机）的选用183.4 本章小结224 系统硬件的设计234.1主控模块（单片机模块的设计）234.2 霍尔传感器234.3报警电路的设计244.4显示电路的设计244.5 按键电路的设计254.6 本章小
2、结265 软件设计275.1 下载程序到单片机的步骤275.2系统程序流程图275.3 本章小结286 应用与展望29附录1：源程序代码30附录2：电路总体图36参考文献37致谢3939 / 411 引言1.1 课题产生原因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。道路交通安全法实施条例第四十五条规定：机动车在道路上行驶不得超过限速标志、标线标明的速度。在没有限速标志、标线的道路上，机动车不得超过下列最高行驶速度：没有道路中心线的道路，城市道路为30 kmh，公路为40 kmh，同方向只有一条机动车道的道路，城市道路为50 kmh，公路为70 km/h。限速是为了行驶
3、安全，而汽车在设计时都定有最高时速，以至于两者出现较大的差距，令驾驶员稍不留意就要超速1。那么公路车速到底对交通事故的影响是什么呢？驾驶员在道路上行驶必须时刻获得周围环境的信息，从而形成判断，估计此时的交通情况决定自己的操作行为，所有这些过程都需要一定的时间。但是，随着车速的提高，驾驶员观察和判断的时间减少、反应时间减少，导致做出错误决定的可能性就会相应增加，从而使交通事故发生的可能性变大。而且，车速的提高会减少驾驶员采取避让措施的时间和距离，汽车发生碰撞时的速度也比初始速度高。可见，随着车速的提高事故率和事故的严重性都会提高。汽车超速行驶是指车辆行驶速度超过了该路段所规定的行车速度。俗话说，
4、“十次事故九次快”。那么，汽车超速行驶为何容易引发事故呢?经过深入分析和研究，我们将原因可以归结为以下四点：1、增加了侧向翻车的可能性：汽车转弯行驶时会产生离心力。离心力的大小与弯道半径成反比，与车速的平方成正比。因此，车速越高，产生的离心力越大，离心力越大，横向作用力也越大，当车辆快速转弯或急打转向时，就很容易发生侧向翻车事故。2、增加了交织点和冲突点：交织点和冲突点越多，引发交通事故的可能性越大。超速行驶的车辆在途中会超越较多同方向行驶的车辆而产生交织点。超车时，有时要占用逆行道，有时还可能与对面来车交会而产生冲突点。同时，在超车的瞬间则必须缩小车距，以便提速超车，这时，当前车遇到情况采取
5、制动时，就极易引发追尾事故。3、扩大了制动停车距离：所谓制动停车距离，是指汽车制动距离与在驾驶员反映时间内汽车行驶的距离之和。用公式表示：S=V254(式中：S一制动停车距离，V一车速，254一常数，一道路附着系数)。从公式中可以看出：制动停车距离与车速的平方成正比。因此，车速越快，制动停车距离就越长，非安全区越大，导致事故的可能性也就会增加。4、极易引发车辆爆胎：车辆超速行驶会使轮胎的温度和气压升高，从而导致轮胎橡胶的强度、耐磨性和粘结力降低，容易发生爆胎。据交管部门统计，在高速公路上发生的交通事故中，因爆胎引发的事故占70以上。目前市面上最流行的报警方式：车载GPS系统，能够提供车辆的定位
6、信息，车速信息等，但价格昂贵。鉴于此原因，本设计是为了使汽车在行驶过程中有一个相对更好的汽车报警器而开展的。汽车超速报警器是是在汽车行驶中，经过速度传感器测出时速，当时速超过驾驶者设置的最高时速时，发出报警，以提醒驾驶员减速的驾驶配件。本设计将汽车超速报警器与单片机的知识联系在一起，使得器件操作更简单，成本更低廉，更能被广大消费者所接受。1.2 课题研究背景随着我国市场经济的发展，人民生活水平的不断提高，私家车已经走入千家万户，成为主要的交通工具。然而，私家车主由于不是专业的司机，熟练程度、速度的感觉不是特别好，车速往往根据偏好，随意提速、超速行驶，当汽车处于超速行驶状态下，其稳定性与安全性大
7、大降低，一旦出现紧急情况，往往会导致车毁人亡的重大交通事故发生。当今的中国已经是一个汽车大国，伴随着国内机动车数量的迅速飙升。随着社会经济的发展,我国机动车的保有量不断增加,道路交通事故频繁发生。根据我国2003年交通事故统计的数据发现，2003年全国共发生道路交通事故 567753起，造成99217人死亡、451810人受伤，直接财产损失 27.7亿元。 仔细对比其中的数据我们发现车辆超速行驶造成交通事故的比例高达16%左右，共造成约19741人死亡，88180多人受伤，在多种交通事故原因中仅次于无照驾驶所造成的危害。20l0年上半年全国道路交通事故情况，1至6月份，按照道路交通事故同比口径
8、统计，全国共发生道路交通事故99282起，造成27270人死亡、l16982人受伤，直接财产损失41亿元。同比分别下降93、12、106和53，在交通事故中损失的经济财产之大让人膛目结舌。其中，发生一次死亡10人以上特大道路交通事故l5起， 同比增加3起。全国共发生适用简易程序处理的道路交通事故1694l53起，同比上升317。更让人吃惊的是超速超载所导致的交通事故占有比较大的比例。 而现实生活中，绝大多数的驾驶员并不是出于主观意愿驾驶超速，而是在驾驶中对速度问题产生忽略而超速甚至酿成大祸。通过对多次因超速发生的车祸进行分析和研究，得出超速对驾驶员的影响可由以下五点原因决定：1、驾驶员的空间认
9、知能力减退：有关资料显示，在行车中，驾驶员视认距离随车速变化而变化，即车速提高而视认距离缩短。以驾驶员辨认交通标志为例，当车速为40公里小时时，视认距离为50米，比静止状态下减少10；车速提高到80公里小时，视认距离为34米，比静止状态下减少30。由于驾驶员视距变短、视野变窄和周界感减少，往往使驾驶员对路前、路边的事物容易产生错误的判断，有时刚刚看到，由于车速太快已来不及反应和作出相应的应急措施，事故就已经发生了。2、影响驾驶员全面地观察处理情况：如果车辆行驶速度太快，会使驾驶员对车外事物的观察产生影响，有的无法看清，有的甚至无法看到，即使看到了也无法感知和确定事物。根据交通心理学分析，通常在
10、视野内感觉到一个目标所需要的时间平均为04秒，要看清楚所感觉到的目标平均约需1秒。这就是说，假如车辆行驶速度为80公里小时，则每秒钟要行驶22米，若在车辆前方22米内有异常情况，不等驾驶员看清楚车辆就过去了，还没等驾驶员反应过来，事故就发生了。这就是常听到驾驶员在发生事故后说“反应不过来”的原因所在。3、影响驾驶员对其他交通参与者速度的判断：我们都有这样的感觉，如果乘坐汽车，会感觉到车外的自行车速度很慢；如果乘飞机，会感觉到地面上行驶着的汽车像处于静止状态一样。这就是所谓运动物体对速度的迟钝感。它包含两个方面，一方面常常低估自己本身的速度，另一方面常常低估比自己速度慢的其他物体的速度。驾驶员超
11、速行车时，必然会低估其他交通参与者的速度，当遇到异常情况时，就会失去采取有效措施的时机而导致事故的发生。4、影响驾驶员对车外事物判断的准确性：驾驶员对事物判断的准确性主要取决于两个方面：一是事物对驾驶员的刺激强度，强度越大，判断的准确性越高；二是单位时间内对驾驶员刺激的信息量的多少，信息量越少，判断的准确性越高。超速行车时，刺激物一晃而过，刺激强度很小，而单位时间内对驾驶员刺激的信息量却增大，因而严重地影响了驾驶员对车外事物判断的准确性，极易导致事故的发生。5、驾驶员极易疲劳：驾驶员超速行车时，超车、会车的频率增大，行车间距经常缩得很小，车外情况较为复杂，随时都有发生危险的可能。据调查，车辆行
12、驶的速度越快，驾驶员越紧张，大脑皮层的兴奋性增高，。肾上腺皮质醇浓度增加，促使心跳加快，如果车速超过80公里小时，驾驶员的心跳将达到90100次分；车速超过120公里小时，心跳将达到100次分以上。由此可见，超速行车使驾驶员的能量消耗大，很容易产生疲劳。这时，无论感知、反应能力都变得迟钝，因而极易诱发交通事故。2所以本产品就是使驾驶员起到重视速度问题，并且及时监督提醒作用驾驶员不要超速。 而且在行驶过程中，对速度的要求也是不同的，比如在城区环路一般限速到8迈，而在高速公路上行驶，小型轿车一般车速要达到120迈，所以本设计产品不能只拥有单一的速度最高额度，要能实现根据驾驶者的自身的行驶背景对车速
13、的最大值进行调控由此，我觉得开发一个超速报警系统是很有必要的，对于驾驶员及其家人的生命财产安全有重大意义，可以降低交通事故发生率。课题：基于单片机的汽车超速报警系统的设计与研究，正是在此背景下提出的，故而有很大的现实意义。1.3 课题的发展现状现在国内外的汽车超速报警器发展很快,新技术层出不穷。据了解中国的智能测速仪现在的技术已经有飞跃式的发展。即单纯利用传感器和单片机做出的单功能汽车超速报警器逐渐发展到完善多方面需求的多功能汽车超速报警器。例如广东的：SP01A型报警器。即可以实现多种实用功能功能:高亮LED显示、具有两级速度报警、一级警灯提示、二级喇叭警告。（一级跟二级速度可任意设计）可按
14、客户要求做成断油（断电功能）。限速功能型号可以强制车辆减速或者设定为车辆熄火.遥控解锁功能.只有授权人员才能解除报警. SP02A型报警器，可实现功能：大屏幕液晶数据显示,车辆超出设定的一级速度警灯提示，超出二级速度时喇叭警告.同时还具备记录跟防剪功能.方便管理查寻。 SP03A型报警器，可实现功能：具备刷卡及四个权限设置，到期保养设置；大屏幕液晶数据显示,车辆超出设定的一级速度警灯提示，超出二级速度时喇叭警告.同时还具备记录跟防剪功能.方便管理查寻。随着科技的发展和市场的需求，超速报警器又迈向了一个新的台阶，从用传感器测量车速，逐渐已经过度到利用GPS技术对车速进行监测。GPS车载监控终端以
15、前在国内主要应用于铁路,空运及海运领域.随着GPS全球定位体统技术日臻成熟,与去年开始转向公路运输领域,去年在南方各大城市发展迅速，GPS车载监控 终端开始出现,市场前景看好。GPS车载监控终端在技术上实现了质的飞跃，可实现如下基本功能： GPS实现卫星定位后，以GPRS将监控目标的经纬度、速度、方位、海拔高度数据经由终端单片机进行解析处理后由GPRS模块发回中心服务器，在由中心进行数据的处理，便可精确的查找出目前车辆所在的位置；紧急求助功能：按数字键，即可向监控中心发送事先编写好的状态（路阻、故障、事故求助、拨打电话等）；主电掉电报警：在主电源突然掉电时可以通过备电继续让系统稳定工作，同时向
16、中心发出主电掉电信息；越界报警功能：系统可预先设置车辆行驶范围，超出该范围系统会自动向中心提示越界信息；电瓶低压报警功能：电瓶低压时系统自动提示低压信息；遇劫报警功能：在遇到紧急情况时，只要启动隐蔽安装在驾驶室内的报警按钮，车载终端就会通过GPRS网络自动向监控中心发送多次报警信号；.理泽科技GPS跟踪功能：在车辆被盗、抢劫后，监控中心能通过对终端下发单片机指令使其自动跟踪报警车辆；超速报警功能：中心可以设定被监视车辆的速度，一旦终端GPS定位数据达到或超过预设的速度值，终端会自动向中心发送超速信息；遥控熄火功能：在对被劫持的车辆进行营救的过程中，监控中心可以根据营救的需要遥控车辆强行熄火，但
17、设备故障不会造成意外熄火，内部有可靠的自动复位电路；电子围栏功能：系统可预先设置车辆行驶范围，超出该范围系统会自动向中心报警。1.4 汽车超速报警器的未来前景在当今社会，大力提倡环保，经济，可持续发展的大前提下，我们的警报器最大的特点是经济实用，操作简单(即安即用)，有利于可持续发展(拆换方便)，绿色环保无污染(没有有害气体，液体等溢出)，可充扩性(东西小巧可附加在其他器械上一起使用)，兼容性(适用于广大的车型，车种)，可靠性，可用性，可维护性(原理简单可自行维护)，能有效的达到超速报警的效果。在未来，只需要在精准度的问题上稍作改进即可更上一层楼了。1.5 论文结构本论文首先介绍汽车超速报警器
18、的产生原因、研究背景和发展现状。紧接着进行材料选择，对现有的各种速度传感器、LED数码管驱动芯片、单片机等各种硬件进行初步的选定，进而进行结构方面的研究与设计。然后根据已经设计出的结构设计出电路proteus图。最后进行单片机的软件设计，编出程序。1.6 研究的主要内容本设计是基于单片机技术，利用按键对速度进行初设，其中通过LED数码管与其驱动芯片实现视显，再利用速度传感器进行测速，最后通过单片机对现时速与初设时速进行对比，如若超速，发出警报，警示驾驶者减速。归纳起来，文章的主要工作有：（1） 对速度传感器、驱动芯片、单片机等硬件进行选定；（2） 构架系统的整体结构；（3） 画出proteus
19、电路图，完成各个硬件的设计，并作出相关说明；（4） 给出系统的软件设计，并作相关说明。1.7 本章小结本章节通过查阅相关资料，整理出了汽车超速报警器的研究背景与意义，国内外研究现状，增强了对选题的理解。结合我的选题内容：基于单片机的汽车超速报警器的系统的设计与研究，初步设定了论文的主要分布情况和研究内容，从整体上对选题如何进行有了大体思路，为后面章节的叙述做了铺垫。2 汽车超速报警器的总体设计2.1 设计要求我们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：(
20、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
21、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 设计方案的选择2.2.1方案的提出根据我们现有的知识储备，针对汽车超速报警器这一课题，我初步提出有以下几种方案，根据各个方案的不同点及其各自的优势，进行综合的评估与选择，从而得出我们这个课题的方案。方案一：该方案是通过采取带有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。在选择完硬件后，该系统的硬件电路简图如图2.1所示7。键盘输入机车车轮81
22、55LED 数码管霍尔传感器AT89S51单片机节气门开度图2.1 方案1系统硬件电路简图霍尔传感器用来产生脉冲方波，键盘输入用来设定限制速度，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n r/s。设机车车轮的周长为d m，则机车的时速V=dn36km/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ROM 中，AT89C52
23、外扩一片8155芯片，其PB口作为LED数码管的段选线，PA4PA0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。AT89C52的P26口外接三极管放大器用来驱动声光报警电路，P26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073s，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VVm时，控制声光报警电路报警发出警示音。方案二：利用高集成化的串行输入/输出的共阴极LED驱
24、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）方案三：采用车载GPS系统，能提供车辆的定位信息，包括车速信息。直接进行报警。2.2.2 方案的比较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
25、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。对于本课题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7。而对于方案三，虽然此项设计为目前国内外最先进
26、的超速报警装置，因为它具备具有车辆定位、反劫报警、网络防盗、遥控熄火、车内监听、抛锚救援、路况信息、人工导航、车辆查询等多种功能。GPS卫星定位汽车防盗系统属于网络式防盗器，它主要靠锁定点火或起动达到防盗目的，而同时还可通过GPS卫星定位系统，将报警信息和报警车辆所在位置无声地传送到报警中心。专家提醒，这种防盗技术名字叫起来很响亮，虽然有防盗的作用，但使用起来不是很实用，而且价格也昂贵，实际功用不大。卫星追踪防盗系统，主要是汽车装备回报系统，经由卫星屏幕，显示车辆位置，因此根据失窃车中有安装卫星追踪系统者，无不是发报系统被破坏，即是电源被切断，使卫星无法追踪到汽车的具体位置，即失去防盗效用，而
27、且价格昂贵，光安装一套不带显示屏的GPS就需要花费6000-7000元，而每年还需向GPS系统服务公司交纳近千元的服务费，高昂的购买费和使用费让许多车主望而却步，经济效益差。利用单片机的低成本、高精度、微型化性能及特点设计以其为核心的一种汽车报警器。该多功能报警器有着经济实用的优点且符合普通大众的消费水平，能够被大多汽车消费者所接受，渐渐成为普通大众汽车用户的优先考虑安装的报警系统。有鉴于此，同时根据系统的要求，确定系统总设计方案为方案二。2.3 设计总体设计框图根据多种方案的比较，确立了最终的设计方案。该设计系统在硬件上主要可以分为以下四大模块： AT89C52单片机主控模块、传感器模块、报
28、警模块和显示模块。其中AT89C52主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能;传感器完成信号的采样功能;报警模块主要负责声音报警;显示模块完成以键盘输入字符及数字的显示功能。使驾驶者做到可以设定速度最大值，并在其超速时发生声音报警。按键操作霍尔传感器曲轴前端AT89C52单片机报警声音系统MAX7219芯片LED数码管图1 系统总体设计框图2.4 本章小结本章提出了三个设计方能，通过查阅资料和实验等多种方法，得出了方案三最为可行，并确立了主要设计方案。即系统在硬件上主要分为以下四大模块： AT89C52单片机主控模块、传感器模块、报警模块和显示模块。利用AT89C52主要完成外围硬件的控制以及一
29、些运算功能;传感器完成信号的采样功能;报警模块主要负责声音报警;显示模块完成以键盘输入字符及数字的显示功能。3 系统硬件的选用3.1 速度传感器的选用速度传感器意为能感受被测速度并转换成可用输出信号的传感器。而物理学则规定单位时间内位移的增量就是速度，同时速度包括角速度和线速度，所以与之对应的就应该也存在角速度传感器和线速度传感器，我们把其统称为速度传感器。下面我们进行速度传感器的选择，通过综合衡量各个不同种类的传感的综合指标来选择我们所需要的速度传感器。3.1.1速度传感器的种类及其工作原理通过查找现有的各种资料，并结合汽车超速报警器的课题，我总结出现有的几种速度传感器的基本资料。图3.1为
30、几种常见的速度传感器及其工作原理14：传感器结构安装位置工作原理发动机转速传感器舌簧开关式分电器内部舌簧开关电磁感应式柴油机喷油泵、汽油机分电器电磁感应车速传感器舌簧开关式车速表转子附近舌簧开关电磁感应式变速器输出轴附近的壳体上电磁感应光电式速度表内光电效应可变磁阻式变速器壳体内改变磁阻轮速传感器电磁感应式驱动轮上、从动轮上、后桥主减速器壳上或变速器输出轴上电磁感应霍尔式霍尔效应减速传感器光电式车身、车架上惯性作用水银式差动变压器式图3.1速度传感器的种类及其工作原理3.1.2 霍尔传感器速度传感器是车辆传感器中的易损器件，所以系统采用了非接触式传感器，这是系统的关键。这种传感器的脉冲输出信号
31、具有稳定性较好，不易受外部噪声干扰，对测量电路无特殊要求等优点，并且结构比较简单，成本低，性能稳定可靠。该系统测速传感器由霍尔开关、磁铁组成5。3.1.2.1霍尔传感器的原理3.1.2.1.1霍尔效应在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。4其原理如图3.2所示：图3.2霍尔效应原理图3.1.2.2 霍尔传感器的特点霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。本文简要介绍其工作原理， 产品特性及其典型应用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，
32、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。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、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）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电
33、、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制5。3.1.2.3开关式霍尔传感器的结构组成霍尔传感器的工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的恰当位置，车辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生的开关信号经过整形被直接输入到单片机计数器1的P3.5引脚，作为计数器1的计数脉冲信号。AT89C52利用定时器T0定时一段时间后，然后提取T1中的脉冲个数，经过公式计算就可测量出车辆行驶的瞬时速度6。 3.1.2.4 开关式霍尔传感器的工作原理开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、
34、施密特触发器D和O C门输出E五部分组成, 如图3.3所示。从输入端1输入电压VCC, 经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端, 以提供恒定不变的工作电流。在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场, 产生霍尔电势差VH, 该VH信号经差分放大器C放大后送至施密特触发器D整形，当磁场达到“工作点”(即Bop)时, 触发器D输出高电压(相对于地电位), 使三极管E导通, 输出端Vo 输出低电位,此状态称为“开”Z当施加的磁场达到“释放点”(即Brp)时, 触发器D输出低电压, 使三极管E截止, 输出端Vo 输出高电位, 此状态称为“关”。这样2次高低电位变换, 使霍尔传感器完成了1次开关动作Z如图3.4所
35、示ZBop- Brp称为磁滞。在此差值内, 输出电位Vo 保持高电位或低电位不变, 因而输出稳定可靠6。图3.3 开关式霍尔传感器构成图3.4 开关型霍尔传感器输出电压与外加磁感应强度关系3.1.2.4 开关型霍尔传感器的工程实现硅霍尔片灵敏度K= 21. 7mV/(mAT),工作电流的范围为010mA, 本文将工作电流定为4mA。选用的磁钢是直径为D= 11.812mm, 厚度为h= 3.806mm的钕铁硼。 选用的施密特触发器为CD40106(六反相器)Z当电源电压为VCC= 15V时, 触发器正触的阈值电压为8. 3V, 负触发的阈值电压为5. 2V(实测)。初步选定霍尔开关的“工作点”
36、为Bop =70m T, 此时磁钢与霍尔片的距离为r=4. 2mm。根据霍尔效应原理, 当Bop= 70m T时,霍尔电势差为VH= 6.1mV。若要使D触发器输出转换为高电平, 它的输入要大于8.3V, 要将VH放大1 360倍以上Z由此增益推出, 若要使D触发器输出转换为低电平, 它的输入要小于5.2V, 对应的VH 小于3. 8mV,“释放点”为Brp= 44m T, 此时磁钢与霍尔片的距离为r=5. 4mm。霍尔片提供的差模直流信号VH 放大后要用单端方式输出, 虽然它的差模信号只有几mV, 但是共模噪声可高达几V, 且差模信号的放大倍数要求上千倍之高, 因此放大器减小输入漂移、噪声的
37、能力和抑制共模信号的能力等因素对总的精度至关重要。虑到以上特点, 若采用单级放大, 一个微小的扰动都会使输出达到饱和, 而且单级放大倍数过大容易引起线路自激振荡, 同时降低频带宽度。所以在本设计中，采用2级放大的高输入阻抗差分放大器。所设计的开关型霍尔传感器的电路如图3.5所示, 其中: A1A4 运算放大器全部采用15V电源6。图3.5 开关型霍尔传感器电路图由此可得出，在设计汽车超速报警器的课题中，我将测量转速的霍尔传感器与电机的机轴同轴连接，所以设置1m中断，则产生一点量的脉冲个数，由霍尔器件的电路输出，在经过电耦合器后，即经过隔离整形电路后，成为转数计数器的计数脉冲，最后再利用单片机计
38、数。3.1.3传感器的安装部位在汽车超速报警器的课题设计中，我们将传感器安装在前轮上自动变速器输入轴端，本设计采取将传感器安装在前轮上，具体设计方案如下图所示:图3.5传感器的安装位置3.1.4 传感器的特点输出信号电压幅值不受转速的影响，频率响应高，抗电磁波干扰能力强。3.2 显示系统的选用在综合比对了各种显示电路的芯片后，汽车超速报警器设计的显示电路由MAX7219芯片完成，MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管。MAX7219和微处理器只需三根导线连接，每位显示数字有一个地址由微处理器写入。该芯片还允许使用者选择每位
39、是BCD译码或者不译码。同时使用者还可选择停机模式、数字亮度控制、从18选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。在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，平时该结构则独立工作，这样可以极大地节省了MCU有限的运行时间和程序资源。3.2.1 MAX7219芯片的引脚说明MAX7219为24引脚芯片，引脚排列如图1所示，各引脚功能如下： DIN：串行数据输入端； DIG0DIG7：LED位线； LOAD：数据装载信号输入端； SEGASEGG，SEGDp：段码输出端； ISET：硬件亮度调节端； DOUT：串行数据输出端； CLK：移位脉冲输入端； V+：正电源；
40、 GND：地。各部分作用是：16 位地址/数据移位寄存器接收串行数据，实现串/并变换。16位数据含义如下： D7D0：写入内部RAM和功能寄存器的数据； D8D11：内部RAM和功能寄存器地址； D12D15：无定义。 图3.6 MAX7219引脚图3.2.2 MAX7219驱动8位LED显示器MAX7219芯片上包括BCD译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的88静态RAM以及数个工作寄存器。通过指令设置这些工作寄存器，可以使MAX7219进入不同的工作状态。3.2.2.1 MAX7219芯片的工作原理下图为MAX7219芯片的时序图：图3.7 MAX7219芯片的时
41、序图这个图很简单反映了DIN，CLK和LOAD的工作时序， DIN是串行数据输入端，CLK和LOAD实际上是充当了组织者。整体的数据传送的过程如下： 首先，在CLK的下降沿，无效，在CLK的上升沿，第一位二进制数据被移入内部移位寄存器，然后CLK再出现下降沿，无效，然后CLK再出现上升沿，第二位二进制数据被移入内部移位寄存器，就这样工作十六个周期，完成十六个二进制（前八个是地址，后八个是数据）的传送，这当中LOAD一直是低电平，当完成十六个二进制的传送后。把LOAD置成高电平，产生上升沿，把这16位串行数据锁存到数据或控制寄存器中。完成装载。然后再把LOAD还原为低。在重复开始的一系列的动作。
42、周而复之，则可完成该过程3。3.3 主控系统（单片机）的选用从应用形态上，微型计算机可以分为3种：多板机(系统机)、单板机和单片机。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机。单片机是把中央处理器CPU，随机存取存储器RAM，只读存储器ROM，定时器计数器以及IO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，它的特点是：高性能、高速度、体积小、价格低廉、应用广泛。单片机技术发展十分迅速，产品种类已琳琅满目。纵观整个单片机技术发展过程，可以分为3个主要阶段：单芯片微机形成阶段，性能完善提高阶段，微控制器化阶段。单片机具有控制性能和可靠性高，灵活的嵌入品质，体积小、价
43、格低、易于产品化等特点。在现代的各种电子器件中，单片机具有良好的性能价格比10。正是这一重要原因，近年来单片机在智能仪器仪表、机电一体化产品、实时工业控制、分布系统的前端模块和家用电器等各个领域都获得了极为广泛的应用。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用11。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。3.3.1 AT89C52单片机本系统采用的是AT89C52单片机。它是51系列单片机的一个型号，由ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取
44、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11。AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12
45、MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。3.3.2 AT89C52单片机的引脚说
46、明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。兼容MCS51指令系统，8k可反复擦写(1000次）Flash ROM ，32个双向I/O口256x8bit内部RAM，3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHz，2个串行中断，可编程UART串行通道，2个外部中断源，共6个中断源 ，2个读写
47、中断口线，3级加密位，低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。AT89C52为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0口：P0口是一组8 位漏极开