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智能客车超载检测系统的设计

  智能客车超载检测系统的设计 长春工业大学学士学位论文 长 春 工 业 大 学 毕业设计、毕业论文 题 目 智能型客车 超载检测系统设计 学 院 电气与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化 090307 指导老师 唐 娜 姓 名 吴 飞 2013 年 6 月 11 日 长春工业大学学士学位论文 指导教师签字: 评阅人签字: 年 月年 月 日 日 长春工业大学学士学位论文 摘 要 本文...

  智能客车超载检测系统的设计 长春工业大学学士学位论文 长 春 工 业 大 学 毕业设计、毕业论文 题 目 智能型客车 超载检测系统设计 学 院 电气与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化 090307 指导老师 唐 娜 姓 名 吴 飞 2013 年 6 月 11 日 长春工业大学学士学位论文 指导教师签字: 评阅人签字: 年 月年 月 日 日 长春工业大学学士学位论文 摘 要 本文设计了一个客车超载监控系统,以 MCS-51 单片机为核心,利用反射式红外传感器、方向识别电路、报警电路、锁定电路设计,能够通过键盘手动设置乘客人数的上限值,并用 LED 显示器显示车内的实时乘客人数。当客车内人数超载时,系统发出声光报警,并通过继电器切断客车的电子启动装置,从而将汽车锁定,使之无法行驶。当超载解除后,声光报 警也相应的解除,客车锁定解除,可以正常运行。 本设计共分两部分,硬件系统设计和软件系统设计。硬件部分利用红外传感器和方向识别电路将乘客的上、下车情况进行检测和判断并输入单片机系统。经过单片机系统将处理的数据送 LED 显示,声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成,用继电器实现对客车启动装置的锁定。软件部分用汇编语言进行编程,采用模块化设计思想。该系统通过调试后,能够较好的完成客车超载的预警提示,并对超载情况进行相关控制。 关键词:客车;超载;监控;单片机 I 长春工业大学学士学位论文 II 长春工业大学学士学位论文this subject we use infrared sensors,identify circuit and alarm-circuit latch circuit to design a carriage overload monitoring system that enables the keyboard to manually set limits on the number of passengers and can use LED at the same time to display the number of passengers inside.If the passenger overloading,the sound and light alarm system cuts off the bus through the electronic launch devices.By doing this,the overload monitoring system can lock the car,so that the car cant be started.When the overload is canceled,the sound and light warning is canceled. The bus is also unlocked and can be operated normally. The design is divided into two parts, hardware system design and software system design .The hardware systems parts uses infracted sensors and identify circuit to detect and judge the situation whether the passengers are getting on or off the bus .This system can display the number of passengers on LED. The sound and light alarm circuit is composed of buzzer and LEDs, the lock function of the buss launch devices achieves by using the relay unit. Assemble language is used in the software system and modularization design idea is adopted .The monitor system can complete an alarm beforehand for overload, meanwhile the mutuality control will be adopted. Key words: carriage;overloading;monitoring; SCM(single chip micro computer) II 长春工业大学学士学位论文 目 录 第 1 章 绪 论 ........................................................... 1 1.1 立题的意义 ...................................................... 1 1.2 课题研究任务及目标 .............................................. 2 1.3 课题主要内容 .................................................... 2 第 2 章 客车超载检测系统的方案论证 ...................................... 4 2.1 系统的原理 ...................................................... 4 2.2 系统的组成 ...................................................... 4 第 3 章 客车超载监控系统的硬件设计 ...................................... 6 3.1 客车超载监控系统的检测电路 ...................................... 6 3.1.1 传感器的选择 ............................................... 6 3.1.2 反射式红外传感器检测原理 ................................... 7 3.1.3 方向识别电路的设计 ......................................... 8 3.1.4 双 D 触发器 ............................................... 10 3.1.5 7406 芯片 ................................................ 10 3.2 单片机最小系统的设计 ........................................... 13 3.2.1 单片机的选择 .............................................. 13 3.2.2 单片机外围电路的设计 ...................................... 15 3.3 显示电路的设计 ................................................. 17 3.3.1 7407 集电极开路六正相高压驱动器 ........................... 18 3.3.1LED 显示器 ................................................. 19 3.3.3 显示电路 .................................................. 20 3.4 键盘电路的设计 ................................................. 21 3.5 报警电路的设计 ................................................. 22 3.6 客车锁定电路的设计 ............................................. 23 3.7 供电电源电路的设计 ............................................. 24 第 4 章 客车超载监控系统的软件设计 ..................................... 26 4.1 客车超载监控系统的软件设计方案 ................................. 26 4.2 T0、T1 中断计数程序的设计 ...................................... 28 4.3 按键子程序的设计 ............................................... 29 4.4 报警与锁定子程序的设计 ......................................... 30 4.5 显示子程序的设计 ............................................... 31 结 论 ................................................................ 33 致 谢 ................................................................ 34 参考文献 .............................................................. 35 附录 I 客车超载监控系统硬件系统原理图 .................................. 37 附录Ⅱ 客车超载监控系统程序清单 ....................................... 38 附录 III 客车超载监控系统元器件清单 .................................... 44 长春工业大学学士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 立题的意义 随着生活水平的不断提高,人们外出打工、探亲、旅游的人数越来越多,尤其是节假日,而与此相关的公路客运(长途客车,旅游客车等)的运力却没有相应增加,致使超员现象频频出现。目前,它已成为一个严重影响交通运输环境和社会经济可持续发展的社会问题。客车超载对国家的公路设施和客运市场造成了不良的影响,也影响车辆本身和车辆的驾驶、控制,容易引发事故,我们都知道车辆超载运输并且长期处于超负荷状态,就会导致车辆的制动装置和操作系统等安全性能迅速下降,表现为轮胎变形爆胎,刹车失灵,转向器轻飘抖动,钢板弹簧折断,半轴断裂等等。而客车一旦发生事故,给国家和百姓带来重大的经济损失和感情伤害。 目前,国家虽然出台了一系列的政策法规来制止客车超载,各地政府也制定了相关的制度来对客车超载进行管理,在一定程度上减少了客车超载现象,但在节假日等客流高峰期,超载现象还是屡禁不止。在采取行政监督管理的同时,通过科学技术的手段来消除客车超载的现象也有着极其重要的意义和实用性。 单片机作为微型计算机的一个很重要的分支,是将 CPU、存储器、总线、I/O 接线口电路集成在一片超大规模集成电路芯片上。自问世以来,以其极高的性价比,受到人们的重视和关注,应用很广,发展也很快。因此它广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴: (1)在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。 (2)在工业控制中的应用 单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。 ⑶在家用电器中的应用 现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门, 无所不在。 ⑷在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现 1 长春工业大学学士学位论文 了单片机智能控制,从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等。 ⑸单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等。 因此单片机的出现应用于监测系统后,智能化的监测系统的模型也就基本具备了。单片机以其兼容性强,软件、硬件应用设计资源资料丰富,以及极高的性能价格比受到人们的重视和关注。单片机以及外围芯片的不断发展促进了超载、超量监测系统的发展。以单片机为核心的智能监控系统以其体积小,抗干扰能力强,对环境的要求不高,价格低廉,可靠性高,开发较为容易,并可获得较高的经济效益等特点,很快占有了监控器领域的市场,所以其应用很广,发展很快。 因此本课题正是基于此点,采用单片机为核心的智能监控系统可以对客车内乘客人数的统计,并通过 LED 显示器实时显示。当客车出现超载时,系统进行声光报警。同时通过继电器关闭客车的启动装置来阻止超载客车 的运行。反之,当超载解除后,声光报警被解除,系统也相应解除对客车的锁定,客车可正常运行,从而达到了智能监控客车超载的要求,大大减少因超载而发生交通事故,使乘客的生命财产安全得到有效的保障。 1.2 课题研究任务及目标 本课题主要任务是以 MCS-51 单片机为控制核心,能够自动检测车内乘客的人数并用 LED 即时显示,通过键盘设置超载人数的上限值,一旦客车超载时能进行声光报警,同时锁定客车的启动装置。它的硬件电路部分主要包括检测电路(红外传感器和方向识别电路)、键盘电路、显示电路、控制电路和报警电路五大部分。其中,主要研究内容为:红外检测技术、运动方向识别电路、LED 数码管的显示、单片机控制系统等。 该设计技术指标如下: ⑴能够完成车厢内人数的显示,并用 LED 即时显示 ⑵超载人数的上限值可以通过键盘设置(默认人数为 30) ⑶客车一旦超载时将发出声光报警信号,并关闭汽车的启动装置。 ⑷光报警信号要实现 1S 闪烁功能,声音报警电路要产生 1kHz 音频信号驱动蜂鸣器完成。 1.3 课题主要内容 本文主要介绍了客车超载监控系统的软硬件设计思想、各功能的实现方法、相 2 长春工业大学学士学位论文 应的电路原理、以及各元器件性能型号的选择,内容主要分为两部分: 第一部分是硬件的设计,包括硬件电路方案的设计、元器件的选择等, 具体的硬件电路包括检测电路(传感器和方向识别电路),AT89C51 单片机的最小系统电路、键盘输入电路、LED 显示电路、声光报警电路、锁定电路等。以硬件来完成具体的功能使整个系统完整,并达到最终可以准确的检测客车超载检测的最终目的。 第二部分是软件的设计,软件设计采用模块化的思想,逐步完善设计功能,初步绘制出电路图和程序的流程图。以软件配合硬件,使其可以利用软件来使硬件相互关联、相互辅助,使整个设计完整。 3 长春工业大学学士学位论文 第 2 章 客车超载检测系统的方案论证 2.1 系统的原理 本课题所设计的客车超载监控系统主要是避免因人数超载而引发的交通事故,所以本系统应该具备对乘客上、下车动作的智能检测,通过单片机来处理传感器获取的信息,可以自动统计客车上、下乘客的具体人数,能用 LED 来进行即时的数字显示。当客车内的实际人数超过设置的预定数值的上限值时,检测系统将自动进行声光报警,同时客车的启动装置也将会被锁定,这样可以有效地阻止超载情况的发生,从而降低因超载而引发的交通事故。 本系统中智能检测的方法显得尤为重要。其中,智能检测包括两部分:第一是检测模块部分。通过 E3F-DS30C4 反射式红外传感器和双 D 触发器对乘客的上、下车动作进行检测和判断。第二是数据统计部分。由单片机对接收的脉冲信号进行相应的加减计数运算,即完成统计乘客人数的功能。 只有对车内人数准确的监视,才能判断出是否超载,来避免交通事故的发生,从而达到防患于未然的现实意义。 2.2 系统的组成 系统结构框图如图 2.1 所示。主要包括:检测电路(红外传感器和方向识别电路)、键盘电路、单片机系统、LED 显示电路、继电器控制电路、报警电路六部分。 图 2.1 系统的总体设计框图 4 长春工业大学学士学位论文 系统各部分的基本功能简介如下: ⑴ 反射式红外传感器 该传感器是一种集发射器和接收器于一体的传感器,当探测器前方有障碍物时,物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器,于是光电开关就产生了开关信号。当探测器前方没有障碍物时,探测器输出端输出高电平,当检测到障碍物时,探测器输出端输出低电平。因此,当有乘客经过车门完成一个上车或者下车的动作时就会产生脉冲信号,这样就完成了对乘客上、下车动作的检测,实现了将动作信号转换成电信号的功能。 ⑵ 方向识别电路 方向识别电路是由双 D 触发器组成的双稳态电路,它可以通过自身的逻辑电路,来实现辨向的功能。方向识别电路与单片机的 T0 、T1 口相连,当乘客上车时会产生一个相应的负脉冲信号,把其接入 T0 端作为乘客上车动作信号的输入端,从而实现辨别乘客运动方向的功能。同理,当乘客 下车时也会产生一个相应的负脉冲信号,把其接入 T1 端,即 T1 端作为乘客下车动作信号的输入端。 ⑶ 单片机系统 单片机是本系统的核心元件,它实现了对传感器所采集的信号的判断和处理,控制硬件部分的键盘电路、显示电路、报警电路从而完成客车超载的智能监控。 ⑷ 键盘 键盘采用 4 个独立式的按键来手动设置客车乘客人数的上限值,系统内的复位。 ⑸ LED 显示电路 该电路用两位共阴极 LED 数码管来即时显示,其系统开始时显示预置上限人数,当系统进入监控阶段则显示客车内乘客的即时人数。 ⑹ 继电器 在该系统中用继电器来模拟客车的启动装置。若继电器断开,则代表客车已被锁定无法开启;若继电器闭合则代表客车恢复正常的启动,可以运行。 ⑺ 报警电路 报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成,当接收到单片机的命令时进行相应的声光报警和解除报警。 5 长春工业大学学士学位论文 第 3 章 客车超载监控系统的硬件设计 系统的硬件设计是该系统设计成功与否的基础。按照系统设计的总体 方案,本设计采用模块化的设计思想。硬件设计的主要组成部分:检测电路、单片机最小系统电路、LED 显示电路、继电器控制电路、声光报警电路、键盘输入电路。 3.1 客车超载监控系统的检测电路 在客车超载监控系统的检测电路中主要有:传感器的选择、反射式红外传感器检测原理、方向识别电路的设计。 3.1.1 传感器的选择 在本系统中传感器的主要作用是完成上、下车乘客动作信号的检测,因而在对传感器选择时应尽量考虑实际需求。其中包括适当的监测范围、灵敏度、调理电路简单、高性价比等。 常用的传感器有反射式红外传感器、超声波式传感器、激光雷达和MMW 雷达等。几种传感器的优缺点进行比较如表所示。 其中超声波传感器的基本原理是超声波的直线传输特性。传感器有一个超声波发射端,上电后发射超声波,另有一个超声波接收端,如果前方有障碍物,超声波反射回来被接收端接收,并在输出端输出一个响应的电平信号。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格合理,易于使用,且在 10m 以内能给出精确的测量。但是超声波传感器的工作原理基于声,即使可以使之测达 100m 远,但可能在传输中受到其它信号的干扰,所以不能用于本系统。视觉传感器在 CW 系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小,价格合理,在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目 6 长春工业大学学士学位论文 标,并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂,处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低,在汽车行业开始被使用,但是仍存在性价比的问题。 本设计采用的是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点,可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。 该漫反射型光电开关检可以检测前方 3-80cm (可以调节);工作电压为5V 直流电压。工作电流小于 10mA;输出驱动电流为 100mA; 使用温度范围为-40~70C;这是一种应用最为广泛的光电开关,它的直径为 17mm,固定时只要在设备外壳上打一个 17mm 的园孔就能轻松固定,长度约45mm,引线 反射式红外传感器检测原理 漫反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器,当有被检测物体经过时,物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器,于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时,漫反射式的光电开关是首选的检测模式。漫反射式光电开关工作示意图如图所示。 图 3.1 漫反射式光电开关工作示意图 测量电路也是传感器组成的一部分。由于传感器由敏感元件和转化元 件组成,但转化元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制。这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号,而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路。随着集成电路技术的发展,传感器的测量电路也逐渐开始集成芯片化。一般需要辅助电源供电。测量电路的选择视转化元件的类型而定,常采用的有电桥电路、 7 长春工业大学学士学位论文 脉宽调制电路、振荡电路、高输入阻抗电路。 红外传感器采用 E3F-DS30C4 型光电开关,该传感器为漫反射式光电开关,漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器,所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度,而且被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。当无检测物体时,常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作,当检测到物体时晶体管导通,负载得电工作。该传感器探测距离为 3-80cm,根据实际需要把车门两个传感器的探测距离调整为40cm。 3.1.3 方向识别电路的设计 在该系统的设计中,传感器单元的功能是检测乘客经过车门的动作信号,但是对乘客的具体上、下车的动作不能作出判断,因而采用方向识别电路对传感器的输出信号进行区分、判断就成为了一个必要的环节。在本课题的设计中,反射式红外传感器安装在客车车门附近,其具体安置方法 如图所示。 图 3.2 检测传感器安放图 本系统对方向识别电路的设计采用了双 D触发器,实现了对乘客方向的识别。方向识别电路如图所示。 8 长春工业大学学士学位论文 图 3.3 辨别方向电路图 9 长春工业大学学士学位论文 图 3.4 辨别方向 DXP 电路图 如图 3.4 所示,将双 D 触发器的复位端分别与 7406 相连。由于双 D触发器的置位端为低电平有效,将置位端接+5V 电压,从而对置位信号进行屏蔽。将 D 触发器的 Q 端与 Q 端连接起来,这样 D 触发器的特征方程为 Qn?D。当时钟信号 CLK=0 时,D 触发器的 Q 端和 Q 端保持逻辑状态不变;当 CLK=1 时,即D 触发器时钟信号的上升沿到达时,Q 端和 Q 端的状态要进行翻转,转变成相反的逻辑状态。其特性表如表 3.2 所示。 表 3.2 边沿触发器特性表 当没有乘客经过车门时,传感器 1、2 均输出为高电平,经 74F06 反相处理后,输出为低电平。触发器的复位端和置位端为低电平有效,在本设计中对触发器的置位端接入+5V 进行屏蔽。在没有乘客上车时,两个 D 触发器的时钟信号 CLK1、CLK2 均等于 0, Q1=0,Q2=0,D1=0,D2=0。如图 3.2 所示,当有乘客上车时,乘客先经过 1 号传感器,此时传感器 1 输出信号为低电平,经第一个 74F06 后变为高电平,CLK1=0,CLK2=1;D1=0,D2=1; Q1=0,Q2=1,即 Q2 的状态发生翻转。当乘客离开 1 号传感器时,由于此时CLK1=0, D1=0,R1=1,D1 触发器的 Q1 和 Q1 端状态将会保持不变,CLK2=0, R2=1,Q2=1 也保持为高电平状态。当乘客进入 2 号传感器的检测范围时,传感器 2 输出信号为低电平,这样 CLK1=1,CLK2=0;D1=1,D2=1;R1=1,R2=0;Q2 和 Q2 逻辑状态要进行翻转 Q2=0,Q1 的状态仍保持不变。 在上车这一过程中,只有 Q2 和 Q2 状态发生了变化,从低电平变为高电平再变为低电平。这样就产生了一个可由单片机 T0 端识别的脉冲信号。根据本电路的设计,T0 端为乘客上车动作信号的输入端,从而实现了辨别乘客运动方向的功能。同理,当乘客下车时也会产生一个相应的脉冲信号接入 T1 端,在本设计中 T1 端是乘客下车动作信号的输入端。 3.1.4 双 D触发器 在电子技术中,N/2(N 为奇数)分频电路有着重要的应用,对一个特定的输入频率,要经 N/2 分频后才能得到所需要的输出,这就要求电路具有N/2 的非整数倍的分 10 长春工业大学学士学位论文 频功能。CD4013 是双 D 触发器,在以 CD4013 为主组成的若干个二分频电路的基础上,加上异或门等反馈控制,即可很方便地组成 N/2 分频电路。 工作原理: SD 和 RD 接至基本 RS 触发器的输入端,它们分别是预置和清零端,低电平有效。当 SD=0 且 RD=1 时,不论输入端 D 为何种状态,都会使 Q=1, Q=0,即触发器置 1;当 SD=1 且 RD=0 时,触发器的状态为 0,SD 和 RD 通常又称为直接置 1 和置 0 端。我们设它们均已加入了高电平,不影响电路的工作。工作过程如下: (1)CP=0 时,与非门 G3 和 G4 封锁,其输出 Q3=Q4=1,触发器的状态不变。同时,由于 Q3 至 Q5 和 Q4 至 Q6 的反馈信号将这两个门打开,因此可接收输入信号 D,Q5=D,Q6=Q5=D。 (2)当 CP 由 0 变 1 时触发器翻转。这时 G3 和 G4 打开,它们的输入 Q3和 Q4 的状态由 G5 和 G6 的输出状态决定。Q3=Q5=D,Q4=Q6=D。由基本RS 触发器的逻辑功能可知,Q=D。 (3)触发器翻转后,在 CP=1 时输入信号被封锁。这是因为 G3 和 G4 打开后,它们的输出 Q3 和 Q4 的状态是互补的,即必定有一个是 0,若 Q3 为0,则经 G3 输出至 G5 输入的反馈线 封锁,即封锁了 D 通往基本 RS 触发器的路径;该反馈线起到了使触发器维持在 0 状态和阻止触发器变为 1状态的作用,故该反馈线 封锁,D 端通往基本 RS 触发器的路径也被封锁。Q4 输出端至 G6 反馈线 状态的作用,称作置 1 维持线输入的反馈线 阻塞线。因此,该触发器常称为维持-阻塞触发器。总之,该触发器是在 CP 正跳沿前接受输入信号,正跳沿时触发翻转,正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成,所以有边沿触发器之称。与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。 脉冲特性: (1)建立时间:由于 CP 信号是加到门 G3 和 G4 上的,因而在 CP 上升沿到达之前门 G5 和 G6 输出端的状态必须稳定地建立起来。输入信号到达 D端以后,要经过一级门电路的传输延迟时间 G5 的输出状态才能建立起来,而 G6 的输出状态需要经过两级门电路的传输延迟时间才能建立,因此 D 端的输入信号必须先于 CP 的上升沿到达,而且建立时间应满足: tset2tpd。 (2)保持时间:为实现边沿触发,应保证 CP=1 期间门 G6 的输出状态不变,不受 D 端状态变化的影响。为此,在 D=0 的情况下,当 CP 上升沿到达以后还要等门G4输出的低电平返回到门G6的输入端以后,D端的低电平才允许改变。因此输入低电平信号的保持时间为 tHLtpd。在 D=1 的情况下,由于 CP 上升沿到达后 G3 的输出将 G4 封锁,所以不要求输入信号继续保持不变,故输入高电平信号的保持时间 tHH=0。 (3)传输延迟时间:从 CP 上升沿到达时开始计算,输出由高电平变为低电平的传 11 长春工业大学学士学位论文 输延迟时间 tPHL 和由低电平变为高电平的传输延迟时间 tPLH 分别是:tPHL=3tpd tPLH=2tpd (4)最高时钟频率:为保证由门 G1~G4 组成的同步 RS 触发器能可靠地翻转,CP 高电平的持续时间应大于 tPHL,所以时钟信号高电平的宽度 tWH应大于 tPHL。而为了在下一个 CP 上升沿到达之前确保门 G5 和 G6 新的输出 电平得以稳定地建立,CP 低电平的持续时间不应小于门 G4 的传输延迟时间和 tset 之和,即时钟信号低电平的宽度 tWLtset+tpd. 3.1.5 7406 芯片 六高压输出反相缓冲器/驱动器(OC,30V) 简要说明: 54/7406 为集电极开路输出的六组反相驱动器,其主要电特性的典型值如下 表 3.3 7406 电特性 1A6A 输入端 1Y6Y 输出端 图 3.5 双列直插封装 工作原理: 集成运放有同相输入端和反相输入端,同向和反向是指运放输入电压和输出电 12 长春工业大学学士学位论文 压的相位关系。由于电路要求,应采用集成运放的反相输入端,输入电压 Ui 通过 R 作用到集成运放的反相输入端,所以会得到 Uo 与 Ui 反相,同相输入端通过 R接地,R为补偿电阻,可以来保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。电路通过电阻 Rf 引入负反馈。因为数模转换器输出的是负电压,所以设置反相电路可以将其转换为正电压。 3.2 单片机最小系统的设计 3.2.1 单片机的选择 单片机模块主要用来实现对上、下车人数的加、减计数。单片机模块在设计中,考虑到系统中的程序量和数据量较少,需要 I/O 口资源也相对 较少,AT2MEL 公司的 AT89C51 芯片的资源就能很好的满足系统的需求,所以在系统设计中采用了 MCS-51 系列单片机 AT89C51 芯片的最小系统来实现。我们选用 ATMEL 公司 89 系类的标准型单片机 AT89C51,AT89C51 是一种低功耗、高性能的 8 位单片机,片内带有一个 4K 字节的 FLASH 可编程可擦除只读存储器(EPROM),它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术,而且其输出引脚和指令系统都与 MCS-51兼容。另外,AT89C51 还具有 MCS-51 系类单片机的所有优点。128*8 位内部 RAM,32 位双向输入输出线,两个十六位定时/计时器,5 个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。片内的 FLASH存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程。因此AT89C51 是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机,它可方便地应用在各个领域。89C51 引脚图如图所示。 图 3.6 AT89C51 芯片引脚图 13 长春工业大学学士学位论文 下面介绍 89C51 的主要引脚功能如下: (1)VCC(40):电源+5V; (2)VSS(20):接地; (3)P0 口(32-39):双向 I/O 口,既可作低 8 位地址和 8 位数据总线使用,也可作普通 I/O 口; (4)P3 口(10-17):多用途端口,既可作普通 I/O 口,也可按每位定义的第二功能操作; (5)P2 口(21-28):既可作高 8 位地址总线,也可作普通 I/O 口; (6)P1 口(1-8): 准双向通用 I/O 口; (7)PSEN:内外程序存储器选择线):外接石英晶体振荡器; (9)RST(9):复位信号输入端,高电平有效; (10)ALE/PROG(30):地址锁存允许信号; (11)EA(31):内、外程序存储器控制端; 由于本系统需要用到单片机内部的计数器,所以在这里有必要介绍定时/计数器的工作原理,定时/计数器的结构图如图所示。 图 3.7 定时/计数器的结构原理图 14 长春工业大学学士学位论文 从定时/计数器的结构图中我们可以看出,16 位的定时/计数器分别由两个 8 位专用寄存器组成,即:T0 由 TH0 和 TL0 构成;T1 由 TH1 和 TL1构成。其访问地址依次为 8AH-8DH。每个寄存器均可单独访问。这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。此外,其内部还有一个 8 位的定时器方式寄存器 TMOD 和一个 8 位的定时控制寄存器 TCON。这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电路连接起来的。TMOD 主要是用于选定定时器的工作方式;TCON 主要是用于控制定时器的启动停止,此外 TCON 还可以保存 T0、T1 的溢出和中断标志。 当定时/计数器用作计数器时,计数脉冲来自相应的外部输入引脚 T0或 T1。当输入信号产生由 1 到 0 的负跳变时,计数器的值加 1。每个机器 周期的 S5P2 期间,对外部输入引脚进行采样。如在第一个机器周期中采得的值为 1,而在下一个周期中采得的值为 0,则在紧跟着的再下一个周期 S3P1 的期间,计数器加 1。由于确认一次负跳变要花两个机器周期,即24 个振荡周期,因此外部输入的计数脉冲的最高频率为系统振荡器频率的1/24。本课题选用11.0592MHz频率的晶体,允许输入的脉冲频率为500MHz。由于本课题所利用的是计数器 T0、T1,并且是工作在工作方式 2。所以以下重点介绍工作方式 2 的特点。 工作方式 2 是自动恢复初值的 8 位计数器,可以将计数器的计数初值设为 0FFFFH,当计数器加 1 产生溢出中断后执行中断子程序,TLX 作为常数缓冲器,当 TLX 计数溢出时,在置“ 1”溢出标志 TFX 的同时,还自动地将 THX 中的初值送至 TLX,以便 TLX 从初值重新开始计数。这种工作方式可以省去用户软件中重装初值的程序,所以,工作方式 2 是一种不需重装初值的计数器,这就给软件系统中 T0、T1 中断子程序中反复利用计数溢出产生中断带来了方便。 3.2.2 单片机外围电路的设计 由单片机硬件设计原理可知:第一,尽可能采用功能强的芯片,以简化电路;第二,留有余地。在设计硬件电路时,要考虑到将来修改、扩展的方便。 ⑴ 晶振电路 89C51 单片机的时钟可以两种方式产生,一种是内部方式,利用芯片内部的振荡电路;另一种方式为外部方式。本系统采用内部时钟电路。 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此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晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。图 3.8 是 89C51 片内振荡器电路。89C51 虽然有内部振荡电路,但要形成时钟,必须外接元件,图 3.9 是内部时钟方式的电路。外接晶体(在频率稳定性不高,而尽可能要求廉价时,可选用陶瓷谐振器)以及电容 CX1 和 CX2 构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的 15 长春工业大学学士学位论文 要求,但电容的大小会影响振荡频率的高低,外接陶瓷谐振器时,CX1和 CX2 的典型值约为 47pF。晶体可在 1.2MHz~12MHz 之间任选,电容 CX1和 CX2 的典型值在 20pF~100pF 之间选择,在本课题中 CX1 和 CX2 选择值为 30pF。晶体的振荡频率越高,则系统的时钟频率也就越高,单片机的运行速度也就越快。为了提高温度稳定性,应采用温度稳定性能好的 NPO 高频电容。在本课题中晶振采用 11.0592MHz。 图 3.8 89C51 片内振荡器电路图 图 3.9 内部时钟方式电路图 ⑵复位电路 89C51的复位输入引脚RST (即RESET)为89C51提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行,即从程序存储器中的 0000H 地址单元开始执行程序。在 89C51 的时钟电路工作后,只要在 RST 引脚上出现两个机器周期以上的高电平时,单片机内部则初始复位。只要 RST 保持高电平,则 89C51 循环复位。只有当 RST 由高电平变成低电平以后,89C51 才从 0000H 地址开始执行程序。复位电路如图所示。 16 长春工业大学学士学位论文 C VCC RST 89C51 R1 R2 GND 图 3.10 单片机复位电路图 当 89C51 的 RST 引脚为高电平时,单片机复位。本系统采用的复位电路如图 3.10 所示,其复位可分为两种方式,即上电复位和手动按键复位。 在接通电源时,系统的复位为上电复位方式,复位电路是电容 C 和电阻 R2 组成的微分电路,此时电容 C 相当于被瞬间短路,RST 端输入为高电平,持续时间取决于电容的充电时间,而微分电路的时间常数=RC,选择 R2=1K?,C=22F 可以满 2 足 RST 引脚持续出现两个机器周期的正脉冲的需要。 当按键按下时,复位电路工作在按键复位方式,RST 端电压 VRST 为: R2VRST?VCC R1?R2 (3.1) 由于手动按键复位的按键时间,其电平一般都能使脉冲宽度维持 10ms以上,所以对单片机的 RST 端能持续提供高电平以确保单片机可靠的复位。本课题中为单片机提供的复位高电平约为+4.5V,经设计 R1=200?,R2=1K?, C=22F。单片机复位后,P0 到 P3 并行 I/O 口全为高电平,其它寄存器全部清零,只有 SBUF 寄存器状态不确定。 3.3 显示电路的设计 显示电路主要由 7407 集电极开路六正相高压驱动器和两位共阴极LED 构成,其中 7407 主要增加驱动 LED 的能力,显示由两个共阴极数码管来完成。本设计以 P0 作为码段输出口,P2 口的前两位作为位选口,以动态方式实时显示数据。 17 长春工业大学学士学位论文 3.3.1 7407 集电极开路六正相高压驱动器 六高压输出反相缓冲器/驱动器(OC,30V) 简要说明: 54/7406 为集电极开路输出的六组反相驱动器,其主要电特性的典型值如下 表 3.4 7406 电特性 1A6A 输入端 1Y6Y 输出端 3.11 双列直插封装 极限值: 电源电压:7V; 输入电压:5.5V; 输出截止态电压:30V; 工作环境温度:⑴5407??-55~125℃;⑵7407??0~70℃;⑶存储温度??-65~150℃ 功能表: Y=A 18 长春工业大学学士学位论文 工作原理: 集成运放有同相输入端和反相输入端,同向和反向是指运放输入电压和输出电压的相位关系。由于电路要求,应采用集成运放的反相输入端,输入电压 Ui 通过 R 作用到集成运放的反相输入端,所以会得到 Uo 与 Ui反相,同相输入端通过 R接地,R为补偿电阻,可以来保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。电路通过电阻 Rf 引入负反馈。因为数模转换器输出的是负电压,所以设置反相电路可以将其转换为正电压。在电路中7406 作为驱动芯片如图 3.12 所示。 图 3.12 7406 驱动芯片 3.3.1LED 显示器 LED 即发光二极管,它是由某些特殊的半导体材料制作成的 PN 结,由于参杂浓度很高,当正向偏置时,会产生大量的电子空穴,把多余的能释放变为光能。LED 显示器具有工作电压低、体积小、寿命长(约十万小时)、响应速度快,颜色丰富等特点,是智能仪器最常用的显示器。LED 的正向工作压降一般在 1.2V-2.6V,发光工 19 长春工业大学学士学位论文 作电流在 5mA -20mA,发光强度基本上与正向电流成正比,故电路须串联适当的限流电阻。 LED 显示器的发光管分别为 a、b、c、d、e、f、g、dp,通过八个发光 段的不同组合,可以显示 09 和 AF 等 16 个字母数字,从而可以实现十六进制整数和小数的显示。控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符。LED 显示器有共阳极和共阴极两种。LED 显示器有单个、七段、八段和点阵式等几种类型,本次设计采用八段式共阴极 LED,它的结构图如图所示。 3.13 显示部分 3.3.3 显示电路 共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连接在一起,通常叫做共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮,相应的段被显示。通常将控制发光二极管发光的 8 位字节数据编码称为 LED 显示的段选码,要构成多位 LED 显示时,除需要段选线外,还需要位选线,以确定段选码对应的显示位,位选线控制第几个 LED 显示,段选线则控制显示字符。 本课题所设计的显示部分电路图如图所示。 20 长春工业大学学士学位论文 图 3.14 LED 显示部分电路图 在多位 LED 显示时,为了简化电路,节省 I/O 口,降低成本,动态显示方案具备一定的实用性,也是目前单片机数码管显示较为常用的一种显示方法。本设计采用一个两位 LED 动态显示,在位选线和段选线的共同作用下,可以使各个显示器显示各自的字符,当然这些字符不是同时显示的,但由于人眼存在视觉暂留,加上发光二极管的余辉效应,由于扫描的速度足够快,每位显示的间隔时间足够短,就可以给人同时显示的感觉,而不 会有闪烁感,犹如同时显示一样。通过软件编程,先把所要显示的数据放入存储单元,然后把数据送入段选通对应的地址,再选通某一个 LED,逐步完成两个 LED 的显示。 3.4 键盘电路的设计 键盘也是微型机算机系统中最常用的人机对话输入设备。在单片机应用系统中,为了控制系统的工作状态,以及向系统输入数据,应用系统应设有按键或键盘。 常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。矩阵式键盘适用按键比较多的场合,它由行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上,它的特点是比较节省 I/O 端口;独立式按键就是各按键相互独立,每个按键各接一根输入线,一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此,通过检测输入线上的电平状态可以很容易判断哪个键被按下了。键盘也有工作方式之分:分别为程序扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式。本设计键盘电路如所示: 21 长春工业大学学士学位论文 图 3.15 键盘电路原理图 在本系统程序设计时,从按键被识别按下之后,通过延时避开干扰信号,由于系统要求按键每按下一次,命令被执行一次,直到下一次再按下的时候,再执行一次命令,从而按键被识别出来之后,我们就可以执行这次的命令,所以要有一个等待按键释放的过程,而这个释放的过程,就是使其恢复为高电平的状态。对于按键识别的指令,本设计选择指令 JB 来检 测按键是否为高电平,若为高电平,则按键抬起,否则继续执行程序。采用指令 JNB 来检测按键是否为低电平,若为低电平,则执行相应程序。 考虑到客车的实际要求,客车的实际装载乘客的人数默认值设置为 30人。所以本设计采用比较简单的独立式按键接口电路,用两个按键设置上限值,一个为人数加设置,一个为人数减设置,按键线路如图所示。无键按下时,P1.3 为高电平,有键按下时变为低电平,设置值加 1,同理 P1.4口作为减操作,P1.5 为高电平,有键按下时变为低电平,确定设置人数。 3.5 报警电路的设计 当客车内乘客人数超过预置数值时,超载监测系统将会发出声光报警。本课题采用蜂鸣器作为声报警的发生元件,采用红色发光二极管作为光报警的发生元件。其具体的电路图如图所示。 22 长春工业大学学士学位论文 图 3.16 蜂鸣器报警电路 当超载现象发生时,由单片机向 P1.0、P1.1 口发出低电平指令,经六向反相器 7406 后,驱动蜂鸣器、发光二极管工作,调用延时子程序使蜂鸣器发出 1KHZ 的音频信号,发光二极管实现一秒闪烁功能。当 P1.0、北京快3,P1.1口为高电平时,蜂鸣器不工作发光二极管不发光,即声光报警取消。 3.6 客车锁定电路的设计 当客车超载时,为了阻止客车超载行驶,常常采用切断客车发.动机的电子点火装置的方法。本课题中采用继电器元件,通过继电器的内部开关在常闭触点和常开触点之间的切换来实现这一功能。继电器电路图如图所 示。 图 3.17 继电器电路图 23 长春工业大学学士学位论文 本系统所采用的继电器为五脚,工作电压为+5V 直流电压,将单片机89C51 的 P2.6 口接继电器的控制端,继电器常开触点的输出端接红色发光二极管。发光二极管是用来识别继电器是否动作的光指示信号,当继电器内部开关吸合至常闭触点时红色二极管不发光,表示客车的启动装置可以正常运行;当客车超载时由单片机控制继电器动作,使内部开关置于常开触点,此时红色发光二极管亮,红色发光二极管点亮表示客车已被锁定无法正常运行。 3.7 供电电源电路的设计 电池放电时内阻稳定的增大,电压则稳定的减小, 而且接上大功率的负载时电压会瞬时降低, 不能用于提供固定的电压,对于各种 IC 芯片需要的稳定电压, 需要专门的稳压器件,或者稳压电路, 基本的稳压器有两种:线性(LDO)和开关(DCDC), 其中前者只能降压使用,而前者还可以升压使用而且效率很高。 控制芯片 89C51 的标准供电电压是 5V,可以选择使用线性电压调整芯片稳压,如: 7805:最大输出电流 1.5A,内部过热保护,内部短路电流限制,典型输入电压 7~20V, 输出电压 4.9~5.1V,静态电流典型值 4.2mA,压差(输出与输入的差)至少 2V。 78L05(电流较小):最大输出电流 100mA,内部过热保护,典型输入电压 7~20V, 输出电压 4.75~5.25V,静态电流典型值 3mA。 LM317(电压可调):输出电流可达 1.5A,输出电压 1.2V~37V,内部过热保护等。 选用 7805,一方面简单;另一方面比较常用且比较便宜。 LM7...