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nba直播智能型客车超载检测系统的设计

  智能型客车超载检测系统的设计_交通运输_工程科技_专业资料。河北农业大学 本 科 毕 业 论 文 (设 计 ) 设 题 目: 智能型客车超载检测系统的设计 学 院: 机电工程学院 电气工程及其自动化 0802 02 任治锝 张

  河北农业大学 本 科 毕 业 论 文 (设 计 ) 设 题 目: 智能型客车超载检测系统的设计 学 院: 机电工程学院 电气工程及其自动化 0802 02 任治锝 张曙光 教授 专业班级: 专业班级: 学 号: 学生姓名: 学生姓名: 指导教师姓名: 指导教师姓名: 姓名 指导教师职称: 指导教师职称: 职称 摘要 第 1 页 共 20 页 针对当前客车超载不断引发重大事故,设计了一种客车超载监控系统,本设计以 AT89C51 单片机为核心,通过光电传感器的检测数据转换成电流信号,然后由单片机对接 受的信号进行进一步的分析处理。如果客车超载了,扬声器先进行报警,而后由继电器切 断客车的打火装置,直到客车的载重量小于预定值时,扬声器报警信号停止,继电器恢复 对客车的启动装置,从而最终实现对超载现象进行相关控制。 关键词:客车超载系统检测,单片机,光电传感器。 Absract in view of the current coach overload continuously lead to major accident, design a kind of bus overload monitoring system, this design AT89C51, through the photoelectric sensor detection data convert current signal, and then by the monolithic integrated circuit to accept the signals further analysis processing. If the coach overload, the speaker to call the police, and then cut off the bus by relay strike device, until the bus load for less than the target value, the speaker alarm signal to stop, relay restore the start-up equipment on passenger cars, therefore, to reach the final of overloading phenomena are relevant control. Keywords: coach overload system detection, microcontroller, photoelectric sensor. 目录 第 2 页 共 20 页 1 绪论............................................................................................................................4 2 系统的整体结构........................................................................................................4 2.1 系统的组成.........................................................................................................4 2.2 系统的原理.........................................................................................................6 3 系统硬件的设计........................................................................................................6 3.1 系统硬件总体的组成.........................................................................................6 3.2 检测模块电路.....................................................................................................6 3.3 单片机模块电路................................................................................................11 3.4 控制模块电路....................................................................................................15 3.4.1 报警电路设计...........................................................................................15 3.4.2 继电器控制电路设计...............................................................................17 4 系统软件的设计.......................................................................................................17 4.1 系统软件的整体设计........................................................................................17 4.2 报警电路程序设计............................................................................................18 4.3 计数功能程序设计............................................................................................18 5 结语...........................................................................................................................19 谢辞..........................................................................................................................19 参考文献..................................................................................................................19 1 绪论 第 3 页 共 20 页 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,而于此相关的公路客运(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影响,也影响车辆本身和车辆的 驾驶、控制,容易引发事故,给国家和百姓带来重大的经济损失和感情伤害。目前,国家 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。虽然这在一定程度上减少了客车的超载现象,但在节假日和农忙等客流高峰期, 超载现象还是屡禁不止。因此,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。 何谓客车严重超载呢?一般地说,中型客车和大型客车载客超过核定人数 5 人以内的为 超载,超过核定人数 6 人以上的为严重超载。客车严重超载会带来一系列的不安全因素,如 制动效能变差、横向稳定性能变差、不利于安全防火等。 第一,制动效能变差。根据汽车 制动器热衰退的原理,有关人员对 BJl30 汽车试验资料显示,当制动蹄片温度高达 436~ 460℃时,其制动力矩下降为前轮只有正常温度时(200℃以内)的 23%,后轮只有正常温度时 的 27%。由此可知,严重超载的车辆(所有机动车)在下大、陡坡时连续使用制动后,会因制 动蹄片受热衰退的影响导致制动效能变差,制动距离延长,还会造成制动跑偏、侧滑,严重的 将会导致制动失效。 第二,横向稳定性能变差。汽车的横向稳定是指汽车在行驶转弯时抵 抗侧滑和侧翻的能力。这种能力是有限的,当汽车转弯或行驶中转向时.就出现一种离心力 而直接和横向稳定力相抵抗,如果发生离心力大于或等于横向稳定力的情况时,就会发生侧 滑或翻车。第三,严重破坏公路设施,增加公路维护费用,缩短公路使用寿命。根据专家 分析,车辆超限重量增加和其对路面的损害是呈几何数增长的,超限 10%的货车对道路的 损坏回增加 40%,一辆超限 2 倍的车辆行使一次,对公路的损害相当于不超限车辆行使 16 次;一辆 36 吨的超限车辆对道路的毁坏程度相当于 9600 车 1.8 吨重的小汽车对道路 的破坏。司机和车主超限运输每赢利 1 元钱,就会造成公路破坏 100 元代价。 本系统通过光电传感器对汽车的下压程度所转换的电信号,再转换成位移大小,从 而通过单片机的逻辑运算来计算出汽车的重量,并通过预先设置好的汽车载重的最大限度 来判断汽车是否超载。如果汽车超载,则报警系统先启动,随后再通过继电器切断汽车的 打火装置,使汽车无法启动,此时检测系统仍正常运行,当汽车的载重小于或等于汽车载 重的最大限度时,报警系统则关闭,同时继电器恢复汽车的打火装置。 2 系统的整体结构 2.1 系统的整体组成 本系统简单的来说由三个部分组成,前端的检测模块,单片机模块,控制模块。系统的总 体设计框架可由图 1 所示。 第 4 页 共 20 页 红外线) 双 D 触发 器组成 的互锁 电路 单片机 系统 继电器控 制电路 红外线) 扬声器报 警电路 图1 检测模块的主要功能是通过安装在汽车底盘上连接汽车轱辘的弹簧减震器上的 4 个光学传 感器检测汽车停止时上车人数对弹簧减震器的上下浮动程度,在转换成图像测量汽车的浮 动值。而单片机系统则主要通过汽车的浮动值转换成汽车的载重量,同时把分析的结果输 出给控制模块以实现对它的控制。当汽车超载时通过扬声器报警,并通过继电器对汽车进 行锁定。光学传感器的安装位置如图 2。 光学传 感器的 安装位 置 第 5 页 共 20 页 光源 缝隙板 弹簧轴 光敏元件 图2 2.2 系统的原理 系统由 4 组红外线发射接收对管来实现对汽车载重的检测。当客车停止时,4 组红外 线发射接收对管把收集到的上车人数的信息转换成电信号传递给单片机系统,也就是本系 统的中央处理单元,单片机系统实现把接收到的电信号频率转化成客车下压位移大小,并 判断汽车是否超载。如果汽车载重量小于或等于单片机预定的汽车载重量时,汽车可以正 常启动行驶;如果汽车的载重量大于预定的数量时,扬声器则开始报警,实现对人们的警 告,继电器切断汽车的打火装置,直到单片机经检测到汽车的载重量小于或等于预定的载 重量时,扬声器停止报警,继电器解除对汽车的打火装置的锁定。当客车启动时,则自动 停止对客车载重的检测。 3 系统硬件的设计 3.1 系统硬件的总体组成 系统硬件的总体组成 硬件电路的设计是整个系统设计的核心内容。 由系统的功能模块决定了本系统主要包 括三个部分的设计:检测模块的设计,单片机模块的设计,以及控制模块电路的设计。 3.2 检测模块电路 该部分的设计是采用 4 组红外线发射接收装置,安装在汽车的底盘上的适当位置,根 据停车时上下车人数对汽车弹簧轴的下压程度,使得红外线光源在照射光敏元件时转换成 电信号,即电流的大小传输到单片机中,通过单片机接受的光电流变化的频率来判断客车 第 6 页 共 20 页 的下压位移大小,并决定汽车是否超载,并将数据进一步传输到控制电路中。 检测模块的原理是根据光敏电阻的原理设计的。 光电传感器是利用光电效应将光信号 转换为电信号的装置,使用它测量非电量时,需要将这些非电量的变化转换成光信号的变 化。 光电传感器主要由发光元件、光学系统、光电接收元件和测量电路组成。 光电接受元件主要有光敏电阻、光电池、光敏晶体管、固态成像器件、光栅、光导纤维等。 光电传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点,故广泛用于各种 自动检测系统中。 外光电效应 爱因斯坦光电效应方程: 爱因斯坦光电效应方程: 式中第一项是电子逸出物体表面所需的功; 第二项是逸出物体表面的电子所具有的动 能。1 电子能否逸出物体表面取决于光子具有能量 hv 是否大于 A0,而 hv 只与光的频率 v 有关,否则光强再大也不会产生光电发射。2 如果产生了光电发射,在入射光频谱不变的 情况下,逸出的电子与光强成正比。光强愈强意味着入射的光子数目愈多,受轰击逸出物 体表面的电子数目愈多。 光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部 件。 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、 计算机和控制系统中, 应用非常广泛。 光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象 称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体 表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极 性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。 无光照时, 光敏电 阻值(暗电阻)很大, 电路中电流(暗电流)很小。 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值(亮电阻)急剧减少, 电路中电流迅速 增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏 电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。图 3 为光敏电阻的原理结构。它是 涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线 页 相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层 上覆盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。 图3 光敏电阻的基本特性 (1) 伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称 为光敏电阻的伏安特性。图 8 - 2 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由图可见, 光敏 硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 电阻在一定的电压范围内, 其 I-U 曲线为直线,说明其阻值与入射光量有关, 而与 电压、电流无关。 第 8 页 共 20 页 (2) 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为 光谱响应。 图 8 - 3 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长, 光敏电阻 的灵敏度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域, 常被用 作光度量测量(照度计)的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火 焰探测器的探头。 (3) 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度 和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图 8 - 4 为 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。 因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电阻,其温度影响要 小一些。 第 9 页 共 20 页 本课题运用的是红外线发射装置,所以用硫化铅做光敏电阻。 当汽车下压时,红外线在照射光敏电阻时光电流比较大,当弹簧轴上下移动时,其均 匀排列在弹簧轴上的小孔也随之上下移动,红外线光会有间歇的照射到光敏电阻上,致使 其光电流会不断的产生变化。大体示意图如下。 光电流/mA t 光电流每次从最大变小,再变大时,总共用了多少个周期,就证明经过多少个小孔。 每个相邻的小孔之间的距离是给定的已知的量,弹簧轴的弹性系数 K 为已知量,在根据胡 克定律 F=K*x,计算出每个弹簧轴的下压力,由于是 4 组红外线管控制,所以汽车的总体 载重量为 G=4F。检测电路如图 4。 第 10 页 共 20 页 图 3.3 单片机模块电路 单片机主要用来实现对检测模块传输的电路的频率,来检测汽车下压的程度大小,并 计算汽车的载重量。考虑到系统中的程序量和数据量较少,需要的 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, 所以在系统的设计中采 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 列的标准型单片机 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 系列单片机的所有优点。128X8 位内部 RAM,32 位双向输入输出线,两个双向十六位定时/计算器,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, 它可方便的应用在各种控制领域。 AT89C51 的主要性能有: 与 MCS-51 微控制器产品兼容; 4KB 可改编程序 FLASH 存储器; 第 11 页 共 20 页 (可经受 1000 次的写入/擦除周期) 全静态工作:0HZ—24MHZ; 三级存储器保密; 128X8 字节内部 RAM; 32 条可编程 I/O 线 位定时器/计数器; 6 个中断源; 可编程串行通道; 片内时钟振荡器; 空闲状态维持低功耗和掉线状态保存片内 RAM 中的内容。 管脚功能: AT89C51 单片机为 40 引脚芯片如图 5 所示。 图5 I/O 口线 页 P0 口是三态双向口,通称数据总线口。因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/ 写操作。P0 口也用以输出外部存储器的低 8 位地址。由于是分时输出。故应在外部加锁存 器将此地址数据锁存,地址锁存信号用 ALE。 P1 口是专门供用户使用的 I/O 口。是准双向口。 P2 口是从系统扩展是作高 8 位地址先用。不扩展外部存 处器时,P2 口也可以作为用户 I/O 口线 口也是准双向口。 P3 口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一 I/O 功能或第二 I/O 功能。作 为第一功能使用时操作同 P1 口。P3 口的第二功能如下表 1。 表1 P3 口的第二功能 第一功能标记 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 BXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WD RD 第二功能 串行输入口 串行输出口 外部中断 0 输入 外部中断 1 输入 定时/计数器 0 外部输入 定时/计数器 1 外部输入 外部数据存储器写选通 外部数据存储器读选通 (1) 控制口线:PSFN(片外取控制) 、ALE(地址锁存控制) 、EA(片外储存器选择) 、 RF-SFT(复位控制) ; (2) 电源及时钟:Vcc,Vss;XTAL1,XTAL2 本文采用如此高性能的单片机方便了以后的功能扩展,基本电路如下图所示。 第 13 页 共 20 页 3.4 控制模块电路 控制模块利用在单片机内预先设定汽车的最大载重量,当汽车的载重量超过预定值 第 14 页 共 20 页 时,单片机便通过继电器控制客车的电子打火装置,锁定客车执行机构,使客车无法启动, 并通过扬声器发出警告。 3.4.1 报警电路的设计 在报警电路中,由单片机传送过来的报警信号通过一个电路放大器来驱动扬声 器,其总体设计框架如图 6。 功 单 率 片 放 机 大 器 器 声 扬 图6 当单片机系统判断出客车超载时,将通过 P1.0 口输出 1KHz 的音频信号驱动扬声器,作为 报警信号,本电路中使用了音频放大集成芯片 LM386。电路图如图 7 所示。 图7 LM368 是专为低损耗电源所设计的功率放大器。它的内建增益为 20,透过 pin1 和 pin8 脚 位间电容的搭配,增益最高可达 200.LM368 可使用电池为供应电源,输入电压范围可由 4V~12V,无动作时仅消耗 4mA 电流,且失线 的街脚图及内部方块图如图 8、 第 15 页 共 20 页 图 9 所示。 图8 图9 3.4.2 继电器控制电路设计 对客车的锁定部分通过在点火线路中加一继电器控制开关来实现。 当打开启动开关 (即 点火开关)时,由于 P1.5 口处于低电平,所以继电器不动作,对客车正常工作没有影响。 当单片机判断出客车载重量超过预定的最大值时,将通过 P1.5 口输出一高电平,继电器工 作,从而使点火线路断开,无法启动。当客车的载重量小于等于预定的最大值时,单片机 系统再次送低电平到 P1.5 口,继电器又恢复到原来的状态,客车又可以正常的启动,从而 有效地限制了客车的超载行为。继电器电路中一般都要在继电器的线圈两头加一个二极管 第 16 页 共 20 页 以吸收继电器线圈断电时产生的反电势,防止干扰。 4 系统的软件设计 4.1 系统软件的整体设计 按整体方案的设计思想, 首先初始化系统, 包括设置堆栈指针、 设置定时器的最大值、 设置定时器的工作方式、设置中断允许控制。将通用寄存器清零,用来实现计数器从 0 开 始计数,nba直播其中一个单元存放预定客车的最大载重量所转换的最大位移,即光敏传感器传输 给单片机的光电流的浮动频率的最大值,然后将寄存器存放的当前的位移大小放入累加器 中,通过比较指令和单元的内容比较,判断当前客车的载重量是否达到预定的最大值,如 果当前客车载重量大于预定的最大值时,则跳转到报警指令,使扬声器报警,同时使继电 器动作,断开客车电子点火器;如果客车的载重量小于预定值时,则继续对客车载重量进 行判断。系统的程序框图如图 10。 开始 报警 系统初始化 否 送预定最大值到 30H 再次判断客车载 重量是否小于预 定值 送客车的实际载重 量到寄存器 是 清除报警 是 判断客车的载重 量是否小于预定 值 否 图 10 第 17 页 共 20 页 4.2 报警电路程序设计 该部分的主要功能是不断地查询单片机的报警控制位, 一旦有高电平输出, 通过 LM386 驱动扬声器对客车司机进行报警提示,以便及时限制超载。 4.3 计数功能程序设计 该部分程序的主要功能是将单片机检测到的电流信号的频率转化为定时器的计数功 能,使客车下压的位移变成电流信号的改变的次数,把每次电流信号由大到小的改变次数 送到 AT89C51 单片机的 STATUS 寄存器已进行加法计数,将实际的数据和预置在 W 寄存 器的上线数据(即客车的最大值)循环不断的进行查询比较,一旦大于预置的数据则扬声 器进行报警,并执行发动机锁定电路程序。 5 结语 论文设计的优点是采用了红外线发射器和光敏电阻接收器这一经济实惠的检测器件,并用 双 D 触发器组成的互锁电路来有效的防止外界的干扰,同时系统以 AT89C51 单片机为微 控制器为核心,由检测电路,报警电路,控制电路和系统软件构成,本文主要完成的工作 有: (1) 用红外线发射器和光敏电阻接收器来检测客车上下车人数对客车的下压位移大小。 (2) 检测的信号为光电流的大小变化次数,并传输到单片机中。 (3) 运用单片机的定时功能和中断检测功能,对单片机内部预先存放到寄存器的单片机 的最大中断点(即客车的最大载重量)和实际检测的数量进行比较,并将比较结果 第 18 页 共 20 页 传到控制电路中。 (4) 系统的扬声器在系统检测到超载时进行报警。 (5) 系统的继电器控制电路还可以在警告后切断客车的发动机。 (6) 在客车行驶中检测系统暂时关闭。 本文通过对客车下压位移大小的检测和计算,较好的完成了客车超载的预警提示。系统运 行稳定、可靠、快速、准确,具有抗干扰能力强、操作方便等优点。不过,由于时间和能 力有限,本智能检测系统还存在一些需要进一步研究和完善的地方,希望通过以后的不断 学习来进一步优化。 谢辞 由于个人的能力及水平有限,在本次设计过程中得到了张曙光老师的大力支持和帮助,对 论文的设计提出了许多有益的构思和意见。在此,特对张老师的严谨治学的态度和热心的 帮助表示衷心的感谢。 参考文献 【1】 蔡振江.单片机原理及应用.电子工业出版社,2009. 【2】 孙炳达.自动控制原理,2010. 【3】 陈永甫.红外探测与控制电路,北京:人民邮电出版社,2004. 【4】 肖景和赵健.红外线热释电与超声波遥控电路,北京:人民邮电出版社. 【5】 李广弟.朱月秀,王秀山.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社. 【6】 沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析.北京:北京航空航天大学出版社. 【7】 王仲生.智能检测与控制技术.西安:西安工业大学出版社,2002. 【8】 吴基安.汽车电子装置图解检修手册.北京:人民邮电出版社,2001. 【9】 张福学.传感器应用及其电路精选.北京:电子工业出版社,nba直播。1992. 【10】雷淑英,尹绍宏.单片机控制的数据采集系统.天津轻工业学院学报,2001 【11】李秉操,张登举.单片机接口技术及在工业控制中的应用.陕西电子编辑部.1991. 【12】王忠飞,计时鸣.MCS-51 单片机原理嵌入式系统应用,2007. 【13】ATMEL.B bit Microcontroller with 4k Bytes C M 1985 Flash AT89C51.2000 Field Programmable 【14】Van den Ei jndlen P M logic A Couse on 【15】李伯成.单片机及嵌入式系统.清华大学出版社,2004. 【16】蒋维.车辆超载.限度报警系统的研究.电子工程师.2004. 第 19 页 共 20 页 【17】李荣正,陈学车.plc 单片机原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社.2006. 【18】王恒升.车辆自动检测装置的研究.自动化和仪表,1997. 【19】谢利理,李玉思,西北工业大学自动控制系,陕西 西安 【20】张洪润,蓝清华等,单片机应用技术教程,清华大学出版社,1998. 第 20 页 共 20 页