智能型客车超载检测系统的设计(共26页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上学士学位论文（设计）题 目： 智能型客车超载检测系统的设计 姓 名： 李 航 学 号： 学 院： 工 学 院 专业/届别: 电气工程及其自动化（工业电气）/2014届 指导教师： 付 东 辉 职 称： 副 教 授 表1 牡丹江师范学院学士学位论文（设计）选 题 论 证 报 告姓 名李航专 业/年 级电气工程及其自动化（工业电气）/2010级题 目智能型客车超载检测系统的设计选题的目的和意义通过对客车超载系统的设计，掌握检测系统的原理，将所学理论和社会实践初步结合。实现对客车载客人数的检测、分析处理以及结果显示。本系统通过红外线发射接收对管来实现对人数的检测，以判断客车

2、是否超载，如果超载，可通过扬声器报警发出警告，同时通过继电器控制电路对发动机进行锁定以抑制事故的发生，减少国家和人民群众的损失和伤害。研究内容与方法主要研究内容：通过对当前客车超载产生危害的分析，完成智能型客车超载检测系统的设计。主要研究方法：1. 分析实践法：根据文献资料了解研究对象，分析整个系统的需求，科学进行实践配置。2. 数据辩证法：通过实际操作，记录运行过程中的错误，进行研究辩证。3. 调查研究法：通过考察了解客观情况直接获取有关材料，并对这些材料进行分析的研究方法。研究进度安排第一阶段 2013年6月20日 论文开题第二阶段 2013年10月5日 完成论文提纲第三阶段 2013年1

3、2月19日 完成论文一稿第四阶段 2013年12月19日 中期检查第五阶段 2013年12月25日 完成论文二稿第六阶段 2014年4月15日 完成论文三稿第七阶段 2014年4月21日 论文答辩指导教师意见：指导教师（签名）： 年 月 日开题报告专家论证意见：专家组长（签名）： 年 月 日专心-专注-专业摘 要对于客车的超载经常造成重大事故，设计了一种智能型客车超载检测系统。本系统所用的核心为AT89S51单片机。以红外线发射和接收装置检测客车的载客人数，进而由单片机对所检测的数据进行处理分析，同时LED会显示出检测的结果，如果客车已超载，扬声器先报警，然后由继电器将汽车的打火装置切断，最终

4、实现超载情况的相关控制。关键词: 客车超载监测系统；红外线发射和接收装置；单片机AbstractAccording to the overloading of the current bus causing the major accident，the paper designs a kind of monitoring system about the bus overloading. The designing is at the core of AT89S51 single-chip. This designing detects the number of passengers on

5、bus by Fired infra-red receiver，and then it analyses detected data through the single-chip，as the same time LED will displayed detected results. If the bus overloads， the speaker will alarms，and then the relay will cuts off the brand devices on bus，finally it achieves the related control of overload

6、ing.Keywords: Carriage overload monitor system ; Infrared sensor ; MCU目 录1 引言近年来，人民生活水平逐渐提高，导致旅游、探亲、打工的人数越来越多，尤其是在节假日期间，然而，客车运力却没有得到相应的增加，致使超载现象不断出现。到目前，它已经是一个严重影响社会经济可持续发展和交通运输环境的社会问题。客车超载给国家的客运市场和公路设施造成了不良的影响，也对车辆的驾驶和控制产生影响，容易造成交通事故。为此，国家颁布了一系列的法律法规来制止超载，各地政府针对客车超载也制定了相关的制度进行管理。虽然这一定程度上减轻了客车超载现象，但

7、在农忙和节假日等客流量高峰期，超载现象仍然很多。因此，在采取监督管理的同时，通过科技的手段来减少客车超载也有着非常重要的意义。什么是客车超载呢？一般来说，大中型客车载客人数超过规定人数5人以内为超载，超过规定人数6人以上的是严重超载。客车的严重超载会带来很多不安全的因素，例如制动功效变差、横向稳定性变差、破坏公路设施等。 第一，制动功效变差。通过汽车的制动器热衰退原理我们知道，当制动蹄片的温度高达436460时，汽车的制动力矩便会下降为前轮正常温度时的23，后轮为正常温度时的27。超载严重的车辆在下陡坡时制动后，会由于制动蹄片受热衰退造成制动功效变差，制动距离增加，还会导致制动侧滑、跑偏，甚至

8、导致制动失效。第二，横向稳定性变差。横向稳定是指汽车转弯时防止侧滑和侧翻的性能。这种性能是有限的，汽车在转弯或行驶的过程中转弯时。就会有一种离心力出现而直接抵抗横向稳定力，如果离心力大于等于横向稳定力时，就容易发生侧滑或侧翻。第三，破坏公路设施，会使公路的维护费用增加、公路的使用寿命缩短。车辆超载和它对路面的伤害是成正比的，超载10%的车辆对公路损坏会增加40%。本系统对人数的检测是用红外线发射和接收对管实现的，再由单片机组成的中央处理单元分析客车的人数，来判断客车当前是否超载，如果超载，系统通过扬声器发出警告，并通过继电器锁定发动机避免发生事故，使国家和人民群众的损失和伤害降低。2 系统的整

9、体结构2.1 系统的组成本系统的组成分为三个部分，检测模块、单片机模块和控制模块。系统的总体设计框架可由图2-1所示。检测模块的功能是运用两组红外线发射和接收对管来统计上车和下车的人数。单片机系统的功能是分析处理车上乘客的人数，与此同时把分析后得出的结果输出到控制模块来实现对其的控制。LED显示模块显示当前的乘客人数，当客车超载时系统进行扬声器报警，并通过继电器锁定客车。红外线发射接收对管（1）红外线发射接收对管（2）双D触发器组成的互锁电路单 片 机 系 统片机系统数码管显示电路继电器控制电路扬声器报警电路图2-1 系统设计框图Figure 2-1 Diagram of the system

10、 design2.2 系统的原理系统对上车人员的检测是由两组红外线发射和接收对管来实现的。红外线发射和接收对管传递给单片机系统收集到的信息，由单片机系统对人数进行加计数和减计数，并且把它们转化为BCD码由LED数码管加以显示。与此同时，单片机系统还可以通过比较指令同预先设定的内容相比较，来判断当前车内的人数是否已达到预定人数，若当前车内的人数小于预定人数，则对车内的人数继续进行判断，反之，扬声器报警启动，对人们进行警告，如果数分钟后人数仍然大于预定的人数则由继电器控制电路锁定汽车发电机，若人数减少至小于预定人数时，系统则停止锁定汽车发动机，使汽车可以继续运行。3 系统硬件的设计3.1 系统硬件

11、总体的组成硬件电路的设计是本系统设计的核心工作。系统功能模块决定了本设计包括三个部分：检测模块的设计、单片机模块的设计和控制模块的设计。3.2 检测模块电路该部分选用两组红外线发射和接收对管，在客车车门处适当位置安装，根据乘客经过汽车车门时遮挡两个红外线发射和接收对管发出红外线不同的时序，用单片机来判断乘客上车或是下车。该部分硬件电路设计的电路图如图3-1。图3-1 检测电路模块Figure 3-1 Detection circuit module在图3-1所示的电路中，F1AF4A是由CMOS集成的反相放大器CD4069的放大滤波电路；ICA是由CD4013组成的CMOS双D触发器，Y1A、

12、Y2A则是CD4081的四个2输入端与门，它们与CD4069输出的信号进行运算，然后在Y1A和Y2A的输出端输出适合的电平信号，把它们分别送至AT89S51单片机的T0和T1（计数器0和1的时钟输入端）。如图3-2E1E2人，两个传感器（E1和E2）之间要存在一定距离（30cm50cm），当没有人经过传感器时，红外线二极管发出的光线照射不到光敏三极管上，给单片机的一直是保持不变的低电平信号，系统不会计数。有人上车时，E1先被遮挡住，与E1相对应的红外线二级管发出的光则照射在人的身上，反射到光敏三极管上，故电路中的A1端发出一个高电平信号，经放大滤波、逻辑运算，最后在A3输出一个低电平信号。继而

13、E1和E2都被遮挡，然后是撤离E1遮挡住E2，最后离开。由以上可知在整个过程中A3点的电平是高低变化的，即一个上车脉冲信号，送至单片机的STATUS寄存器进行加计数，而B3的输出状态是不变的。具体的检测方法和脉冲产生的时序如图3-3所示。图3-2 人的走动方向Figure 3-2 People walking directionA11B1A3B3图3-3 各点时序波图Figure 3-3 Each point sequential porto同时人上车时各点的逻辑关系如表3-1所示。表3-1 人上车时各点逻辑关系Table 3-1 Each point when people get on t

14、he bus logic relationship传感器工作状态A1B1A2B2A3B31无人上车0000002遮挡E11010003遮挡E1，E21111104遮挡E20101005人离去000000当人下车时则是把之前遮挡的顺序刚好反过来，B3点的脉冲是相反的，信号送至单片机的STATUS寄存器进行减计数，单片机即可通过内部程序计算出车厢内的实际人数并存储于寄存器中。红外线传感器是指能够发射和接收红外线的机器或器件。根据其机理不同可以分为主动型红外线传感器和被动型红外线传感器。其中主动型红外线传感器，包括红外发射传感器和红外接收传感器，两种传感器配套使用可以组成一套完整的红外线遥控、检测系

15、统，此类传感器也被称为光探测传感器，本设计使用红外发射二极管和红外接收三极管来检测和判断客车当前的载客人数。CD4013是CMOS双D触发器，在它的内部集成了两个性能相同、引脚独立的D触发器，采用14引脚双排直插塑料封装，在目前来看，是开发和设计电子电路的常用器件，使用很是灵活方便且容易掌握，受到电子爱好者的一致喜爱。CD4013管脚的排列如图3-4所示，其内部有两个相同的D触发器FF1和FF2。图中，CP为时钟脉冲输入端，D为数据输入端，Q和Q为一对互补的输出端，R为复位端，S为置位端，Vpp和Vss分别为电源正负端。 图3-4 CD4013管脚Figure 3-4 CD4013 pinCD

16、4013的功能如表3-2所示，由表可知，当R=S=0时，在CP上升沿的作用下，Q端与D端的状态相同，即Qn+1=D，也就是将D端数据置入触发器。当R=0、S=1时，Q=1；当R=1、S=0时，Q=0，叫做直接置1和置0，无需CP和D的配合。一般情况下不允许在R、S两端同时加上高电平，因为这时高电平会同时出现在触发器的两个输出端，这是不正常的工作状态。 表3-2 CD4013的功能表Table 3-2 CD4013 function tableCPD R S Qn+1XX0 0 0 01 0 0 1x 0 0 Qnx 1 0 0x 0 1 1CD4013有四种基本方式，即数据锁存器、无稳态工作方

17、式、单稳态工作方式和双稳态工作方式。3.3 单片机模块电路单片机模块用于对上下车人数的加减计数。单片机模块的设计中，由于系统的数据量和程序量较少，需要的I/O口相对来说也较少，对于系统的需求,ATMEL公司的AT89S51芯片的资源能够很好的满足，所以在本系统设计中使用MCS-51系列单片机AT89S51芯片的最小系统。AT89S51是一种高性能、低功耗的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ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术和CMOS工艺，而且它的指令系统和输出引脚都与MCS-51兼容。此外，AT89S51具有着MCS-

18、51系列单片机的一切优点。内部128位RAM、32位双向输入输出线、两个十六位定时/计时器、两级中断优先级、5个中断源、一个全双工异步串行口及时钟发生器等。片内的可编程可擦除只读存储器允许在系统内改变程序或采用常规的非易失性存储器来编程。所以AT89S51是一种灵活性高、功能强而且经济实惠的单片机，它可以在各种控制领域方便地应用。AT89S51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; 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； 2个16位定时器/计数器； 6个中断源； 可编程串行通道； 片内

19、时钟振荡器；管脚功能：AT89S51的40引脚图如图3-5所示图3-5 AT89S51引脚Figure 3-5 AT89S51 pin1) I/0口线：P0、P1、P2、P3共四个八位口；P0口为三态双向口，也称为数据总线口。因为只有它能直接用于外部存储器的读/写操作，来输出来自外部存储器低8位的地址。因为是分时输出，故应该在外部安装锁存器锁存该地址的数据，ALE用于地址锁存信号。P1口是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。P2口用于系统扩展时作为高8位地址线。如果不扩展外部存储器，P2口也可作为用户I/O口线来使用，P2口也是准双向口。P3口是双功能口，每一位都可以独立地定义为第一I/O功

20、能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作与P1口相同。P3口的第二功能如表3-3。 表3-3 P3口的第二功能Table 3-3 The second function P3 mouth2)控制口线：PSFN(片外取控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外储器选择)、RF-SFT(复位控制)；3)电源和时钟：Ccc、Vss；XTAL1，XTAL2本系统选用高性能的单片机方便了扩展功能，基本电路如图3-6所示。 图3-6 单片机基本电路Figure 3-6 Basic circuit of single chip microcomputer3.4 控制模块电路在单片机内，控制模块根据预先设定

21、的载客人数，如果上车人数超过了设定值，单片机就用继电器来控制汽车的打火器，锁定汽车执行机构，使无法启动，当前人数会通过LED 显示，并通过扬声器报警。3.4.1 数码管显示电路设计数码管电路的设计中，将待显示的数据转化为BCD码输出，通过共阴极数码管译码驱动器74LS48将BCD码转换成七段码送给数码管显示。显示电路如图3-7所示。 图3-7 显示电路Figure 3-7 Display circuit74LS48为38线的译码器，译码器输入端A、B、C分别接单片机的P1.0，P1.1，P1.2，译码器输出端Y0Y7接8个数码管从低位到高位的共阴极端。电路中需显示的数字通过串行口P1送到74L

22、S48，把单片机输送过来的BCD码，转换成高低电平，通过Y0Y7送给LED显示器，不同电平会顺序地控制七个数码管的亮与灭，然后显示出不同数字，如果检测电路检测到有5个人上车，单片机会输送一个显示0的数据给第一个74LS48，同时送去一个显示5的数据给第二个74LS48，这样总体显示为“05”的字样，当系统检测到有16个人上车时，单片机输送显示1的数据给第一个74LS48，同时送去显示6的数据给第二个74LS48，这样总体显示“16”的字样。LED显示器都是多个发光二极管经过组合而成的。段式LED显示器的应用最为广泛，它是一种可靠性高、成本低，稳定性高的显示器，亮度也很高，使用寿命比较长；点阵L

23、ED显示器作为户外文字信息和广告牌也被普遍使用。但LED显示器功率消耗大，易发热，相对来说体积较大。LED显示器是由LED组成的，当其中一个LED导通时，此LED表示的点或段就会被点亮，单片机控制的多个不同点或段的亮或灭，从而显示出不同的字符或数码。常用段式的LED显示器包括“七段”结构LED显示器和“米字”结构LED显示器。它们有共阴极和共阳极两种结构，其中，共阳极LED显示器内部所有发光二极管的阳极连接在一起，而所有发光二极管的阴极各自独立。共阴极LED显示器的内部所有发光二极管的阴极连在一起，而所有发光二极管的阳极各自独立，段式LED显示器的控制方式分为动态显示控制和静态显示控制两种。动

24、态显示控制，就是多位显示器依次扫描，任意的时刻只有某显示器是亮的，而其他的都不亮，一位亮一定时间后转向另一位。这种动态依次扫描多位LED显示器的方式会使显示位“闪烁”，但是，适度调整扫描速度，利用人的视觉暂留，使人的眼睛看起来“不闪烁”。 静态显示控制方式比动态扫描LED显示器方式的电路复杂一些，动态扫描LED显示器的亮度和扫描频率有关，另外，还和各段的导通电流有关。静态显示控制，就是如果一个LED显示器显示出某字符，控制码就控制相应的LED段使其处于恒定的导通状态，静态显示控制在电路上需要把控制码锁存在LED显示器的各段输入引脚，如果LED显示器有多位，每位都需要一个8位的锁存器，AT89S

25、51单片机只在需要更改显示器所显示的内容时，才重新锁存在8位锁存器中以新的控制码。静态显示控制的LED显示器的亮度与各段的导通电流大小有关，静态控制在显示时是比较稳定的。3.4.2 报警电路设计在报警电路中，单片机传送过来的报警信号通过功率放大器来驱动扬声器，它的总体设计如图3-8所示。单片机扬声器功率放大器图3-8 报警电路框图Figure 3-8 Alarm circuit diagram当系统检测出客车上的人员数量超过设定值时，将通过P1.0口输出的1KHz的音频信号驱动扬声器，发出报警信号，本设计采用了音频放大集成芯片LM386，报警电路如图3-9所示。图3-9 报警电路Figure

26、3-9 Alarm circuitLM386是特意为低损耗电源设计的功率放大器。供应电源可使用电池，输入电压范围为4V12V，无动作时只消耗4mA电流，失真低。LM386的内部方块图及接脚图如图3-10、图3-11所示。 图3-10 接脚图Figure 3-10 Feet figure 图3-11 内部方块图Figure 3-11 Internal block diagram3.4.3 继电器控制电路设计汽车锁定的实现要通过在点火线路中所加的继电器开关。当启动开关打开（即点火开关）时， P1.5口处于低电平，因此继电器不动作，对客车的正常工作没有影响。当系统检测出车上人员数量超出设定值时，将通

27、过P1.5口输出一个高电平，使继电器工作，进而断开点火线路，使汽车无法启动。当车内人数变化至设定人数以下时，系统将再次输送低电平到P1.5，继电器就会恢复至原有的状态，客车又可以正常启动，进而有效地抵制了客车的超载。继电器电路通常都要在继电器线圈两头加上一个二极管来吸收继电器线圈断电时产生的反电动势，防止受到干扰。 4 系统软件的设计4.1系统软件的整体设计根据整体方案的思想，系统的程序框图如图4-1所示。首先进行系统的初始化，包括设置定时器计数初值、设置堆栈指针、设置定时器的工作方式、设置中断允许控制。把通用寄存器清零，以存放车上目前的人数，一个单元存放设定客车能搭载的最大乘客数，继而把寄存

28、器存放的目前车内人数存至累加器中，通过比较指令和单元的内容相比较，判断当前车内的人数是否已到达预定的人数，如果当前车内人数小于预定人数，则继续对车内人数进行判断，如果当前车内的人数大于预定的人数，则跳转至报警指令，扬声器报警，同时继电器动作，汽车点火器断开。图4-1 程序框图Figure 4-1 Program block diagram同时，程序还可以实时显示车内的人数。系统循环判断当前车内的人数，当车内的人数小于设定人数时，随时清除报警程序，使继电器的常闭触头闭合，可使客车能够再次正常启动。在显示子程序中，主要使外部中断所产生的计数值由十六进制转化为8 位的BCD 码，继而显示数据。4.2

29、 计数功能程序设计这部分程序的功能是把传感器检测到的两路上下车信号送至AT98S51单片机STATUS寄存器来进行加和减计数，将实时数量和设定在W寄存器的上限人数（40人）循环不断地进行比较和查询，一旦等于40就发出报警信号进行报警，大于40则执行程序, 锁定发动机电路。4.3 LED显示电路的程序设计该部分程序的功能是对单片机的显示位加以查询，使数码管的高位和低位能够不间断地刷新，用来实时显示客车上的乘客人数。4.4 报警电路程序设计该部分的功能是一直查询单片机的报警控制位，一旦有高电平输出，系统通过LM386驱动扬声器报警提示客车司机，来及时防止超载现象的发生。 5 结论该论文设计的特点是

30、使用了红外线发射接收器这一经济实惠的检测器件，并采用双D触发器组成的互锁电路来抵御来自外界的干扰，与此同时，系统的核心是AT89S51单片机微控制器，由检测电路、控制电路、显示电路、报警电路、和系统软件构成，本设计完成的工作主要有：(1)采用红外线检测上下车人数。(2)使检测和输出的信号不失真地反映到显示器。(3)系统采用的红外线发射接收器可以实时、连续地在线监测、显示。(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发出后切断汽车的发动机电路。本设计通过检测和计算客车的人数，较好地完成了客车超载的提示预警。系统的运行可靠、稳定、准确、快速，结果能够实时显示

31、，并具有抗干扰能力强、操作方便等优点。但因为时间和个人能力有限，本智能型检测系统尚存在一些需要完善和进一步研究的地方，希望通过以后的学习来提升。参考文献1 陈永甫. 红外探测与控制电路M.北京:人民邮电出版社.2004.2 肖景，赵健. 红外线热释电与超声波遥控电路M.北京:人民邮电出版社. 2003.3 李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础M.北京:北京航空航天大学出版社.2001.4 沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析M.北京:北京航空航天大学出版社.2003.5 王仲生. 智能监测与控制技术M.西安:西北工业大学出版社.2002.6 吴基安. 汽车电子装置图解检修手册M.北京:人民邮电出

32、版社.2001.7 张福学. 传感器应用及其电路精选M.北京:电子工业出版社.1992.8 雷淑英，尹绍宏. 单片机控制的数据采集系统J.大津轻工业学院学报.20019 李秉操，张登举.单片机接口技术及在工业控制中的应用J.陕西电子编辑部.199110 王忠飞，计时鸣.MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用M.200711 Li Qian.ATMEL.B-bit Microcontroller with 4K Bytes Flash AT89S51.200012 李伯成. 单片机及嵌入式系统M.清华大学出版社.200413 蒋维. 车辆超载、限速报警系统的研究J.电子工程师.200414 李荣

33、正，陈学军. PIC单片机原理及应用M.北京航空航天大学出版社.2006.15 王恒升. 车辆自动检测装置的研究J.自动化和仪表.199716 谢利理，李玉忍. :西北工业大学自动控制系M，陕西西安出版社.199817 张洪润，蓝清华等.单片机应用技术教程M.清华大学出版社.199818 Zhang Ling, Electronical TechniqueM.200019 Wu Xia, Xu Hua, LI Qing. A method of measuring low rotation speeds based on 89S51 single-chipJ. Journal of China

34、 Institute of Metrology.2000致谢本设计在选题及进行过程中得到付东辉老师的悉心指导。论文行文过程中，付老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想要放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。在此，对老师热心的帮助表示衷心的感谢。并对参加此次论文答辩的各位老师提出的宝贵意见表示由衷的感谢。独创性声明本人郑重声明： 所呈交的学士学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日表2牡丹江师范学院学士学位论文（设计）成绩评定表姓 名李航专 业/年 级电气工程及其自动化/2010题 目智能型客车超载检测系统的设计指导教师意见 指导教师（签名）： 年 月 日答辩评审意见答辩小组组长（签名）： 年 月 日 指导教师评阅成绩（50%）答辩小组评定成绩（50%）最终成绩论文等级二级学院领导（签名） 年 月 日