基于单片机的汽车行驶状态记录仪的设计doc.docx
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基于单片机的汽车行驶状态记录仪的设计doc
基于STC90C51的汽车行驶状态记录仪的设计
摘要:
随着汽车制造模块化、平台化技术的飞速发展,汽车普及率逐年升高,汽车在人们的整个社会生活中扮演着越来越重要的角色。
然而随着汽车保有量的逐年升高,道路交通事故的数量也随之上涨,因此汽车的主动及被动安全装置倍受人们重视。
本毕业设计主要通过NEO-6M芯片收集GPS卫星的数据来获取车辆的行驶状态信息,采用STC90C51作为主芯片解析数据并处理所获取的信息,通过LCD1602液晶屏显示状态信息,通过LED灯和蜂鸣器来传达警告信息。
本设计被称为汽车行驶状态记录仪,可以让汽车驾驶员获取实时行驶状态信息,如实时时间、地理坐标、实时速率、行驶方向等。
于此同时,能够将这些信息实时循环存储到EEPROM芯片AT24C02中,方便随时调用。
这些信息在发生事故后可以调取出来,作为证据保障受害人权益。
汽车行驶状态记录仪,又被称为汽车黑匣子,也是一个主动安全装置,当汽车超速时可以通过LED灯和蜂鸣器向驾驶员发出警告。
关键词:
STC90C51;汽车行驶状态记录仪;GPS;NEO-6M;汽车黑匣子
DesignofDrivingStateRecorderBasedonSTC90C51
Abstract:
With the rapid development ofmodularizationofautomobilemanufacturing,prevalenceofautomobileshasbeenincreasedyearbyyear.Inthewholehumansociallifeautomobileplaysamoreandmoreimportantrole.However,thequantityofroadtrafficaccidenthasbeenrisenlargerandlargeralongwiththeincreaseofthenumberofvehicleholdings.Forthisreason,activeandpassivesafetydevicesofcarhavebeenattachedgreatimportance。
CollectingdatafromGPSsatellitesbythechipcalledNEO-6M,thisgraduationdesignwiththeMCUcalledSTC90C51whichcananalyzeandprocessdata,cangetthedrivingstateinformationofthecar.ItdisplaysdrivingstateinformationbyLCD1602andconveyswarninginformationbyLEDlightandbuzzer.
Driverscangetreal-timedrivingstateinformationbythisgraduationdesigncalleddrivingstaterecorder,suchastherealtime,geographicalcoordinate,real-timespeed,drivingdirectionandsoon.Atthesametime,itcanstoretheseinformationintoEEPROMchipcalledAT24C02intime,whichmakesitconvenienttocallatanytime.Intheeventoftrafficaccidents,itcanalsogetrecordinginformationobtainingfromtherecorderfortrafficaccident’sevidence,safeguardtherightsofthevictims.GivingawarningtothedriverbyLEDlightandbuzzerwhenitisoverspeed,drivingstaterecorderalsoknownasautomobileblackboxisalsoanactivesafetydevice.
Keywords:
STC90C51;DrivingStateRecorder;GPS;NEO-6M;AutomobileBlackBox
引言
汽车是人类现代化文明发展的标志之一,自从1886年第一辆内燃机汽车问世以来,经过一百余年的发展,汽车已经成为现代化运输的重要工具之一,是各类高科技产业争相应用的强大载体,是科学技术水平和工业制造水平的重要标志。
随着汽车制造平台化、模块化技术的飞速发展,汽车的生产周期和生产成本大幅度地降低,同时售价也变得更加亲民化,这使得汽车保有量呈现出长期大幅度的增长趋势。
然而随着汽车保有量的逐年升高,道路交通事故的数量也随之上涨,交通事故中因为缺乏汽车行驶状态等证据而引起的纠纷更是层出不穷。
因此,汽车的主动及被动安全装置备受人们的重视。
所谓主动安全装置就是指在汽车行驶中,能够主动预防交通事故的发生,比如超速提醒装置。
本人也是一名持有C1驾驶执照的司机,在这几年的驾驶经历中,发现大部分小轿车的仪表盘只有实时的速率而并没有超速提醒功能,在国内大部分高速公路的最高限速都是120km/h,然而在开车过程中不可能一直盯着仪表盘看有没有超速,此时超速提醒装置显得就尤为重要。
这一装置可以通过灯光和声音的警告,提醒驾驶员减速慢行,同时又可以不让驾驶员分神。
被动安全装置是指在汽车发生不可避免的交通事故后,能够尽可能地减少受害者的损失或者能够及时保障受害者权益的安全配置。
近年来,通过电视报道我们经常看到有一些交通事故的纠纷完全就是因为缺乏有力的证据造成的。
在没有证据的情况下,受害者更是百口莫辩。
因此,汽车上也需要一款类似飞机黑匣子的装置,能够记录汽车行驶的状态信息,并保存下来以便随时调用,这些信息在发生交通事故后能够作为有力的证据来保障受害者的权益,尽可能地减少受害者的损失。
汽车行驶状态记录仪,又被形象地称为汽车黑匣子,既是一款主动安全装置又是一款被动安全设备,到目前为止并没有被广大汽车生产厂家作为一项标准配置安装到汽车上。
因此,研究和设计一款实用且性价比高的汽车行驶状态记录仪是十分必要的。
第一章绪论
随着我国经济和科技水平不断提高,我国的汽车普及率呈现出长期高速的增长趋势。
然而由于法律法规不健全和人们安全意识薄弱等各方面原因使得汽车行驶状态记录仪在我国没有得到大面积的普及,使得道路交通事故纠纷案件频发,特别是一些营运车辆比如长途大巴和大型载货车辆。
行车状态记录仪的推广和普及可以从源头遏制一些交通违章行为,同时也可以为道路交通事故的分析鉴定提供依据,为解决事故纠纷提供有力证据,有效保障人民生命财产安全。
1.1汽车行驶状态记录仪的简介
汽车行驶状态记录仪,又被称为汽车工作信息记录仪、汽车黑匣子、汽车综合信息记录仪,它能够通过显示屏实时显示汽车的行驶速率,行驶方向,实时地理坐标等状态信息,并且能够将这些信息以时间先后顺序为基准储存起来,实现全程记录和监控汽车的行驶状态。
这些状态信息通过计算机处理后,计算机软件可将汽车的行驶的轨迹准确且完整地再现。
同时它还是一个主动的安全装置,当汽车超速时,它能够通过LED灯和蜂鸣器来提醒驾驶员减速慢行。
汽车黑匣子主要由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括电路板,主控芯片,定位模块芯片,存储模块芯片,液晶显示屏等,软件部分则是硬件部分的驱动,包括了数据接收部分,数据处理部分,数显部分和存储部分等。
由于汽车黑匣子要保证在发生任何类型的交通事故后数据的完整,因此汽车行驶状态记录仪往往需要一个坚固的外壳保护,故它又被称为BlackBox。
同时,为了能够更有效地接收定位数据,GPS汽车行驶状态记录仪一般设有外置天线。
1.2研究背景及意义
在汽车工业起步早发展快的日本、欧美等西方国家,行车状态记录仪的使用可以追溯到20世纪70年代,主要以立法的形式强制汽车生产厂家将其设置为汽车出厂的标准装置。
国内的汽车业从20世纪80年代开始蓬勃发展,当时由于国内相关法律法规不严格以及人们的安全意识薄弱,造成部分合资车企为了降低成本而直接删减了汽车黑匣子这项标准配置。
近年来,我国经济水平不断提升,人民生活质量随之提高,私家车开始走进家家户户,乘坐长途大巴出行也变得十分便捷。
然而随之而来的却是交通事故频发,事故纠纷案件数量逐年增加等问题。
着其中不乏长途客运大巴与大货车所发生的特别重大道路交通事故,给国家和人民生命财产带来了巨大的损失。
如果所有汽车上都装有行驶状态记录仪的话,不仅可以预防一些因为超速等违章行为造成的灾难,而且还能够通过事故数据分析事故原因,再通过“大数据”进一步分析某些典型的事故原因,反馈给汽车生产厂家或者公路管理部门,这样一来将会形成一个良性的循环,从最大程度上减少道路交通事故的发生。
1.3发展现状和研究方向
1.3.1国外汽车行驶状态记录仪的发展状况
20世纪20年代,在汽车产业的发祥地欧洲,第一台车载行驶状态记录仪诞生了,当时还只能记录速度这一个状态信息。
随着汽车工业的大发展,第一台纸盘式行车记录仪于1934年在德国诞生。
纸盘式行车记录仪在经过近20年的发展后,在1953年德国通过立法强制载重8吨以上的运输车辆安装盘式行车记录仪。
1970年,欧盟的更多国家包括法国、卢森堡、意大利、比利时都通过立法强制推行使用纸盘式行车记录仪。
纸盘式行驶记录仪,通过机械指针将车载速度传感器所测得的车辆速度、行驶里程等数据记录在圆形坐标记录纸上,装置以机械结构为主,使用方便,但不太精确[1]。
随着电子技术的发展,和数字集成模块技术的成熟,以及一些电子设备的相继引入,20世纪70年代形成了电子行车记录仪的初级样式。
出于之前的使用习惯、产品的成本控制、技术安全性等方面的考虑,初级样式的电子式行车记录仪仍旧使用纸盘作为记录媒介[2]。
随着电子存储技术的逐步完善,欧盟积极研发并推行全数字式电子行车记录仪。
20世纪90年代初,德国首先研发出了全数字式汽车行驶状态记录仪,并率先通过立法强制规定自2006年5月起新生产的汽车必须安装数字式行驶状态记录仪[3]。
1.3.2国内汽车行驶状态记录仪的发展状况
我国于1984年就开始了对汽车行驶状态记录仪的设计和生产,但是由于当时没有相关的法律强制推行,也没有相关的技术标准,还有生产技术的限制,以及成本的控制等制约因素导致了国内行驶状态记录仪的发展相对缓慢。
进入21世纪,我国经济发展迅速,人民生活水平日益提高,人们的安全意识也有所加强,同时频发的交通事故特别是重大交通事故所带来的损失,这些都极大地促使着汽车行驶状态记录仪的发展。
2001年,公安部联合交通部和国家安全生产监督管理局下发了“关于长途客运车辆逐部安装行车记录仪的通告”[4],“通告”要求长途客运车辆应逐步安装行车状态记录仪,否则禁止营运。
为了规范行车状态记录仪的生产标准,2003年4月,由公安部、国家标准化管理委员会、国家经贸委起草审定,国家质量监督检查检疫总局发布了《汽车行驶记录仪国家标准(GB/T19056.2003)》[5],于2003年9月1日正式实施。
此标准实施以后,国内的行车状态记录仪的研发和生产进入了新的标准化时代。
1.3.3研究方向
随着信息技术的发展,GPS定位技术日益成熟,GPS下游产业如雨后春笋般迅速发展。
本次设计的研究方向是,以GPS定位数据为基准的汽车行驶状态记录仪。
GPS提供了精确的授时、定位、导向等数据,通过这些数据获取汽车的行驶状态信息,不仅得到的信息丰富,而且数据都十分得精确。
因此由GPS数据支持的汽车行驶状态记录仪将会是发展的趋势。
1.4论文结构
本文运用了时下比较成熟的GPS技术,基于STC90C51单片机设计了一个汽车行驶状态记录仪。
本文共分5章,具体结构如下。
第一章绪论
第二章系统的总体方案设计
第三章行驶状态记录仪的硬件设计
第四章行驶状态记录仪的软件设计
第五章系统调试与精度检测
第二章系统的总体方案设计
本文设计的行驶状态记录仪具有的主要功能是:
使用信息采集模块采集汽车行驶状态数据,通过串口通讯将数据传输至具有数据解析和处理功能的MCU芯片[6],MCU将数据解析后,把汽车状态信息显示到液晶屏上,通过按键控制可以分屏显示这些信息,同时处理过的信息通过MCU的I/O口传输到存储芯片中,做到实时记录车辆的行驶状态信息[7]。
在正常行车过程中,可以设置最高时速,一旦汽车超速,可以通过LED灯光和蜂鸣器提醒驾驶员减速慢行。
当改变MCU中的驱动程序后,能够读取出存储芯片中的汽车行驶状态信息。
2.1系统整体结构
以运行可靠,成本低廉,易于开发和调试为设计理念,根据行驶状态记录仪的功能要求,汽车行驶状态记录仪主要由以下几个模块组成。
结构框图如图2.1所示。
1.电源模块:
是整个系统的基础模块,将汽车供电系统所提供的+12V电压转变为其它各个模块的电子芯片所适应的电压。
2.信息采集模块:
是整个行驶状态记录仪最重要的模块之一,是所有状态信息的源泉,用来采集汽车行驶状态的数据,并将数据转换为特殊格式以便处理器做进一步解析和处理。
图2.1系统结构框图
3.中央处理模块:
是整个系统核心的模块,接收信息采集模块的数据,并将数据进行解析和处理,将处理过的信息通过I/O分别传输至液晶显示模块、存储模块和警报模块。
4.液晶显示模块:
将汽车行驶状态的信息可视化,以数字的方式显示出来,直观明了。
5.键盘模块:
用于控制液晶显示模块的翻页操作,显示出不同的状态信息。
6.存储模块:
将处理过的汽车行驶状态信息存储起来,方便调用。
7.警报模块:
当车辆超速时,用于提醒驾驶员减速慢行。
2.2设计方案
2.2.1主控芯片方案论证与选择
方案一:
采用意法半导体(ST)公司推出的内核为Cortex-M3的STM32F1系列32位ARM微控制器作为硬件核心,该芯片一次可以处理32位二进制数,拥有多达112个快速I/O口,并且所有I/O口可以映像到16个外部中断。
最高工作频率可达72MHz,该系列的闪存存储器从32K到512K字节不等,选择范围大,与之匹配的是64K字节的快速SRAM。
同时拥有多达11个定时器,其中4个16位定时器有多达4个用于PWM、输出比较、输入捕获、或脉冲计数的通道。
它的3个12位模数转换器(ADC),1μs转换时间,多达21个输入通道 。
还拥有多达13个通信接口,包括2个I2C接口、5个USART接口、3个18M位每秒的SPI接口、CAN接口等。
作为一款32位微处理器,它的处理能力非常高。
方案二:
采用STC90C51芯片,该芯片能够工作在3V的超低压环境下,抗干扰能力强,同时也与C51系列单片机完全兼容。
该系列芯片内部存储器为4KB到64KB不等,可根据需要更换不同ROM的芯片,且具有在线编程可擦除技术,当对程序和系统匹配调试的时候,若多次烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,所以不会对芯片造成不可逆的机械损坏。
该芯片片内有专用的复位电路MAX810,当外部时钟频率在12MHz以下时,复位引脚直接接地即可,可简化外部电路设计。
以上两种方案中,很明显方案一中的32位芯片功能更加强大,运算能力更强,速度更快,但是结合本次设计的行驶状态记录仪的功能要求考虑,使用32位芯片作为微控制器完全是一种资源的浪费,因为8位的单片机已经能够满足我们的设计需求,选用方案一也会增加产品的成本,有悖于高性价比的设计理念。
8位单片机的种类又是极其繁多,比如PIC系列、AVR系列、51系列等,这种情况下应结合自己对芯片的了解情况来选择适合的芯片。
大学四年的学习,《单片机原理》和《C语言程序设计》是电子信息类专业的必修课,因此,51系列单片机和C语言编程是两个比较熟悉容易上手的东西[8]。
8位的51系列单片机完全可以满足本次设计的需求,同时价格低廉,符合高性价比的设计理念,因此选择方案二的STC90C51作为主控芯片。
2.2.2信息采集模块方案论证与选择
方案一:
使用DS1302作为时钟芯片,为整个行车记录仪提供时间基准,速度信号可从汽车自身的霍尔传感器获得数据,再将数据提供给行驶状态记录仪系统。
霍尔传感器获得行驶速度的基本原理是:
汽车行驶的过程中,车轮每转动一圈,便会触发车辆的霍尔传感器,使之发出一对差分信号,这对差分信号经过信号采集模块的解析和处理后可以被转变成一个计数脉冲,当单片机的T0口收到这个脉冲后,便进行脉冲计数,单片机的T1定时器于此开始进行计时,一旦定时器发出中断请求,那么由计数器得到的脉冲个数乘以汽车轮胎的周长再除以定时器的时间后便得到汽车的行驶速率。
方案二:
使用u-blox公司推出的NEO-6M芯片作为信息采集模块的主芯片。
该芯片能够通过接收来自GPS卫星的数据,获取汽车的各种行驶状态信息,比如实时位置坐标、实时速率、实时航向等,同时它还提供精确的授时服务。
以上两个方案均能够获取汽车的速度信息和时间信息,但是方案二一个芯片便能够获取更加丰富的信息,并且不需要与汽车上的器件进行数据交换,不仅降低了外部电路设计的难度,而且又获取了更多关于汽车行驶状态信息的数据,因此数据采集模块采用方案二的设计。
2.2.3存储模块方案论证与选择
方案一:
采用IIC接口方式的EEPROM芯片AT24C02,其内部含有256个字节,可以按字节存储,也可以按页存储,方便调用。
还有一个专门的写保护功能。
方案二:
采用并行接口方式的Flash芯片作为存储介质,存储速度快,擦写次数多,数据保存时间长。
由于本次设计的主控芯片8位单片机的I/O口紧张,同时Flash芯片价格远高于EPPROM芯片,因此选用方案一的AT24C02芯片。
2.2.4显示模块方案论证与选择
方案一:
采用LED数码管作为显示模块,LED数码管价格低廉,对于显示数字最为合适,使用74HC573锁存芯片与单片机连接作为驱动,采用动态扫描法显示。
方案二:
采用LCD1602工业字符型液晶显示屏作为显示模块,它是由若干个点阵组成的32字符显示器。
其内部的CGROM已经存储了160个不同的字符,其中包含大小写英文字母、阿拉伯数字、常用符号等,显示信息较为丰富。
方案三:
采用12864液晶作为显示模块,它由128*64个点阵数,每屏可显示4行8列共32个16×16点阵的汉字。
它可以显示汉字,英语字母,各种符号等。
由于本次设计中需要显示的行驶状态信息以数字为主,但是LED数码管却不能够满足显示需求,12864液晶浪费了资源,拉高了设计成本,故均不能选用。
因此,显示模块应选择方案二,选用价格适中的LCD1602工业字符型液晶显示屏。
2.2.5键盘模块方案论证与选择
方案一:
独立按键:
一个按键占用单独的一个I/O口。
方案二:
矩阵键盘:
为了节省I/O口,通常将按键按照矩阵形式排列,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接[10]。
这样一来16个按键只占用8个I/O口。
本设计中键盘模块只需要一个独立按键来切换LCD的页码即可,因此选用方案一的独立按键。
第三章行驶状态记录仪的硬件设计
本章以模块为单位逐一介绍了行车状态记录仪系统的硬件设计思路。
详细介绍了从各个模块的电路设计,到最终制出整个系统的PCB板的整个过程。
3.1电源模块
汽车行驶状态记录仪系统作为一台车载仪器,应能够使用车载电网稳定供电为其供电。
由于系统内部电子芯片的工作电压均为3V-5V直流电,因此需要将汽车电网进行降压才可以用于记录仪系统。
汽车蓄电池能够提供+12V直流稳压电源,这就要求系统供电单元能够将+12V的直流电降压为稳定的+5V直流电,供系统使用。
电源模块原理图如图3.1所示。
图3.1电源模块原理图
本次设计采用输出平稳,纹波和噪声小的线性集成稳压器LM7805,它是常见的三端集成稳压电路,外部电路设计简单,体积小,输出电压稳定。
电源模块仿真结果如图3.2所示。
图3.2电源模块仿真结果
3.2主控模块
3.2.1主控芯片简介
STC90C516RD+系列单片机是宏晶科技推出的一款高速、低功耗的单片机,内部的指令代码与传统的51系列单片机完全兼容,该单片机,内部带有专用的复位电路MAX810,当外部时钟频率在12MHz以下时,复位引脚可以直接接地。
正常工作电压为3.7V-5.5V或2.4V-3.8V,工作温度范围为-40至+90摄氏度。
由于其内部有两种时钟周期模式可选——6时钟每机器周期和12时钟每机器周期,因此其工作频率0-40MHz相当于普通51系列单片机的0-80MHz的工作频率。
内置看门狗定时器,同时拥有3个16位定时器/计数器,可以通过把定时器0设置为2个8位定时器的方法,将定时器个数扩展至4个。
片内拥有4路分别由下降沿出发和低电平出发的外部中断。
片上配有一个UART——通用异步串行口,可通过程序设定定时器来实现多个UART。
STC90C51系列单片机的内部结构如图3.3所示。
3.2.2单片机引脚说明
如图3.3所示为单片机STC90C51的引脚图,各个引脚的功能如下:
图3.3STC90C51引脚图
VCC:
电源输入引脚,接+5V电源。
GND:
接地引脚。
I/O口:
实现对单片机的控制本质上就是要实现对单片机I/O口的控制,因为无论单片机控制外设,还是外设控制单片机都是需要通过单片机的I/O口来进行操作的。
STC90C51单片机有4个8位准双向输入输出的I/O口,分别是P0、P1、P2、P3,又可表示为P0.0-P0.7、P1.0-P1.7、P2.0-P2.7、P3.0-P3.7这4个端口都拥有各自的锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。
若系统无片外扩展存储器,这4个端口的每一位都可以单独作为准双向通用I/O使用。
若系统有片外扩展存储器,此时需P0口分时作为双向数据总线和低8位地址线,P2口则作为高8位地址线[12]。
当P0口作为普通I/O口时,若驱动NMOS或其它拉流负载时,需要外接上拉电阻。
P3口除了上面提到的功能外,还可以作为STC90C51的一些特殊的功能接口,
例如有以下备选功能:
P3.0(RXD口)和P3.1(TXD口)相照应,它们分别作为通用异步串行口的输入和输出引脚;
P3.2和P3.3相照应,它们分别作为外部中断INT0和外部中断INT1的触发接口;
P3.4和P3.5是一组相照应的接口,它们可以分别做为外部定时器T0和定时器T1的输入端口;
P3.6和P3.7相照应,它们分别被用来作为外部数据存储器的读写选通接口,其中P3.6的/WR表示写选通,P3.7的/RD表示读选通;
P3口的另外一种功能就是可以为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
单片机的复位输入引脚。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存对低位的地址字节有效。
在FLASH进行编程的时候,这个引脚为脉冲的输入引脚。
/PSEN:
外部程序存储器选通信号。
在外部程序存储器取地址的时候,每个机器周期该引脚有效两次。
/EA/VPP:
该引脚为低电平时,不管内部是否有程序存储器,都是外部程序存储器(低值范围从0000H到FFFFH)工做。
只有当该引脚为高电平时,内部程序存储器才开始工做。
XTAL1、XTA
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