新能源汽车超速报警器系的设计毕业设计.docx
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新能源汽车超速报警器系的设计毕业设计
摘要
新能源汽车超速报警系统的设计说明了单片机在硬件和软件方面的应用。
新能源汽车超速报警系统可以让司机设置车辆安全行驶的最高速度,当车辆速度超过驱动器的最大值的设置,蜂鸣器报警提醒司机减速。
本文详细描述了霍尔传感器的运行机理,展示了霍尔传感器工作时的过程,利用脉冲计数方法来进行车速的测定,利用LCD屏幕来展示车辆的转速。
在设计软件的过程中,基于硬件电路设计,选择了模块设计方案,并对电机转速测量模块的C51程序,报警模块和显示模块进行仿真。
关键词:
转速测量,霍尔传感器,LCD,单片机
2新能源汽车超速报警器的元件选定2
6新能源汽车超速报警器系统仿真调试15
参考文献20
1绪论
1.1新能源汽车超速报警器产生的原因
超速行驶是指新能源汽车行驶在一定道路上,超过规定车速。
《道路交通安全法实施条例》第四十五条规定:
机动车辆行驶过程中车速不能高于道路规定的最高时速。
对于那些道路中没有明确限速标记的,车速需要遵守下面的规定:
对于缺少中心线的道路,一般城市道路最高限速30公里每小时,公路最高限速40公里每小时,对于同一方向上仅一个机动车道的,一般城市道路最高限速50公里每小时,公路最高限速70km/h。
限速是为了行驶安全,而新能源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,令驾驶员稍不注意就会超速[1]。
因此,我认为开发新能源汽车超速报警系统对于司机及其家人的生命财产安全具有十分重要的意义,可以降低交通事故的发生率。
课题背景:
新能源汽车超速报警系统的设计就是在这样的背景下提出的,具有重要的现实意义。
1.2新能源汽车超速报警器的发展现状
目前,国内外新能源汽车超速报警器发展迅速,新技术层出不穷。
为了提高多功能新能源汽车超速报警的需求,研制了新能源汽车超速报警器。
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。
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。
同时具有记录剪切功能,更加方便。
1.3新能源汽车超速报警器的未来前景
当前在环保,经济,可持续发展的大基础下,新能源汽车超速报警器最大的特点是经济实用,操作简单,绿色环保,适用于广大的车型,能有效的达到超速报警的效果。
2新能源汽车超速报警器的元件选定
选定的元件有以下要求,第一,可以很好的实现了系统各模块的功能,特别是在精度、稳定性和方便;其次,结构简单,操作方便;第三,尝试优化系统资源,价格低廉;第四,维修方便。
2.1霍尔测速模块论证与选择
在速度测量模块的核心选择上,选用了A44E型霍尔片,这个类型的霍尔片十分精致,安装起来也十分方便,成本不高,可以准确的测速,还可以兼容那些一般的磁钢片。
2.2显示模块论证与选择
在显示模块的选择上,使用LCD液晶屏,可以同时清楚的显现许多文字和图片,具有非常强大的功能,连接起来也非常简单。
2.3报警模块论证与选择
蜂鸣器和发光二极管作为声光报警的主要部件。
该方案硬件和软件简单方便,成本低。
3新能源汽车超速报警器车速的测量原理及实现方法
3.1转速测量方法
通过与车速成正比的速度传感器测量传感器的输出信号频率,然后通过处理、转换和计算得到新能源汽车的速度。
作为系统的基础,速度信号的速度对系统的精度和性能有着决定性的影响。
在测量转速的时候,办法有许多,单是基于脉冲计数的原理来进行测量转速,应用比较多的方法就有三种,分别是:
M(频率测算法)、T(周期测算法)、MPT(频率周期测算法),在这个系统中我们选择了频率测算法[2]。
频率法又叫直接计数法,被测量信号的频率为f,在某一选定时间闸门T内,对被测量的脉冲信号开始计数,紧接着就按照计数的结果M以及时间T来计算求解待测信号的频率大小,即:
f=
(3-1)
根据误差传递公式:
=
-
(3-2)
由于△T/T对测量结果影响极小,可以忽略不计,故:
≈
(3-3)
△M为仪表本身所特有误差,一般以考虑,则式(3-3)可写成:
≈
=
(3-4)
频率法的特点是测量时间基本恒定,动态性能由闸门时间T决定,T越小,动态能越好。
在T恒定的情况下,f越大,误差就越小。
用此方法,通过单片机的定时/计数器,在阀门时间(定时时间)里记录脉冲数,再通过转换即可得到被测信号频率。
例如定时100毫秒,计数器读到的脉冲数乘以10就是被测信号的频率。
这种方法的缺点就是在闸门时间T内捕捉到的信号可能会丢失,造成测量的主要误差。
误差原因:
第一个脉冲的上升沿和最后一个脉冲的下降沿不在闸门时间T内,就造成了信号丢失。
也就是说,测得的脉冲数小于实际的脉冲数。
虽然频率法在测量低频信号误差较大时,即测量新能源汽车低速时的转速误差较大,但该系统不要求新能源汽车低速报警。
该方法能够满足中高速信号新能源汽车设计的要求,频率法满足设计要求。
图1频率法脉冲丢失原理图
3.2传感器及其测速原理
传感器可以感知测量速度并将其转换成输出信号。
全面衡量各类传感器的综合指标,选择我们所需要的速度传感器。
3.2.1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,并结合新能源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。
表1为几种常见的速度传感器及其工作原理[3]:
表1速度传感器的种类及其工作原理
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
3.2.2霍尔传感器
车速传感器是车辆传感器中的易损部件,系统采用非接触式传感器,是系统的关键。
该传感器的脉冲输出信号稳定性好,无外噪声干扰,对测量电路无特殊要求,结构简单,成本低,性能稳定可靠。
该系统测速传感器由霍尔器件、磁铁组成[4]。
3.2.2.1霍尔效应
在这个半导体的两边通上电流,大小为I,然后在其垂向上添加一个强度值为B的均匀强度磁场,这样一来,就会得到一个霍尔电压,其电势差值就是UH,方向是和电流、磁场相垂直的,最后形成的这个现象就是我们常说的霍尔效应。
[5]其原理如图2所示:
图2霍尔效应原理图
3.2.2.2霍尔传感器的优势
霍尔传感器具有许多优点,首先一点就是在信号输出的时候不会被其他因素所左右,二是霍尔的两个速度传感器频率更高,三是霍尔速度传感器具有较强的抗干扰能力,不容易产生误差。
对于环境因素的影响,霍尔速度传感器测量精度稳定,输出信号可靠,能防油和防水,并能在高温环境下工作,一般霍尔速度传感器工作温度可达100℃。
霍尔转速传感器的安装简单,使用方便,能远距离传输[6]。
3.2.2.3霍尔转速传感器的运转机理
顾名思义,霍尔传感器基于的就是霍尔效应,当磁力线通过传感器时,传感器产生的电势。
霍尔速度传感器中的霍尔元件在产生电势时,会将其转换为交流电信号,最后将内置电路中的信号进行调整和放大,输出矩形脉冲信号。
当轮齿对准霍尔元件时,聚焦通过霍尔元件,产生电动势较大,放大和整形输出的高电平;另一方面,当齿轮中性对准霍尔元件时,输出电平较低。
图3霍尔传感器原理图
根据霍尔效应原理,霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转动速度。
这个转动速度是和其频率正相关的,另外,信号的周期和转速还有下面这层关系:
n=
(3-5)
工作过程:
盘轴上的圆盘边缘设有磁铁,霍尔测速传感器靠近磁铁的边缘,曲轴转动一圈,一定数量的脉冲发生,霍尔输出电路的一部分,一个脉冲计数速度计数器。
计数器的计数值可以通过控制计数时间来实现。
图4霍尔传感器检测转速示意图
3.2.2.4集成开关型霍尔传感器
就像下图中表示的那样,
(1)、
(2)、(3)分别表示开关里面的三个引出点,在电源那一端施加Vcc的电压,在稳压处理以后,施加在电势器的两边,按照霍尔效应,当霍尔片位于磁场里面的时候,VH信号会被放大传输到触发装置,进而变成方波传输至OC门进行输出。
在磁场来到某个位置时,触发装置会放出较高的电压,让三极管贯通,这个时候在OC门就会相应的放出较低的电压,一般这也被称成开。
传感器的关键特征就是输出的特点,也就是输入的磁场B和电压输出值VO的联系。
A44E霍尔开关的一种单稳态的,下图给出了根据测量信息得到的输出特征示意图。
在测量过程中,分别在
(1)、
(2)两边施加5V电压,在
(1)和(3)的中间加上2K的电阻,具体见下图6.
图5集成开关型霍尔传感器
图6集成霍尔开关接线图
3.2.3传感器的安装部位
在新能源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7传感器的安装位置
3.3速度的实现
新能源汽车行驶过程中,车轮每转一圈,速度传感器产生1个脉冲,脉冲在1s内产生的为n,则新能源汽车速度:
speed=πDn。
相比之下,如果full>speed,则报警装置会进行声光警示;反过来,报警装置会开始后续的对比工作。
4新能源汽车超速报警器系统硬件的设计
新能源汽车速度显示系统工作过程是:
机轴每转动一个周期,就会生成相当的脉冲信号,其中一些是从霍尔电路中流出。
通过对计数时间的调控,就能够完成计数值和机轴转速的统一。
数据经过CPU处理后,在LCD1602上显示出来。
只要超速,蜂鸣器和LCD灯发出声音报警信号。
用以下的超速报警系统图表示:
声音报警
单片机
光电耦合
霍尔传感器
电机
显示电路
时钟电路
按键电路
复位电路
图8超速报警系统总框图
4.1主控芯片AT89C51
基本结构是cpu、存储装置、输入和输入端口、计数装置、中断装置等全部整合在一块芯片之中。
在硬件方面,指令系统和I/O能力是独一无二的,具有强大而有效的控制功能。
它既有微机的系统构成,又包含了微机的逻辑性能。
另外,必须要额外添加相关的输入和输出装置,才能够最终实现可用的单片机系统。
4.1.1AT89C51芯片
AT89C51芯片作为一款电压低、性能强劲的处理器,能够编程、能够擦除同时只能读取存储装置。
这个芯片采用的是ATMEL的存储装置生产技术,这就和主流的指令以及管教保持了一致[9]。
因为cpu与相关存储装置被整合到一块芯片之中,意味着这款芯片是高度集成的微型控制器,能够给许多系统带来相当灵活同时成本不高的解决方案。
下图给出了引脚示意图。
图9AT89C51引脚图
4.1.2定时/计数器
8051号单片机的计数装置能够编程的,以T0和T1表示。
它可以由指令编程到相应的特殊功能寄存器编程,或作为一个计数器,或作为一个外部事件定时装置。
从硬件来看,计数装置包含了TH与TL这两部分。
当计数装置开始工作的时候,从单片机里面的震荡装置发出脉冲信号,频率大概在f
的十二分之一,相应的周期值增加1[10]。
因为计数装置采用的是加法,只有加到满的时候才会停止,因此初值不可以为计数的模值,需要在最大计数上面扣掉这个模值,才能够得到具体初值。
假定最大计数值是M,那么初值X就可以通过下面的公式来求解:
计数方式:
X=M-要求的计数值
定时方式:
X=M-
4.1.3外部中断
外部中断通常包含了两类触发方式,分别是电平与边沿触发。
如果是电平的话,单片机会在循环装置中去检查中断情况,低电平,即设置中断请求标志到CPU请求中断。
如果是边沿的话,单片机会末尾去检查中断线是不是高电平,要是检查为低电平,那么就要加上一个中断的标记。
4.2光电耦合单元
光电耦合器是一种以光为介质传输电信号的电-光转换装置。
本实用新型由光源和光接收装置两部分组成。
其特征在于:
光源和光接收装置组装在同一密封壳体内,通过透明绝缘体相互分离。
在输入信号的光电耦合器送光源,光照强度对励磁电流的大小,光光接收器件封装在一起后的光电流是由于光电效应产生的,由一个光输出端,从而实现电到光到电的转换[11]。
光电耦合单元有许多种,下图展示的是一种三极管光电耦合原理示意图。
在电信号到达耦合单元之后,二极管会发出光亮,感光装置会相应产生电流,经过CE的传输;在输入相关信号之后,二极管不会发光,这就意味着CE没有联通。
当数字为0的时候,输入的是低电平信号,三极管会中断,输出的是高电平信号1;当输入的是高电平信号1的时候,三极管会趋于饱和,输出的也就是低电平信号。
采用光耦PC817组成的传输速度信号的目的是分离速度传感器和单片机之间的直接连接,并消除速度传感器信号的不利影响。
图10信号耦合电路图
图11光电耦合器接线原理
4.3报警单元
电磁蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片和壳体组成。
当电源接通时,振荡器发出的音频信息会在经过电磁线圈以后,出现相应的磁场。
进而震动膜片会在线圈与磁铁的联合影响下周期性地振动发声[12]。
报警模块主要负责声音报警和灯光报警,以告知司机减慢速度。
报警电路相对简单,和声音报警连接两个10K的电阻、电源、三极管、蜂鸣器和发光二极管,它是由一个单片机的引脚,当速度不超速,红灯不亮,不报警。
当速度大于单片机的P1.6端口设定的速度将被设置为高电平,红灯会亮,P1.7高层将在发射极,实现报警。
图12报警电路
4.4按键电路
为了设定最高上限速度,设计此按键电路,选用单片机的P1.0、P1.1、P1.2口分别与K1、K2、K3相连。
按键电路低电平有效,当没有按键,单片机P1.0P1.1、P1.2输入引脚,P1.3端口,是高电平。
当按下任何键时,相应的P1口变低电平,软件中使用了低电平设计。
该软件还设置了一个关键的抗抖动误差的触发功能,软件100ms设置定时器中断时间,扫描每个中断按钮,如果扫描到按下按钮,延时10ms,再按键扫描,如果还是按下一个按钮,关键是真实的,并从P1口低电平读取数据,对应于有效的关键,如图13所示。
图13单片机与按键电路的连接
4.5最小系统
4.5.1复位电路
当计算机运行时,它需要复位,使中央处理单元(CPU)和系统的其他组件在一定的初始状态,并从该状态开始工作。
复位电路是单片机RST引脚原理获得超过2us电平信号,只要电容器确保充电和放电时间大于2us,您可以重置。
本系统基于的是开关与上电这两种复位的方法,在通电以后,C1就意味着短路,让单片机复位,正常情况下,按复位键复位[15]。
在遇到干扰时有时会造成误差减小,但在大多数情况下,单片机没有误差减小,有些错误可能导致内部寄存器复位,如果再加上电容器在复位端,就会得到好的结果。
图14复位电路
4.5.2晶振电路
晶振装置共同构成自振装置。
外面的晶振装置与电容一起就形成了一个并联的晶振回路,同时与放大装置相连。
电容C1和C2有两个功能:
一个是启动振荡器,第二个是振荡器的频率f微调(C1,C2,F较小)。
外部电容尽管缺乏具体要求,不过电容的容量还是会给振荡频率、稳定性、振动速度、温度带来一定影响。
所以,系统中的晶振装置数值是12兆赫兹,在电容上应该尽量选择陶瓷,具体的电容值是30微伏。
图15晶振电路
单片机与LED1602连接的连接图。
图16单片机与LED1602连接
5新能源汽车超速报警器软件程序设计
5.1程序设计步骤
(1)分析问题并定义需求。
(2)明确算法,也就是按照实际特点来进行一系列工作,完成相应的工作过程。
(3)按照相应的算法,明确存储装置的配置:
利用寄存装置中的中间数据和存储单元中的这些计划的结果,为了提高程序的运行效率和运行速度来解决排序问题。
(4)编写源代码,编译并调试原程序。
5.2软件程序设计
新能源汽车超速报警系统软件设计包括主程序、关键子程序、中断子程序、速度程序以及显示程序等模块。
主程序完成硬件初始化、子程序调用和显示、报警等功能。
数据处理程序会进行相应的测量,求得车辆的行驶速度,然后报警程序会发送一个车速状态的报警信号,包括扬声器输出子程序和报警灯闪烁显示子程序;子程序设计采用数字显示的最高车速和车辆用户的实际速度设置。
由于需要实现很多功能,所以采用模块化设计。
5.2.1主程序设计
在初始化定时器,主程序计数器,LCD,检测限为键盘输入,如果有,会改变速度的限制;要是没有的话,就依旧维持这个速度极值。
----------------主函数-------------------------*/
voidmain()
{
int_all();//初始化
while
(1)
{
disp_count();//处理
warning_speed();//报警
displaytolcd();//显示
}
}
}
5.2.2中断服务程序设计
令T0定时时间为100ms,定时时间,溢出中断,中断服务程序,多次中断登记数量加1,重复定时中断10次为1秒。
1s时间读定时器T1的输入脉冲数,测出实际车辆速度的频率。
一、外部计数中断
/*-------------------外部中断0计数程序-------------------*/
voidcounter()interrupt0
{
EX0=0;//中断
count++;//计数加1
EX0=1;//中断
}
二、定时器中断
/*-----------------内部中断0计时计数程序-----------------*/
voidTimer_0(void)interrupt1
{
TH0=(65536-15536)/256;
TL0=(65536-15536)%256;//中断
msec++;
if(msec==10)
{
zhuan=count;
disp_count();//处理
displaytolcd();
msec=0;
count=0;
}
}
5.2.3显示程序设计
液晶显示模块在执行每个指令之前,必须确保模块为低电平。
具体指令和信息是RS两边的电平值来决定的,信息最初是从高电平位置处开始,在低电平位置处终结。
5.2.4检测限速键盘设计
在设计按键程序的时候,其中就包含了防抖动、判键和相关的修改程序。
检测每个触发开关被按下,并且在按下的情况下,限速键盘相应变化。
5.2.5报警程序设计
通过一系列的方波输出音频,所以实验板上的蜂鸣器发出哔哔声,延时子程序是在人耳听觉能力的20KHz超声输出方波的频率的作用,要是缺乏延时程序的话,输出的频率值会超出听觉范围以外,这样就听不见任何声音了。
通过对频率和相关延时信息的更改,进而改变蜂鸣的声调。
6新能源汽车超速报警器系统仿真调试
6.1应用软件进行程序调试
利用相关程序对各大模块进行调试,先是把服务程序停掉,最后再来对主程序进行调试,各个步骤都要开展连接调试工作。
调试的区域慢慢扩大,一些关键的中间讯息优先排列。
一般都是利用单步操作、断点和连续操作的方法,在进行CPU、RAM、I/O接口等的检查后执行。
发现问题并解决问题直到所有。
创建一个新的项目文件,创建源文件并输入程序代码,并保存源代码来创建项目文件[15]。
6.2Proteus仿真
6.2.1Proteus简介
Proteus不仅能够模拟模拟电路、数字电路和模拟和数字混合电路,而且具有能够模拟基于单片机的电子系统的优点[16]。
6.2.2用Proteus绘制原理图步骤
根据需要选择设备。
单击“组件列表”窗口顶部的“P”,然后选择下图中相应的窗口。
在左上角的“关键词”一栏里面的“AT89C51”之中的“结果”项会展示全部的芯片构件,然后我们选定单片机,这时在相应位置处会出来AT89C51的标记,然后还会出现这个装置的简易模型,在确认之后,它就会显示到设备列表之中。
通过这个方法能够得到全部需要的构件。
图18器件选择窗口
选择所需的设备,预览窗口中就会显示相应的设备,之后点击编辑,再通过“左键”将所选设备置于示意图中。
使用鼠标指到相应的连接处,单击之后,把鼠标指到另外设备的连接位置处,然后单击左键。
这两点是连在一起的。
对于相距甚远,设备的直接连接不方便,可用于标记连接。
6.3仿真实例
(1)此系统主芯片使用的AT89C51。
如图19。
其次,选择生成HEX文件,如图20。
再次运行的第一步,点击运行程序。
确认无误,如图21。
点击生成工程文件并生成HEX文件,如图22。
图19芯片型号选择
图20HEX文件生成
图21确认程序无误
图22已生成HEX文件。
(2)在Proteus平台中开展相应的电路设计、电路元件、插件的选用、连接电路的检测等一系列工作。
(3)如图23所示器件编辑窗口。
图23器件编辑窗口
在编辑窗口中,找到需要仿真的Hex文件,完成添加,在文本框中把频率改为12MHz,单击并退出。
这时单击全速运行按钮即可开始虚拟仿真。
在Proteus软件里仿真的效果图。
常速状态如图24,超速状态如图25。
图24仿真显示图-常速状态
图25仿真显示图-报警状态
参考文献
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东北大学,2005
[3]浅谈磁电式与霍尔式速度传感器在新能源汽车2007
[4]传感器.
[5]霍尔效应.
[6]开关型霍尔集成传感器的原理
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[14]8051单片机C语言程序设计与实例解析[M].2009
[15]单片机KeilCx51应用开发技术[M].2007
[16基于Proteus的8051单片机实例教程[M].2008
致谢
在这次毕业设计的过程中,我受益匪浅,也遇到了许多困难。
刚开始看到我毕业设计的题目,我觉得问题很简单,但在实际操作过程中
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- 新能源 汽车 超速 报警器 设计 毕业设计