畢業(yè)設計（論文）：客車超載控制系統(tǒng)設計

1、河南科技學院2009屆本科畢業(yè)論文（設計）論文題目：客車超載控制系統(tǒng)設計學生姓名： 所在院系： 機電學院所學專業(yè)： 機械設計制造及其自動化導師姓名： 完成時間：2009年 5月 20日17摘 要針對當前客車超載不斷引發(fā)重大事故，設計了一種客車超載監(jiān)控系統(tǒng)。本設計以at89c51單片機為核心。通過紅外線發(fā)射接收裝置對客車的載客人數(shù)進行檢測，然后由單片機對檢測到的數(shù)據(jù)進行分析處理，同時檢測到的結果會由led顯示出來，如果客車超載，揚聲器先進行報警，而后由繼電器切斷汽車的打火裝置，從而最終實現(xiàn)對超載情況進行相關控制。關鍵詞: 客車超載控制系統(tǒng)；紅外線傳感器；單片機absractaccording t

2、o 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 at8951 single-chip.this designing detects the number of passengers on bus by fired infra-red receiver,and then it analyses detected

3、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 overloading.key words : carriage overload monitor system ; inf rared sen

4、sor ; mcu目 錄1緒論22系統(tǒng)的整體結構22.1 系統(tǒng)的組成22.2 系統(tǒng)的原理33系統(tǒng)硬件的設計33.1 系統(tǒng)硬件總體的組成33.2 檢測模塊電路43.3 單片機模塊電路73.4 控制模塊電路103.4.1 數(shù)碼管顯示電路設計103.4.2 報警電路設計123.4.3 繼電器控制電路設計144.系統(tǒng)軟件的設計144.1系統(tǒng)軟件的整體設計144.2 計數(shù)功能程序設計154.3 led顯示電路的程序設計154.4 報警電路程序設計155結語15謝辭16參考文獻：171 緒論隨著生活水平的不斷提高，人們外出打工、探親、旅游的人數(shù)越來越多，尤其是節(jié)假日，而與此相關的公路客運（長途客車，旅游客

5、車等）的運力卻沒有相應增加，致使超員現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)。目前，它已成為一個嚴重影響交通運輸環(huán)境和社會經濟可持續(xù)發(fā)展的社會問題。客車超載對國家的公路設施和客運市場造成了不良影響，也影響車輛本事和車輛的駕駛、控制，容易引發(fā)事故，給國家和百姓帶來重大的經濟損失和感情傷害。目前,國家出臺了一系列的政策法規(guī)來制止客車超載,各地政府也制定了相關的制度來對客車超載進行管理。雖然這在一定程度上減少了客車的超載現(xiàn)象,但在節(jié)假日和農忙等客流高峰期,超載現(xiàn)象還是屢禁不止。因此,在采取行政監(jiān)督管理的同時,通過科學技術的手段來消除客車超載的現(xiàn)象也有著極其重要的意義和實用性。本系統(tǒng)通過紅外線發(fā)射接收對管來實現(xiàn)對人數(shù)的檢測，然后

6、再由單片機組成的中央處理單元中對客車的人數(shù)進行分析，以判斷客車是否超載，如果超載，可通過揚聲器報警發(fā)出警告，同時通過繼電器控制電路對發(fā)動機進行鎖定以抑制事故的發(fā)生，減少國家和人民群眾的損失和傷害。2 系統(tǒng)的整體結構2.1 系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)簡單的來說由三個部分組成，前端的檢測模塊，單片機模塊，控制模塊。系統(tǒng)的總體設計框架可由圖1所示。檢測模塊的主要功能是通過兩組紅外線發(fā)射接收對管來判斷旅客上車的人數(shù)和下車的人數(shù)。從而對客車上的人數(shù)進行統(tǒng)計。而單片機系統(tǒng)主要是對乘客的人數(shù)分析處理，同時把分析的結果輸出給控制模塊以實現(xiàn)對它的控制。led顯示模塊用于對當前的車內乘客人數(shù)進行顯示，當超載時 通過揚聲器報

7、警，并通過繼電器對客車執(zhí)行鎖定。紅外線發(fā)射接收對管（1）紅外線發(fā)射接收對管（2）雙d觸發(fā)器組成的互鎖電路單 片 機 系 統(tǒng)片機系統(tǒng)數(shù)碼管顯示電路繼電器控制電路揚聲器報警電路 圖1 系統(tǒng)設計框圖2.2 系統(tǒng)的原理系統(tǒng)由兩組紅外線發(fā)射接收對管來實現(xiàn)對上車人員的檢測。兩組紅外線發(fā)射接收對管把收集到的信息傳遞給單片機系統(tǒng)，也就是本系統(tǒng)的中央處理單元，單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對人數(shù)的加計數(shù)和減計數(shù)，并把這些信息轉化為bcd碼通過led數(shù)碼管顯示出來。同時單片機系統(tǒng)還通過比較指令和預先設定單元的內容比較，判斷當前車內人數(shù)是否達到預定人數(shù)，如果當前車內人數(shù)小于預定人數(shù)，則繼續(xù)對車內人數(shù)進行判斷，如果當前車內人數(shù)大于預

8、定人數(shù)，則啟動揚聲器報警電路，實現(xiàn)對人們的警告，如果在數(shù)分鐘后人數(shù)還是大于預定人數(shù)則由繼電器控制電路對汽車發(fā)電機進行鎖定，如果人數(shù)減少到小于預定人數(shù)的數(shù)值時，則解除對汽車發(fā)動機的鎖定，使汽車繼續(xù)運行。3 系統(tǒng)硬件的設計3.1 系統(tǒng)硬件總體的組成硬件電路的設計是整個系統(tǒng)設計的核心內容。由系統(tǒng)的功能模塊決定了本系統(tǒng)主要包括三個部分的設計：檢測模塊的設計，單片機模塊的設計，以及控制模塊電路的設計。3.2 檢測模塊電路該部分的設計采用兩組紅外線發(fā)射接收對管，安裝在客車的車門處的適當位置，根據(jù)乘客經過車門時遮擋兩個紅外線發(fā)射接收對管發(fā)出的紅外線的不同時序，通過單片機判斷乘客是上車還是下車1。該部分的硬件

9、電路設計總體電路圖如圖2所示。 圖2 檢測電路模塊在圖2的電路中，f1af4a是用cmos集成的六反相放大器cd4069組成的放大濾波部分電路；ica是cd4013構成的cmos雙d觸發(fā)器，y1a、y2a是cd4081四個2輸入端與門，這兩部分與4069輸出的兩路傳感器檢測信號進行邏輯運算，最后在y1a和y2a的輸出端輸出合適的電平信號，分別送至at89c51單片機的t0腳和t1腳（即計數(shù)器0和計數(shù)器1的時鐘輸入端）。兩個傳感器的安裝位置之間要有一定的距離（30cm50cm之間），當無人經過傳感器時（以下用e1和e2表示傳感器），紅外線二極管發(fā)出的紅外線照射不到光電三極管上，送給單片機的信號一

10、直是不變的低電平，系統(tǒng)不會計數(shù)。當有人上車時，先遮擋住e1，則e1的紅外線二級管發(fā)出的光照射在人身上，反射到受光三極管上，電路中的a1點產生一個高電平信號，經過放大濾波，邏輯運算最后在a3端輸出一個低電平信號。隨后人體全部遮擋e1和e2，然后是離開e1遮擋住e2，最后離開。由此類推在整個上車的過程中a3點的電平是高低變化的，即一個上車脈沖信號，送至單片機的status寄存器進行加計數(shù)，而此時b3點的輸出狀態(tài)是不變的。具體的檢測方法和脈沖產生的時序如圖3，圖4所示2。a11b1a3b3e1e2人圖3 人的走動方向圖4 各點時序波圖 同時人上車時各點邏輯關系如表1所示表1 人上車時各點邏輯關系傳感

11、器工作狀態(tài)a1b1a2b2a3b31無人上車0000002遮擋e11010003遮擋e1,e21111104遮擋e20101005人離去000000當人下車的時候則是把這個遮擋的順序反過來，b3點產生的脈沖時序是相反的，信號送至單片機的status寄存器進行減計數(shù)，單片機即可通過程序模擬把車廂內的實際人數(shù)計算出來并寄存在寄存器中。紅外線傳感器指能夠發(fā)射紅外線和接收紅外線的器件。紅外線傳感器根據(jù)其機理不同可以分為被動型紅外線傳感器和主動型傳感器。其中主動型紅外線傳感器,包括紅外發(fā)射管和紅外接收傳感器,這兩種傳感器配套使用可組成一個完整的紅外線檢測、遙控系統(tǒng),這類傳感器也稱光探測型感器本系統(tǒng)使用了

12、其中的紅外發(fā)射二極管和紅外接收三極管來檢測判斷客車載客人數(shù)。cd4013是cmos雙d觸發(fā)器，內部集成了兩個性能相同，引腳獨立(電源共用)的d觸發(fā)器，采用14引腳雙列直插塑料封裝，是目前設計開發(fā)電子電路的一種常用器件，它的使用相當靈活方便且易掌握，受到許多電子愛好者的喜愛。cd4013的管腳排列如圖5所示，內部有兩個完全相同的d觸發(fā)器ff1和ff2。圖中，d為數(shù)據(jù)輸入端，cp為時鐘脈沖輸入端，q和為q一對互補的輸出端，s為置位端，r為復位端，vdd和vcc分別為電源正負端. 圖 5 cd4013管腳cd4013的功能如表2所示，由表可見，當r=s=0時，在cp上升沿作用下，q端狀態(tài)與d端相同，

13、即qn+1=d，也就是將d端數(shù)據(jù)置入觸發(fā)器。當r= 0、s=1時，q=1；當r=1、s=0時，q=o，稱為直接置1和置o，無需cp和d的配合。一般情況下不允許同時在r、s兩端加上高電平，因為此時觸發(fā)器的兩個輸出端為高電平，是不正常的工作狀態(tài)。 表2 cd4013的功能表cpd r s qn+1xx0 0 0 01 0 0 1x 0 0 qnx 1 0 0x 0 1 1cd4013有四種基本方式，即數(shù)據(jù)鎖存器，單穩(wěn)態(tài)工作方式，無穩(wěn)態(tài)工作方式和雙穩(wěn)態(tài)工作方式。3.3 單片機模塊電路單片機模塊主要用來實現(xiàn)對上、下車人數(shù)的加、減計數(shù)。單片機模塊的設計中,考慮到系統(tǒng)中的程序量和數(shù)據(jù)量較少,需要的i/ o

14、 口資源也相對較少,at2mel 公司的at89c51 芯片的資源就能很好的滿足系統(tǒng)的需求,所以在系統(tǒng)設計中采用了mcs-51 系列單片機at89c51 芯片的最小系統(tǒng)來實現(xiàn)。我們選用atmel公司89系列的標準型單片機at89c51，at89c51是一種低功耗、高性能的8位單片機，片內帶有一個4k字節(jié)的flash可編程可擦除只讀存儲器（eprom），它采用了cmos工藝和atmel公司的高密度非易失性存儲器(nuram)技術，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與mcs- 51兼容。另外，at89c51還具有mcs-51系列單片機的所有優(yōu)點。128x8位內部ram，32位雙向輸入輸出線，兩個十六位定時

15、/計時器，5個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級，一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。片內的flash存儲器允許在系統(tǒng)內改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器來編程。因此at89c51是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，它可方便地應用在各種控制領域3。at89c51的主要性能有： 與mcs- 51微控制器產品兼容； 4kb可改編程序flash存儲器; (可經受1,000次的寫入/擦除周期) 全靜態(tài)工作：0hz-24mhz； 三級存儲器保密； 128x8字節(jié)內部ram； 32條可編程i/o線； 2個16位定時器/計數(shù)器； 6個中斷源； 可編程串行通道； 片內時鐘振蕩器； 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存片內

16、ram中的內容。管腳功能：at89c51單片機為40引腳芯片如圖6所示 圖6 at89c51引腳1) i/0口線：p0, p1, p2, p3共四個八位口p0口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口.因為只有該口能直接用于對外部存儲器的讀/寫操作。p0口也用以輸出外部存儲器的低8位地址。由于是分時輸出.故應在外部加鎖存器將此地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存信號用ale。p1口是專門供用戶使用的i/o口.是準雙向口。p2口是從系統(tǒng)擴展時作高8位地址線用。不擴展外部存儲器時，p口也可以作為用戶i/o口線使用，p2口也是準雙向口。p3口是雙功能口，該口的每一位均可獨立地定義為第一i/o功能或第二i/o功能。作為第一功能

17、使用時操作同p1口。p3口的第二功能如表3。表3 p3口的第二功能 2)控制口線：psfn(片外取控制)、ale(地址鎖存控制)、ea(片外儲器選擇)、rf-sft(復位控制)；3)電源及時鐘：ccc、vss；xtal1，xtal2 本文選用如此高性能的單片機方便了以后的功能擴展，基本電路如圖7所示4。 圖 7 單片機基本電路3.4 控制模塊電路控制模塊利用在單片機內預先設定載客人數(shù),當上車人數(shù)超過此設定值時,單片機便通過繼電器控制客車的電子打火器,鎖定客車執(zhí)行機構,使客車無法啟動,并以led 顯示當前人數(shù),同時通過揚聲器發(fā)出報警。3.4.1 數(shù)碼管顯示電路設計在數(shù)碼管顯示電路設計中,將待顯示

18、數(shù)據(jù)轉換為bcd 碼輸出,經過共陰極數(shù)碼管譯碼驅動器74ls48 將bcd 碼轉換成七段碼送給數(shù)碼管顯示。顯示電路如圖8所示 圖 8 顯示電路74ls48為38線的譯碼器，譯碼器輸入端a，b，c分別接at89c51的p1.0，p1.1,p1.2,譯碼器輸出端y0y7接8個數(shù)碼管從低位到高位的共陰極端。電路中要顯示的數(shù)字通過串行口p1送到74ls48，經過他的翻譯，把單片機是送過來的bcd碼，轉換成高低電平，通過y0y7送給led顯示器,不同的電平會有順序的控制七個數(shù)碼管的滅與亮，進而顯示出不同的數(shù)字，當檢測電路檢測到有5個人上車時，單片機會給第一個74ls48送去一個顯示0的數(shù)據(jù)，同時給第二7

19、4ls48送去一個顯示5的數(shù)據(jù)，這樣總體顯示為“05”的字樣，當檢測到有16個人上車時，單片機給第一個74ls48送去顯示1的數(shù)據(jù)，同時給第二送去顯示6的數(shù)據(jù)，這樣總體顯示”16”的字樣所有的led顯示器都是將多個發(fā)光二極管組合而成。段式led顯示器應用最廣泛，它是一種低成本，高可靠性，高穩(wěn)定性的顯示器，而且亮度也比較高，使用壽命長；點陣led顯示器作為戶外文字廣告和信息牌被廣泛使用。led顯示器的缺點是消耗功率大，容易發(fā)熱，體積相對較大。led顯示器都是由若干led組合而成的，當某一個led導通時，該led表示的點或段被點亮，單片機控制多個不同的點或段的亮或滅，可以顯示出不同的數(shù)碼或字符。常

20、用段式led顯示器包括“七段”結構led顯示器和“米字”機構led顯示器。它們都有共陰極和共陽極兩種結構，其中共陰極led顯示器內部所有發(fā)光二極管的陰極連在一起，而所有發(fā)光二極管的陽極各自獨立，共陽極led顯示器內部發(fā)光二極管的陽極連接在一起，而所有發(fā)光二極管的陰極各自獨立。段式led顯示器的控制方式分為靜態(tài)顯示控制和動態(tài)顯示控制兩種。所謂“靜態(tài)顯示控制”，就是當一個led顯示器顯示某字符時，控制碼控制相應的led段處于恒定的導通狀態(tài)，靜態(tài)顯示控制在電路上需要將控制碼鎖存在led顯示器的各段輸入引腳，如果有多位led顯示器，每個位必需一個8位的鎖存器，at89c51單片機僅在需要更改顯示器的顯

21、示內容時，才重新將新的控制碼鎖存在8位鎖存器中。靜態(tài)顯示控制的led顯示器的亮度與各段的導通電流大小有關，靜態(tài)控制的顯示時非常穩(wěn)定的。所謂“動態(tài)顯示控制”，就是多位顯示器逐個掃描，任意時刻僅有某個顯示器是亮的，而其他各位都不亮，一個位亮一定時間后轉向另一個位。這種動態(tài)逐個掃描多位led顯示器的方式會造成顯示位的“閃爍”，但是，適當?shù)卣{整掃描速度，利用人的視覺暫留，使人的眼睛看起來“不閃爍”。動態(tài)掃描led顯示器方式比靜態(tài)顯示控制方式的電路更簡單，將多位led顯示器的段引腳對應連接成“段”總線，僅需要一個8位鎖存器和多個位選通控制線就可以達到控制多位led顯示器的目的。動態(tài)掃描led顯示器的亮度

22、與各段的導通電流有關，另外，亮度還與掃描頻率有關。 3.4.2 報警電路設計在報警電路中，由單片機傳送過來的報警信號通過一個功率放大器來驅動揚聲器，其總體設計框架如圖9所示5。單片機功率放大器揚聲器圖9報警電路框圖當單片機系統(tǒng)判斷出車上的人員數(shù)量超出規(guī)定時，將通過p1.0口輸出1khz的音頻信號驅動揚聲器，作報警信號，本電路中使用了音頻放大集成芯片lm386。電路如圖10所示。 圖 10 報警電路lm386是專為低損耗電源所設計的功率放大器。它的內建增益為20，透過pin1和pin8腳位間電容的搭配，增益最高可達200。lm386可使用電池為供應電源，輸入電壓范圍可由4v12v，無動作時僅消耗

23、4ma電流，且失真低。lm386的接腳圖及內部方塊圖如圖11、圖12所示。 圖 11 接腳圖 圖 12 內部方塊圖3.4.3 繼電器控制電路設計對汽車的鎖定部分通過在點火線路中加一繼電器控制開關來實現(xiàn)。當打開啟動開關（即點火開關）時，由于p1.5口處于低電平，所以繼電器不動作，對汽車正常工作沒有影響。當單片機判斷出車上人員數(shù)量超出規(guī)定時, 將通過p1.5 口輸出一高電平, 繼電器工作, 從而使點火線路斷開, 無法啟動。當車內人數(shù)恢復到預定人數(shù)以下時，單片機系統(tǒng)再次送低電平到p1.5，繼電器又恢復到原來的狀態(tài)，汽車又可以正常的啟動，從而有效地限制了客車的超載行為。繼電器電路中一般都要在繼電器的線

24、圈兩頭加一個二極管以吸收繼電器線圈斷電時產生的反電勢, 防止干擾。 4 系統(tǒng)軟件的設計4.1系統(tǒng)軟件的整體設計按照整體方案的設計思想，系統(tǒng)程序框圖如圖13所示。首先初始化系統(tǒng)，包括設置堆棧指針、設置定時器計數(shù)初值、設置定時器工作方式、設置中斷允許控制。將通用寄存器清零，用來存放車內當前的乘客人數(shù)，其中一個單元存放預定客車能乘載的最大乘客數(shù)，然后將寄存器中存放的當前車內乘客數(shù)放入累加器中，通過比較指令和單元的內容比較，判斷當前車內人數(shù)是否達到預定人數(shù)，如果當前車內人數(shù)小于預定人數(shù)，則繼續(xù)對車內人數(shù)進行判斷，如果當前車內人數(shù)大于預定人數(shù)，則跳轉到報警指令，使揚聲器報警，同時使繼電器動作，斷開汽車電

25、子點火器。 圖 13 程序框圖 程序還實現(xiàn)了對車內人數(shù)的實時顯示。對當前車內人數(shù)進行循環(huán)判斷，當車內人數(shù)小于預定人數(shù)時，要隨時清除報警程序，使繼電器的常閉觸頭閉合，以便汽車能再次正常啟動。在顯示子程序中，主要實現(xiàn)的是將外部中斷所產生的計數(shù)值,，由十六進制轉換為8 位bcd 碼，然后進行顯示。4.2 計數(shù)功能程序設計該部分程序的主要功能是將傳感器檢測到的兩路上下車信號送到at98c51單片機的status寄存器以進行加減計數(shù)，將實時的數(shù)據(jù)和預置在w寄存器的上限人數(shù)（40人）循環(huán)不間斷地進行查詢比較，一旦等于40則產生報警信號進行報警，大于40則執(zhí)行發(fā)動機鎖定電路程序。4.3 led顯示電路的程序

26、設計該部分程序的主要功能是對單片機的顯示控制位進行查詢并查表，使數(shù)碼管的高位和低位能不斷的刷新，達到實時顯示客車上人數(shù)的目的。4.4 報警電路程序設計該部分的主要功能是不斷的查詢單片機的報警控制位，一旦有高電平輸出，通過lm386驅動揚聲器對客車司機進行報警提示，以便及時限制超載。5 結語論文設計的優(yōu)點是采用了紅外線發(fā)射接收器這一經濟實惠的檢測器件，并用雙d觸發(fā)器組成的互鎖電路來有效的防治外界的干擾，同時系統(tǒng)以at89c51單片機為微控制器為核心，由檢測電路，顯示電路，報警電路，控制電路和系統(tǒng)軟件構成，本文主要完成的工作有：(1)用紅外線檢測上下車的人數(shù)，(2)信號的檢測進行了最優(yōu)的設計使檢測和輸出的信號不失真的反映到顯示器。(3)系統(tǒng)采用的紅外線發(fā)射接收器可以實時，連續(xù)的在線檢測、顯示。(4)系統(tǒng)的揚聲器在系統(tǒng)檢測到超載時進行報警。(5)系統(tǒng)的繼電器控制電路還可以在警告后切斷汽車的發(fā)動機。本文通過對客車人數(shù)的檢測和計算,較好的完成了客車超載的預警提示。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、快速、準確,結果能夠實時顯示,且具有抗干擾能力強、操作方便等優(yōu)點。不過因為時間和能力有限，本智能檢測系統(tǒng)還存在一些需要進一步研究和完善地方，希望通過以