基于STC89C52單片機的客車安全系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

作者：時間：2016-10-15 來源：網(wǎng)絡

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摘要為增加客車的安全性，提出了一種基于STC89C52單片機同時具有防超載和防撞功能的客車安全系統(tǒng)。通過研究超聲波測距原理和脈沖寬度調(diào)制原理，并對車身重量和障礙物的距離進行實時監(jiān)測以實現(xiàn)其功能。對該系統(tǒng)的安全性能和測量精度進行了測試，結果表明，系統(tǒng)達到了設計要求。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201610/307117.htm

統(tǒng)計表明，在關于客車的交通事故中，超速和超載是事故發(fā)生的主要原因。本設計針對如何預防因超速而產(chǎn)生的車輛撞擊和防超載的發(fā)生進行了一次探索。當乘客全部上車后，車門關閉，智能車通過稱重傳感器進行稱重，并將重量顯示在液晶屏上，若重量超過額定數(shù)值，蜂鳴器報警、小車無法開動，以實現(xiàn)防超載的功能。小車開動后，超聲波模塊開始測距，當小車與前方障礙物的距離低于規(guī)定距離30 cm時，電機減速;當距離減小到安全距離以內(nèi)15 cm時，小車停駛，直到前方車輛遠離小車才繼續(xù)行駛，起到了防撞的作用。本設計具有成本低、操作簡便、體積小等特點。

1 總體設計方案和工作原理

1.1 總體設計方案

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，智能車以STC89C52作為主控芯片，使用電阻應變式傳感器進行稱重，并將采集到的數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉換后發(fā)送至單片機同時將結果顯示在液晶屏上。文中使用HC-SR04模塊實現(xiàn)超聲波的收發(fā)，并將測得的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，根據(jù)小車與障礙物的距離遠近，產(chǎn)生不同的脈沖寬度調(diào)制信號以達到實時調(diào)節(jié)電機轉速的目的，同時由1602液晶顯示距離。

1.2 電機調(diào)速原理

電機轉速的快慢與輸入電壓的大小和通斷有關，因此脈沖寬度調(diào)制(PWM)便成為了調(diào)節(jié)小車行駛速度的最佳方案。脈沖寬度調(diào)制，就是按照一定的頻率接通和斷開電源，并根據(jù)不同的情況來改變通斷電源的時間。而電機轉速快慢是通過改變電機上的平均電壓實現(xiàn)的，平均電壓值可通過電壓的占空比來改變。如圖2所示，當電源接通時，電機運轉;斷開時，電機停止;通電時間越長，電機轉速越快。所以，根據(jù)PWM原理對電機按頻率進行通電和斷電，便可實現(xiàn)對電機速度的精確控制。電機在接通+6 V電壓下能以最快速度運轉，假設在電機持續(xù)接通電源，電機的轉速能達到最大，設電機兩端電壓為Umax，而當電源按頻率通斷時，占空比

，T(s)為信號周期，平均電壓為

Uav=Umax×P (1)

故平均速度為

v=kUav (2)

其中，k為系數(shù)。在T不變的情況下，改變接通電源的時間t就可改變平均速度。在本設計中，將占空比與電壓看成是近似的線性關系。

經(jīng)測試和計算，平均速度和平均電壓的關系式為

v=2.78Uav (3)

式中，v的單位為cm/s。

1.3 超聲波測距原理

設計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為：在傳播介質為氣體的條件下，從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)氣體介質的傳播到接收器的時間即往返時間，往返時間與氣體介質中的聲速相乘則是聲波傳輸距離，而所測距離是聲波傳輸距離的1/2，即

式(4)中，L為待測距離;v聲為聲速(約340 m/s);t聲為脈沖波往返的時間。

2 硬件設計

2.1 主控芯片設計

設計中，主控芯片選擇的是STC89C52，因其操作簡便、功能強大、加密性強，同時還具有超強抗干擾性能，工作溫度范圍大，且支持在線系統(tǒng)編程(ISP)。

2.2 測距模塊設計

超聲波選用頻率為40 kHz的矩形脈沖波，因這一頻率的聲波在空氣中的傳播效率最佳。HC-SR04是收發(fā)一體式超聲波傳感器，可提供0～200 cm的非接觸式距離遙測功能，其中心頻率為40.0±1.0 kHz。單片機IO口發(fā)送一個超過10 mV的高電平信號，模塊則會發(fā)送8個連續(xù)的40 kHz脈沖波，接收端開始檢測有無返回信號，同時單片機的定時器T1開始計時。當有信號返回時，單片機外中斷INT0被觸發(fā)進入公式計算程序，最終得出結果。

2.3 稱重模塊設計

2.3.1 模數(shù)轉換模塊

HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位雙通道模數(shù)轉換器芯片，具有體積小、操作簡便、抗干擾性強的特點。其含有A、B雙通道供使用者選擇，通道內(nèi)部與其低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，通道B增益為32。HX711與51單片機的接口與編程簡單，只需對串口通訊PD_SCK和DOUT進行編程。

PD_SCK應輸入25～27個不等的時鐘脈沖，根據(jù)脈沖數(shù)的不同選擇不同的通道和增益，本系統(tǒng)軟件選擇A通道128倍增益對數(shù)據(jù)進行轉換。

2.3.2 電阻應變式稱重傳感器

電阻應變式稱重傳感器的工作原理是將其內(nèi)部應變片兩端的電壓變化與物體的重量建立線性關系。應變片粘貼在力敏型彈性元件上，當彈性元件受力時，應變片產(chǎn)生相應的形變，應變片自身的電阻也發(fā)生變化，由此將機械信號轉換為電信號，而由于受力引起的應變片電阻的變化與電路的電壓變化成正比，只需測出輸出電壓的數(shù)值，再經(jīng)過公式換算即可得到所測量物體的重量。

2.4 電路驅動模塊的設計

L298N是雙H橋直流電機驅動芯片，其可通過單片機的IO口直接提供信號，且輸入輸出的電壓范圍大，支持5～35 V的直流電壓輸入，能經(jīng)IN1、IN2、IN3、IN4和ENA、ENB輸出3～15 V的電壓，保證了直流電機的穩(wěn)定運轉。在控制方面，單片機IO口對INX輸入不同的高低電平可實現(xiàn)電機的正反轉和停止的功能，IO口輸入電平與電機運行狀態(tài)如表1所示;利用單片機IO口產(chǎn)生的不同占空比PWM信號輸入ENA、ENB兩個端口則可實現(xiàn)電機加速、減速的功能。

2.5 供電單元

電源部分如圖3所示，采用7.4 V鋰電池供電，通過L298N電機與PWM信號的輸入端口給電機提供穩(wěn)定的6 V電壓，但系統(tǒng)的大部分芯片均工作在5 V電壓下，因此需要電源模塊為系統(tǒng)提供5 V電壓。因此選用LM7805電源模塊，其能將7.4 V轉換為5 V電壓。如圖3所示，為提高輸出電壓的穩(wěn)定性，將穩(wěn)壓二極管VD2串接在LM7805的2腳與地之間，VD1作為輸出保護二極管，當輸出電壓低于VD2的穩(wěn)壓值時，VD1導通，并將輸出電流旁路，以確保LM7805的輸出端不受損壞。

3 軟件設計

程序的總流程如圖4所示。軟件主要由3部分構成，分別為：驅動程序、稱重程序和測距程序。首先，初始化定時器T0和T1的工作方式分別賦初值，T0的初值設為1 mV，T1的初值設為0。

驅動程序產(chǎn)生PWM信號以控制電機轉速，通過給定時器T0設定初值和計數(shù)器最大值100來確定PWM信號的周期。定時器T0每產(chǎn)生1次中斷計數(shù)器加1，當計數(shù)器的數(shù)值小于給定數(shù)值時輸出高電平，反之則輸出低電平。

稱重程序根據(jù)HX711自身芯片的特點對DOUT和PD_SCK兩管腳進行編程，先給PD_SCK串口25個時鐘脈沖，當?shù)?5個時鐘脈沖下降沿到來時，由DOUT向單片機IO口按位寫入數(shù)據(jù)，第25個脈沖寫入已讀出數(shù)據(jù)的最高位(MSB)。單片機將數(shù)據(jù)由高位到低位讀入后，再經(jīng)公式轉換得出重量。

測距程序用定時器T1計算超聲波來回的時間，當接收端收到反射回的40 kHz脈沖波時，觸發(fā)INT0外中斷，同時T1停止計時，TH1和TL1中的數(shù)據(jù)便是測得的時間。另外，當定時器T1溢出時觸發(fā)定時器中斷，將定時器清零以防止超聲波進入測量盲區(qū)時造成的結果錯誤。稱重程序和測距程序處于兩個獨立的死循環(huán)之中，當按鍵按下時，完成兩功能的轉換。

4 測試結果

4.1 稱重模塊的測試

測試選取1 kg和2 kg砝碼等不同重量物品。首先將待測物品放置在已調(diào)好的零點電子稱上進行測量，并以該數(shù)據(jù)作為參照值。然后開機，等待液晶屏上的讀數(shù)穩(wěn)定顯示0，再將被測物體放置在稱臺上，等讀數(shù)穩(wěn)定后進行記錄，同時采用稱3次取平均值的方法進行記錄并計算測量誤差。

誤差公式為