單片機(jī)在汽車電子限速系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

隨著道路交通建設(shè)的加快，高速公路網(wǎng)絡(luò)遍布。為了治理超速，國家制定了嚴(yán)格的法律法規(guī)，但是超速現(xiàn)象還是屢禁不止。據(jù)分析，全國近幾年發(fā)生的重特大交通事故，有70％與超速有關(guān)，并且超速行駛違章隨著道路交通條件的改善而不斷增多。2006年德國西門子宣布開發(fā)出了道路限速標(biāo)志識(shí)別裝置。該裝置利用攝像頭識(shí)別前方的限速標(biāo)志；當(dāng)行駛速度比限制速度快時(shí)，就會(huì)發(fā)出警告，或與巡航控制系統(tǒng)連動(dòng)，自動(dòng)限制行駛速度。使用這種裝置原則上可以達(dá)到限速的目的，但這種裝置在識(shí)別限速標(biāo)志時(shí)常因外界環(huán)境變化而受到影響。在陰雨天，限速標(biāo)志位置不同的情況下裝置就無法準(zhǔn)確識(shí)別。筆者按其工作原理，針對其不足，設(shè)計(jì)出一種新型的基于無線數(shù)據(jù)采集的汽車電子限速系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于無線單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)語音提示超速和切斷汽車油路的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)功能可分為數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)部分和車載接收機(jī)部分。數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)可接收設(shè)定數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并不斷將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。車載接收機(jī)實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算車速、判斷超速、語音報(bào)警、控制油路限速，如圖1。


　　系統(tǒng)工作流程如下：數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)不斷廣播限速數(shù)據(jù)。當(dāng)汽車經(jīng)過發(fā)射機(jī)信號覆蓋范圍時(shí)，車載接收機(jī)接收并存儲(chǔ)限速值。車載接收機(jī)的中央處理器計(jì)算與比較當(dāng)前車速。如果超速則語音報(bào)警，則超速30s后車載接收機(jī)發(fā)出控制信號切斷供油。汽車切斷供油后車速會(huì)降低，當(dāng)?shù)陀谙匏僦禃r(shí)車載接收機(jī)發(fā)出控制信號恢復(fù)供油。這樣，汽車最多超速30s就會(huì)減速到正常速度。

2 數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)

　　數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)硬件主要由中央處理單元、無線發(fā)射單元、存儲(chǔ)單元、顯示單元和控制單元組成。硬件系統(tǒng)如圖2，軟件流程如圖3。




　　其中，中央處理單元采用C8051單片機(jī)。C8051單片機(jī)加電后，程序發(fā)出存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀取操作。存儲(chǔ)芯片采用AT24C01。它具有1kB存儲(chǔ)空間，采用E2PROM總線結(jié)構(gòu)與C8051單片機(jī)的P1.0腳和P1.1腳連接。限速值經(jīng)過適當(dāng)運(yùn)算，為所有車型分別產(chǎn)生一個(gè)4B的數(shù)據(jù)包，其格式為：

　　
　　(1)起始位用FF表明數(shù)據(jù)包的開始；
　　(2)車型及校驗(yàn)碼位用高4位表示限制車型，低4位表示限速數(shù)值位的校驗(yàn)值；
　　(3)限速數(shù)值位表示限定的具體數(shù)值；
　　(4)結(jié)束位用00表明數(shù)據(jù)包的結(jié)束。

　　各車型的數(shù)據(jù)包通過程序循環(huán)用無線發(fā)射單元連續(xù)地發(fā)射出去。無線發(fā)射單元采用NRF905專用射頻芯片。該芯片發(fā)射頻率可以為433/868/915MHz，最高速率為20kb/s，通信距離可達(dá)300m～800m。C8051單片機(jī)提供的數(shù)據(jù)包經(jīng)由C8051的串口提供給NRF905以915MHz發(fā)射。

　　顯示單元顯示限速值和限速車型。顯示單元使用4個(gè)8段數(shù)碼管顯示：1個(gè)表示車型，3個(gè)表示限速值。顯示數(shù)據(jù)通過C8051的P0口提供。C8051的P2口作為數(shù)碼管的控制口，為了省電，數(shù)碼管只有在按下鍵盤時(shí)才點(diǎn)亮；當(dāng)30s內(nèi)不再操作鍵盤時(shí)數(shù)碼管熄滅。

　　程序在循環(huán)時(shí)不斷檢測C8051的P1.2～P1.4腳電平。C8051的P1.2～P1.4腳表示鍵盤控制單元使用3個(gè)按鍵，分別為車型選擇鍵、數(shù)值增加鍵和數(shù)值減少鍵。當(dāng)檢測到其中一腳電平為低時(shí)表示相應(yīng)的按鍵按下，程序根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的代碼。鑒于目前的國情，車型可規(guī)定為小型車、中型車、大型車和其他車型；根據(jù)車型和路況而設(shè)定不同的限速標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)操作修改鍵修改限速值時(shí)，程序需要將新限速值重新寫入存儲(chǔ)芯片中。根據(jù)各車型排列順序，T24C01芯片從地址00FF依次存放對應(yīng)車型的限速數(shù)值，每個(gè)數(shù)值占用1B空間。

3 車載接收機(jī)

　　車載接收機(jī)硬件主要由無線單片機(jī)單元、語音電路單元、存儲(chǔ)單元、速度采集單元和油路控制單元組成，如圖4。


　　為了簡化設(shè)計(jì)，車載無線單片機(jī)采用Chipcon公司的CC1110無線單片機(jī)系統(tǒng)。CC1110具有低功耗、低成本、高可靠性的優(yōu)勢，具備無線收發(fā)功能并且內(nèi)置8051MCU。其工作頻率為315/433/868/915MHz，最高速傳輸速率為500kb/s，工作電壓1.8V～3.6V，接收靈敏度-110dB。存儲(chǔ)單元和發(fā)射機(jī)的存儲(chǔ)單元工作原理相同。它的數(shù)據(jù)線和控制線連接到單片機(jī)CC1110的P0.0和P0.1腳。當(dāng)程序開始時(shí)，需要初始化工作環(huán)境，包括讀取部分參數(shù)值和啟動(dòng)一些中斷程序；程序初始化完成后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)流程。在這個(gè)循環(huán)中，無線單片機(jī)不斷執(zhí)行檢測新數(shù)據(jù)操作和執(zhí)行超速處理操作。軟件流程如圖5所示。

　　CC1110的P2.4～P2.7腳外接撥碼開關(guān)，根據(jù)撥碼數(shù)值定義車型。在檢測新數(shù)據(jù)操作過程中，程序根據(jù)車型定義分析數(shù)據(jù)，將符合要求的新數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)芯片中，數(shù)據(jù)占用存儲(chǔ)芯片地址00FF一個(gè)字節(jié)空間。

　　CC1110單片機(jī)的P2.0腳和P2.1腳分別控制觸發(fā)報(bào)警電路和油路控制電路。在執(zhí)行超速處理操作過程中，當(dāng)車速大于限速值時(shí)，P2.0腳輸出高電平觸發(fā)語音電路發(fā)出報(bào)警提示。程序設(shè)計(jì)了30s超速延時(shí)，主要用于汽車短時(shí)超車，超車后恢復(fù)正常行使速度，語音提示消失。當(dāng)語音提示30s后仍然超速，P2.1腳輸出低電平到油路控制繼電器。油路控制繼電器控制汽車噴油嘴供電電路開關(guān)：單片機(jī)的P2.1腳輸出高電平控制油路控制繼電器接通，汽車噴油嘴供電電路可以保持正常供電；P2.1腳輸出低電平控制油路控制繼電器斷開，切斷汽車噴油嘴供電電路工作，從而達(dá)到限速的目的。

　　汽車型號多種多樣，采用的速度傳感器主要有磁電式車速成傳感器、霍爾式車速傳感器和光電式車速傳感器。磁電式車速成傳感器產(chǎn)生類似正弦波的波形；霍爾式車速傳感器和光電式車速傳感器產(chǎn)生近似方波的波形。根據(jù)速度傳感器產(chǎn)生波的頻率，可計(jì)算當(dāng)前車速。但無論哪種波形都不能直接應(yīng)用于無線單片機(jī)上，需要速度采集電路轉(zhuǎn)換成方波波形。速度采集電路由信號放大電路和信號比較電路組成。整理好的信號送達(dá)CC1110的P1.0腳進(jìn)行處理。CC1110的P1.0腳作為外部中斷口輸入；程序運(yùn)行時(shí)，以下跳沿觸發(fā)外部中斷；中斷程序累加中斷次數(shù)T。CC1110單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)開啟外部中斷口P1.0和Timer1計(jì)數(shù)器；當(dāng)Tmer1計(jì)數(shù)溢出產(chǎn)生時(shí)間中斷時(shí)，中斷程序計(jì)算當(dāng)前的車速V。其計(jì)算公式為：

　　V=T×A×0.0036/S(km/h)

　　其中S表示Timer1計(jì)數(shù)周期，其單位為s。A為系數(shù)，指速度傳感器觸發(fā)一次表示的距離，單位為ms。
因?yàn)樗俣葌鞲衅骷败囆偷牟煌?，S需要做相應(yīng)調(diào)整。因此接收機(jī)CPUCC1110的P2.2腳設(shè)計(jì)一個(gè)跳線，實(shí)現(xiàn)設(shè)定參數(shù)S的功能。程序設(shè)定P2.2腳高電平程序正常計(jì)算車速V，低電平則程序反算參數(shù)S，并將計(jì)算結(jié)果保存到存儲(chǔ)芯片中。參數(shù)S占用存儲(chǔ)器地址01FF～02FF。程序在Timer1中斷程序中計(jì)算車速時(shí)，首先檢測P2.2腳電平。在汽車車速以5公里/小時(shí)勻速行使時(shí)，人工短接跳線2s后取下跳線就可以完成系數(shù)設(shè)定操作。此功能的設(shè)計(jì)方便了參數(shù)的調(diào)整，增強(qiáng)了車載接收機(jī)的通用性。

　　汽車電子限速系統(tǒng)是利用無線技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)結(jié)合汽車的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的電子限速設(shè)備。對于現(xiàn)有的汽車廠商，車載機(jī)的改進(jìn)只需增加無線接收部分和語音報(bào)警部分電路，對現(xiàn)有行車電腦軟件稍加修改就可以完成限速功能的改進(jìn)。如果交管部門推廣應(yīng)用該裝置，則可以從根本上解決汽車超速問題，極大地減少惡性交通事故。汽車電子限速系統(tǒng)還可以擴(kuò)展出許多功能，如在汽車追逃、汽車防盜、違章信息傳達(dá)、交通限制廣播等方面。