《電子技術(shù)應(yīng)用》
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單片機(jī)在汽車電子限速系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計

2009-03-19
作者:劉 強,王 遠(yuǎn),梁 萍,文

  摘? 要: 汽車限速電子系統(tǒng)是解決汽車行駛超速問題的電子設(shè)備。采用無線技術(shù)和單片機(jī)技術(shù);由設(shè)在路旁的發(fā)射機(jī)發(fā)射預(yù)先設(shè)的限速值,車載接收機(jī)通過接收車速限定值,測算當(dāng)前車速并與限定值作比較;如車速超過限定值,系統(tǒng)自動切斷油路,達(dá)到限速目的。
  關(guān)鍵詞: 汽車;電子限速;無線單片機(jī);無線傳輸

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  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)志識別裝置。該裝置利用攝像頭識別前方的限速標(biāo)志;當(dāng)行駛速度比限制速度快時,就會發(fā)出警告,或與巡航控制系統(tǒng)連動,自動限制行駛速度。使用這種裝置原則上可以達(dá)到限速的目的,但這種裝置在識別限速標(biāo)志時常因外界環(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)確識別。筆者按其工作原理,針對其不足,設(shè)計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
  整個系統(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)、存儲數(shù)據(jù)并不斷將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。車載接收機(jī)實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、計算車速、判斷超速、語音報警、控制油路限速,如圖1。

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  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,車載接收機(jī)接收并存儲限速值。車載接收機(jī)的中央處理器計算與比較當(dāng)前車速。如果超速則語音報警,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降低,當(dāng)?shù)陀谙匏僦禃r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)出存儲器數(shù)據(jù)讀取操作。存儲芯片采用AT24C01。它具有1kB存儲空間,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)運算,為所有車型分別產(chǎn)生一個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8段數(shù)碼管顯示:1個表示車型,3個表示限速值。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才點亮;當(dāng)30s內(nèi)不再操作鍵盤時數(shù)碼管熄滅。
  程序在循環(huán)時不斷檢測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,程序需要將新限速值重新寫入存儲芯片中。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,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。存儲單元和發(fā)射機(jī)的存儲單元工作原理相同。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,需要初始化工作環(huán)境,包括讀取部分參數(shù)值和啟動一些中斷程序;程序初始化完成后進(jìn)入一個循環(huán)流程。在這個循環(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。

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  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)保存到存儲芯片中,數(shù)據(jù)占用存儲芯片地址00FF一個字節(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,P2.0腳輸出高電平觸發(fā)語音電路發(fā)出報警提示。程序設(shè)計了30s超速延時,主要用于汽車短時超車,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;程序運行時,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)在啟動時開啟外部中斷口P1.0和Timer1計數(shù)器;當(dāng)Tmer1計數(shù)溢出產(chǎn)生時間中斷時,中斷程序計算當(dāng)前的車速V。其計算公式為:
  V=T×A×0.0036/S(km/h)
  其中S表示Timer1計數(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。
????因為速度傳感器及車型的不同,S需要做相應(yīng)調(diào)整。因此接收機(jī)CPUCC1110的P2.2腳設(shè)計一個跳線,實現(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算車速V,低電平則程序反算參數(shù)S,并將計算結(jié)果保存到存儲芯片中。參數(shù)S占用存儲器地址01FF~02FF。程序在Timer1中斷程序中計算車速時,首先檢測P2.2腳電平。在汽車車速以5公里/小時勻速行使時,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)計方便了參數(shù)的調(diào)整,增強了車載接收機(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。

參考文獻(xiàn)
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