單片機在汽車(chē)電子限速系統中的應用設計

隨著(zhù)道路交通建設的加快，高速公路網(wǎng)絡(luò )遍布。為了治理超速，國家制定了嚴格的法律法規，但是超速現象還是屢禁不止。據分析，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(zhù)道路交通條件的改善而不斷增多。2006年德國西門(mén)子宣布開(kāi)發(fā)出了道路限速標志識別裝置。該裝置利用攝像頭識別前方的限速標志；當行駛速度比限制速度快時(shí)，就會(huì )發(fā)出警告，或與巡航控制系統連動(dòng)，自動(dòng)限制行駛速度。使用這種裝置原則上可以達到限速的目的，但這種裝置在識別限速標志時(shí)常因外界環(huán)境變化而受到影響。在陰雨天，限速標志位置不同的情況下裝置就無(wú)法準確識別。筆者按其工作原理，針對其不足，設計出一種新型的基于無(wú)線(xiàn)數據采集的汽車(chē)電子限速系統。該系統基于無(wú)線(xiàn)單片機，可實(shí)現語(yǔ)音提示超速和切斷汽車(chē)油路的功能。

1 系統設計

　　整個(gè)系統根據功能可分為數據發(fā)射機部分和車(chē)載接收機部分。數據發(fā)射機可接收設定數據、存儲數據并不斷將數據發(fā)射出去。車(chē)載接收機實(shí)現接收數據、存儲數據、計算車(chē)速、判斷超速、語(yǔ)音報警、控制油路限速，如圖1。


　　系統工作流程如下：數據發(fā)射機不斷廣播限速數據。當汽車(chē)經(jīng)過(guò)發(fā)射機信號覆蓋范圍時(shí)，車(chē)載接收機接收并存儲限速值。車(chē)載接收機的中央處理器計算與比較當前車(chē)速。如果超速則語(yǔ)音報警，則超速30s后車(chē)載接收機發(fā)出控制信號切斷供油。汽車(chē)切斷供油后車(chē)速會(huì )降低，當低于限速值時(shí)車(chē)載接收機發(fā)出控制信號恢復供油。這樣，汽車(chē)最多超速30s就會(huì )減速到正常速度。

2 數據發(fā)射機

　　數據發(fā)射機硬件主要由中央處理單元、無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元、存儲單元、顯示單元和控制單元組成。硬件系統如圖2，軟件流程如圖3。




　　其中，中央處理單元采用C8051單片機。C8051單片機加電后，程序發(fā)出存儲器數據讀取操作。存儲芯片采用AT24C01。它具有1kB存儲空間，采用E2PROM總線(xiàn)結構與C8051單片機的P1.0腳和P1.1腳連接。限速值經(jīng)過(guò)適當運算，為所有車(chē)型分別產(chǎn)生一個(gè)4B的數據包，其格式為：

　　
　　(1)起始位用FF表明數據包的開(kāi)始；
　　(2)車(chē)型及校驗碼位用高4位表示限制車(chē)型，低4位表示限速數值位的校驗值；
　　(3)限速數值位表示限定的具體數值；
　　(4)結束位用00表明數據包的結束。

　　各車(chē)型的數據包通過(guò)程序循環(huán)用無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元連續地發(fā)射出去。無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元采用NRF905專(zhuān)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300m～800m。C8051單片機提供的數據包經(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(chē)型。顯示單元使用4個(gè)8段數碼管顯示：1個(gè)表示車(chē)型，3個(gè)表示限速值。顯示數據通過(guò)C8051的P0口提供。C8051的P2口作為數碼管的控制口，為了省電，數碼管只有在按下鍵盤(pán)時(shí)才點(diǎn)亮；當30s內不再操作鍵盤(pán)時(shí)數碼管熄滅。

　　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(pán)控制單元使用3個(gè)按鍵，分別為車(chē)型選擇鍵、數值增加鍵和數值減少鍵。當檢測到其中一腳電平為低時(shí)表示相應的按鍵按下，程序根據鍵值執行相應的代碼。鑒于目前的國情，車(chē)型可規定為小型車(chē)、中型車(chē)、大型車(chē)和其他車(chē)型；根據車(chē)型和路況而設定不同的限速標準。當操作修改鍵修改限速值時(shí)，程序需要將新限速值重新寫(xiě)入存儲芯片中。根據各車(chē)型排列順序，T24C01芯片從地址00FF依次存放對應車(chē)型的限速數值，每個(gè)數值占用1B空間。

3 車(chē)載接收機

　　車(chē)載接收機硬件主要由無(wú)線(xiàn)單片機單元、語(yǔ)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(jiǎn)化設計，車(chē)載無(wú)線(xiàn)單片機采用Chipcon公司的CC1110無(wú)線(xiàn)單片機系統。CC1110具有低功耗、低成本、高可靠性的優(yōu)勢，具備無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能并且內置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)射機的存儲單元工作原理相同。它的數據線(xiàn)和控制線(xiàn)連接到單片機CC1110的P0.0和P0.1腳。當程序開(kāi)始時(shí)，需要初始化工作環(huán)境，包括讀取部分參數值和啟動(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(wú)線(xiàn)單片機不斷執行檢測新數據操作和執行超速處理操作。軟件流程如圖5所示。

　　CC1110的P2.4～P2.7腳外接撥碼開(kāi)關(guān)，根據撥碼數值定義車(chē)型。在檢測新數據操作過(guò)程中，程序根據車(chē)型定義分析數據，將符合要求的新數據保存到存儲芯片中，數據占用存儲芯片地址00FF一個(gè)字節空間。

　　CC1110單片機的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。在執行超速處理操作過(guò)程中，當車(chē)速大于限速值時(shí)，P2.0腳輸出高電平觸發(fā)語(yǔ)音電路發(fā)出報警提示。程序設計了30s超速延時(shí)，主要用于汽車(chē)短時(shí)超車(chē)，超車(chē)后恢復正常行使速度，語(yǔ)音提示消失。當語(yǔ)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(chē)噴油嘴供電電路開(kāi)關(guān)：?jiǎn)纹瑱C的P2.1腳輸出高電平控制油路控制繼電器接通，汽車(chē)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(kāi)，切斷汽車(chē)噴油嘴供電電路工作，從而達到限速的目的。

　　汽車(chē)型號多種多樣，采用的速度傳感器主要有磁電式車(chē)速成傳感器、霍爾式車(chē)速傳感器和光電式車(chē)速傳感器。磁電式車(chē)速成傳感器產(chǎn)生類(lèi)似正弦波的波形；霍爾式車(chē)速傳感器和光電式車(chē)速傳感器產(chǎn)生近似方波的波形。根據速度傳感器產(chǎn)生波的頻率，可計算當前車(chē)速。但無(wú)論哪種波形都不能直接應用于無(wú)線(xiàn)單片機上，需要速度采集電路轉換成方波波形。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(shí)，以下跳沿觸發(fā)外部中斷；中斷程序累加中斷次數T。CC1110單片機在啟動(dòng)時(shí)開(kāi)啟外部中斷口P1.0和Timer1計數器；當Tmer1計數溢出產(chǎn)生時(shí)間中斷時(shí)，中斷程序計算當前的車(chē)速V。其計算公式為：

　　V=T×A×0.0036/S(km/h)

　　其中S表示Timer1計數周期，其單位為s。A為系數，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(chē)型的不同，S需要做相應調整。因此接收機CPUCC1110的P2.2腳設計一個(gè)跳線(xiàn)，實(shí)現設定參數S的功能。程序設定P2.2腳高電平程序正常計算車(chē)速V，低電平則程序反算參數S，并將計算結果保存到存儲芯片中。參數S占用存儲器地址01FF～02FF。程序在Timer1中斷程序中計算車(chē)速時(shí)，首先檢測P2.2腳電平。在汽車(chē)車(chē)速以5公里/小時(shí)勻速行使時(shí)，人工短接跳線(xiàn)2s后取下跳線(xiàn)就可以完成系數設定操作。此功能的設計方便了參數的調整，增強了車(chē)載接收機的通用性。

　　汽車(chē)電子限速系統是利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)和單片機控制技術(shù)結合汽車(chē)的電路結構設計出的電子限速設備。對于現有的汽車(chē)廠(chǎng)商，車(chē)載機的改進(jìn)只需增加無(wú)線(xiàn)接收部分和語(yǔ)音報警部分電路，對現有行車(chē)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(mén)推廣應用該裝置，則可以從根本上解決汽車(chē)超速問(wèn)題，極大地減少惡性交通事故。汽車(chē)電子限速系統還可以擴展出許多功能，如在汽車(chē)追逃、汽車(chē)防盜、違章信息傳達、交通限制廣播等方面。