一種基于STC89C52的客車(chē)安全系統設計與實(shí)現

摘要 為增加客車(chē)的安全性，提出了一種基于STC89C52單片機同時(shí)具有防超載和防撞功能的客車(chē)安全系統。通過(guò)研究超聲波測距原理和脈沖寬度調制原理，并對車(chē)身重量和障礙物的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監測以實(shí)現其功能。對該系統的安全性能和測量精度進(jìn)行了測試，結果表明，系統達到了設計要求。

統計表明，在關(guān)于客車(chē)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(chē)輛撞擊和防超載的發(fā)生進(jìn)行了一次探索。當乘客全部上車(chē)后，車(chē)門(mén)關(guān)閉，智能車(chē)通過(guò)稱(chēng)重傳感器進(jìn)行稱(chēng)重，并將重量顯示在液晶屏上，若重量超過(guò)額定數值，蜂鳴器報警、小車(chē)無(wú)法開(kāi)動(dòng)，以實(shí)現防超載的功能。小車(chē)開(kāi)動(dòng)后，超聲波模塊開(kāi)始測距，當小車(chē)與前方障礙物的距離低于規定距離30 cm時(shí)，電機減速;當距離減小到安全距離以?xún)?5 cm時(shí)，小車(chē)停駛，直到前方車(chē)輛遠離小車(chē)才繼續行駛，起到了防撞的作用。本設計具有成本低、操作簡(jiǎn)便、體積小等特點(diǎn)。

1 總體設計方案和工作原理

1.1 總體設計方案

系統組成框圖如圖1所示，智能車(chē)以STC89C52作為主控芯片，使用電阻應變式傳感器進(jìn)行稱(chēng)重，并將采集到的數據通過(guò)模數轉換后發(fā)送至單片機同時(shí)將結果顯示在液晶屏上。文中使用HC-SR04模塊實(shí)現超聲波的收發(fā)，并將測得的數據傳輸給單片機，根據小車(chē)與障礙物的距離遠近，產(chǎn)生不同的脈沖寬度調制信號以達到實(shí)時(shí)調節電機轉速的目的，同時(shí)由1602液晶顯示距離。

1.2 電機調速原理

電機轉速的快慢與輸入電壓的大小和通斷有關(guān)，因此脈沖寬度調制(PWM)便成為了調節小車(chē)行駛速度的最佳方案。脈沖寬度調制，就是按照一定的頻率接通和斷開(kāi)電源，并根據不同的情況來(lái)改變通斷電源的時(shí)間。而電機轉速快慢是通過(guò)改變電機上的平均電壓實(shí)現的，平均電壓值可通過(guò)電壓的占空比來(lái)改變。如圖2所示，當電源接通時(shí)，電機運轉;斷開(kāi)時(shí)，電機停止;通電時(shí)間越長(cháng)，電機轉速越快。所以，根據PWM原理對電機按頻率進(jìn)行通電和斷電，便可實(shí)現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(shí)，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。在T不變的情況下，改變接通電源的時(shí)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(xiàn)性關(guān)系。

經(jīng)測試和計算，平均速度和平均電壓的關(guān)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(shí)間檢測法，其原理為：在傳播介質(zhì)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(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與氣體介質(zhì)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(shí)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(jiǎn)便、功能強大、加密性強，同時(shí)還具有超強抗干擾性能，工作溫度范圍大，且支持在線(xiàn)系統編程(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(gè)超過(guò)10 mV的高電平信號，模塊則會(huì )發(fā)送8個(gè)連續的40 kHz脈沖波，接收端開(kāi)始檢測有無(wú)返回信號，同時(shí)單片機的定時(shí)器T1開(kāi)始計時(shí)。當有信號返回時(shí)，單片機外中斷INT0被觸發(fā)進(jìn)入公式計算程序，最終得出結果。

2.3 稱(chēng)重模塊設計

2.3.1 模數轉換模塊

HX711是一款專(zhuān)為高精度稱(chēng)重傳感器而設計的24位雙通道模數轉換器芯片，具有體積小、操作簡(jiǎn)便、抗干擾性強的特點(diǎn)。其含有A、B雙通道供使用者選擇，通道內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(jiǎn)單，只需對串口通訊PD_SCK和DOUT進(jìn)行編程。

PD_SCK應輸入25～27個(gè)不等的時(shí)鐘脈沖，根據脈沖數的不同選擇不同的通道和增益，本系統軟件選擇A通道128倍增益對數據進(jìn)行轉換。

2.3.2 電阻應變式稱(chēng)重傳感器

電阻應變式稱(chēng)重傳感器的工作原理是將其內部應變片兩端的電壓變化與物體的重量建立線(xiàn)性關(guān)系。應變片粘貼在力敏型彈性元件上，當彈性元件受力時(shí)，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值，再經(jīng)過(guò)公式換算即可得到所測量物體的重量。

2.4 電路驅動(dòng)模塊的設計

L298N是雙H橋直流電機驅動(dòng)芯片，其可通過(guò)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(shí)現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(gè)端口則可實(shí)現電機加速、減速的功能。