智能客车超载检测系统设计

毕业设计、毕业论文
题目智能型客车
超载检测系统设计
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摘要
本文设计了一个客车超载监控系统，以MCS-51单片机为核心，利用反射式红别传感器、方向识别电路、报警电路、锁定电路设计，能够通过键盘手动设置乘客人数的上限值，并用LED显示器显示车内的实时乘客人数。

当客车内人数超载时，系统发作声光报警，并通过继电器切断客车的电子启动装置，从而将汽车锁定，使之无法行驶。

当超载解除后，声光报警也相应的解除，客车锁定解除，能够正常运行。

本设计共分两部份，硬件系统设计和软件系统设计。

硬件部份利用红别传感器和方向识别电路将乘客的上、下车情形进行检测和判断并输入单片机系统。

通过单片机系统将处置的数据送LED显示，声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，用继电器实现对客车启动装置的锁定。

软件部份用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。

该系统通过调试后，能够较好的完成客车超载的预警提示，并对超载情形进行相关控制。

关键词：客车；超载；监控；单片机
Intelligent Passenger Overload Detection System Design
Abstract:
This paper illustrates the design of a carriage overload monitoring MCU as core is used to design hardware circuit and this subject we use infrared sensors,identify circuit and alarm-circuit latch circuit to design a carriage overload monitoring system that enables the keyboard to manually set limits on the number of passengers and can use LED at the same time to display the number of passengers the passenger overloading,the sound and light alarm system cuts off the bus through the electronic launch doing this,the overload monitoring system can lock the car,so that the car can’t be the overl oad is canceled,the sound and light warning is canceled. The bus is also unlocked and can be operated normally.
The design is divided into two parts, hardware system design and software system design .The hardware systems parts uses infracted sensors and identify circuit to detect and judge the situation whether the passengers are getting on or off the bus .This system can display the number of passengers on LED. The sound and light alarm circuit is composed of buzzer and LEDs, the lock function of the bus’s launch devices achieves by using the relay unit. Assemble language is used in the software system and modularization design idea is adopted .The monitor system can complete an alarm beforehand for overload, meanwhile the mutuality control will be adopted.
Key words:carriage;overloading;monitoring; SCM(single chip micro computer)
目录
Abstract: (II)
第1章绪论 (1)
立题的意义 (1)
课题研究任务及目标 (2)
课题主要内容 (2)
第2章客车超载检测系统的方案论证 (4)
系统的原理 (4)
系统的组成 (4)
第3章客车超载监控系统的硬件设计 (6)
客车超载监控系统的检测电路 (6)
在客车超载监控系统的检测电路中主要有：传感器的选择、反射式红别传感器检测原理、方向识别电路的设计。

(6)
3.1.1传感器的选择 (6)
3.1.2反射式红别传感器检测原理 (7)
3.1.3方向识别电路的设计 (8)
3.1.4双D触发器 (10)
7406 芯片 (12)
单片机最小系统的设计 (13)
3.2.1单片机的选择 (13)
3.2.2单片机外围电路的设计 (15)
显示电路的设计 (17)
7407集电极开路六正相高压驱动器 (18)
3.3.1LED显示器 (19)
3.3.3显示电路 (20)
键盘电路的设计 (21)
报警电路的设计 (22)
客车锁定电路的设计 (23)
供电电源电路的设计 (24)
第4章客车超载监控系统的软件设计 (26)
客车超载监控系统的软件设计方案 (26)
T0、T1中断计数程序的设计 (28)
按键子程序的设计 (29)
报警与锁定子程序的设计 (30)
显示子程序的设计 (31)
结论 (33)
致谢 (34)
参考文献 (35)
附录I 客车超载监控系统硬件系统原理图 (37)
附录Ⅱ客车超载监控系统程序清单 (38)
附录III 客车超载监控系统元器件清单 (44)
第1章绪论
立题的意义
随着生活水平的不断提高，人们外出打工、探亲、旅游的人数愈来愈多，尤其是节假日，而与此相关的公路客运（远程客车，旅游客车等）的运力却没有相应增加，致使超员现象几回出现。

目前，它已成为一个严峻影响交通运输环境和社会经济可持续进展的社会问题。

客车超载对国家的公路设施和客运市场造成了不良的影响，也影响车辆本身和车辆的驾驶、控制，容易引发事故，咱们都明白车辆超载运输而且长期处于超负荷状态，就会致使车辆的制动装置和操作系统等安全性能迅速下降，表现为轮胎变形爆胎，刹车失灵，转向器轻飘抖动，钢板弹簧折断，半轴断裂等等。

而客车一旦发生事故，给国家和百姓带来重大的经济损失和情感伤害。

目前，国家虽然出台了一系列的政策法规来制止客车超载，各地政府也制定了相关的制度来对客车超载进行管理，在必然程度上减少了客车超载现象，但在节假日等客流顶峰期，超载现象仍是屡禁不止。

在采取行政监督管理的同时，通过科学技术的手腕来消除客车超载的现象也有着极为重要的意义和实用性。

单片机作为微型运算机的一个很重要的分支，是将CPU、存储器、总线、I/O接线口电路集成在一片超大规模集成电路芯片上。

自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，进展也专门快。

因此它普遍应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及进程控制等领域，大致可分如下几个范围：
(1)在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和利用方便等长处，普遍应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

(2)在工业控制中的应用
单片性能够组成形式多样的控制系统、数据收集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各类报警系统，与运算机联网组成二级控制系统等。

⑶在家用电器中的应用
此刻的家用电器大体上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

⑷在运算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具有通信接口，能够很方便地与运算机进行数据通信，为在运算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，此刻的通信设备大体上都实现了单片机智能控制，从电话、电话机、小型程控互换机、楼宇自动通信呼唤系统、列车无
线通信、再到日常工作中处处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等。

⑸单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当普遍，例如医用呼吸机，各类分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼唤系统等。

因此单片机的出现应用于监测系统后，智能化的监测系统的模型也就大体具有了。

单片机以其兼容性强，软件、硬件应用设计资源资料丰硕，和极高的性能价钱比受到人们的重视和关注。

单片机和外围芯片的不断进展增进了超载、超量监测系统的进展。

以单片机为核心的智能监控系统以其体积小，抗干扰能力强，对环境的要求不高，价钱低廉，靠得住性高，开发较为容易，并可取得较高的经济效益等特点，专门快占有了监控器领域的市场,所以其应用很广，进展专门快。

因此本课题正是基于此点，采用单片机为核心的智能监控系统可以对客车内乘客人数的统计，并通过LED显示器实时显示。

当客车出现超载时，系统进行声光报警。

同时通过继电器关闭客车的启动装置来阻止超载客车的运行。

反之，当超载解除后，声光报警被解除，系统也相应解除对客车的锁定，客车可正常运行，从而达到了智能监控客车超载的要求，大大减少因超载而发生交通事故，使乘客的生命财产安全取得有效的保障。

课题研究任务及目标
本课题主要任务是以MCS-51单片机为控制核心，能够自动检测车内乘客的人数并用LED即时显示，通过键盘设置超载人数的上限值，一旦客车超载时能进行声光报警，同时锁定客车的启动装置。

它的硬件电路部份主要包括检测电路（红别传感器和方向识别电路）、键盘电路、显示电路、控制电路和报警电路五大部份。

其中，主要研究内容为：红外检测技术、运动方向识别电路、LED数码管的显示、单片机控制系统等。

该设计技术指标如下：
⑴能够完成车箱内人数的显示，并用LED即时显示
⑵超载人数的上限值能够通过键盘设置（默许人数为30）
⑶客车一旦超载时将发作声光报警信号，并关闭汽车的启动装置。

⑷光报警信号要实现1S闪烁功能，声音报警电路要产生1kHz音频信号驱动蜂鸣器完成。

课题主要内容
本文主要介绍了客车超载监控系统的软硬件设计思想、各功能的实现方式、相应的电路原理、和各元器件性能型号的选择，内容主要分为两部份：
第一部份是硬件的设计，包括硬件电路方案的设计、元器件的选择等，具体的硬
件电路包括检测电路（传感器和方向识别电路），AT89C51单片机的最小系统电路、键盘输入电路、LED显示电路、声光报警电路、锁定电路等。

以硬件来完成具体的功能使整个系统完整，并达到最终能够准确的检测客车超载检测的最终目的。

第二部份是软件的设计，软件设计采用模块化的思想，慢慢完善设计功能，初步绘制出电路图和程序的流程图。

以软件配合硬件，使其能够利用软件来使硬件彼此关联、彼此辅助，使整个设计完整。

第2章客车超载检测系统的方案论证
系统的原理
本课题所设计的客车超载监控系统主如果避免因人数超载而引发的交通事故，所以本系统应该具有对乘客上、下车动作的智能检测，通过单片机来处置传感器获取的信息，能够自动统计客车上、下乘客的具体人数，能用LED来进行即时的数字显示。

当客车内的实际人数超过设置的预定数值的上限值时，检测系统将自动进行声光报警，同时客车的启动装置也将会被锁定，如此能够有效地阻止超载情形的发生，从而降低因超载而引发的交通事故。

本系统中智能检测的方式显得尤其重要。

其中，智能检测包括两部份：第一是检测模块部份。

通过E3F-DS30C4反射式红别传感器和双D触发器对乘客的上、下车动作进行检测和判断。

第二是数据统计部份。

由单片机对接收的脉冲信号进行相应的加减计数运算，即完成统计乘客人数的功能。

只有对车内人数准确的监视，才能判断出是不是超载，来避免交通事故的发生，从而达到防患于未然的现实意义。

系统的组成
系统结构框图如图所示。

主要包括：检测电路（红别传感器和方向识别电路）、键盘电路、单片机系统、LED显示电路、继电器控制电路、报警电路六部份。

图系统的整体设计框图
系统各部份的大体功能简介如下：
⑴反射式红别传感器
该传感器是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当探测器前方有障碍物时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。

当探测器前方没有障碍物时，探测器输出端输出高电平，当检测到障碍物时，探测器输出端输出低电平。

因此，当有乘客通过车门完成一个上车或下车的动作时就会产生脉冲信号，如此就完成了对乘客上、下车动作的检测，实现了将动作信号转换成电信号的功能。

⑵方向识别电路
方向识别电路是由双D触发器组成的双稳态电路，它能够通过自身的逻辑电路，来实现辨向的功能。

方向识别电路与单片机的T0 、T1口相连，当乘客上车时会产生一个相应的负脉冲信号，把其接入T0端作为乘客上车动作信号的输入端，从而实现辨别乘客运动方向的功能。

同理，当乘客下车时也会产生一个相应的负脉冲信号，把其接入T1端，即T1端作为乘客下车动作信号的输入端。

⑶单片机系统
单片机是本系统的核心元件，它实现了对传感器所收集的信号的判断和处置，控制硬件部份的键盘电路、显示电路、报警电路从而完成客车超载的智能监控。

⑷键盘
键盘采用4个独立式的按键来手动设置客车乘客人数的上限值，系统内的复位。

⑸ LED 显示电路
该电路用两位共阴极 LED 数码管来即时显示，其系统开始时显示预置上限人数，当系统进入监控阶段则显示客车内乘客的即时人数。

⑹继电器
在该系统顶用继电器来模拟客车的启动装置。

若继电器断开，则代表客车已被锁定无法开启；若继电器闭合则代表客车恢复正常的启动，能够运行。

⑺报警电路
报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，当接收到单片机的命令时进行相应的声光报警和解除报警。

第3章客车超载监控系统的硬件设计
系统的硬件设计是该系统设计成功与否的基础。

依照系统设计的整体方案，本设计采用模块化的设计思想。

硬件设计的主要组成部份：检测电路、单片机最小系统电路、LED显示电路、继电器控制电路、声光报警电路、键盘输入电路。

客车超载监控系统的检测电路
在客车超载监控系统的检测电路中主要有：传感器的选择、反射式红别传感器检测原理、方向识别电路的设计。

3.1.1传感器的选择
在本系统中传感器的主要作用是完成上、下车乘客动作信号的检测，因此在对传感器选择时应尽可能考虑实际需求。

其中包括适当的监测范围、灵敏度、调理电路简单、高性价比等。

常常利用的传感器有反射式红别传感器、超声波式传感器、激光雷达和MMW雷达等。

几种传感器的优缺点进行比较如表所示。

其中超声波传感器的大体原理是超声波的直线传输特性。

传感器有一个超声波发射端，上电后发射超声波，还有一个超声波接收端，若是前方有障碍物，超声波反射回来被接收端接收，并在输出端输出一个响应的电平信号。

该方式被普遍应用于移动机械人的研究上。

其长处是价钱合理，易于利用，且在10m之内能给出精准的测量。

可是超声波传感器的工作原理基于声，即便能够使之测达100m远，但可能在传输中受到其它信号的干扰，所以不能用于本系统。

视觉传感器在CW系统中利用得超级普遍。

其长处是尺寸小，价钱合理，在必然的宽度和视觉域内能够测量定多个目标，而
且能够利用测量的图像按照外形和大小对目标进行分类。

可是算法复杂，处置速度慢。

雷达传感器在军事和航空领域已经利用了几十年。

主要长处是能够鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。

近十年来随着尺寸及价钱的降低，在汽车行业开始被利用，但是仍存在性价比的问题。

本设计采用的是一种集发射与接收于一体的光电传感器。

检测距离能够按照要求进行调节。

该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价钱廉价、易于装配、利用方便等特点，能够普遍应用于机械人避障、流水线计件等众多场合。

该漫反射型光电开关检能够检测前方3-80cm (能够调节）；工作电压为5V 直流电压。

工作电流小于10mA ；输出驱动电流为100mA ； 利用温度范围为－40～70C ；这是一种应用最为普遍的光电开关，它的直径为17mm ，固按时只要在设备外壳上打一个17mm 的园孔就可以轻松固定，长度约45mm ，引线长度为45mm 。

3.1.2反射式红别传感器检测原理
漫反射式光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体通过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。

当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

漫反射式光电开关工作示用意如图所示。

图 漫反射式光电开关工作示用意
测量电路也是传感器组成的一部份。

由于传感器由敏感元件和转化元件组成，但转化元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处置和控制。

这时就需要将其进一步转变成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部份称为测量电路。

随着集成电路技术的进展，传感器的测量电路也逐渐开始集成芯片化。

一般需要辅助电源供电。

测量电路的选择视转化元件的类型而定，常采用的有电桥电路、脉宽调制电
路、振荡电路、高输入阻抗电路。

红别传感器采用E3F-DS30C4型光电开关，该传感器为漫反射式光电开关，漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的同意器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定同意器接收到光线的强度。

粗糙的表面反射回的光线强度必将小于滑腻表面反射回的强度，而且被检测物体的表面必需垂直于光电开关的发射光线。

当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时晶体管导通，负载得电工作。

该传感器探测距离为3-80cm，按如实际需要把车门两个传感器的探测距离调整为40cm。

3.1.3方向识别电路的设计
在该系统的设计中，传感器单元的功能是检测乘客通过车门的动作信号，可是对乘客的具体上、下车的动作不能作出判断，因此采用方向识别电路对传感器的输出信号进行区分、判断就成了一个必要的环节。

在本课题的设计中，反射式红别传感器安装在客车车门周围，其具体安置方式如图所示。

图检测传感器安放图
本系统对方向识别电路的设计采用了双D触发器，实现了对乘客方向的识别。

方向识别电路如图所示。

图辨别方向电路图
图 辨别方向DXP 电路图
R1 /Q1
CLK1
Q1 D1 S1
D2 S2 Q2 CLK2
/Q2 R2
传感器1
传感器2
INT1
INT0
74F06
74F06
74F06
74F06
+5V
如图所示，将双D 触发器的复位端别离与7406相连。

由于双D 触发器的置位端为低电平有效，将置位端接+5V 电压，从而对置位信号进行屏蔽。

将D 触发器的Q 端与Q 端连接起来，如此D 触发器的特征方程为n Q D =。

那时钟信号CLK=0时，D 触发器的Q 端和Q 端维持逻辑状态不变；当CLK=1时，即D 触发器时钟信号的上升沿抵达时，Q 端和Q 端的状态要进行翻转，转变成相反的逻辑状态。

其特性表如表所示。

表 边沿触发器特性表
当没有乘客通过车门时，传感器一、2均输出为高电平,经74F06 反相处置后，输出为低电平。

触发器的复位端和置位端为低电平有效，在本设计中对触发器的置位端接入+5V 进行屏蔽。

在没有乘客上车时，两个D 触发器的时钟信号CLK 一、CLK2均等于0, 1Q =0,2Q =0,D1=0,D2=0。

如图所示，当有乘客上车时，乘客先通过1号传感器，现在传感器1输出信号为低电平，经第一个74F06后变成高电平，CLK1=0,CLK2=1；D1=0，D2=1；1Q =0，2Q =1,即2Q 的状态发生翻转。

当乘客离开1号传感器时，由于现在CLK1=0, D1=0,R1=1，D1触发器的1Q 和1Q 端状态将会维持不变，CLK2=0, R2=1,2Q =1也维持为高电平状态。

当乘客进入2号传感器的检测范围时，传感器2输出信号为低电平，如此CLK1=1，CLK2=0；D1=1，D2=1；R1=1，R2=0；
2Q 和2Q 逻辑状态要进行翻转2Q =0，1Q 的状态仍维持不变。

在上车这一进程中，只有2Q 和2Q 状态发生了转变，从低电平变成高电平再变成低电平。

如此就产生了一个可由单片机T0端识别的脉冲信号。

按照本电路的设计，T0端为乘客上车动作信号的输入端，从而实现了辨别乘客运动方向的功能。

同理，当乘客下车时也会产生一个相应的脉冲信号接入T1端，在本设计中T1端是乘客下车动作信号的输入端。

3.1.4 双D 触发器
在电子技术中，N/2(N 为奇数)分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经N/2分频后才能取得所需要的输出，这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。

CD4013 是双D 触发器，在以CD4013为主组成的若干个二分频电路的基础上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成N/2分频电路。