基于單片機的汽車安全監測與報警系統設計與實現TOC\o"1-2"\h\u2476摘要 11474引言 2181011.方案設計 255891.1系統可以實現的功能 244121.2硬件電路圖 3185931.3軟件模塊 3148112.關鍵元器件介紹 390542.1單片機的功能介紹 3258412.2傳感器的選擇 5176212.2.1霍爾傳感器 567802.2.2DS18B20溫度傳感器 5204802.2.3電容液位傳感器 622382.2.4ADC0832數模轉換器 673192.3LCD1602顯示器 723073.硬件電路 8259273.1單片機最小系統 8244653.2車速監測電路 9103413.3油箱溫度監測電路 10143383.4油箱油位監測電路 10223523.5LCD1602顯示電路 10106583.6按鍵電路 1145883.7報警電路 1111138圖14報警電路 12222264.軟件流程圖設計 1256754.1系統主程序流程圖 126634.2汽車車速監測流程圖 13174994.3油箱溫度監測流程圖 14252584.4油箱油位監測流程圖 15130144.5LCD1602顯示流程圖 16325675.仿真結果 16268446.總結 20摘要：我們的社會生活水平的不斷提高，幾乎每個家庭都有一輛汽車，隨著汽車的越來越多，汽車的安全事故也越來越多，為了人們的安全，汽車的安全監測是必不可少的，本文設計了基于汽車安全監測與報警。本文設計以單片機最小系統為控制核心，以ES3144、DS18B20、電容液位傳感器為監測元件，用A/D轉換器將監測到的模擬信號轉換為數字信號，將監測到的汽車車速、油箱溫度和液位與單片機中設定閾值進行比較，用LCD1602顯示器將監測到的汽車車速、油箱溫度和液位實時顯示出來，如果監測到的各項數據超過已設定的閾值，單片機發出報警信號，進行聲光報警。仿真結果表明，該設計可以準確的監測汽車車速、油箱溫度、油箱液位數據，并且監測到的數據不在安全閾值內進行聲光報警，還可以由LCD1602顯示器顯示數據，讓人們開車出行的時候更加安全。關鍵詞：基于單片機AT89S52、傳感器、A/D轉換系統、LCD顯示系統和聲光報警系統引言1885年福里特發明了第一輛汽車，到現在2021年全球已經有數十億輛汽車，在人們的日常生活中，汽車已經成為最受歡迎的交通工具，汽車駕駛系統本身也是一個智能且復雜的系統，隨著我們使用汽車的時間增長，汽車安全性能在慢慢下降，汽車必須進行的安全監測，車輛檢測是確保汽車可以正常在路上行駛。汽車的安全監測是消除汽車在道路行駛過程中存在的安全隱患,擁有高效、高質量的監測使得汽車在道路上正常行駛得以保證，高質量的汽車安全監測系統是確保司機安全的重要保障。傳統的汽車安全監測已經不能滿足當前現代的快速化發展，提高汽車安全監測水平是本文主要的研究問題，汽車安全監測技術也必須要跟隨科技的發展而進步，不斷更新的汽車安全監測水平，才能加強駕駛員的安全防護。根據從網上查閱的相關文獻，本設計選用以單片機組成的最小系統為控制核心，選擇測量誤差相對比較低，性價比高的傳感器，組成一個可以實時的檢測車輛油箱液位，汽車車速，油箱溫度等數據，能夠實時的將監測到的數據顯示出來，能夠根據監測到的汽車車速、油箱溫度、油箱液位與設定的安全閾值進行比較，如果監測到的數據不在安全閾值內，單片機發出控制信號，控制報警系統，進行聲光報警，提示駕駛員汽車出現了問題。1.方案設計本論文設計是以單片機為核心，由ES3144、DS18B20、電容傳感器對汽車車速、油箱溫度和液位監測，用按鍵設定閾值，然后將監測到的汽車車速、油箱溫度和液位上傳到單片機中，由顯示器顯示監測元器件監測到的數據，如果監測到的數據超高設定的閾值，單片機發出控制信號，利用報警系統進行報警。1.1系統可以實現的功能（1）汽車數據的采集。采集汽車車速、汽車油箱溫度和汽車油箱液位的數據。（2）顯示器數據顯示。顯示器不但可以顯示油箱溫度和液位、汽車車速，還可以顯示設定的油箱溫度和液位的閾值、汽車車速閾值。（3）安全閾值設置。閾值的設置可以通過按鍵在單片機上設置閾值。（4）聲光報警提示。當監測到的數據超過設定的閾值后，單片機會發出控制信號利用蜂鳴器和LED燈進行報警。1.2硬件電路圖本論文的硬件電路是以單片機最小系統為核心，利用ES3144、DS18B20和電容液位傳感器將監測到的汽車車速、汽車油箱溫度、汽車油箱液位數據上傳到單片機中，還可以通過按鍵電路設置汽車的油箱溫度閾值，油箱液位閾值，汽車車速閾值，用LCD1602顯示監測到的數據，如果監測到的數據超過設定的閾值，單片機發出控制信號，利用蜂鳴器和LED燈進行報警。硬件電路圖如圖1所示。圖1硬件電路圖1.3軟件設計模塊本系統所用到的軟件模塊包括：系統主程序控制、油箱溫度監測、車速監測、電容式液位傳感器監測和LCD1602顯示等模塊。通過監測電路采集汽車車速、汽車油箱溫度和液位，按鍵電路對系統閾值設定，將監測到數據上傳到單片機，單片機控制顯示模塊，利用LCD顯示器顯示監測到的數據，用監測到的汽車車速、油箱溫度和油箱液位與設定的安全閾值進行對比，如果監測到的數據不在安全閾值內，本系統可以通過這些模塊之間的協同作用進行聲光報警。2.關鍵元器件介紹2.1單片機的功能介紹單片機是本次設計的系統主要元器件。雖然目前世界上單片機有很多，但結合本設計的需求和性價比方面的考慮，我選用AT89S52單片機，該單片機多應用于自動化設備和各種安全質量監測控制的領域。特別是在溫度控制方面，并且該單片機具有結構簡單、靈活、精度高等諸多優點[1,2]。單片機引腳圖下圖所示。圖2AT89S52單片機的引腳圖單片機的引腳介紹：VCC：+5V電源；GND：電源接地；XTAL：晶振引腳；PSEN：選通引腳；RST：復位引腳；RD：外部數據存儲器；I/O口：雙向輸入輸出端口；EA：內外ROM選擇端。本論文使用的引腳；（1）XTAL1、XTAL2：接晶振電路；（2）RST：接復位電路；（3）PSWN：訪問內部程序存儲器；（4）P0.0-P0.7：連接顯示器輸出；（5）P1.3-P1.5：接數模轉換器ADC0832（6）P1.7：接DS18B20溫度傳感器；（7）P3.5、P3.6、P3.7：接按鍵電路；（8）P1.6：接聲光報警電路。2.2傳感器的選擇2.2.1霍爾傳感器汽車車速測量方法有很多種多樣，如利用紅外線光電碼盤測量法，霍爾傳感器測量法等方法，本次論文采用ES3144霍爾傳感器測量方法進行監量，該傳感器是根據磁電效應原理進行制作的，ES3144傳感器是集成電路器件，內部主要有反向電壓保護二極管、霍爾元件、運算放大器，施密特觸發器和開集輸出三極管等幾部分組成，其中的運算放大器可以將霍爾傳感器產生的電勢差放到幾百倍，ES3144傳感器還有體積小、功率小、使用壽命長等特點，而且工作電壓穩定和適應溫度范圍較廣，該傳感器的最小工作電壓為3.8V，最大的工作電壓為12V，其中的工作環境溫度為-40℃-50℃。圖3ES3144霍爾傳感器的引腳圖ES3144霍爾傳感器的引腳介紹：（1）VDD：接電源；（2）Output：接數字信號輸出；（3）GND：接地端。2.2.2DS18B20溫度傳感器目前用于汽車溫度監測有很多種，比較常見的溫度測量有兩種紅外線測量儀，便攜式溫度測量儀，本系統利用DS18B20溫度傳感器監測油箱溫度，DS18B20溫度傳感器可以將采集到的溫度信號轉換成以數字的形式顯示出來。同時，它還有適應電壓范圍更廣，可實現高精度測溫、測量迅速，可在750ms把溫度轉化為數字，DS18B20溫度傳感器還有使用方便、價格低、使用壽命長等特點。此外，DS18B20僅僅用一個數據接口就可以與單片機連接形成雙向通信，可以節省了大量的引線，還有很好的負壓特性，當電源線接反后不會因為發熱而燒壞元器件的情況。DS18B20引腳圖如圖4所示。圖4DS18B20的引腳圖DS18B20的引腳介紹：（1）1：電源接地端；（2）2：數字信號輸出；（3）3：電源接入。2.2.3電容液位傳感器汽車油箱液位監測本文選用電容液位傳感器，該傳感器是由兩個同心圓筒形電極板組成的電容元器件，可以通過兩個電容板之間的電容差計算液位。該元器件測量數據精確度高，可以把液位高度轉換成0～4095間的數值。液位監測時分辨率很高，最小分別率為0.1mm，使用溫度范圍很廣，可以在-50℃-100℃環境下工作。引腳圖如圖5所示。圖5引腳圖引腳介紹：（1）VDD：電源；（2）DOUT：數字信號輸出；（3）GND：接地端。2.2.4ADC0832數模轉換器ADC0832是一種有8位分辨率的A/D數模轉換芯片，能滿足常見的數模轉換的要求。該芯片轉換速度非常快只需要32μS，有兩種不同的數據轉換輸出方式，既可以大大減少產生的數據誤差，同時快速的將監測到的模擬信號轉換數字信號輸出上傳到單片機中，轉換時信號輸出很穩定[3]，當CS引腳為高電平時，此時A/D轉換器禁止使用，當該轉換器使用時CS引腳必須為低電平直至使用結束，在使用時DO和DI端口可以并聯使用連接在同一個單片機端口。ADC0832引腳圖如圖6所示。圖6ADC0832引腳圖該A/D數模轉換器引腳介紹：引腳1：使能引腳；引腳2、3：模擬信號輸入；引腳4：接零線；引腳5、6：數據信號輸入、輸出；引腳7：時鐘信號；引腳8：接電源。2.3LCD1602顯示器為了使監測的數據可以顯示出來，本文選用LCD1602顯示器，其中16表示每行可以顯示16個字符，02表示一個顯示兩行，該顯示器相對于其他顯示器這個顯示器顯示字母和數字更加清晰，價格也比其他顯示器便宜，該顯示屏可以顯示32個字符，LCD1602顯示器的應接+5V的電壓，顯示器的字符大小為2.95×4.35mm，在使用該顯示器以前需要確認顯示器的電平，如果是低電平可以顯示數據，如果是高電平這無法顯示。圖7LCD1602顯示器的引腳圖LCD1602顯示器的引腳圖介紹：（1）VCC：電源；（2）VDD：地線；（3）VEE：亮度調整；（4）RS：寄存器選擇引腳[5]；（5）RW：讀取信號；（6）E：使能端；（7）D0-D7：信號輸入。3.硬件電路3.1單片機最小系統單片機最小系統主要包括AT89S52單片機、晶振和復位電路三個部分[6,7]。晶振電路在單片機運行中很重要，沒有晶振電路就沒辦法執行程序代碼，晶振電路在系統中起到保持系統穩定運行的作用。它是由兩個電容一個晶振構成外加一個地線，晶振電路接AT89S52的18、19引腳。復位電路是整個單片機最小系統中一個重要電路接單片機的9號引腳，在單片機剛開始運行時使程序恢復初始狀態，或者在程序運行中程序出錯或跑偏時，需要按復位按鍵使程序恢復到初始狀態。該電路設計如圖8所示。圖8單片機的最小系統3.2車速監測電路車速監測電路是利用ES3144霍爾傳感器將采集到的模擬信號，用ADC0832將輸入的模擬信號轉換為輸出數字信號，并將監測到的汽車車速上傳到52單片機中。ADC0832數模轉換器的引腳6接52單片機的P1.4口進行數據輸出[8,9]，如果監測到的汽車車速超過設定的閾值，激活報警系統進行報警。該電路設計如圖9所示。圖9ES3144霍爾傳感器車速監測電路3.3油箱溫度監測電路油箱溫度監測電路主要使用的是DS18B20傳感器和電阻，該電路使用非常方便，只需要將DS18B20傳感器的3號端口接+5V電源、1號端口接地線、2號端口接P1.7引腳。該電路設計如圖10所示。圖10溫度檢測電路3.4油箱油位監測電路汽車油箱油位監測電路包括電容液位傳感器、電阻和ADC0832數模轉換器，可以利用改傳感器采集模擬信號，再由ADC0832數模轉換器將監測到的油箱油位信號轉換為數字信號輸出，將監測到的汽車油箱油位上傳到單片機中。該傳感器的引腳6接單片機的P1.4端口[10-13]，可以將監測到的汽車油箱液位數據通過該引腳上傳到單片機中。該電路設計圖如圖11所示。圖11汽車油箱油位監測電路3.5LCD1602顯示電路本設計中的顯示電路是用來顯示汽車車速、油箱溫度和油位，同時還可以顯示由按鍵設定的汽車車速閾值、油位閾值和溫度閾值。LCD1602顯示器的D0-D7端口分別接單片機的P0.0-P0.7端口，RW端口接P2.6端口為讀寫信號線、E端口接P2.5端口用于讀取信息或者執行指令。如圖12所示。圖12顯示電路3.6按鍵電路本設計的按鍵電路包括三個按鍵，分別為：K1設置按鍵與單片機的P3.7引腳用于閾值的設置，可以把單片機中的閾值設定窗口調出來，K2、K3分別為加按鍵和減按鍵[14]，可以在設置按鍵調出設置窗口對汽車車速閾值、油箱溫度閾值或油箱液位閾值進行設定。該電路設計如圖13所示。圖13按鍵電路3.7報警電路該報警電路包括一個三極管，兩個電阻，一個LED燈和一個蜂鳴器構成。當本系統監測到的汽車車速、油箱溫度、油箱液位數據不在安全閾值后，單片機發出報警信號，LED燈由綠燈變成紅燈，同時蜂鳴器發出響聲，當汽車的各項數據都在安全閾值內，報警自動解除。該電路圖如圖14所示。圖14報警電路4.軟件模塊設計4.1系統主程序模塊系統主程序運行以前首先對系統各模塊初始化，按鍵可以對汽車車速、油箱溫度和液位閾值進行設定，然后可以用ES3144、DS18B20、電容液位傳感器分別監測汽車車速數據、汽車油箱溫度和汽車油箱液位數據，LCD18B20顯示器可以顯示采集到的數據。當油箱溫度、汽車車速、油箱液位是否在閾值內，如果監測到的數據不在安全閾值內，由單片機發出報警信號，傳到報警系統中進行聲光報警。主流程圖如圖15所示。圖15系統主流程圖4.2汽車車速監測模塊基于汽車的車速檢測模塊首先對霍爾傳感器ES3144進行初始化，用霍爾傳感器監測汽車車輪轉速，ADC0832將霍爾傳感器監測到的模擬信號轉換為數字信號并上傳到52單片機中，子程序返回進行下一輪訪問。該系統流程圖如圖16所示。圖16車速檢測流程圖4.3油箱溫度監測模塊汽車油箱溫度的監測模塊要先對傳感器進行初始化，將溫度傳感器監測到的溫度數據上傳到單片機中，子程序返回，進行下一輪監測。汽車油箱溫度的監測模塊如圖17所示。圖17油箱溫度監測流程圖4.4油箱油位監測模塊汽車油箱油位檢測模塊要先對電容液位傳感器進行初始化，用該傳感器監測汽車油箱油位并上傳給A/D轉換器，利用ADC0832將電容液位傳感器監測到的模擬信號的油位數據轉換為數字的形式輸出，將輸出的油箱油位數據上傳到單片機中。汽車油箱油位的監測模塊流程圖如圖18所示圖18油箱油位檢測流程圖4.5LCD1602顯示模塊LCD1602顯示汽車的汽車車速、油箱溫度和液位。程序運行前先初始化顯示器，單片機中顯示控制單元發出顯示控制信號，顯示控制信號控制掃描驅動和數據驅動，可以輸出多個掃描信號和多個數據信號，將數據信號輸入到顯示器中。顯示流程圖如圖19所示。圖19LCD1602顯示流程圖5.仿真結果本文選用AT89S52單片機為控制核心，要先對單片機程序編寫，我選用的是使用Keil編寫程序，要先打開Keil，在建立一個新的工程，在新的工程中選擇atmel，在atmel中本設計選用的AT89S52編寫程序，編寫完程序后，點擊output在里面選擇hex選項。該系統選用Proteus仿真，安裝完成軟件以后，打開軟件點擊File建立一個新項目，為該項目命名然后點擊default創建PCB布板設計，創建完成后，在創建的項目中制作自己的仿真圖形，將提前編寫好的hex文件下載到繪制好的仿真圖形中。本系統主要用ES3144、DS18B20和電容液位傳感器分別監測汽車車速、油箱溫度和液位，用按鍵設定汽車各項數據閾值，然后將這些數據上傳到單片機，用顯示器顯示監測到的數據，如果監測到的數據超過設置的閾值，單片機激活報警系統，利用蜂鳴器響和LED燈由綠燈變成紅燈進行報警。經過調試，仿真結果實現了預設的目標。在圖20中，LCD1602顯示器上顯示汽車油箱溫度T=30℃，表示當前的汽車油箱溫度為30℃；汽車車速V=83km/h，表示當前的汽車車速為83km/h;W=48L表示當前的汽車油箱汽油還有48L；汽車內的汽車車速、油箱溫度和液位都在安全閾值內之內，系統運行正常。該系統不報警。圖20正常狀態下的仿真在圖21中，LCD1602顯示器上顯示汽車油箱溫度T=65℃，表示當前的汽車油箱溫度為65℃（汽車的車內溫度閾值設置為50℃）；汽車車速V=83km/h，表示當前的汽車車速為83km/h;W=48L表示當前的汽車油箱汽油還有48L；當汽車油箱溫度超過50℃時，單片機判斷出汽車油箱溫度過高，利用聲光報警系統進行報警，LED燈由綠燈變成紅燈、蜂鳴器報警，對駕駛員進行提示油箱溫度過高。圖21汽車溫度超過閾值報警在圖22中，，LCD1602顯示器上顯示汽車油箱溫度T=30℃，表示當前的汽車油箱溫度為30℃；汽車車速V=159km/h，表示當前的汽車車速為159千米每小時（汽車的車速閾值設置為100km/h）;W=48L表示當前的汽車油箱汽油還有48L；如果汽車車速超過100km/h時，單片機判斷出汽車車速過高，利用聲光報警系統進行報警，LED燈由綠燈變成紅燈、蜂鳴器報警，對駕駛員進行提示汽車車速過快，應減速安全行駛。圖22汽車車速超過閾值報警在圖23中，，LCD1602顯示器上顯示汽車油箱溫度T=30℃，表示當前的汽車油箱溫度為30℃；汽車車速V=83km/h，表示當前的汽車車速為83km/h;W=5L表示當前的汽車油箱汽油還有5L（汽車的油箱液位閾值設置為10L）；當汽車油箱汽油低于10L時，單片機判斷出汽車油箱液位過低，利用聲光報警系統進行報警，LED燈由綠燈變成紅燈、蜂鳴器報警，對駕駛員進行提示油箱油位過低。圖23汽車油箱液位低于閾值報警總結本設計是以AT89S52為核心，利用ES3144采集汽車車速、DS18B20和電容液位傳感器監測油箱溫度和油位，并將監測到的數據上傳到單片機中，用按鍵來設置汽車車速閾值、油箱溫度和液位閾值，由LCD1602顯示監測到的數據，如果監測到的數據不在設定的安全閾值內，單片機發出控制信號，利用蜂鳴器和LED燈進行聲光報警。從仿真的結果可以看出，本次設計是可行的。但由于自身能力與水平有限，本次設計也還有一些不好的地方，本此設計只可以對駕駛人員提醒，并不能實現對汽車出現事故，駕駛人員不清醒的狀態下利用通訊提醒駕駛人員的家人或進行報警。隨著5G網絡的到來，可以利用軟件查看汽車一天的行駛情況，比如汽車的車速，發動機溫度等影響汽車安全的各項數據，如果有問題可以提前去修理廠檢修。參考文獻[1]黎娜，吉林省居民不安全駕駛行為現狀及其影響因素分析[D].吉林大學碩士論文，2016，25-28.[2]王靜霞.單片機基礎與應用(C語言版)[M].北京:高等教育出版社,2019.[3]周永東,尹東燕.單片機技術及應用[M].北京：電子工業出版社,2012.[4]吳建平.傳感器原理及應用[M].北京:機械工業出版設，2018.168-173.[5]國儉.載貨汽車制動器溫度監測及預警系統研究[D].吉林大學，2017，40（23）：104-108.[6]薛曉珍.基于

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