基于STC单片机的机场车辆超速报警系统

随着民航业的发展，航空器的数量不断增多，地面保障车辆随之增加，加之机场车辆行驶速度过快，导致刮碰飞机的不安全事件时有发生，直接影响了飞机的持续适航，严重危及航空公司的运行安全，同时也造成了一定的经济损失。为了减少此类不安全事件的发生，本设计利用单片机实现车辆的超速报警来提醒司机减速行驶，并将超速情况实时记录下来作为评价车辆驾驶员的依据之一，以便于对员工进行管理。

1 系统的硬件设计

1.1 系统功能

系统实现的主要功能如下：

(1)按键调整时间以及实时显示时间；
(2)实时显示车辆行驶的速度；
(3)当车辆超过规定的速度值时，违规情况以数据形式保存在串行存储器中，并发出声音警报，同时警报灯闪烁；
(4)管理人员使用IC卡读取车辆的违规情况并取消报警。

1.2 系统硬件的总体设计

系统的总体结构如图1所示。它采用STC89C52单片机为主控芯片，主要有电源模块、信号采集模块、时钟模块、LED显示模块、按键模块、报警模块、AT24C64串行存储器模块和接触式IC卡存储模块。其中STC89C52主要完成对外围硬件的控制以及信息处理功能；电源模块将12 V车载电源降压至5 V单片机工作电源；信号采集模块使用TLP521光电耦合器将采集到的高电平脉冲信号转换为5 V脉冲信号；时钟模块提供LED显示的实时时间；LED显示模块使用74HC595驱动数码管实现时间和速度的显示；按键模块主要用来调整时间；报警模块实现超速后的声音报警和闪灯警示；AT24C64串行存储器对超速信息进行存储；接触式IC卡存储器可读取AT24C64中的数据，读取完数据即可取消报警。

1.2.1 主控模块

主控模块主要采用STC89C52单片机[1-2]，该单片机有4个并行I/O端口，每个端口有8条端口线，其中P0端口在没有外存储器时可作为8位准双向I/O端口使用，外接存储器时可作为地址线/数据线使用；P1、P2和P3端口均可作为8位准双向I/O端口使用，P3口和其他I/O端口有很大区别，除作为一般I/O口外，每个引脚还有专门的功能。所有的外部芯片都可以通过这些端口进行扩展。

1.2.2 电源模块

电源模块使用LM2596开关电压调节器，该调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该系统中选择固定输出5 V版本，即调节器型号为LM2595-5.0。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150 kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，极大地简化了开关电源电路的设计。原理图如图2所示。

1.2.3 信号采集模块

目前机场车辆转速传感器大多使用霍尔传感器，其输出信号为脉冲信号，脉冲信号的高电平值基本与车载电源电压值相同，需要通过光电耦合器将其转换为单片机可采集的5 V脉冲信号[3]。如图3所示，Signal为转速传感器实际输出的信号，转换后的信号与单片机INT1/P3.3引脚连接，通过外部中断功能记录脉冲数并通过计算转换为速度值。

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1.2.4 时钟模块

时钟模块使用DS1302浚流充电时钟芯片，该芯片包含一个RTC/日历和31 B的静态RAM。它通过简单的串行接口与微处理器通信。RTC/日历提供秒、分、小时、天、日期、月和年。如果当月天数小于31天将自动进行调整，包含闰年校正。时钟可以工作在24小时制和12小时制，12小时制下用AM/PM来指示，该系统中选择使用24小时制。
在DS1302和微处理器之间使用同步串行方式进行通信。只需要3条线就可以通信，分别为RST(reset)、I/O(数据线)和SCLK(串行时钟)，Vcc1连接至3 V备用电源，在主电源Vcc2供应失效时，备用电源以保持时间和数据，原理图如图4所示。

1.2.5 LED显示模块

LED显示模块使用2片74HC595级联驱动8位LED数码管[4]，前6位数码管显示实时时间，后2位显示速度值。
74HC595芯片是美国国家半导体公司生产的通用移位寄存器芯片。并行输出端具有输出锁存功能，与单片机连接简单方便，只需3个I/O口即可。本系统采用2片74HC595芯片级联，一片用于段码的传输，另外一片用于数码管位选。原理图如图5所示。

1.2.6 按键模块

按键模块采用三个独立按键，实现时间的调整。S2为功能键，通过此键来选取要调整的小时、分钟和秒，调整完毕后此键还有确定功能；S3为增加键，当功能键选定后，按此键来增加选定项值；S4键用以减小选定项的值。各项功能均通过软件实现，原理电路较简单，如图6所示。

1.2.7 报警模块

报警模块采用三极管驱动蜂鸣器，三极管驱动继电器并通过继电器控制12 V的LED警示灯，原理图如图7所示。

1.2.8 AT24C64串行存储器模块和接触式IC卡存储模块

单片机在工作时,因某种原因造成突然掉电,将会丢失数据存储器(RAM)里的数据。虽然单片机主电源里有大容量滤波电容器,当掉电时,单片机靠贮存在电容器里的能量,一般能维持工作10 ms 左右。为此,要求一旦系统发生瞬间断电时,必须要在小于10 ms的时间内将RAM中的数据及时地转存到EEPROM数据寄存器中,以确保车辆超速信息的完整度。在本系统中，采用AT24C64存储器对数据进行存储。

IC卡存储模块中使用24C64 IC卡对数据进行读取。AT24C64存储器及IC卡均通过I2C总线接口进行操作，由于IC卡器件地址只能为默认的000，所以通过将AT24C64的A0接VCC改变其器件地址为001，IC卡座的10管脚与单片机P3.2引脚连接，使用外部中断0执行插卡后的数据读取操作，LED0为插卡指示灯。原理图如图8所示。

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2 系统的软件设计

整个系统的软件采用结构化和模块化设计方法。整个软件系统采用C语言编程，包括一个主模块和3个子模块，3个子模块分别是键盘扫描、时钟程序模块和I2C协议程序。总体软件流程图如图9所示。

主模块包括单片机初始化、信号采集、速度显示、超速报警程序以及插卡判断与执行程序；键盘扫描程序实现对时间的调整，为了安全起见只允许在车辆静止时对时间进行调整；时钟程序模块主要包括时钟芯片的初始化、时间数据的读取与写入程序以及实时显示；74HC595驱动显示程序是将显示缓冲区的BCD码经查表译码后送数码管显示；I2C协议程序主要是实现存储器与单片机之间数据的正确通信。

本文介绍了一种基于STC单片机的车辆超速报警系统。经过多次实验，论证了该方法的可行性和实用性，实验中各项功能正常，运行可靠,使用方便,效果好,达到了设计要求。