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汽车车速检测系统

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2020年4月19日
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汽车车速检测系统
一、摘要
测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。汽车车速传感器检测系统设计是一种传感器检测装置。利用车速传感器把检测到的转速信号转变成的电压信号输送给计算机，计算机经过变频器来控制电机速度，利用传感器检测的速度值与规定值进行比较，达到对传感器的检测目的。本文介绍了车速传感器检测系统的工作原理，详细讲述了系统的组成、原理和检测方法。系统采用硬件兼软件对测量过程及测量结果进行处理。与传统的检测技术相比，此种传感器检测装置有结构简单、新颖、易于实现的特点。实践证明在检测，维修范围内都取得了良好的效果，系统具有良好的稳态精度及动态响应性能，检测实用性强、准确度高,具有广阔的应用前景。
二、引言
随着电子技术的发展，汽车电子化程度不断提高，一般的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题，而被电子控制系统代替。传感器的作用就是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件，亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。传感器作为汽车电控系统的关键部件，它直接影响汽车的技术性能的发挥。 

作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术,已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。在现代汽车电子控制中，传感器广泛用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中，传感器的使用数量和技术水平决定了现代车辆控制系统的性能，为汽车性能的改进提供了有力保障。传感器是汽车电子控制系统的信息源，是促进汽车高档化、电子化、自动化的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。普通汽车上大约装有10-20只传感器，高级豪华轿车则更多。传感器能及时识别外界和系统本身的变化，对温度、压力、位置、转速、体积流量等信息进行实时、准确的测量，并将信息传递给电脑进行处理，从而实现汽车各系统的电子控制。现代社会对车辆性能的要求越来越高，促使汽车传感器技术不断发展，今后汽车传感器的发展趋势是实现微型化、智能化和多功能化，开发新材料、新工艺和新型传感器。
三、主要内容
设计主要内容由以下三大部分组成：
1、信号的采集。这部分主要是用光电传感器采集奔跑物体的信号，并将采集的信号传给单片机。
2、单片机数据处理。这部分主要是使用51系列单片机采用适当的算法来编程快速准确地对采集的数据进行相关运算并得出结果。此部分是本设计的重点和难点。
3、LED数字显示。这部分主要是对测得的结果经过4位LED数码管显示给用户。
本奔跑速检测系统有以下几个部分构成，如图1.1奔跑速度测量系统方框图所示。
显示
单片机
信号调理电路
光电传感器
奔跑物体

图1.1 速度检测系统方框图
本系统的硬件主要由光电传感器、信号处理电路、单片机AT89C51、LED显示等组成。如图1.1，当奔跑物体经过光电传感器的时候，将会产生脉冲电信号，然后把信号送入三极管放大电路及CC40106芯片整形电路进行处理，将处理过的信号传给单片机，经过对单片机进行编程、运算，最后经过数码管显示其数值。
四、工作原理 
本系统中，两对光电对射管布置在奔跑物体经过的路径上，当奔跑物体经过光电管Q1，Q2时，则挡住了光线，光电管Q1，Q2产生一个上升或下降沿，以光电管Q1的上升沿或下降沿作为单片机计数器的启动脉冲，启动计时器开始计时，光电管Q2的上升沿或下降沿作为单片机计数器的停止脉冲，计数器停止计时（本设计为高电平触发）。此时，得到计数器的计时值n。将值n传送处理中心，已知单片机的机器周期为T，可经过编程[5]计算出奔跑物体在定距离S内的平均速度V，为V=S/nT其中S为两个对射型光电管之间的距离。
如图2.1所示
奔跑物体
光敏电阻
单片机
定时器启动
定时器停止
发光二极管Q2
发光二极管Q1
光敏电阻

图2.1奔跑速度测量系统原理图
五、光电传感器
（1）工作原理
光电传感器的基本工作原理是光电效应，光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。
光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。
根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：

式中，M为电子质量，v为电子逸出的初速度，A微电子所做的功。
由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是Hv>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为式中，c为光速，A为逸出功。
当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上是，若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度，则电子从价带跃迁到导带，形成电子，同时，价带留下相应的空穴。电子、空穴仍留在半导体内，并参与导电在外电场作用下形成的电流。除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著。
（2） 作用和结构
光电传感器是经过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如下图，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测[7]和控制中应用非常广泛。

图4.1 光电传感器结构图
光电传感器一般由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路[8]，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常见光源有以下几种：
1、发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。
2、丝灯泡 这是一种最常见的光源，它具有丰富的红外线。
3、激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。
根据本设计的要求，本设计选择使用对射型光电传感器PM12。
（3） PM12型光电传感器
PM12光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。图4.2中光电器件为光敏电阻，光敏电阻是一种均质半导体光电器件，也称光电管，其是用光电导效应制成的。当没有光照时，光敏电阻的阻值很大；当它受到红外光照射时，其阻值急剧减小。因此，将光敏电阻接入电路中，就可使电路中的电流在光照前后有很大变化，根据光照变化量进而引起光敏电阻阻值变化，最终使输出电压发生变化，促使单片机作出相应的动作。

六、 信号处理电路的设计
光电对射管Q1、Q2分别接入AT89C51的外部中断0和1引脚相连，Q1和Q2均为对射式光电管（无遮断时导通，遮断时截止）。INT0和INT1均设置下降沿触发。在INT0中断处理程序中，启动AT89C51内计数器T0开始计数，在INT1中断处理程序中，计数器T0停止计数。计数值暂存于单片机寄存器内，为后续处理提供相应的数据。电路图如图4.3所示：

如图所示，当汽车经过传感器Q1、Q2时，传感器将其产生的电压信号传给下级的三极管，然后经过三极管放大，经过施密特触发器CC40106芯片进行整形，产生一个矩形方波脉冲，传给单片机计数。七、单片机AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图4.4是常见的一种单片机[9]，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。

图4.4 AT89C51芯片
它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚、、、、、、第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。
八、 LED显示部分电路
（1） 基本结构
LED是发光二极管显示器的缩写。LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其经过不同的组合可用来显示各种数字。LED引脚排列如下图4.9所示。

（2） LED显示器的选择
在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4-LED”。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示速度的小数位。
4-LED显示器引脚如图4.10所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。

图4.10 4位LED引脚
对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，因此必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个I/O接口控制）显示。
九、 主程序
1、主程序流程图

2、 显示子程序流程图

3、 仿真图

十、总结
采用单片机与光电传感器技术来实现测速的测量，能够快速测量显示速度，能够提高速度测量的精确度，本设计简单易于用于工业等领域，且成本低廉，适合大规模生产，技术性要求较低。对于单片机与光电传感器领域，技术研究非常完善，技术相对成熟，问题解决能力要求不高，对原有的各种性能特性无明显的要求，能够与其它设备相互整合，因而具有较宽的应用范围和广阔的应用的前景。