汽车行驶记录仪的设计汽车行驶记录仪的设计 摘要：汽车行驶状态记录仪是一种安装在汽车上实现类似于飞机“黑匣子”功能的设备，它可以全程记录汽车行驶数据，并通过对所记录的行驶信息数据进行分析,从而对车辆的各种状况予以精确的掌控。 本课题主要研究基于单片机的汽车行驶状态记录仪系统设计，实现对汽车行驶过程中实时信息的采集、处理、传送和存储。 首先，汽车内部霍尔传感器传过来的一对分差信号经过适当的变换变成一个脉冲信号提供给单片机系统，然后单片机系统将采集到的信息经过适当的运算处理之后存储起来并进行处理。另外，当汽车超速时，系统会发出警报，以提醒司机减速。 本课题设计的汽车行驶状态记录仪可有效预防驾驶员违章驾驶、遏制重大交通事故，具有准确性、高效性和易用性等。 关键词：单片机；汽车行驶记录仪；数据采集；可编程逻辑控制 引言 随着交通的迅速发展，汽车已经成为现代社会的一种重要的交通工具。道路交通事故频繁发生，群死群伤的恶性交通事故屡屡发生。 据有关部门统计，2005年上半年，全国共发生道路交通事故228 657 起，造成46 012人死亡、236 483人受伤，直接财产损失9．6亿元。 据统计资料显示，汽车驾驶员的超速行驶、违章抢道、疲劳驾驶、疏忽大意是导致交通事故的主要原因，占交通事故数量的80％以上。 哪里有交通警察在场，哪里的交通事故就极少发生。如果给每辆汽车安装上“电子警察"，有效地监督驾驶人员的驾驶行为，必能预防或减交通事故的发生；在发生交通事故后，“电子警察”也能给我们提供数据和资料，提高事故处理的效率和准确性。 汽车行驶记录仪对预防驾驶员疲劳驾驶、约束驾驶员违章、分析鉴定事故、提高交警的执法水平和运输管理水平、保障车辆运行安全等具有重要的实际作用及意义。统计资料表明，汽车黑匣子的使用，使交通事故率降低 37％～52％，大大减少了人员伤亡和财产损失，产生了显著的社会效益和经济效益。 1934年，德国发明了世界上第一台纸盘式行驶记录仪，至今已有75年的历史。它可以将曲线画在圆形的记录纸上。由于技术的发展，纸盘式记录仪现在应用少。20世纪70年代后期，欧洲率先推出了机电模拟式驾驶记录仪。 进入九十年代，科学技术飞速发展，计算机日益普及，美国和德国又开发了数字式汽车事故记录仪。20世纪90年代，美国、欧共体相继推出性能优良的电子式记录仪，并得到美国国家运输安全委员会的支持，敦促在其轿车和卡车上安装这种仪器。主管交通安全的国家安全委员会(NTSB)也一直在致力于推广汽车黑匣子的工作。NTSB正式要求各汽车生产厂家安装汽车黑匣子，通用、福特等汽车公司随即纷纷行动。据报道，仅通用一家公司就为600万辆出厂车安装了黑匣子。 国内的发展状况是最早是在1984年某大学研发了汽车行车记录仪，由于技术不太成熟，没有投入实际生产。1994年，记录仪在我国市场上蓬勃发展，出现了近百家记录仪生产企业。 2002年我国公安部根据2001年底公安部、交通部、国家安全生 产监督管理局下发的《关于加强公路客运交通安全管理的通告》和2002年公安部、国家安全生产监督管理局制定的《2002年预防道路交通事故工作方案》的要求，着手制定《汽车行驶记录仪》的国家标准。《汽车行驶记录仪》GB／T 19056．2003标准于2003年4月15日发布，2003年9月1日实施。 广州市二汽公司率先试用NC．7000系列数字式行车记录仪。2004 年5月北京巴士旅游分公司的150辆旅游车上都已经安装了记录仪。 2.系统的设计方案 2.1 功能和技术指标 汽车行驶状态记录仪包括汽车行驶记录仪的主机和计算机端的数据分析软件这两部分组成。本课题中重点设计汽车行驶记录仪的主机部分。 本课题所设计的汽车行驶记录仪主要实现如下功能：自检功能；实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能；车辆行驶速度的测量、记录、存储功能；车辆行驶里程的测量、记录、存储功能；键盘操作功能；数据显示；数据通信功能。 2.2 系统总体结构根据记录仪功能要求和工作特点，在设计时主要从运行可靠性、记录数据准确性及数据存储容量三方面考虑。系统的总体设计如图1所示。 在图1中，单片机系统是整个系统的核心，通过硬件和内部软件的配合控制整个系统的运行。 供电单元的作用是将汽车内部配电模块提供的电压转换成记录仪可以正常工作的电压，这其中为了避免汽车内部电机的干扰，需要进行屏蔽。 信号采集模块是指将汽车内部霍尔传感器传过来的一对差分信号经过适当的变换变成一个脉冲信号提供给单片机系统，这其中需要用光耦模块进行隔离，来避免强脉冲信号对电路板的干扰。 信息存储是指单片机系统将采集到的信息经过适当的运算处理后存储到IC汽车行驶状态记录仪系统结构框图
键盘输入和液晶显示是常用的单片机输入/输出模块，用户可以输入特定的信息，也可以看到实时的速度、里程及时间等信息，可以做出实时判断。 设计这样的单片机系统还要用到可编程逻辑器件，它可以灵活方便地产生译码、控制等信息。 3.系统硬件设计 3.1 电源模块的设计记录仪需要的是+5V供电，而汽车内部产生的供电是+12V，所以系统需要供电模块来实现+12V~+5V的电源变换，其工作原理如图所示。
图中MC34063是美国AI公司的DC/DC转换控制电路芯片，其输入电压为3~30V范围之内，内部有1.6A的峰值电流切换电路，它的工作频率在100Hz~100KHz，器件内部具有比较器、温度补偿电路，以及周期振荡器，它是带有有效电流限制电路的受控周期振荡器。MC34063主要应用于DC-DC转换模块，它内部的工作原理下图所示。图中第五脚是反馈脚，通过电压的反馈控制以确保输出稳定的+5V电压。
3.2信号采集模块的设计 速度信号检测模块的原理是：汽车行驶过程中，车轮经过传感器，单位时间内输出一定的脉冲，传感器输出的脉冲通过差动放大电路的放大与整形，然后送到单片机 8051 的 T0端口进行脉冲计数，与此同时 8051 的 T1 进行计时开始待到定时器产生中断请求后，由计数器得到的脉冲数经过速度计算的公式和里程的计算后得到汽车行驶的速度和里程。从而得到汽车的行驶速度和里程，存储与 8051 的 RAM数据存储区。 本系统采用霍尔传感器将速度信号转换为脉冲信号，考虑到传感器的体积要小，便于安装，误差要尽量减小等要求，设计采用车轮旋转一周速度传感器要输出若干个脉冲的方法。本系统采用的是在变速器上安装 3个小磁钢，霍尔传感器可相应的输出 3 个脉冲用于速度信号的采集。速度信号采集模块采用 THS118 型霍尔元件作为速度信号采集部分的速度传感器。 3.3时钟模块的设计
DS12887是一款实时时钟芯片，内部有锂供电的石英晶振，它可以在无外部供电的情况下将数据保存10年以上。它内部通过计数可以实现时间的记录，时间信息可以详细到时、分、秒、年、月、日，以及星期；时间显示模式可以选择带有“AM”和“PM”指示的12小时模式及正常的24小时模式；芯片可以提供闹钟的设置，在芯片内部有15个字节的时钟和控制寄存器，以及113个字节的通用RAM空间，另外还提供有关于世纪信息的寄存器。 DS12887采用的是8位地址/数据复用的总线方法，复用的实现方法和51单片机一样，都是通过锁存信号AS实现地址的锁存，然后通过读、写的时钟配合实现数据的输入/输出。时间和日期等信息存放在芯片内部的固定寄存器中，通过正确的寻址就可以获取需要的时间信息。日历时钟芯片DS12887的工作原理如图11所示。 图11中AD0~AD7即为8位地址/数据复用总线，它们和单片机AT89S8252的P0口直接相连，AS为锁存输入脚，它和AT89S8252的锁存输出脚ALE直接相连，这样即可实现数据和地址线的时分复用。 DS12887有两种工作时序，即Motorola和Intel时序，由MOT引脚的电平指定。当MOT接高电平时，芯片工作在Motorola总线定时方式；接GND或者悬空则选择的是Intel总线定时方式。图中选择后者，也就是MOT引脚接GND。在Intel总线定时方式下，芯片的17脚DS起的是读使能的作用，15脚R/W起的是写使能（低电平有效）的作用。
芯片的23脚是方波输出脚SQW，它可以对芯片内部晶振产生的时钟分频得到方波输出，方波的输出频率可通过设置内部的特定寄存器来改变，方波信号也可作为时钟来使用。 芯片DS12887的内部工作原理如图12所示。由图12可知，DS12887内部可看成由电源、时间信息、寄存器和存储器，以及总线接口4部分构成，4部分配合工作，共同实现了芯片的功能。 图11中DS12887的方波输出脚SQW用来产生时钟信号。由图12可知，SQW信号是由芯片内部晶振通过多个分频电路分频产生的，SQWE是方波信号的输出使能控制位；寄存器A的低四位RS0~RS3是方波信号的输出频率选择位。它们对SQW的操作方法可参见下表。比如要产生频率1MHz的时钟信号，寄存器的设置为：SQWE=0；RS3=0；RS2=1；RS1=1；RS0=0 表3-2 SQW输出频率选择表
DS12887的内存空间为128个字节，且这128个字节都是掉电非易失性的。由图可知DS12887的11个字节专门用于存储实时时间信息，字节0为秒，字节2为分，字节4为时，字节6为星期，字节7为日，字节8为月，字节9为年，字节50为世纪； 4个字节0AH~0DH分别为寄存器A、B、C、D，专门用于控制和存放状态信息，剩下的113个字节为用户可以使用的普遍RAM空间。直接对合适的字节地址操作，就可以设定或获取所需要的时间。
DS12887实时时钟芯片可以产生详细的时间和日期信息，可以记录汽车行驶过程中各种状态发生时对应的时间信息，它完全满足系统的功能要求。 3.4 液晶显示模块的设计 对于现在流行的嵌入式电子产品，如便携式仪表、智能电器，消费类电子产品等，显示输出模块是必不可少的，而在诸多的显示方式中，液晶显示已经成为首选。对于汽车行驶状态记录仪来说，需要液晶显示界面来让用户及时了解汽车行驶过程中的重要状态信息。 3.5 单片机模块的设计 3.6信息存储模块的设计 4系统软件的设计 |
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智能卡中，IC卡中的信息可以长时间保存，可以用读卡设备读出其中的信息，然后进行分析。
电源原理图
汽车行驶状态记录仪需要对状态发生时所对应的时间信息做相应的记录，以便以后的分析使用，所以需要获取详细的时间信息。文中选用达拉斯半导体公司的芯片DS12887。
是DS12887的片选脚，低电平有效，它由可编程逻辑器件产生，在对DS12887内部空间（如寄存器）操作的时候，可编程逻辑器件会通过所操作的地址产生低电平有效的CS信号输出给芯片DS12887。
日历时钟芯片DS12887内部工作原理框图
图13 日历时钟芯片DS12887工作原理图
