摘  要： 采用STC89C52單片機結合LM2596-5.0開關電壓調(diào)節(jié)器、DS12C887時鐘芯片、AT24C64串行存儲器、74HC595移位寄存器以及接觸式IC卡等器件，實現(xiàn)了對機場車輛速度的實時顯示以及超速后的自行報警，并將超速情況以數(shù)據(jù)的形式存儲到存儲器中，可用IC卡對數(shù)據(jù)進行讀取。該系統(tǒng)通過超速報警來提醒司機減速，從而減少車輛刮碰飛機等事件的發(fā)生。

　　1 系統(tǒng)的硬件設計

　　1.1 系統(tǒng)功能

　　系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下：

　?。?）按鍵調(diào)整時間以及實時顯示時間；

　?。?）實時顯示車輛行駛的速度；

　?。?）當車輛超過規(guī)定的速度值時，違規(guī)情況以數(shù)據(jù)形式保存在串行存儲器中，并發(fā)出聲音警報，同時警報燈閃爍；

　?。?）管理人員使用IC卡讀取車輛的違規(guī)情況并取消報警。

　　1.2 系統(tǒng)硬件的總體設計

　　系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。它采用STC89C52單片機為主控芯片，主要有電源模塊、信號采集模塊、時鐘模塊、LED顯示模塊、按鍵模塊、報警模塊、AT24C64串行存儲器模塊和接觸式IC卡存儲模塊。時鐘模塊提供LED顯示的實時時間；LED顯示模塊使用74HC595驅(qū)動數(shù)碼管實現(xiàn)時間和速度的顯示；按鍵模塊主要用來調(diào)整時間；報警模塊實現(xiàn)超速后的聲音報警和閃燈警示；AT24C64串行存儲器對超速信息進行存儲；接觸式IC卡存儲器可讀取AT24C64中的數(shù)據(jù)，讀取完數(shù)據(jù)即可取消報警。

　　1.2.1 主控模塊

　　主控模塊主要采用STC89C52單片機[1-2]，該單片機有4個并行I/O端口，每個端口有8條端口線，其中P0端口在沒有外存儲器時可作為8位準雙向I/O端口使用，外接存儲器時可作為地址線/數(shù)據(jù)線使用；P1、P2和P3端口均可作為8位準雙向I/O端口使用，P3口和其他I/O端口有很大區(qū)別，除作為一般I/O口外，每個引腳還有專門的功能。所有的外部芯片都可以通過這些端口進行擴展。

　　1.2.2 電源模塊

　　電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號處理器 （DSP）、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 及其他數(shù)字或模擬負載提供供電。

　　電源模塊使用LM2596開關電壓調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。該系統(tǒng)中選擇固定輸出5 V版本，即調(diào)節(jié)器型號為LM2595-5.0。該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關頻率為150 kHz，與低頻開關調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，極大地簡化了開關電源電路的設計。原理圖如圖2所示。

　　一般來說，這類模塊稱為負載點 （POL） 電源供應系統(tǒng)或使用點電源供應系統(tǒng) （PUPS）。由于模塊式結構的優(yōu)點甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設備、接入設備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領域和汽車電子等。

　　尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務的飛速發(fā)展和分布式供電系統(tǒng)的不斷推廣，模塊電源的增幅已經(jīng)超出了電源。隨著半導體工藝、封裝技術和高頻軟開關的大量使用，模塊電源功率密度越來越大，轉(zhuǎn)換效率越來越高，應用也越來越簡單。

　　人們在開關電源技術領域是邊開發(fā)相關電力電子器件，邊開發(fā)愛浦電子電源模塊（4張）開關變頻技術，兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題

　　1.2.3 信號采集模塊

　　目前機場車輛轉(zhuǎn)速傳感器大多使用霍爾傳感器，其輸出信號為脈沖信號，脈沖信號的高電平值基本與車載電源電壓值相同，需要通過光電耦合器將其轉(zhuǎn)換為單片機可采集的5 V脈沖信號[3]。如圖3所示，Signal為轉(zhuǎn)速傳感器實際輸出的信號，轉(zhuǎn)換后的信號與單片機INT1/P3.3引腳連接，通過外部中斷功能記錄脈沖數(shù)并通過計算轉(zhuǎn)換為速度值。

　　1.2.4 時鐘模塊

　　時鐘模塊使用DS1302浚流充電時鐘芯片，該芯片包含一個RTC/日歷和31 B的靜態(tài)RAM。它通過簡單的串行接口與微處理器通信。RTC/日歷提供秒、分、小時、天、日期、月和年。如果當月天數(shù)小于31天將自動進行調(diào)整，包含閏年校正。時鐘可以工作在24小時制和12小時制，12小時制下用AM/PM來指示，該系統(tǒng)中選擇使用24小時制。

　　在DS1302和微處理器之間使用同步串行方式進行通信。只需要3條線就可以通信，分別為RST（reset）、I/O（數(shù)據(jù)線）和SCLK（串行時鐘），Vcc1連接至3 V備用電源，在主電源Vcc2供應失效時，備用電源以保持時間和數(shù)據(jù)，原理圖如圖4所示。

　　1.2.5 LED顯示模塊

　　LED顯示模塊使用2片74HC595級聯(lián)驅(qū)動8位LED數(shù)碼管[4]，前6位數(shù)碼管顯示實時時間，后2位顯示速度值。

　　LED顯示屏（LED display）：又叫電子顯示屏或者飄字屏幕。是由LED點陣組成，通led電子顯示屏（1張）過紅色或綠色燈珠的亮滅來顯示文字、圖片、動畫、視頻，內(nèi)容可以隨時更換，各部分組件都是模塊化結構的顯示器件。通常由顯示模塊、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。顯示模塊由LED燈組成的點陣構成，負責發(fā)光顯示；控制系統(tǒng)通過控制相應區(qū)域的亮滅，可以讓屏幕顯示文字、圖片、視頻等內(nèi)容，恒舞動卡主要是播放動畫的；電源系統(tǒng)負責將輸入電壓電流轉(zhuǎn)為顯示屏需要的電壓電流。

　　LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。這些優(yōu)點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。

　　74HC595芯片是美國國家半導體公司生產(chǎn)的通用移位寄存器芯片。并行輸出端具有輸出鎖存功能，與單片機連接簡單方便，只需3個I/O口即可。本系統(tǒng)采用2片74HC595芯片級聯(lián)，一片用于段碼的傳輸，另外一片用于數(shù)碼管位選。原理圖如圖5所示。

　　1.2.6 按鍵模塊

　　按鍵模塊采用三個獨立按鍵，實現(xiàn)時間的調(diào)整。S2為功能鍵，通過此鍵來選取要調(diào)整的小時、分鐘和秒，調(diào)整完畢后此鍵還有確定功能；S3為增加鍵，當功能鍵選定后，按此鍵來增加選定項值；S4鍵用以減小選定項的值。各項功能均通過軟件實現(xiàn)，原理電路較簡單，如圖6所示。

　　1.2.7 報警模塊

　　報警模塊采用三極管驅(qū)動蜂鳴器，三極管驅(qū)動繼電器并通過繼電器控制12 V的LED警示燈，原理圖如圖7所示。

　　1.2.8 AT24C64串行存儲器模塊和接觸式IC卡存儲模塊

　　單片機在工作時，因某種原因造成突然掉電，將會丟失數(shù)據(jù)存儲器（RAM）里的數(shù)據(jù)。雖然單片機主電源里有大容量濾波電容器，當?shù)綦姇r，單片機靠貯存在電容器里的能量，一般能維持工作10 ms 左右。為此，要求一旦系統(tǒng)發(fā)生瞬間斷電時，必須要在小于10 ms的時間內(nèi)將RAM中的數(shù)據(jù)及時地轉(zhuǎn)存到EEPROM數(shù)據(jù)寄存器中，以確保車輛超速信息的完整度。在本系統(tǒng)中，采用AT24C64存儲器對數(shù)據(jù)進行存儲。

　　IC卡存儲模塊中使用24C64 IC卡對數(shù)據(jù)進行讀取。AT24C64存儲器及IC卡均通過I2C總線接口進行操作，由于IC卡器件地址只能為默認的000，所以通過將AT24C64的A0接VCC改變其器件地址為001，IC卡座的10管腳與單片機P3.2引腳連接，使用外部中斷0執(zhí)行插卡后的數(shù)據(jù)讀取操作，LED0為插卡指示燈。原理圖如圖8所示。

　　IC卡 （Integrated Circuit Card，集成電路卡）是繼磁卡之后出現(xiàn)的又一種新型信息工具。IC卡在有些國家和地區(qū)也稱智能卡（smart card）、智慧卡（intelligent card）、微電路卡（microcircuit card）或微芯片卡等。它是將一個微電子芯片嵌入符合ISO 7816標準的卡基中，做成卡片形式；已經(jīng)十分廣泛地應用于包括金融、交通、社保等很多領域。

　　IC卡讀寫器是IC卡與應用系統(tǒng)間的橋梁，在ISO國際標準中稱之為接口設備IFD（Interface Device）。IFD內(nèi)的CPU通過一個接口電路與IC卡相連并進行通信。IC卡接口電路是IC卡讀寫器中至關重要的部分，根據(jù)實際應用系統(tǒng)的不同，可選擇并行通信、半雙工串行通信和I2C通信等不同的IC卡讀寫芯片。

　　2 系統(tǒng)的軟件設計

　　整個系統(tǒng)的軟件采用結構化和模塊化設計方法。整個軟件系統(tǒng)采用C語言編程，包括一個主模塊和3個子模塊，3個子模塊分別是鍵盤掃描、時鐘程序模塊和I2C協(xié)議程序?？傮w軟件流程圖如圖9所示。

　　主模塊包括單片機初始化、信號采集、速度顯示、超速報警程序以及插卡判斷與執(zhí)行程序；鍵盤掃描程序?qū)崿F(xiàn)對時間的調(diào)整，為了安全起見只允許在車輛靜止時對時間進行調(diào)整；74HC595驅(qū)動顯示程序是將顯示緩沖區(qū)的BCD碼經(jīng)查表譯碼后送數(shù)碼管顯示；I2C協(xié)議程序主要是實現(xiàn)存儲器與單片機之間數(shù)據(jù)的正確通信。

　　本文介紹了一種基于STC單片機的車輛超速報警系統(tǒng)。經(jīng)過多次實驗，論證了該方法的可行性和實用性，實驗中各項功能正常，運行可靠，使用方便，效果好，達到了設計要求，具有一定的價值。