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单片机驱动的行车记录仪设计:功能与实现
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更新于2024-06-23
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本篇学位论文主要探讨了基于单片机设计的行车记录仪的研发与实现。行车记录仪作为一种重要的交通安全辅助设备,通过集成GPS模块来获取车辆的位置信息和行驶状态数据。其核心思想是利用单片机作为控制单元,接收GPS模块发送的数据,并进行处理和解析,转化为用户友好的信息,如实时显示车辆位置和行驶状态。 首先,文章详细阐述了行车记录仪的基本概念,将其比喻为汽车上的"黑匣子",旨在记录和监测驾驶过程中的关键信息,包括车辆动态和路况,有助于预防交通事故,特别是在事故责任判定中提供有力证据。当前市场上的产品可能在技术成熟度或价格方面存在问题,导致其未能广泛普及。 作者的毕业设计专注于简化功能,采用单片机作为基础平台,这样可以降低成本且易于集成。GPS模块在此设计中扮演关键角色,它通过天线接收全球定位系统信号,这些信号被单片机捕获并进行解码,转化为车辆的精确地理位置坐标。这部分内容涵盖了GPS工作原理,信号的接收、处理和解析过程。 单片机的引脚功能和与其他设备的通信方式也被深入讲解,确保了数据的有效传输和记录。此外,论文还重点介绍了如何通过软件对解析后的数据进行进一步处理,以便在液晶显示屏上清晰直观地展示,如车辆速度、行驶方向等信息。用户界面设计也是关键,包括通过键盘控制液晶屏显示内容的切换,使操作更为便捷。 整个设计旨在提供一个实用且成本效益高的行车记录仪解决方案,虽然没有追求高端市场上的所有功能,但足以满足基本的监控需求,提高驾驶安全性和事故防范能力。尽管市场还有待进一步发展和完善,但本文的研究成果为行车记录仪的普及和优化提供了有价值的参考,预示着未来此类设备的潜力和方向。
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天津科技大学 2013 届本科生毕业设计
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图 3.1 STC90C51RD+系列内部框图
1.3 STC90C51 系列单片机引脚说明
VCC:供电电压。
GND:接地。
P0口:P0口为一个8位双向 I/O 口。当 P0口的管脚输入1时,显示高电平输
入。当 P0口被定义为数据/地址的低八位时还可以用于外部程序/数据存储器。当
我们在用单片机做 FIASH 编程时会输入源码,进行校验时会输出源码,这时我
们就可以从 P0口进行输入和输出。如果这样做的话 P0口外部必须接上拉电阻。
P1口:P1口也是一个8位双向 I/O 口。当 P1口的被输入1时,该引脚会被置
为高电平,此时 P1为信息的输入端口,当 P1口被置为0,则该引脚被置为低电
平时,此时成为信息的输出端口。在 FLASH 编程和校验时,P1口主要是作为低
八位地址的接收端口。
P2口:P2口为8位双向 I/O 口,当给 P2口输入“1”时,该引脚被置为高电平,
此时它作为输入端口。当把 P2口做为外部的程序存储器或数据存储器进行存取
的接口时,此时 P2口输出的为地址的高八位数据。如果对外部的数据存储器进
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行读写操作时,P2 口输出内容为它的特殊功能寄存器中的值。当 P2 口用在
FLASH 编程和校验时,他接受到的是数据高八位的地址信号和控制信号。
P3口:P3口也是双向 I/O 口,当 P3口被写入“1”后,该端口被置为高电平,
用于数据的输入。
P3口除了上面提到的功能外,还可以作为 STC90C51的一些特殊的功能接口,
例如有以下备选功能:
P3.0 (RXD 口)和 P3.1 (TXD 口)相对应,他们可以分别作为串行口的
输入和输出(串行输入口);
P3.2 和 P3.3相对应,他们可以分别作为/INT0和/INT1,即外部中断0和外部
中断1的接口;
P3.4 和 P3.5是一组相对应的接口,他们可以分别做为外部 T0和 T1的输入端
口(T 指的是定时器);
P3.6 和 P3.7相对应,他们分别是外部数据存储器的读写选通接口,其中/WR
表示写选通,/RD 表示读选通;
P3口的另外一种功能就是可以为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST 为单片机的复位输入引脚。
ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存对低位的地址字节有效。在用
FLASH 进行编程的时候,这个引脚为脉冲的输入引脚。
/PSEN:外部程序存储器选通信号。在外部程序存储器取地址的时候,每个
机器周期该引脚有效两次。
/EA/VPP:该引脚为低电平时,不管内部是否有程序存储器,都是外部程序
存储器(低值范围从0000H 到 FFFFH)工做。只有当该引脚为高电平时,内部
程序存储器才开始工做。
XTAL1和 XTAL2可以分别作为反向振荡放大器的输入和输出端,其中前者
可以作为内部时钟工作电路的输入端口。
振荡器特性:
我们可以把这两个振荡器配置为片内振荡器。如果我们采用外部时钟源驱动
器件的话,我们应该把 XTAL2引脚悬空。因为给振荡器内部输入时钟信号时会
通过一个二分频的触发器模块,因此这个对外部时钟信号的脉宽没有什么要求,
但是需要注意的是,我们必须得保证输入信号的脉冲的高低电平所要求的宽度。
1.4 时钟电路设计
时钟电路就像整个单片机系统的心脏部分,由他来控制整个芯片的工作,
CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能。单片机的外部晶振电路如图
3.6所示:
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图 3.2 外部晶振连接图
1.5 复位电路设计
复位是将单片机做重新初始化的操作。为了使CPU和系统中其它部件都处于
一个确定的初始状态,单片机在启动运行时,都需要先进行复位操作,以便能有
一个统一的工作状态,因此复位是一步很重要的操作,但是大多数的单片机不具
备自动复位的功能,虽然在本次毕业设计中所用到的单片机在晶振频率为12M以
下时可以直接将复位引脚接地进行复位,但是这次用到的单片机晶振的频率为
12M,所以不能直接进行复位,所以必须配合相应的外部电路才能实现。单片机
的上电自动复位电路如图3.7所示:
图 3.3 上电自动复位电路
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第二节 GPS 模块
1.1GPS 简介
GPS 全称为 Global Positioning System 全球定位系统,他由空间部分,地面
控制部分和用户设备部分三部分组成。
GPS 的空间部分是由均匀分布在 6 个轨道面上距离地球表面两万多米的 24
颗卫星组成。除此之外,在轨道上运行的还有另外四颗作为备份的卫星。这 24
颗卫星分布均匀,无论何时都可以保证在全球的各个角落观测到 4 颗以上的卫
星,以便能够随时保持良好的定位服务。这就保证了随时随地的进行连续的全球
定位导航工作。GPS 向地面发射两组电码,P 码(Precise Code 10123MHz)和 C/
A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz)。P 码频率较高,因此有很强的抗干扰
能力和准确的定位精度,但是它受到了美国军方的管制。由于被设定了密码,民
间无法解读,所以它主要为美国的军方服务。C/ A 码则不同,C/A 码为了开放
给民间使用被人为的采取措施降低了精度。
地面控制部分由三部分组成,他们分别是主控站,全球监测站和地面控制站。
主控制站位于美国科罗拉多州,主要任务是负责收集由卫星传回之讯息。监测站
装配有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。它们将从卫星接收
到的观测数据(包括电离层和气象数据)经过初步处理后传送到主控站。主控站
再从各监测站收集数据,根据这些数据计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结
果送给地面控制站。当卫星运行至地面控制站上方时,控制站将这些导航数据信
息及主控站指令发送给卫星。这种工作每天对每个卫星执行一次,并在卫星离
开主控站作用范围之前进行最后的信息注入。假如某一地面控制站发生了
故障,那么在卫星中预存的导航信息还是可以使用一段时间的,但是随着时间
的增长,卫星的导航精度也会逐渐的降低。
所谓的用户设备部分其实就是一种信号接收设备(即 GPS 信号接收机)。它
的主要功能就是可以捕获到卫星,并追踪这些卫星在宇宙空间中的运行。当它接
收到被他追踪的 GPS 通讯卫星所发射出的信号之后,就可以测量并计算出接收
天线至通讯卫星之间的伪距离和距离的变化率,
[3]
通过这些数据来解调出通讯卫
星运行的轨道参数等有效数据。将接收到的这些数据输入到该设备中的微处理计
算机中,根据定位解析算法进行定位计算,就可以计算出用户所在地理位置的经
度、纬度、高度、海拔、时间、速度等各种我们需要得到的信息。完整的 GPS
用户设备是由硬件部分、软件部分和 GPS 数据处理后的软件包构成的。GPS 接
收机又由天线部分和接收部分组成。接收机一般采用双电源进行供电,即机内和
机外电源。机内电源的作用在于当你在更换外电源时不至于中断接收机对卫星的
连续观测。在用机外电源时,机外电源会给机内电池进行充电。关机后,机内电
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