摘  要： 采用STC89C52单片机结合LM2596-5.0开关电压调节器、DS12C887时钟芯片、AT24C64串行存储器、74HC595移位寄存器以及接触式IC卡等器件，实现了对机场车辆速度的实时显示以及超速后的自行报警，并将超速情况以数据的形式存储到存储器中，可用IC卡对数据进行读取。该系统通过超速报警来提醒司机减速，从而减少车辆刮碰飞机等事件的发生。

　　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。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

　　电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器 （DSP）、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 （FPGA） 及其他数字或模拟负载提供供电。

　　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。

　　一般来说，这类模块称为负载点 （POL） 电源供应系统或使用点电源供应系统 （PUPS）。由于模块式结构的优点甚多，因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子等。

　　尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，模块电源的增幅已经超出了电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，模块电源功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。

　　人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发爱浦电子电源模块（4张）开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题

　　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。

　　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。

　　LED显示屏（LED display）：又叫电子显示屏或者飘字屏幕。是由LED点阵组成，通led电子显示屏（1张）过红色或绿色灯珠的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，恒舞动卡主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。

　　LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

　　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。

　　IC卡 （Integrated Circuit Card，集成电路卡）是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具。IC卡在有些国家和地区也称智能卡（smart card）、智慧卡（intelligent card）、微电路卡（microcircuit card）或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式；已经十分广泛地应用于包括金融、交通、社保等很多领域。

　　IC卡读写器是IC卡与应用系统间的桥梁，在ISO国际标准中称之为接口设备IFD（Interface Device）。IFD内的CPU通过一个接口电路与IC卡相连并进行通信。IC卡接口电路是IC卡读写器中至关重要的部分，根据实际应用系统的不同，可选择并行通信、半双工串行通信和I2C通信等不同的IC卡读写芯片。

　　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；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，具有一定的价值。