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1、基于单片机的车辆超载报警系统设计及人数检测设计

点击链接下载protues仿真设计资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/92081431

1.1、项目背景与应用意义

在公共交通、旅游客运、厂区通勤车以及校园摆渡车等场景中，车辆超载是非常典型且高风险的安全隐患。超载不仅会导致车辆制动距离增加、轮胎爆胎概率上升、悬挂与制动系统过载磨损加剧，还会造成车辆操控性下降，严重时可能引发群死群伤事故。对客运车辆而言，超载还属于违法行为，监管部门通常要求企业具备人数控制与超载报警措施。然而在实际运营中，人工清点人数或依赖司机经验判断存在明显不足：
1、人工误差大：上下车频繁时司机难以精确统计。
2、监管滞后：超载往往是在路上才被发现或发生事故后追责。
3、缺少联动控制：传统报警器只提示声音，不具备强制制止车辆运行能力。
4、无法动态调整阈值：不同车辆核载人数不同，固定阈值不适用多车型。

因此设计一种基于单片机的车辆超载报警系统，通过红外对管实现乘客上下车人数检测，并在超载时进行声光报警以及继电器切断点火装置，实现“检测—显示—报警—联动控制”的闭环安全策略，能够显著提升车辆运营安全性和智能化水平。

本设计的核心思路是：

• 在车门处布置两组红外对管，形成两条红外检测线。
• 乘客进出时根据两条红外遮挡的先后顺序判断“上车”或“下车”。
• 单片机实时统计车内人数，并用数码管显示当前人数。
• 当人数超过设定报警阈值时，系统启动声光报警，同时通过继电器切断点火装置（或启动电路），阻止车辆继续启动或运行，以保障安全。
• 报警阈值默认20人，可通过三个按键进行调节，范围0~99，适应不同车辆与不同场景需求。

该系统具备结构简单、成本低、部署方便、易扩展等特点，适合作为智能交通安全课程设计、嵌入式控制项目训练或客运车辆安全辅助系统原型。

1.2、系统功能概述

本系统实现的主要功能如下：

1、人数检测与统计
采用两组红外对管检测乘客上下车行为。系统对遮挡事件进行判定并累计人数，能够在车辆运营过程中持续更新车内人数。

2、数码管实时显示
通过两位数码管或两位LED数码管动态扫描显示车内人数（00~99），方便司机与管理人员实时查看。

3、超载报警
当车内人数超过设定阈值时，系统启动蜂鸣器与报警指示灯（声光报警），提醒司机停止上客并采取措施。

4、点火切断联动控制
当超载发生时，系统控制继电器切断点火装置（或启动电路），实现强制安全控制，避免超载情况下车辆继续启动或继续运行（工程化部署可根据车辆电路选择“禁止启动”或“限速/限制点火”等策略）。

5、阈值可调与参数管理
报警阈值默认20人，可通过三个按键进行调整，范围0~99。按键可实现：

• 增加阈值（+）
• 减少阈值（-）
• 模式/确认键（SET/OK）用于切换显示模式或保存设置

通过阈值可调功能，系统可适配不同核载人数车辆，并可根据临时管控需求调整报警策略。

2、系统总体方案与工作原理

2.1、系统整体结构

系统由以下模块组成：
1、单片机最小系统模块（控制核心）
2、红外对管检测模块（两组，检测上下车方向）
3、人数计数与方向判定模块（软件逻辑）
4、数码管显示模块（动态扫描显示人数/阈值）
5、按键输入模块（三按键设置阈值）
6、声光报警模块（蜂鸣器+报警灯LED）
7、继电器控制模块（切断点火装置）
8、电源与稳压模块（车载供电转换、滤波保护）

系统工作时，红外传感器产生的遮挡信号作为输入，单片机通过方向判定算法识别上/下车事件并更新人数；显示模块实时显示人数；阈值设置模块允许用户调节报警值；当人数超过阈值后，执行报警输出与继电器切断功能，完成安全联动。

2.2、红外对管人数检测原理

红外对管由红外发射管与红外接收管组成，发射端连续发出红外光，接收端接收到光后输出稳定电平。当有人通过车门时遮挡红外光束，接收端输出会发生变化（高变低或低变高），单片机通过检测电平变化即可判断“遮挡事件”。

本系统采用两组红外对管，沿车门通道前后布置，形成两条平行检测线：

• IR1：靠外侧
• IR2：靠内侧
  当乘客从外往内上车时，遮挡顺序通常为：IR1 → IR2
  当乘客从内往外下车时，遮挡顺序通常为：IR2 → IR1

系统通过检测两路遮挡先后顺序判断方向，从而确定人数增减。该方法与地铁闸机、门禁方向计数器原理类似，具有逻辑清晰、成本低、实时性强等特点。

2.3、方向判定与防误计数策略

实际车门环境中可能出现：

• 两人同时通过
• 乘客停留在门口
• 手提物体遮挡
• 小孩/行李造成遮挡信号抖动
  因此必须设计防误计数策略：

1、状态机方向判定
把红外事件识别过程抽象成状态机：

• IDLE：两路都未遮挡
• WAIT_IR2：检测到IR1先遮挡，等待IR2遮挡，判定上车
• WAIT_IR1：检测到IR2先遮挡，等待IR1遮挡，判定下车
• DONE：完成一次计数后，等待两路恢复无遮挡才允许下一次计数

2、超时处理
如果进入WAIT状态后长时间没有发生第二路遮挡（例如乘客停留或误遮挡），则超时回到IDLE，避免误计数。超时时间可设为1~2秒。

3、去抖与稳定判断
对红外输入进行简单滤波：连续多次采样一致才认为有效遮挡，避免电平抖动造成重复触发。

通过上述策略，可显著提高计数准确性与稳定性，使系统更适用于车载复杂场景。

2.4、超载联动控制策略

超载联动控制需要考虑安全与实用性：

• 超载报警时立即切断点火装置能够强制阻止车辆启动，但若车辆已在行驶中则不建议直接切断点火，可能造成安全风险。
• 工程实践中通常采用“禁止启动”策略：车辆启动前检测人数是否超载，如果超载则不允许点火；车辆行驶中若超载，则声光报警并提示靠边停车处理。

由于题目要求“通过继电器切断点火装置”，本系统可设计为：
1、车辆未启动或低速状态时：超载触发继电器断开点火回路。
2、车辆运行状态（可扩展车速信号或点火信号判断）：仅声光报警，不强制切断。

在课程设计与原型实现中，可以直接实现“超载→继电器断开”，并在说明中提出工程安全改进建议，使设计更符合实际应用逻辑。

3、电路设计

3.1、电路设计总体说明

本系统电路设计需要满足以下目标：
1、对红外对管信号稳定采集，抗干扰能力强。
2、显示部分刷新稳定，不闪烁、不串扰。
3、声光报警输出可靠，报警音量适中。
4、继电器控制具备隔离与保护，避免继电器反向电动势损坏单片机。
5、适应车载供电环境：12V/24V电源波动大，需要稳压与滤波保护。

因此硬件结构通常采用模块化设计：

• 单片机逻辑控制模块（5V）
• 红外传感器输入模块（5V）
• 执行与继电器模块（可用12V）
• 电源转换模块（车载12V/24V→5V稳压）

3.2、单片机最小系统模块

3.2.1、单片机选型

可选用STC89C52、AT89S52等51系列单片机。选择理由：

• I/O口数量充足，可连接两组红外输入、按键、数码管、蜂鸣器、LED、继电器等。
• 定时器资源丰富，可用于数码管扫描与计数状态机超时控制。
• 成本低，资料丰富，易于学习与调试。

3.2.2、最小系统组成

• 晶振：11.0592MHz或12MHz
• 复位：RC上电复位 + 按键复位
• 去耦：单片机VCC与GND之间放置0.1uF电容，保证抗干扰能力

3.2.3、I/O分配建议

• 红外对管输入：IR1、IR2各1路（2路IO）
• 数码管段选：a~g+dp共8路
• 数码管位选：2路（两位数码管）
• 按键输入：3路（SET、UP、DOWN）
• 蜂鸣器：1路
• 报警LED：1路
• 继电器控制：1路（点火切断）
  这样整体I/O仍有余量，可扩展更多功能。

3.3、红外对管检测模块（两组）

3.3.1、硬件结构

每组红外对管包含：

• 红外发射端：红外LED + 限流电阻（通常100Ω~330Ω）
• 接收端：光电三极管或光敏二极管 + 上拉电阻形成电平输出
  为了提高抗干扰能力，建议接收端加入施密特触发或比较器（例如LM393模块），使输出更干净稳定。

很多现成的红外对管模块已经包含比较器输出DO信号，可直接接入单片机IO口，调节电位器即可设定灵敏度，便于工程调试。

3.3.2、安装与布局要点

• 两组红外对管应沿乘客行进方向前后错开安装，间距建议10~30cm，保证有明显的先后遮挡顺序。
• 安装高度建议在腰部或胸部位置，减少腿部、行李等干扰。
• 发射端与接收端需对准，避免误触发或漏检。
• 车门光照变化较大，建议采用带调节的比较器模块，并加遮光罩减少阳光直射干扰。

3.4、数码管显示模块

3.4.1、显示内容规划

数码管主要显示车内人数（00~99）。同时为了便于调节阈值，系统可设计显示模式：

• 正常显示：人数
• 设置模式：显示阈值（报警值）并闪烁提示
  通过SET键切换模式，UP/DOWN调整阈值。

3.4.2、驱动方式

两位数码管建议采用动态扫描：

• 段选共用8条线
• 位选2条线
  通过定时器中断每1ms~2ms切换位选并输出段码，可实现稳定显示。

若数码管为共阳或共阴类型，需要匹配段码逻辑。为了增强驱动能力，可在段选或位选端加入三极管驱动，避免单片机I/O电流过大导致亮度不足或发热。

3.5、按键输入模块（三按键）

3.5.1、按键功能定义

• SET键：进入阈值设置模式/确认退出
• UP键：阈值+1（长按可快速加）
• DOWN键：阈值-1（长按可快速减）

3.5.2、消抖设计

按键必须软件消抖，常用方法：

• 10ms~20ms延时确认
• 检测按下后等待释放
  此外可加入长按连发机制，使阈值调节更方便。

3.6、声光报警模块

3.6.1、报警方式

超载触发后执行：

• 蜂鸣器间歇鸣叫（例如100ms响、200ms停循环）
• 报警LED闪烁
  声光组合能在嘈杂环境中增强提示效果。

3.6.2、硬件驱动

蜂鸣器推荐使用有源蜂鸣器，IO输出高电平即可发声。若电流较大使用三极管驱动。报警LED串联限流电阻，必要时使用高亮LED或警示灯模块。

3.7、继电器切断点火模块

3.7.1、继电器作用与控制方式

继电器用于切断车辆点火装置（或启动回路）。单片机控制继电器线圈吸合/断开，通过继电器触点串联到点火线路，实现电气隔离控制。

3.7.2、驱动与保护电路

继电器线圈不能直接由单片机驱动，应使用：

• NPN三极管（如8050、2N2222）或N沟道MOSFET驱动线圈
• 线圈两端并联续流二极管（如1N4148/1N4007）吸收反向电动势
• 控制端可加光耦隔离（更高安全等级）
  这样可保证单片机不被线圈反冲损坏，并提高系统可靠性。

3.7.3、安全策略（工程建议）

为了避免行驶中突然断火带来危险，工程部署建议：

• 继电器控制用于“启动允许”而非“行驶中断火”
• 或引入点火状态检测，仅在未启动时切断
  在课程设计中可以先实现基本功能，并在说明中明确安全策略建议。

3.8、电源模块与车载防护设计

3.8.1、车载电源特性

车辆电源通常为12V或24V，存在：

• 启动瞬间电压跌落
• 发电机充电时电压升高
• 继电器、电机等负载导致尖峰干扰
  因此必须采用稳压与滤波措施，将车载电源转换为稳定5V供单片机与传感器使用。

3.8.2、稳压方案

常用方案：

• 7805线性稳压（简单但发热大）
• DC-DC降压模块（效率高，适合车载）
  推荐DC-DC降压模块输出5V，并在输入输出端加电解电容（470uF）和0.1uF去耦电容，抑制波动与尖峰。

4、程序设计

4.1、软件总体架构

系统软件采用“定时扫描显示 + 状态机方向判定 + 阈值设置 + 报警联动”的结构：
1、定时器中断（1ms）：

• 数码管动态扫描刷新
• 系统节拍计数（用于按键长按、报警闪烁节奏）
  2、主循环：
• 红外传感器状态采样与方向判定状态机
• 人数更新与限幅（0~99）
• 阈值设置模式处理
• 超载判断与报警/继电器控制
• 按键扫描与消抖
  3、数据管理：
• 当前人数count
• 报警阈值limit（默认20，可调0~99）
• 当前显示模式（显示人数/显示阈值）

这种架构可以保证显示稳定，同时计数逻辑清晰，便于调试和扩展。

4.2、红外方向判定状态机模块

4.2.1、状态定义

• S_IDLE：两路均无遮挡，等待事件
• S_WAIT_IR2：IR1先遮挡，等待IR2遮挡，判定上车
• S_WAIT_IR1：IR2先遮挡，等待IR1遮挡，判定下车
• S_DONE：完成一次计数，等待两路恢复无遮挡再回到IDLE
  同时引入超时计数，防止停留造成误判。

4.2.2、计数规则

• 上车：count++
• 下车：count–（最小为0）
• count范围限制：0~99
  该限制保证数码管显示正常，同时避免溢出导致逻辑错误。

4.3、超载判断与联动控制模块

4.3.1、超载判断条件

当count > limit时：

• alarmFlag = 1
• 蜂鸣器与LED报警
• 继电器断开点火装置
  当count ≤ limit时：
• alarmFlag = 0
• 关闭报警
• 继电器恢复允许点火

4.3.2、报警节奏

报警不建议连续鸣叫，容易造成听觉疲劳。推荐间歇鸣叫：

• 200ms响 + 300ms停循环
  LED可同步闪烁，提升提示效果。

4.4、阈值设置与按键处理模块

4.4.1、阈值设置流程

• 按SET键：进入设置模式，显示limit并闪烁
• 按UP/DOWN：limit+1 / limit-1（范围0~99）
• 再按SET键：退出设置模式，返回显示人数
  可扩展“长按快调”：按住UP/DOWN每200ms自动加减，提高操作效率。

4.4.2、参数保存（扩展建议）

为了掉电保持阈值，系统可把limit写入EEPROM或单片机内部Flash（STC系列支持IAP），下次上电读取恢复。基础设计可不实现，但可以在说明中作为扩展方向。

4.5、数码管显示模块程序设计

4.5.1、显示内容管理

系统存在两种显示内容：

• 显示人数count
• 显示阈值limit
  由mode决定，设置模式下显示limit并闪烁提示。

4.5.2、动态扫描

采用定时器中断每1ms刷新一位：

• 位0显示十位
• 位1显示个位
  通过快速切换位选保证人眼看到稳定数字。

5、关键程序代码示例（51单片机）

5.1、硬件定义与全局变量

#include<reg52.h>typedefunsignedcharu8;typedefunsignedintu16;// ====== 红外输入（假设低电平表示遮挡）=====sbit IR1=P3^0;// 外侧红外对管sbit IR2=P3^1;// 内侧红外对管// ====== 按键（低电平有效）=====sbit KEY_SET=P3^2;sbit KEY_UP=P3^3;sbit KEY_DOWN=P3^4;// ====== 蜂鸣器与报警LED ======sbit BEEP=P1^6;sbit ALARM_LED=P1^7;// ====== 继电器控制（1=允许点火，0=切断点火，按实际接线定义）=====sbit RELAY_IGN=P2^0;// ====== 数码管段选与位选（示例）=====#defineSEG_PORTP0sbit DIG1=P2^6;// 十位sbit DIG2=P2^7;// 个位// ====== 系统数据 ======volatileu8 count=0;// 当前人数volatileu8 limit=20;// 报警阈值（默认20）volatilebit setMode=0;// 0显示人数 1设置阈值volatilebit alarmFlag=0;// ====== 定时标志 ======volatilebit flag_1ms=0;volatilebit flag_10ms=0;// ====== 数码管段码（共阴示例）=====constu8 segCode[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};

5.2、定时器初始化（1ms中断用于扫描显示与节拍）

voidTimer0_Init_1ms(void){TMOD&=0xF0;TMOD|=0x01;TH0=0xFC;TL0=0x67;ET0=1;EA=1;TR0=1;}voidTimer0_ISR(void)interrupt1{staticu16 cnt10=0;TH0=0xFC;TL0=0x67;flag_1ms=1;cnt10++;if(cnt10>=10){cnt10=0;flag_10ms=1;}}

5.3、数码管动态扫描显示模块

voidSeg_Display(u8 value,bit blink){staticbit pos=0;u8 tens=value/10;u8 ones=value%10;// 简易闪烁：blink=1时可在主循环控制开关if(blink){SEG_PORT=0x00;DIG1=0;DIG2=0;return;}if(pos==0){DIG2=0;SEG_PORT=segCode[tens];DIG1=1;pos=1;}else{DIG1=0;SEG_PORT=segCode[ones];DIG2=1;pos=0;}}

5.4、按键扫描与消抖模块

bitKey_Scan(sbit key){if(key==0){u16 i;for(i=0;i<500;i++);// 简易延时消抖if(key==0){while(key==0);return1;}}return0;}voidKey_Process(void){if(Key_Scan(KEY_SET)){setMode=!setMode;}if(setMode){if(Key_Scan(KEY_UP)){if(limit<99)limit++;}if(Key_Scan(KEY_DOWN)){if(limit>0)limit--;}}}

5.5、红外方向判定状态机（上下车计数）

typedefenum{S_IDLE=0,S_WAIT_IR2,S_WAIT_IR1,S_DONE}IRState;IRState irState=S_IDLE;u16 irTimeout=0;bitIR_Block1(void){return(IR1==0);}bitIR_Block2(void){return(IR2==0);}voidIR_Process_10ms(void){bit b1=IR_Block1();bit b2=IR_Block2();switch(irState){caseS_IDLE:irTimeout=0;if(b1&&!b2)irState=S_WAIT_IR2;// 可能上车elseif(b2&&!b1)irState=S_WAIT_IR1;// 可能下车break;caseS_WAIT_IR2:irTimeout++;if(b2)// IR2也遮挡{if(count<99)count++;// 上车irState=S_DONE;}elseif(irTimeout>200)// 10ms*200=2s超时{irState=S_IDLE;}break;caseS_WAIT_IR1:irTimeout++;if(b1){if(count>0)count--;// 下车irState=S_DONE;}elseif(irTimeout>200){irState=S_IDLE;}break;caseS_DONE:// 等待两路都恢复无遮挡，防止重复计数if(!b1&&!b2){irState=S_IDLE;}break;}}

5.6、超载判断与声光报警、继电器控制

voidAlarm_Control_10ms(void){staticu8 step=0;if(count>limit)alarmFlag=1;elsealarmFlag=0;if(!alarmFlag){BEEP=0;ALARM_LED=0;RELAY_IGN=1;// 允许点火return;}// 超载：切断点火RELAY_IGN=0;// 间歇报警：500ms周期，前200ms响亮step++;if(step>=50)step=0;if(step<20){BEEP=1;ALARM_LED=1;}else{BEEP=0;ALARM_LED=0;}}

5.7、主循环任务调度框架

voidmain(void){Timer0_Init_1ms();// 初始状态RELAY_IGN=1;// 允许点火BEEP=0;ALARM_LED=0;DIG1=0;DIG2=0;while(1){// 显示刷新：1ms节拍触发if(flag_1ms){flag_1ms=0;// 设置模式闪烁提示：每隔500ms闪烁一次// 简化实现：在主循环用计数控制blink变量// 这里直接不闪烁，可在下方扩展if(setMode)Seg_Display(limit,0);elseSeg_Display(count,0);}// 10ms任务：方向判定与报警控制if(flag_10ms){flag_10ms=0;IR_Process_10ms();Key_Process();Alarm_Control_10ms();}}}

6、系统关键设计要点与工程优化建议

6.1、提高人数检测准确性的策略

红外计数准确性是系统核心，建议重点优化：
1、安装位置合理：两对管间距适中，避免同时遮挡导致顺序难判。
2、信号整形：使用LM393比较器输出DO信号，减少模拟抖动。
3、状态机+超时：避免乘客停留或反复遮挡导致重复计数。
4、多人并行通过处理（扩展）：可提高通道宽度并增加传感器数量，或采用更先进的人体红外/视觉方案。

6.2、报警阈值设置体验优化

三按键调节阈值建议加入：
1、长按连发：按住UP/DOWN每200ms自动加减，提高调节效率。
2、设置模式闪烁：阈值显示闪烁提示正在设置，避免误认为人数。
3、掉电保存：将limit保存到EEPROM或Flash，避免每次上电重新设置。

6.3、继电器切断点火的安全性优化

为了更符合实际车辆安全逻辑，建议：
1、继电器用于“启动允许”：只在车辆启动前判断超载并限制点火。
2、加入点火信号检测：若检测到车辆已点火运行，则仅报警不切断，提示停车处理。
3、继电器控制采用光耦隔离：提高车载高干扰环境下的可靠性与安全性。
4、增加故障旁路：系统故障时默认允许点火或默认禁止点火应根据安全策略选择，工程上一般采用“默认允许+报警提示”避免车辆无法启动导致二次风险。

6.4、车载电源抗干扰与可靠性设计

车载环境干扰强，应重点增加：

• DC-DC稳压模块 + TVS浪涌保护
• 输入输出电解电容与去耦电容
• 继电器线圈续流二极管
• 信号线屏蔽与合理布线
• 软件看门狗复位（若单片机支持）
  这些措施可显著降低因电源波动导致的误计数或系统死机。

7、总结

基于单片机的车辆超载报警系统设计及人数检测设计以两组红外对管为核心检测手段，通过遮挡顺序判定乘客上下车方向，实现车内人数实时统计与数码管显示。系统支持报警阈值初始为20人，并通过三个按键实现0~99范围内的灵活调节，适应不同车辆核载需求。当人数超过阈值时，系统立即启动声光报警，并通过继电器切断点火装置，形成“检测—显示—报警—联动控制”的闭环安全保障机制。

在电路设计方面，系统采用模块化结构，将红外检测、显示、按键、声光报警与继电器执行模块分区设计，并通过稳压滤波、驱动保护等措施保证车载环境下的可靠性；在程序设计方面，系统采用定时器节拍与状态机方向判定算法，提高计数准确性，并实现阈值设置、报警节奏控制与继电器联动输出，逻辑清晰且易于扩展。该系统可作为车辆安全管理与智能交通应用的基础方案，进一步可扩展为联网统计、历史记录、车速联动、语音提示等更完善的智能超载管控系统。