基于单片机的汽车超速报警系统设计毕业论文

东北林业大学

毕 业 设 计 任 务 书

基于单片机的汽车超速报警系统设计

学生姓名：

指导教师： 学 院：

机电工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化2009级1班

2012年12月18日

基于单片机的汽车超速报警系统的设计

摘要

近年来，随着现代汽车控制技术和高速公路的飞速发展，在世界特别是发达国家，无论是运输业还是个人，汽车都已成为长距离运输的主要交通工具。汽车在公路上行驶时，通过GPS 定位，当汽车的行驶速度超过该公路所规定的最高行驶速度时，蜂鸣器报警，并通过语音提示，提醒驾驶员减速。

本设计从驾驶员自身安全角度出发，设计了一种检测车辆超速的报警系统。当车辆处于行驶状态中，该系统通过速度传感器时刻监测机动车辆速度。在实时监测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。此设计就是一种利用51单片机对机动车超速行驶情况进行蜂鸣报警的系统。该系统结构简单，可靠性高，操作方便，可广泛应用于摩托车、汽车等机动车辆。该设计详细介绍了系统的总体设计方案，给出了界面模块与89C51接口电路，系统硬件电路及外围设计电路，通过LCD 显示出来。

关键词: 51单片机；汽车超速报警器；语音传感器； LCD 显示

Monolithic integrated circuit-based automobile overspeed

alarm system design

Abstract

In recent years, with the modern auto control technology and the rapid development of highway, in the world, especially in developed countries, whether shipping or personal, cars have become the main long-distance transport vehicles. When the car driving on the highway, through the GPS positioning, when the car speed is more than the highest speed specified in the road, the buzzer alarm, and through the voice prompt, and remind the driver to slow down. This design from the Angle of the driver's own security, we design a test vehicle overspeed alarm system. When the vehicle in the driving state, the system through the speed sensors to monitor vehicle speed. In real-time monitoring and automatic control of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core component. This design is a kind of vehicle speeding is to make use of 51 single-chip buzzer alarm system. The system has simple structure, high reliability, convenient operation, can be widely used in motorcycles, automobiles and other motor vehicles. This design detailed introduces the system's overall design scheme of interface module and 89 c51 interface circuit is given, and the system hardware circuit and peripheral circuit design, through the LCD display.

Key words: Single chip microcomputer; Automobile overspeed alarm; Voice sensor; The LCD display

目录

摘要

Abstract

1前言 . ...........................................................................................................................................1

1.1 汽车超速报警系统研究目的及背景 ...................................................................................1

1.2 汽车超速报警系统在国内外的研究现状和发展趋势 .......................................................1

1.3 汽车超速报警系统的主要内容 ...........................................................................................2

2汽车超速报警系统设计方案的选择 . .......................................................................................3

2.1 设计要求 . ...............................................................................................................................3

2.2方案选择 . ................................................................................................................................3

3汽车超速报警系统硬件设计 . ...................................................................................................4

3.1 测速传感器的构建 . ...............................................................................................................4

3.1.1 测速传感器的选择 . ............................................................................................................4

3.2汽车测速传感器的工作原理 . ................................................................................................4

3.3主控模块 . ................................................................................................................................6

3.4系统总体结构框图 . ................................................................................................................7

3.4.1电源单元 . .............................................................................................................................8

3.4.2 光电耦合器单元 . ................................................................................................................8

3.4.3 蜂鸣报警单元 . ....................................................................................................................9

3.5电路的连接 . ............................................................................................................................9

3.5.1 霍尔传感器与单片机的连接 . ............................................................................................9

3.5.2 单片机与报警器连接 . ......................................................................................................10

3.5.3单片机与LCD 显示电路连接 . .........................................................................................10

3.6 监测车辆速度 . ..................................................................................................................... 11

3.6.1 GPS车速检测.................................................................................................................... 11

4汽车超速报警系统软件设计 . .................................................................................................13

4.1 主程序 . .................................................................................................................................13

4.2 子程序 . .................................................................................................................................14

4.2.1 报警子程序 . ......................................................................................................................14

结论 . ............................................................................................................................................15

参考文献 . ....................................................................................................................................16

致谢 . ............................................................................................................................................17

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1前言

1.1 汽车超速报警系统研究目的及背景

在当今时代里，汽车时最普遍的交通运输工具，随着汽车工业和告诉公路建设的发展，每年由于各种交通事故造成的人员伤亡数目惊人，给国家造成的经济损失巨大。据统计，每年造成各种交通事故的最重要的原因是车辆的超载和驾驶员的超速行驶，而后者随机性往往更大可是人们总是忽视超速行驶给人们带来的严重后果。每年由于司机超速行驶而造成的交通事故非常多，由此造成的经济损失也很严重。可是很多因超速行驶而造成事故者或许并不是他们想开得很快，而是他们那时已经有了快感，却根本没有意识到自己是在超速行驶，因此在造成交通事故后大都感到后悔。针对这种状况，开发超速报警器显得尤为重要。如果汽车驾驶员们在各自汽车上安装了汽车超速报警器，在极大程度上能避免发生严重的交通事故。

1.2 汽车超速报警系统在国内外的研究现状和发展趋势

近年来，国内外许多国家都认识到超速行驶对交通安全具有极大的危害，都加大了对车辆行驶的管制力度，均研发先进的信息采集设备，并对车辆超速进行了大量的研究，以保证车辆安全的行驶。

国内研究状况如下：

迄今为止，中国有关科研、设计部门、大专院校和交通管理、建设部门等单位针对公路交通限制速度进行了大量的调查研究和试验，取得了很大的成果。在1996年，国内已经结合设计车速和道路平纵线形等条件之间的关系，阐述了高等级公路限速标志的设计原则，并对高等级公路分车型限速标志的设置提出了建议。

目前车辆超速监测技术主要有：雷达测速、激光测速、视频测速和线圈测速等四种方式。国内的许多学者除了在超速数据获取方面进行研究外，还对超速现象进行了一系列的分析，如魏秀岭研究了高速公路车辆警示系统的组成及工作流程，阐述了视频测速的原理及其方法，提出了适合高速公路实时的，动态的阴影消除和车辆跟踪的算法。王素琴等人研究了基于GPS/GSM/GIS的智能公交车辆监控系统，阐述了监控系统的原理。毛建民等人通过分析超速行驶及限速对交通安全的影响，认为进行合理限速能够显著减少重大交通事故发生率，并列举了限制车速的相关措施。欧居尚等人分析了车辆超速行驶的原因及危害，并从教育、法律、交通安全措施和交通科技四个方面采取相应措施预防超速。

国外研究状况：

国外对超速进行研究开展较早也较为成熟，已经有相关学者建立了各种不同的车速模型。西方发达国家对汽车运行速度的研究主要集中在公路经济分析领域。早在20世纪60年代，西方发达国家就开始对超速行驶进行研究。其中的基础性工作就是对车辆运行速度的研究，并进行了大量的道路试验。

车辆行驶信息采集的设备如美国的Autoscoe 系统，是最早获得专利的视频车辆监测系统，可以对道路的车流量，车速等路况信息进行采集。美国采用最高法定限速值和分段限速相结合的方法限速。最高法定限速是美国早期限速的主要方法，适用于美国的所有道路。由于全国道路条件和沿线环境的多样化，同一的法定限速值并不能满足各地道路运行的实际情况，进行分段测速。日本的SEIICHIKAGAYA 建立了一个辅助决策系统并应用于Sapporo 市，通过对道路环境因素建模，为决策者提供决策信息来提高运输效

率。德国的大部分公路不限速；法国采用可变限速，一般晴天和雨天采用不同的限速值；新西兰则根据道路条件、交通量、事故资料或周围环境等因素将道路分为若干交通安全等级，将其作为制定限速值的依据，其限速值的范围为20-100km/h。

同时，这些国家正趋向于采取以“建议速度”逐步代替法定限速，从而使限速更加人性化，营造更和谐的交通环境。此外，近年国外出现了另一种限速方法-分车型限速，但该方法在美国尚未达成一致的结论和共识，仍需进行更多的研究来评估该方法。

与此同时，汽车电子限速装置也在不断发展之中，有许多电子设计者或公司从事这方面的研究，力求能设计出一种普遍使用的汽车限速装置。其表现如下：（1）广州唯创开发了一款超速报警器，这是一种实时指示车辆的行驶速度，记录超速情况，并通过语音提醒司机安全驾驶的智能电子设备，该设备实时显示车辆速度。当超过所设定速度的最高值时，及时播放语音提示，提醒司机。（2）据悉，法国汽车制造和营销委员会与法国标致雪铁龙汽车集团和雷诺汽车公司近日联合向用户推出三种汽车限速装置。据报道这三种装置中，最简单的一种是“超速报警器”。如果安装上这种装置的汽车当行驶速度超过限定车速时，报警器就会发出声响警报，同时有指示灯闪烁，以警示司机减速。其它两种限速装置是可以直接对汽车的部分功能及行驶进行调整的装置，其它两种分别是限速器和调速器。司机可以通过这种限速器提前设定最高时速，如果司机在汽车行驶中想超过开车前设定的最高时速，加速器也不会响应，而是把车速限定在一定范围内。

1.3 汽车超速报警系统的主要内容

综合国内外相关领域的研究成果可以看到，西方国家对公路限速控制的研究更为系统和深入，在理论与实际两方面均比中国先进，但对于城镇化公路限速没有进行专门的研究。所以在以后的汽车超速报警装置的研究和设计方面中国具有很大的潜力和优势，根据中国现阶段的高速公路状况，研究出一种完全符合中国现代发展的控制汽车车速的方案具有很高的前景。

我们本着主动性的思路，在汽车内安装速度传感器时刻监测机动车辆，并通过LCD 显示车辆的实际车速和用户设置的安全参数。当车辆行驶速度超过公路限定的最高速度时，蜂鸣器开始报警，警告灯闪烁，提醒驾驶员减速。该系统结构简单、可靠性高、操作方便。

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2汽车超速报警系统设计方案的选择

2.1 设计要求

我们要求设计一个具有数字显示功能的单片机系统，实现车辆当前速度输出，当达到公路限定速度值时蜂鸣器报警，提醒驾驶员减速，以保证驾驶人员及行人的人身安全。首先要进行系统的总体方案设计，在设计中一般应考虑以下几点：

（1）遵循从整体到局部的设计原则。在过程中，应遵循从整体到局部的设计原则，把复杂难处理的问题分为若干个较为简单的、容易处理的问题，分别加以解决。

（2）经济性要求。为了获得较高的性价比，设计师不应盲目追求复杂高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着所用的元器件少，可靠性高，而且经济实惠。

（3）可靠性要求。所谓可靠性是指产品在规定的条件和时间内完成功能的概率表示外，还可以用平均无故障时间或平均寿命来表示。

（4）操作和维护要求。在车速报警系统的硬件和软件设计时，应当考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用，操作程序应尽量简单明了，无须专门训练就能掌握其使用方法。

2.2方案选择

采用嵌入式车载限速装置，在设计汽车时就已经考虑并在制造时嵌入整车电子控制系统中。传感器将车速转化为脉冲信号，传入单片机，单片机将输入的一定值的脉冲信号转换为对应的速度值。

该方案在2005年以后国内生产的中高档乘用车中已初见端倪，但是国内约4000万辆在用汽车中的近90%并未安装。鉴于此为汽车设计一种外挂式汽车超速报警器有着巨大的市场需求，运用51单片机实现车辆的超速报警。

3汽车超速报警系统硬件设计

3.1 测速传感器的构建

3.1.1 测速传感器的选择

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。要实现对速度的报警，故应该选择测速传感器。测速传感器包括测量线速度传感器和测量转速度传感器。

线速度传感器是用来测量直线运动速度的传感器，它的输出电压和被测物体运动速度成线性关系，可检测小模数齿轮和其他物体的转速，具有稳定的工作性能，能实现远距离传输。线速度传感器具有结构简单可靠，不用外加电源稳压器，频率响应好，输出灵敏度高，测量范围大，抗干扰力强等优点。

转速度传感器是将物体的转速转换为电量输出的传感器，属于间接式测量装置。按信号形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数字式两种。前者的输出信号值是转速的线性函数，后者的输出信号频率与转速成正比。常用的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式等。

在实际测量中要测量车轮的转速，要输出方波信号，不加电源稳压器，由此选择转速度传感器。

在测速传感器中，旋转运动速度测量较多，而且直线运动速度也经常通过旋转速度间接测量。目前广泛使用的测速传感器是直流测速发电机，可以将旋转速度转变成电信号。测速机要求输出电压与转速间保持线性关系，并要求输出电压陡度大，时间及温度稳定性好。测速机一般可分为直流式和交流式两种。直流式测速机的励磁方式可分为他励式和永磁式两种，电枢结构有带槽的、空心的、盘式印刷电路等形式，其中带槽式最为常用。其中，由于磁电式传感器具有易于计算等特点，故我们选择了磁电式传感器。

3.2汽车测速传感器的工作原理

磁电式传感器有时也称作感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为10-1000Hz ），适用于振动、转速、扭矩等测量。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。

磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。其运动部件可以使线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式和动铁式的工作原理都是完全相同的。当壳体随被测振动体一起振动时，当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性 很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈的相对运动速度接近振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电动势。线圈相对磁场运动的速度v 或角速度ω表示，则所产生的感应电动势为

e=-NBLv

e=-NBLSω

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式中，N-表示线圈在工作磁场中的匝数；L-表示每匝线圈的平均长度；

B-表示线圈所在磁场的磁感应强度；S-表示每匝线圈的平均截面积。

在传感器中当结构参数确定后，B 、L 、N 、S 均为定值，感应电动势e 与线圈相对磁场的运动速度（v 或ω）成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。

变磁通式又称（变）磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度。线圈和磁铁静止不动，测量齿轮（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。

图3-1 车速传感器结构

车速传感器由一个舌簧开关盒一个带有4对磁极的塑料环构成，如图3-1所示。后者安装在变速器左输出轴上，与轴一同旋转形成旋转磁场。舌簧开关管安装在靠近塑料环的变速器壳体上，它是在一个玻璃管内装有2个细长的触头构成的开关元件，其触头由磁性材料制成。舌簧开关管与塑料环间具有很小的间隙，当塑料环旋转时，舌簧开关管内触点接近塑料极时闭合，离开塑料极时断开，由此得到与汽车行驶速度相对应的方波信号, 如图3-2所示。

电压U/V

时间t/ms

汽车超速报警器的工作原理：汽车在行驶过程中，车轮每转一圈，车速传感器产生8个脉冲。对已知车型可知其车轮直径为D ，例如规格为185/70R14的轮胎，185表示轮胎两边侧面之间的宽度为185mm ，70代表轮胎高/宽比为70，14表示轮胎直径为14英尺，R 代表单词RADIAL ，表示子午轮胎。据此可计算出轮胎直径 D=18.5×0.7×2+14×2.54=61.46cm

根据汽车的速度，可计算车轮在单位时间内转过的圈数：n=V/πD 。产生脉冲数f0=8n。若f>f0，则车速报警器发出声光报警；反之，车速报警器将执行下一个比较任务。

3.3主控模块

本系统采用MCS-51系列的8051单片机作为控制核心[1]。MCS51系列单片机是美国Intel 公司于1980年推出的一种8位单片机系列。8051的片内程序存储器（ROM ）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去。8051抗干扰性好，适用于恶劣环境的场合。8051CPU 的工作频率采用12MHZ ，方便系统对速度传感器的计数脉冲进行快速的处理。8051的输入，输出引脚具有32根I/O线。可以连接存储器、LED 显示器、速度传感器等各种外部器件。8051具有低功耗和低电压工作模式的特点，可以利用电池对系统供电。但8051内部只有256B 的数据存储器，系统可以外接RAM 芯片以满足系统的需求[2]。

图3-3 8051单片机引脚图

8051单片机引脚说明：

VCC ：供电电压。

GND ：接地。

P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可接收8TTL 门电流。当P1的管脚第一次写入1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH 编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

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4TTL 门电流。P1口管教写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写入1是，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管教被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个帯内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入后，他们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口也可作为输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3-1所示：

表3-1 单片机各管脚功能

口管脚 备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1 (外部中断1)

P3.4 T0 (计时器0外部输入)

P3.5 T1（计时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率表周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6.因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置0. 此时，ALE 只有在执行MOVX,MOVC 指令时ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。乳沟微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。，在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

3.4系统总体结构框图

当车辆处于行驶状态时，该系统通过测速传感器时刻监测车辆速度，需要测速传感器来测量速度传送到单片机中，为了减少系统误差和信号的干扰，实现非接触测量需要

在单片机和测速传感器之间加上一个光电耦合单元[3]。对于单片机需要稳定的电压，最后采集的速度与设定的速度送往液晶屏，相比较，超速就需要报警，由此需要电源单元，如图3-4所示。

图3-4 超速报警系统总框图

汽车超速报警器的硬件设计将车速传感器产生的车速信号送入光电耦合器耦合单元，得到一个与车速信号频率一致的信号，送入单片机记数。记数满后与单片机内部设定值相比较。如果超过了预设值则可判断汽车超速，蜂鸣器报警提示。系统以AT89C51单片机为核心，由电源单元、光电耦合器单元、调速单元和声光报警单元组成。

3.4.1电源单元

电源单元由三端集成稳压器W7805组成，如图3-5所示。三端稳压器由启动电路、基准电压电路、采样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。

图3-5 电源单元

电容C 用来抵消因输入线太长而产生的电感效应，防止产生自激振荡，连线不长时可以不用，容量一般在0.1-0.33μF [4]。用来消除高频噪声和改善输出的瞬态特性，即在负载电流变化时不致引起输出端产生较大的波动。当电路的输入端大于5V 时，输出端输出稳定的5V 电压。

3.4.2 光电耦合器单元

光电耦合器是以光为媒介，传输信号的一种电-光-电转换期间，由发光源和受光器组成，如图3-6所示。车速传感器信号位于高电平时，发光源发光并控制受光器导通，则受光器输出端产生与车速传感器频率一致的电压信号。采用光信号电耦合器PC817传输车速信号的目的是为了隔离车速传感器与单片机的直接联系，消除车速传感器信号对单片机的不利影响。车速传感器产生的是恒流低阻抗信号，电压值受外部负载的影响

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+5V

方波信号

P3.5

1-发光源 2-受光器

图3-6 信号耦合电路

3.4.3 蜂鸣报警单元

压电式蜂鸣器约需10mA 的驱动电流，因此可以用系列集成电路7406或7407低电平驱动, 驱动器的输入端接89C51的P2.7。当P2.7输出高电平1时，7406的输出为低电平0，使蜂鸣器引线获得接近5V 的直流电压，而产生蜂鸣音。当P2.7端输出低电平0时，7406的输出端升高的约+5V，压电蜂鸣器两引线间的直流电压降接近于0V ，发生停止。我们用单片机的P2.7与蜂鸣器相连，输出高电平，则报警。

3.5电路的连接

3.5.1 霍尔传感器与单片机的连接

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器[5]。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（1855-1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数[6]。

霍尔传感器检测转速示意图如图3-7所示。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生的脉冲频率就可以得出圆盘的转速[7]。没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输出低电平。