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基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車速度與里程表設(shè)計(jì)

   2012年07月11日 15:27  
  系統(tǒng)概述
  
  本系統(tǒng)由信號(hào)預(yù)處理電路、單片機(jī)AT89C2051、系統(tǒng)化LED顯示模塊、串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號(hào)預(yù)處理電路包含信號(hào)放大、波形變換和波形整形。對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求;波形變換和波形整形電路則用來(lái)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的TTL信號(hào);通過(guò)單片機(jī)的設(shè)置可使內(nèi)部定時(shí)器T1對(duì)脈沖輸入引腳T0進(jìn)行控制,這樣能地算出加到T0引腳的單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù);設(shè)計(jì)中速度顯示采用LED模塊,通過(guò)速度換算得來(lái)的里程數(shù)采用I2C總線并通過(guò)E2PROM來(lái)存儲(chǔ),既節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件,同時(shí)也簡(jiǎn)化了顯示部分的軟件編程。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。
  
  圖1系統(tǒng)的原理框圖
  
  工作原理
  
  該設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)地將所測(cè)的速度與累計(jì)里程數(shù)顯示出來(lái),主要是將傳感器輸入到單片機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率(傳感器將不同車速轉(zhuǎn)變成不同頻率的脈沖信號(hào))實(shí)時(shí)地測(cè)量出來(lái),考慮到信號(hào)的衰減、干擾等影響,在信號(hào)送入單片機(jī)前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行放大整形,然后通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出速度和里程,再將所得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,并由LED顯示模塊交替顯示所測(cè)速度與里程。本設(shè)計(jì)的里程數(shù)的算法是一種大概的算法(假設(shè)在一定時(shí)間內(nèi)自行車是勻速行進(jìn),平均速度與時(shí)間的乘積即為里程數(shù))。
  
  設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)綜合考慮測(cè)速精度和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。本設(shè)計(jì)用測(cè)量脈沖頻率來(lái)計(jì)算速度,因而具有較高的測(cè)速精度。在計(jì)算里程時(shí)取了自行車的理想狀態(tài)。實(shí)際中,誤差控制在幾米之內(nèi),相對(duì)于整個(gè)里程來(lái)說(shuō)不是很大。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,系統(tǒng)的速度轉(zhuǎn)換模塊和顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)BCD碼模塊都采用快速算法。另外,還應(yīng)盡量保證其他子模塊在編程時(shí)的通用性和性。本設(shè)計(jì)的速度和里程值采用6位顯示,并包含兩個(gè)小數(shù)位。
  
  系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
  
  1、脈沖發(fā)生源
  
  本設(shè)計(jì)采用了ST1101紅外光電傳感器,進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時(shí),傳感器將會(huì)輸出一個(gè)低電平,而當(dāng)沒(méi)有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平,從而形成一個(gè)脈沖。該系統(tǒng)在自行車后輪的軸處保持著與輪子旋轉(zhuǎn)切面平行的方向延伸附加一個(gè)鋁盤(pán),在這個(gè)鋁盤(pán)的邊沿處挖出若干個(gè)圓形過(guò)孔,把傳感器的檢測(cè)部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)鋁盤(pán)隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候,傳感器將向外輸出若干個(gè)脈沖。把這些脈沖通過(guò)一系列的波形整形成單片機(jī)可以識(shí)別的TTL電平,即可算出輪子即時(shí)的轉(zhuǎn)速。
  
  鋁盤(pán)的圓孔的個(gè)數(shù)決定了測(cè)量的精度,個(gè)數(shù)越多,精度越高。這樣就可以在單位時(shí)間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù),從而避免了因?yàn)閮蓚€(gè)過(guò)孔之間的距離過(guò)大,而車子正好在過(guò)孔之間或者是在下個(gè)過(guò)孔之前停止了,造成較大的誤差。
  
  本設(shè)計(jì)在鋁盤(pán)過(guò)孔的設(shè)計(jì)上采用11個(gè)過(guò)孔,從而留下了10個(gè)同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)計(jì)中能夠較為方便的計(jì)算出速度里程。脈沖發(fā)生源的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
  
  圖2脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖(左為正視圖,右為側(cè)視圖)
  
  2、信號(hào)預(yù)處理電路
  
  如圖3所示,系統(tǒng)的信號(hào)預(yù)處理電路由二級(jí)電路構(gòu)成,*級(jí)是由開(kāi)關(guān)三極管組成的零偏置放大器,采用開(kāi)關(guān)三極管可以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)為零或負(fù)電壓時(shí),三極管截止,電路輸出高電平;而當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí),三極管導(dǎo)通,此時(shí)輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降,這使得速度里程表既可以測(cè)量任意方波信號(hào)的頻率,也可以測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率。由于放大器的放大功能降低了對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求,因此,系統(tǒng)能對(duì)任意大于0.5V的正弦波和脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。預(yù)處理電路的第二級(jí)采用帶施密特觸發(fā)器的反相器DM74LS14來(lái)把放大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成與COMS電平相兼容的方波信號(hào)(如圖4所示),同時(shí)將輸出信號(hào)加到單片機(jī)的P3.4口上。
  
  圖3信號(hào)預(yù)處理電路圖
  
  圖4施密特觸發(fā)器對(duì)脈沖的整形
  
  利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔茫梢园堰呇刈兓徛闹芷谛孕盘?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。輸入的信號(hào)只要幅度大于VT+,即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。
  
  從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當(dāng)傳輸線上的電容較大時(shí),波形的上升沿將明顯變壞;當(dāng)傳輸線較長(zhǎng),而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時(shí),在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象;當(dāng)其他脈沖信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號(hào)時(shí),信號(hào)上將出現(xiàn)附加的噪聲。無(wú)論出現(xiàn)上述的那一種情況,都可以通過(guò)用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的VT+和VT-設(shè)置得合適,均能受到滿意的整形效果。
  
  3、E2PROMAT24C02的應(yīng)用
  
  AT24C02是CMOS2048位串行E2PROM,在內(nèi)部組織成256×8位。AT24C02的特點(diǎn)是具有允許在簡(jiǎn)單的二線總線上工作的串行接口和軟件協(xié)議。
  
  如圖5所示,在本設(shè)計(jì)中用芯片AT24C02的SDA端與單片機(jī)的P3.7口相連,SCL端與單片機(jī)的P3.5口相連。因?yàn)樵谶@個(gè)I2C總線上只有一個(gè)器件,所以把AT24C02的地址設(shè)為000,即把A0、A1、A2都接地。單片機(jī)計(jì)算出來(lái)的里程數(shù)據(jù)通過(guò)SDA、SCL向AT24C02輸送數(shù)據(jù)。單片機(jī)首先向AT24C02發(fā)送寫(xiě)信號(hào),當(dāng)確認(rèn)后從單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元提取數(shù)據(jù)然后向AT24C02的內(nèi)部地址傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)顯示里程時(shí),單片機(jī)首先向AT24C02發(fā)送讀信號(hào),然后確認(rèn)后,單片機(jī)從AT24C02內(nèi)部的地址向單片機(jī)的讀出單元字節(jié)讀出數(shù)據(jù),供顯示所用。
  
  圖T24C02與單片機(jī)的接口電路圖
  
  4、顯示部分
  
  本設(shè)計(jì)的顯示模塊包括MC14511BCP、CD4076、74LS138和6個(gè)LED顯示管等器件。
  
  MC14511是將鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身的“三合一”器件。鎖存器的作用是避免在計(jì)數(shù)過(guò)程中出現(xiàn)跳數(shù)現(xiàn)象,便于觀察和記錄。用譯碼器將BCD碼轉(zhuǎn)換成7段碼,再經(jīng)過(guò)大電流反相器,驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管。譯碼器屬于非時(shí)序電路,其輸出狀態(tài)與時(shí)鐘無(wú)關(guān),僅取決于輸入的BCD碼。
  
  74LS138的作用相當(dāng)于位選的功能,當(dāng)C,B,A的輸入分別為“000、001、010、011、100、101”時(shí)分別選擇不同的MC14511,從而在不同位上顯示不同的數(shù)字和小數(shù)點(diǎn)。CD4076是CMOS4位三態(tài)輸出D寄存器,通過(guò)74LS138的Y6,Y7來(lái)控制其CP的工作,從而使CD4076來(lái)控制小數(shù)點(diǎn)顯示。圖6是顯示模塊框圖。
  
  圖6顯示模塊框圖
  
  圖7為系統(tǒng)顯示部分的電路。系統(tǒng)中用74LS138的Y0~Y5選擇MC14511以驅(qū)動(dòng)LED顯示,Y6、Y7來(lái)控制CD40756的CP,從而達(dá)到以CD4076的Q1~Q4控制小數(shù)點(diǎn)的顯示,另一個(gè)CD4076只用到其Q1和Q2,圖中字符相對(duì)應(yīng)的地方表示其引腳相連。
  
  圖7系統(tǒng)顯示部分的電路
  
  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
  
  1、系統(tǒng)軟件框圖
  
  如圖8所示,本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、頻率測(cè)量模塊、速度,里程計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)BCD碼模塊、速度顯示模塊、里程顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),讀取模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊以及其他功能模塊組成。
  
  圖8系統(tǒng)軟件框圖
  
  2、數(shù)據(jù)處理
  
  待測(cè)信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路后加至單片機(jī)的P3.4(T0)引腳可為單片機(jī)測(cè)量信號(hào)頻率提供有效的輸入信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)P3.4引腳電平來(lái)決定是否啟動(dòng)測(cè)量頻率程序。當(dāng)該引腳為高電平時(shí),系統(tǒng)處于等待狀態(tài),要一直到該引腳出現(xiàn)低電平時(shí)才開(kāi)始測(cè)頻率。
  
  我們可從硬件的鋁盤(pán)上知道兩個(gè)過(guò)孔之間在圓周上的距離。而這個(gè)距離M正好為計(jì)算速度和距離起到了基本的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備作用。同時(shí)可以從TL0寄存器知道在兩秒內(nèi)單片機(jī)檢測(cè)到的N個(gè)脈沖。而M×N所得到的正是這兩秒內(nèi)鋁盤(pán)在圓周上所走得距離S。(此時(shí)假設(shè)在這個(gè)兩秒內(nèi)車子是勻速前進(jìn)的),距離S除以2s的時(shí)間,就可以大概的算出這2s內(nèi)鋁盤(pán)的線速度。再根據(jù)鋁盤(pán)與自行車的輪子保持著一樣的角速度,得到鋁盤(pán)的線速度與輪子線速度的關(guān)系,從而算出自行車在這2s的平均速度。
  
  至于里程的計(jì)算,根據(jù)速度計(jì)算的分析,在得到2s內(nèi)鋁盤(pán)在其圓周上走過(guò)的距離后。根據(jù)它與自行車輪子的圓周走過(guò)的距離有一定比例關(guān)系(通過(guò)兩者角速度一樣的算法)可以通過(guò)單片機(jī)的算出自行車在這兩秒內(nèi)走過(guò)的路程S1。把這個(gè)路程S1與存儲(chǔ)器原來(lái)的里程數(shù)相加即可得到目前的總里程數(shù)。通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出來(lái)的速度和里程的數(shù)據(jù),必須通過(guò)BCD碼的轉(zhuǎn)換才能輸出給顯示模塊。總里程數(shù)的顯示是設(shè)定出現(xiàn)在電動(dòng)自行車開(kāi)動(dòng),單片機(jī)開(kāi)機(jī)經(jīng)過(guò)初始化后顯示出來(lái),這樣以來(lái)用戶可以清楚的知道自己的車子已經(jīng)運(yùn)行了多少公里了。而速度的顯示則是在計(jì)算出速度里程后立刻顯示出來(lái),體現(xiàn)實(shí)時(shí)性。
  
  結(jié)論
  
  本設(shè)計(jì)以AT89C2051為核心,通過(guò)光電傳感器來(lái)檢測(cè)自行車的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的速度,里程的計(jì)算及里程的累計(jì),存儲(chǔ),zui后用6位的LED能直觀的將速度與里程顯示給用戶,并且在速度高于一定的值時(shí)可自動(dòng)向用戶報(bào)警,從而達(dá)到智能速度里程表。

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