基于單片機的電動(dòng)自行車(chē)速度與里程表設計

系統概述

本系統由信號預處理電路、單片機at89c2051、系統化led顯示模塊、串口數據存儲電路和系統軟件組成。其中信號預處理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。對待測信號進(jìn)行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來(lái)將放大的信號轉換成可與單片機相連的ttl信號；通過(guò)單片機的設置可使內部定時(shí)器t1對脈沖輸入引腳t0進(jìn)行控制，這樣能精確地算出加到t0引腳的單位時(shí)間內檢測到的脈沖數；設計中速度顯示采用led模塊，通過(guò)速度換算得來(lái)的里程數采用i2c總線(xiàn)并通過(guò)e2prom來(lái)存儲，既節省了所需單片機的口線(xiàn)和外圍器件，同時(shí)也簡(jiǎn)化了顯示部分的軟件編程。系統的原理框圖如圖1所示。

該設計能實(shí)時(shí)地將所測的速度與累計里程數顯示出來(lái)，主要是將傳感器輸入到單片機的脈沖信號的頻率（傳感器將不同車(chē)速轉變成不同頻率的脈沖信號）實(shí)時(shí)地測量出來(lái)，考慮到信號的衰減、干擾等影響，在信號送入單片機前應對其進(jìn)行放大整形，然后通過(guò)單片機計算出速度和里程，再將所得的數據存儲到串口數據存儲器，并由led顯示模塊交替顯示所測速度與里程。本設計的里程數的算法是一種大概的算法（假設在一定時(shí)間內自行車(chē)是勻速行進(jìn)，平均速度與時(shí)間的乘積即為里程數）。

設計時(shí)，應綜合考慮測速精度和系統反應時(shí)間。本設計用測量脈沖頻率來(lái)計算速度，因而具有較高的測速精度。在計算里程時(shí)取了自行車(chē)的理想狀態(tài)。實(shí)際中，誤差控制在幾米之內，相對于整個(gè)里程來(lái)說(shuō)不是很大。為了保證系統的實(shí)時(shí)性，系統的速度轉換模塊和顯示數據轉bcd碼模塊都采用快速算法。另外，還應盡量保證其他子模塊在編程時(shí)的通用性和高效性。本設計的速度和里程值采用6位顯示，并包含兩個(gè)小數位。

系統的硬件設計

1、脈沖發(fā)生源

本設計采用了st1101紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測。當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。 該系統在自行車(chē)后輪的軸處保持著(zhù)與輪子旋轉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，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當鋁盤(pán)隨著(zhù)后輪旋轉的時(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可以識別的ttl電平，即可算出輪子即時(shí)的轉速。

鋁盤(pán)的圓孔的個(gè)數決定了測量的精度，個(gè)數越多，精度越高。這樣就可以在單位時(shí)間內盡可能多地得到脈沖數，從而避免了因為兩個(gè)過(guò)孔之間的距離過(guò)大，而車(chē)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。

本設計在鋁盤(pán)過(guò)孔的設計上采用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計中能夠較為方便的計算出速度里程。脈沖發(fā)生源的硬件結構圖如圖2所示。

2、信號預處理電路

如圖3所示，系統的信號預處理電路由二級電路構成，第一級是由開(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。當輸入信號為零或負電壓時(shí)，三極管截止，電路輸出高電平；而當輸入信號為正電壓時(shí)，三極管導通，此時(shí)輸出電壓隨著(zhù)輸入電壓的上升而下降，這使得速度里程表既可以測量任意方波信號的頻率，也可以測量正弦波信號的頻率。由于放大器的放大功能降低了對待測信號的幅度要求，因此，系統能對任意大于0.5v的正弦波和脈沖信號進(jìn)行測量。預處理電路的第二級采用帶施密特觸發(fā)器的反相器dm74ls14來(lái)把放大器生成的單相脈沖轉換成與coms電平相兼容的方波信號（如圖4所示），同時(shí)將輸出信號加到單片機的p3.4口上。

利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉換過(guò)程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于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。

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。當傳輸線(xiàn)上的電容較大時(shí)，波形的上升沿將明顯變壞；當傳輸線(xiàn)較長(cháng)，而且接受端的阻抗與傳輸線(xiàn)的阻抗不匹配時(shí)，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現象；當其他脈沖信號通過(guò)導線(xiàn)間的分布電容或公共電源線(xiàn)疊加到矩形脈沖信號時(shí)，信號上將出現附加的噪聲。無(wú)論出現上述的那一種情況，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-設置得合適，均能受到滿(mǎn)意的整形效果。

3、e2prom at24c02的應用

at24c02是cmos 2048位串行e2prom，在內部組織成256×8位。at24c02的特點(diǎn)是具有允許在簡(jiǎn)單的二線(xiàn)總線(xiàn)上工作的串行接口和軟件協(xié)議。

如圖5所示，在本設計中用芯片at24c02的sda端與單片機的p3.7口相連，scl端與單片機的p3.5口相連。因為在這個(gè)i2c總線(xiàn)上只有一個(gè)器件，所以把at24c02的地址設為000，即把a0、a1、a2都接地。單片機計算出來(lái)的里程數據通過(guò)sda、scl向at24c02輸送數據。單片機首先向at24c02發(fā)送寫(xiě)信號，當確認后從單片機內部的數據儲存單元提取數據然后向at24c02的內部地址傳送數據。當顯示里程時(shí)，單片機首先向at24c02發(fā)送讀信號，然后確認后，單片機從at24c02內部的地址向單片機的讀出單元字節讀出數據，供顯示所用。

4、顯示部分

mc14511是將鎖存、譯碼、驅動(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數過(guò)程中出現跳數現象，便于觀(guān)察和記錄。用譯碼器將bcd碼轉換成7段碼，再經(jīng)過(guò)大電流反相器，驅動(dòng)共陰極led數碼管。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的作用相當于位選的功能，當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字和小數點(diǎn)。cd4076是cmos 4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)控制小數點(diǎn)顯示。圖6是顯示模塊框圖。

圖7為系統顯示部分的電路。系統中用74ls138的y0～y5選擇mc14511以驅動(dòng)led顯示，y6、y7來(lái)控制cd40756的cp，從而達到以cd4076的q1～q4控制小數點(diǎn)的顯示，另一個(gè)cd4076只用到其q1和q2，圖中字符相對應的地方表示其引腳相連。

系統的軟件設計

1、系統軟件框圖

如圖8所示，本系統軟件采用模塊化設計方法。整個(gè)系統由初始化模塊、頻率測量模塊、速度，里程計算模塊、數據轉ｂｃｄ碼模塊、速度顯示模塊、里程顯示模塊、數據存儲，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。

2、數據處理

待測信號經(jīng)預處理電路后加至單片機的p3.4（t0）引腳可為單片機測量信號頻率提供有效的輸入信號。單片機通過(guò)檢測p3.4引腳電平來(lái)決定是否啟動(dòng)測量頻率程序。當該引腳為高電平時(shí)，系統處于等待狀態(tài)，要一直到該引腳出現低電平時(shí)才開(kāi)始測頻率。

至于里程的計算，根據速度計算的分析，在得到2s內鋁盤(pán)在其圓周上走過(guò)的距離后。根據它與自行車(chē)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)單片機的算出自行車(chē)在這兩秒內走過(guò)的路程s1。把這個(gè)路程s1與存儲器原來(lái)的里程數相加即可得到目前的總里程數。通過(guò)單片機計算出來(lái)的速度和里程的數據，必須通過(guò)bcd碼的轉換才能輸出給顯示模塊?？偫锍虜档娘@示是設定出現在電動(dòng)自行車(chē)開(kāi)動(dòng)，單片機開(kāi)機經(jīng)過(guò)初始化后顯示出來(lái)，這樣以來(lái)用戶(hù)可以清楚的知道自己的車(chē)子已經(jīng)運行了多少公里了。而速度的顯示則是在計算出速度里程后立刻顯示出來(lái)，體現實(shí)時(shí)性。

結論

本設計以at89c2051為核心，通過(guò)光電傳感器來(lái)檢測自行車(chē)的運轉情況進(jìn)而實(shí)現電動(dòng)自行車(chē)的速度，里程的計算及里程的累計，存儲，最后用6位的led能直觀(guān)的將速度與里程顯示給用戶(hù)，并且在速度高于一定的值時(shí)可自動(dòng)向用戶(hù)報警，從而達到智能速度里程表。