【正文】 LCD 顯示，使速度顯示更加直觀。采用接觸車速傳感器代替軟軸傳動 ,可使車速表的安裝位置不受距離限制 ,有效地克服了機(jī)械式車速表中的諸多不足。 電子式車速表更加智能，車速表的功能也更加人性化，如加上了里程累計、超速提醒等功能。 本設(shè)計就是針對騎自行車的人們在行進(jìn)中不能很好的把握自己達(dá)到了多大的速度，行駛了多遠(yuǎn)的距離而設(shè)計的。以往的里程表只能進(jìn)行測量速度，里程，時間，溫度等數(shù)據(jù)，雖然能實現(xiàn)很多的功能，但是其中的一些功能不適合自行車業(yè)余愛好者，浪費資源，而且性價比也低，而且也不能很好的把握當(dāng)前運動量， 從而不能很好的實現(xiàn)娛樂和鍛煉的效果。而本設(shè)計卻能實現(xiàn)娛樂和鍛煉的雙重效果，而且相對業(yè)余愛好者性價比更高。 設(shè)計任務(wù) 本設(shè)計要以單片機(jī)為核心，通過光電傳感器來檢測自行車的運轉(zhuǎn)情況進(jìn)而實現(xiàn)電動自行車的速度的測量，最后用液晶顯示器直觀地將速度與里程顯示出來，并且在速度高于一定的值時可自動向用戶報警，從而達(dá)到智能化的目的。 主要設(shè)計內(nèi)容 : 光電式速度里程表設(shè)計 3 2 系統(tǒng)原理概述 系統(tǒng)原理總概述 本系統(tǒng)由信號預(yù)處理 電路、單片機(jī) AT89C205 LCD 顯示模塊、開關(guān)按鍵 ,報警模塊和系統(tǒng)軟件組成。其中信號預(yù)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將放大的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的 TTL 信號；通過單片機(jī)的設(shè)置可使內(nèi)部定時器 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 引腳的單位時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)。本設(shè)計中，計數(shù)的正確性決定了本裝置的精度，如何在復(fù)雜的環(huán)境中得到正確的計數(shù)脈沖，是本設(shè)計的重點，設(shè)計中里程表顯示采用 LCD1602 液晶 模塊，用液晶顯示器顯示是本設(shè)計的難點。并且在速度高于一定的值時可自動向用戶報警，從而達(dá)到智能速度里程表。 系統(tǒng)硬件組成原理 系統(tǒng)硬件由信號預(yù)處理電路、單片機(jī) AT89C205系統(tǒng)化 LCD 顯示模塊、 開關(guān)按鍵，報警模塊組成，系統(tǒng)的硬件組成框圖如下： 信 信 信 信 信 信 信信 信 信 信信 信 信 信信 信 信 信 信 信信 信 信 信L C D 信 信信 信 信 信 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 由于不同速度發(fā)出不同頻率的脈沖，通過光電傳感器檢測出不同狀態(tài)的脈沖信號，而一般的模擬信號都是微弱的，所以要把它放大，這就需要一個放大器。另外單片機(jī)能識別的都是 TTL 信號，經(jīng)波形變換和波形整形電路方能將放大的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的形式。當(dāng)行駛達(dá)到一定的車速時，會發(fā)出報警聲。不同的按鍵方式，液晶顯示器會顯示不同的數(shù)據(jù)。 光電式速度里程表設(shè)計 4 軟件系統(tǒng)工作流程 在硬件設(shè)計完畢之后，接下來就是設(shè)計中最核心和最為主要的軟件部分設(shè)計。所謂軟件設(shè)計就是把軟件需求變換成軟件的具體設(shè)計方案（即模塊結(jié)構(gòu)）的過程。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計即是根據(jù)要求和硬件設(shè)計的結(jié)構(gòu)，將整個系統(tǒng)的功能分成許多小的功能模塊，再根據(jù)這些小的功能模塊進(jìn)行程序編寫的過程。這樣的設(shè)計方法，使得系統(tǒng)的整個功能和各部分的功能趨于明朗化 。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，就可以根據(jù)功能設(shè)置找出問題的根源，從而更快地解決問題。所以說，在整個設(shè)計過程中，軟件設(shè)計必須與硬件設(shè)計緊密地結(jié)合在一起。 信 信 信 信信 信 信 信 信 信 信 信信 信 信信 信 信 信信 信 信 信信 信 信 信信 信 信 信信 信 信 信信 信 信 信信 信 信信 信 信 信信 信I N T 0T 0I N T 1 圖 22 系統(tǒng)軟件流程圖 光電式速度里程表設(shè)計 5 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本設(shè)計采用的是以紅外傳感器 ST1101 為傳感器， 以 AT89C51 作為系統(tǒng)的主控芯片，以 LCD160 128*16 液晶顯示器進(jìn)行顯示。 A T 8 9 C 5 1信 信 信信 信 信 信S T 1 1 0 1L C D 1 6 0 2信 信 信 信 圖 31 系統(tǒng)硬件框圖 采集信息部分以及傳感器的選擇 信息 采集部分可以選用的傳感器種類一很多，例如磁感應(yīng)傳感器，光電感應(yīng)傳感器，金屬傳感器等。 霍爾傳感器由永久磁鐵和開關(guān)型霍爾集成電路組成?；魻柤呻娐酚苫魻栐?、放大器、整形電路及集電極開路輸出等部分組成，其功能是把磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，霍爾元件為磁敏元件，當(dāng)垂直于霍爾元件的磁場強(qiáng)度發(fā)生變化時，其兩端的電壓就會發(fā)生變化，經(jīng)放大和整形即可輸出脈沖電信號。 光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉(zhuǎn)軸相連，就能獲得多種輸出信號。它廣泛應(yīng)用 于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。如圖 32 所示，是某光電編碼器的外形。 光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖 31 所示，當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關(guān)管關(guān)斷，否則打開。為此可以制作一個遮光葉片如圖 33 所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過時，產(chǎn)生脈沖信號。當(dāng)葉片數(shù)較多時，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個脈沖信號。 而考慮到實際可操作性以及設(shè)計要求 方面，本設(shè)計選用的傳感器為光電傳感器。 光電式速度里程表設(shè)計 6 圖 32 光電傳感器的原理 圖 圖 33 遮光葉片 將光敏電阻安裝在自行車前又的一側(cè)，在同等高度的另一側(cè)安上一個高亮度的發(fā)光二極管。在同等高度的輻條上貼上一圈黑色材料，并在黑色材料上打上等間距的小孔，這樣當(dāng)小孔經(jīng)過光敏電阻時，光敏電阻根據(jù)光電流的變化發(fā)出脈沖， 從而測量里程。 紅外光電傳感器 ST1101采用高輸 出的紅外光電二極管與高靈敏度光敏晶 其特點是性能可靠，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，廣泛應(yīng)用于 里程 表。 表 31 主要參數(shù) 輸入 正向電流 IF 50 mA 反向電壓 Vr 6 v 耗散功率 P 75 mW 輸出 集 射電壓 Vceo 25 V 射 集電壓 Veco 6 V 集電極功耗 Pc 50 mW ST1101 外圍電路如圖 34 所示， R R2 均為 限流電阻，限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射二極管的電流大則發(fā)射功率大，但不能超過它的極限電流 。 根據(jù)主要參數(shù)表，它的極限電流為 50mA，當(dāng)兩者之間有孔時，三極管導(dǎo)通，當(dāng)兩者被隔離時，三極管截止。 470R1R2光電傳感器VCC脈沖 圖 34 傳感器外圍電路 光電式速度里程表設(shè)計 7 輪脈沖檢測與轉(zhuǎn)換電路 本設(shè)計采用了 ST1101 紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測。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，傳感器將會輸出一個低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖。然后通過帶施密特觸發(fā)器的反相器 DM74LS14 來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，再輸入給單片機(jī)。 輪脈沖檢測 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鋁盤，在這個鋁盤的邊沿處挖 出若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)鋁盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。 把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機(jī)可以識別的 TTL 電平，即可算出輪子即時的轉(zhuǎn)速。鋁盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度，個數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大，而車子正好在過孔之間或者是在下個過孔之前停止了，造成較大的誤差。 本設(shè)計在鋁盤過孔的設(shè)計上采用 9 個過孔，從而留下了 8 個同等的間距這樣在以后的軟件設(shè)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(jié)構(gòu)圖如圖 35所示。 圖 35 脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖） 信號預(yù)處理電路 如圖 36 所示，系統(tǒng)的信號預(yù)處理電路由二級電路構(gòu)成，第一級是由開關(guān)三極管組成的零偏置放大器，采用開關(guān)三極管可以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。當(dāng)輸入信號為零或負(fù)電壓時，三極管截止，電路輸出高電平；而當(dāng)輸入信號為正電壓時，三光電式速度里程表設(shè)計 8 極管導(dǎo)通，此時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(tǒng)能對任意大于 的正弦波和脈沖信號進(jìn)行測量。 其中電 阻 R3 為輸入電阻， R4 為輸出電阻。 預(yù)處理電路的第二級采用帶施密特觸發(fā)器的反相器 DM74LS14 來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（如圖 37 所示），同時將輸出信號加到單片機(jī)的 口上。 利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，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(dāng)傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變壞；當(dāng)傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當(dāng)其他脈沖信號通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(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。 74LS14200R3Q110K R4VCCinput 圖 36 信號預(yù)處理電路圖圖 圖 37 信號處理波形圖 光電式速度里程表設(shè)計 9 單片機(jī)系統(tǒng)部分 AT89C51 單片機(jī)介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 3233343536373839VCC402122232425262728ALE/PROG30PSEN29EA/VPP3112345678REST91011121314151617XTAL218XTAL119GND20U5ALEPSENRSTA10A11A12A13A14A15A16A17D10D11D12D13D14D15D16D17VCCB10B11B12B13B14B15B16B17C10C11C12C13C14C15C16C17 圖 38 AT89C51 引腳圖 定時 /計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及控制 定時 /計數(shù)器的實質(zhì)是加 1 計數(shù)器（ 16 位），由高 8 位和低 8 位兩個寄存器組成。TMOD 是定時 /計數(shù)器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能； TCON 是控制寄存器，控制 T0、 T1 的啟動和停止及設(shè)置溢出標(biāo)志 。定時 /計數(shù)器結(jié)構(gòu)如圖 39 所示： 圖 39 定時 /計數(shù)器結(jié)構(gòu)圖 光電式速度里程表設(shè)計 10 AT89S52 單片機(jī)定時 /計數(shù)器的工作由兩個特殊功能寄存器控制。 TMOD 用于設(shè)置其工作方式； TCON 用于控制其啟動和中斷申請 [9]。 TMOD 工作方式寄存器 TMOD 用于設(shè)置定時 /計數(shù)器的工作方式，低四位用于 T0，高四位用于 T1。其格式如 表 32： 表 32 位號 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 符號 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 GATE：門控位。 GATE＝ 0 時，以運 行控制位 TRX(X=0， 1)來啟動定時 /計數(shù)器運行； GATA＝ 1 時，要用軟件使 TR0 或 TR1 為 1，同時外部中斷引腳或也為高電平時，才能啟動定時 /計數(shù)器工作； C/T 計數(shù)器模式和定時器模式選擇位 C/T=1 時，選擇計數(shù)器模式，計數(shù)器對外部輸入引腳 T0（ ）或 T1（ ）的外部脈沖計數(shù)； C/T=0 時，選擇定時器模式。 M1M0：工作