【正文】 ，使速度顯示更加直觀。采用接觸車(chē)速傳感器代替軟軸傳動(dòng) ,可使車(chē)速表的安裝位置不受距離限制 ,有效地克服了機(jī)械式車(chē)速表中的諸多不足。 電子式車(chē)速表更加智能，車(chē)速表的功能也更加人性化，如加上了里程累計(jì)、超速提醒等功能。 本設(shè)計(jì)就是針對(duì)騎自行車(chē)的人們?cè)谛羞M(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(jì)的。以往的里程表只能進(jìn)行測(cè)量速度，里程，時(shí)間，溫度等數(shù)據(jù)，雖然能實(shí)現(xiàn)很多的功能，但是其中的一些功能不適合自行車(chē)業(yè)余愛(ài)好者，浪費(fèi)資源，而且性價(jià)比也低，而且也不能很好的把握當(dāng)前運(yùn)動(dòng)量， 從而不能很好的實(shí)現(xiàn)娛樂(lè)和鍛煉的效果。而本設(shè)計(jì)卻能實(shí)現(xiàn)娛樂(lè)和鍛煉的雙重效果，而且相對(duì)業(yè)余愛(ài)好者性價(jià)比更高。 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)要以單片機(jī)為核心，通過(guò)光電傳感器來(lái)檢測(cè)自行車(chē)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)的速度的測(cè)量，最后用液晶顯示器直觀地將速度與里程顯示出來(lái)，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)到智能化的目的。 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 : 光電式速度里程表設(shè)計(jì) 3 2 系統(tǒng)原理概述 系統(tǒng)原理總概述 本系統(tǒng)由信號(hào)預(yù)處理 電路、單片機(jī) AT89C205 LCD 顯示模塊、開(kāi)關(guān)按鍵 ,報(bào)警模塊和系統(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，這樣能精確地算出加到 T0 引腳的單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)。本設(shè)計(jì)中，計(jì)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(jì)數(shù)脈沖，是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jì)的難點(diǎn)。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。 系統(tǒng)硬件組成原理 系統(tǒng)硬件由信號(hào)預(yù)處理電路、單片機(jī) AT89C205系統(tǒng)化 LCD 顯示模塊、 開(kāi)關(guān)按鍵，報(bào)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(jì)框圖 由于不同速度發(fā)出不同頻率的脈沖，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)出不同狀態(tài)的脈沖信號(hào)，而一般的模擬信號(hào)都是微弱的，所以要把它放大，這就需要一個(gè)放大器。另外單片機(jī)能識(shí)別的都是 TTL 信號(hào)，經(jīng)波形變換和波形整形電路方能將放大的信號(hào)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(chē)速時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。不同的按鍵方式，液晶顯示器會(huì)顯示不同的數(shù)據(jù)。 光電式速度里程表設(shè)計(jì) 4 軟件系統(tǒng)工作流程 在硬件設(shè)計(jì)完畢之后，接下來(lái)就是設(shè)計(jì)中最核心和最為主要的軟件部分設(shè)計(jì)。所謂軟件設(shè)計(jì)就是把軟件需求變換成軟件的具體設(shè)計(jì)方案（即模塊結(jié)構(gòu)）的過(guò)程。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即是根據(jù)要求和硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，將整個(gè)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(xiě)的過(guò)程。這樣的設(shè)計(jì)方法，使得系統(tǒng)的整個(gè)功能和各部分的功能趨于明朗化 。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，就可以根據(jù)功能設(shè)置找出問(wèn)題的根源，從而更快地解決問(wèn)題。所以說(shuō)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟件設(shè)計(jì)必須與硬件設(shè)計(jì)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(jì) 5 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)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(kāi)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(kāi)路輸出等部分組成，其功能是把磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，霍爾元件為磁敏元件，當(dāng)垂直于霍爾元件的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，其兩端的電壓就會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)放大和整形即可輸出脈沖電信號(hào)。 光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過(guò)它已將光電傳感器、電子電路、碼盤(pán)等做成一個(gè)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(hào)。它廣泛應(yīng)用 于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)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(shí)，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(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，否則打開(kāi)。為此可以制作一個(gè)遮光葉片如圖 33 所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)葉片數(shù)較多時(shí)，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個(gè)脈沖信號(hào)。 而考慮到實(shí)際可操作性以及設(shè)計(jì)要求 方面，本設(shè)計(jì)選用的傳感器為光電傳感器。 光電式速度里程表設(shè)計(jì) 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(chē)前又的一側(cè)，在同等高度的另一側(cè)安上一個(gè)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(guò)光敏電阻時(shí)，光敏電阻根據(jù)光電流的變化發(fā)出脈沖， 從而測(cè)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(diǎn)是性能可靠，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)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(shí)，三極管導(dǎo)通，當(dāng)兩者被隔離時(shí)，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(jì) 7 輪脈沖檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路 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。然后通過(guò)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)，再輸入給單片機(jī)。 輪脈沖檢測(cè) 該系統(tǒng)在自行車(chē)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(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(shè)計(jì)在鋁盤(pán)過(guò)孔的設(shè)計(jì)上采用 9 個(gè)過(guò)孔，從而留下了 8 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 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(hào)預(yù)處理電路 如圖 36 所示，系統(tǒng)的信號(hào)預(yù)處理電路由二級(jí)電路構(gòu)成，第一級(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)，三光電式速度里程表設(shè)計(jì) 8 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 的正弦波和脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(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 37 所示），同時(shí)將輸出信號(hào)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(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。 74LS14200R3Q110K R4VCCinput 圖 36 信號(hào)預(yù)處理電路圖圖 圖 37 信號(hào)處理波形圖 光電式速度里程表設(shè)計(jì) 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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案。 3233343536373839VCC402122232425262728ALE/PROG30PSEN29EA/VPP3112345678REST91011121314151617XTAL218XTAL119GND20U5ALEPSENRSTA10A11A12A13A14A15A16A17D10D11D12D13D14D15D16D17VCCB10B11B12B13B14B15B16B17C10C11C12C13C14C15C16C17 圖 38 AT89C51 引腳圖 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及控制 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)是加 1 計(jì)數(shù)器（ 16 位），由高 8 位和低 8 位兩個(gè)寄存器組成。TMOD 是定時(shí) /計(jì)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(dòng)和停止及設(shè)置溢出標(biāo)志 。定時(shí) /計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)如圖 39 所示： 圖 39 定時(shí) /計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖 光電式速度里程表設(shè)計(jì) 10 AT89S52 單片機(jī)定時(shí) /計(jì)數(shù)器的工作由兩個(gè)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(dòng)和中斷申請(qǐng) [9]。 TMOD 工作方式寄存器 TMOD 用于設(shè)置定時(shí) /計(jì)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(hào) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 符號(hào) GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 GATE：門(mén)控位。 GATE＝ 0 時(shí)，以運(yùn) 行控制位 TRX(X=0， 1)來(lái)啟動(dòng)定時(shí) /計(jì)數(shù)器運(yùn)行； GATA＝ 1 時(shí)，要用軟件使 TR0 或 TR1 為 1，同時(shí)外部中斷引腳或也為高電平時(shí)，才能啟動(dòng)定時(shí) /計(jì)數(shù)器工作； C/T 計(jì)數(shù)器模式和定時(shí)器模式選擇位 C/T=1 時(shí)，選擇計(jì)數(shù)器模式，計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入引腳 T0（ ）或 T1（ ）的外部脈沖計(jì)數(shù)； C/T=0 時(shí)，選擇定時(shí)器模式。 M1M0：工作方式設(shè)置位。