【正文】 1 緒論 由于 機械儀表具有 不能 修復(fù)、體積大、重量 大 、性能不可靠等一系列的缺陷。因此需要一種具有體積小、重量輕、性能可靠的儀表來取代機械儀表。本設(shè)計就是為了解決這一問題而進行的。 本 次 所設(shè)計的智能 電動 自行車里程表，不僅解決了上述問題，而且具有一定的智能化。目前智能化已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療保健等行業(yè)?，F(xiàn)在世界上許多國家在智能研究與應(yīng)用上 大力投資，以取得高端科技的領(lǐng)先地位。 本設(shè)計屬于采集方面的問題，數(shù) 據(jù) 采集和控制系統(tǒng)是對生產(chǎn)過程或科學(xué)實驗中各種物理進行實時采集、測試和反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)。它 在工業(yè)控制、軍事、電子設(shè)備、醫(yī)學(xué)監(jiān)護等許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。 數(shù) 據(jù) 采集和控制系統(tǒng)各種各樣，但其基本工作過程相似：匯集被測控對象各種被測模擬量，把它們轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，經(jīng)過加工處理后顯示出來，實現(xiàn)所需的控制。 因模塊化設(shè)計可以單獨實現(xiàn)各個模塊，在設(shè)計時能同時進行。 因此本 設(shè)計中采用了模塊化的設(shè)計，各模塊設(shè)計好以后，只要進行良好地電氣 連 結(jié)，就能可靠地實現(xiàn)整體系統(tǒng)的功能。 該 系統(tǒng)有測量模塊、顯示模塊、供電模塊、報警模塊和單片機小系統(tǒng)構(gòu)成。功能選擇后啟動測量，單片機實時采集、處理后顯示。 本設(shè)計的 智能 電動 自行車 里程 表主 要考慮現(xiàn)在人們的日常生活 電動 自行車 逐漸受到人們的歡迎 ，所以說這個產(chǎn)品具有開發(fā)價值?，F(xiàn)代科技的發(fā)展與人們的日常生活消費觀念的提高和改變，我相信這種產(chǎn)品一旦進入市場定會受的人們的青睞。所以這種產(chǎn)品具有開發(fā)和改進的潛力。隨著我們?nèi)藗兊囊笤絹碓礁?，我們設(shè)計的這種表必須具有智能方面開發(fā)的潛力。 為了適應(yīng)社會要求，作為即將畢業(yè)的電子類大學(xué)生，必須注重系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。而畢業(yè)設(shè)計便是具體的體現(xiàn)。它的主要目的就是使我們掌握電子系統(tǒng)設(shè)計的方法以及一定的實踐技能。 電子電路是理論性和實踐性很強的一門學(xué)問，只有邊理論邊實踐， 才能加深理解、收到成效?！白磉^方知酒濃，愛過方知情深”，只要我們肯實踐，就能開拓思路，提高處理實際問題的能力，并從中獲得無窮的樂趣。 2 第一 章 總體方案的設(shè)計 總體思路 設(shè)計一個智能 電動 自行車里程表。該 系統(tǒng)有測量模塊、顯示模塊、供電模塊、報警模塊和單片機小系統(tǒng)構(gòu)成。功能選擇后啟動測量，單片機實時采集、處理后顯示。 本方案的確定以性能可靠，價格便宜，使用及安裝方便為主要依據(jù)。設(shè)計中利用磁效應(yīng)原理測量 電動 自行車行駛的里程和速度，沿著車圈的圓周均勻布置了 8個磁片，在 電動 自行車的前叉上固定了霍爾集成 開關(guān)元件，當磁片隨車輪的轉(zhuǎn)動通過霍爾元件時，由霍爾元件檢出并發(fā)出脈沖給單片機，單片機 AT90C2051 根據(jù)記錄的脈沖數(shù)和車型號計算里程、脈沖時間間隔計算出速度、加速度，當行駛速度大于最小值（ ）時記錄本次行駛時間，然后再 LED 顯示器輸出。顯示的內(nèi)容與方式由鍵盤進行選擇。當速度超過 10m/s 時自動報警 。本設(shè)計可由電池供電并配有發(fā)電機系統(tǒng)與電池充電系統(tǒng)。本里程表還有自動啟動關(guān)機功能，以進一步降低功耗。 圖 11 系統(tǒng)組成框 圖 3 總體方案 根據(jù)功能要求，首先要進行的是總體方案 的設(shè)計與論證，構(gòu)思一個符合實際要求的系統(tǒng)， 系統(tǒng)組成框圖 如圖 11。 4 第 二 章 模塊電路的設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路模塊 測量方案 方案一、使用光敏電阻對里程進行測量。將光敏電阻安裝在 電動 自行車前叉的一側(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。 方案二、利用編碼器對車輪的圈數(shù)進行測量。將 旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在車軸上，這樣每當車輪轉(zhuǎn)過一定的距離編碼器就會發(fā)出一個脈沖。利用脈沖數(shù)對里程進行測量。 方案三、利用霍爾元件對里程進行測量。將霍爾元件安裝在車前叉的一側(cè)，在車圈側(cè)面等間隔貼多個磁片。當磁片經(jīng)過霍爾元件時，霍爾元件輸出端的電壓發(fā)生變化產(chǎn)生脈沖，單片機根據(jù)脈沖數(shù)來計算里程。 光敏電阻對光特別敏感，當白天行駛時，外界光源將導(dǎo)致光敏電阻發(fā)出錯誤信號；光敏電阻對環(huán)境的要求相當高，如果光敏電阻或發(fā)光二極管被泥沙或灰塵所覆蓋，光敏電阻就不能再進行測量；在霧天和雨天光敏電阻的測量的效果也不好。而編碼器 必須安裝在車軸上，這樣安裝就會給用戶帶來很多不便?；魻栐皇芴鞖獾挠绊?，即便被泥沙或灰塵覆蓋對測量也不會有任何影響。由霍爾元件加整形電路構(gòu)成的霍爾開關(guān)系統(tǒng)，具有輸出響應(yīng)快，數(shù)字脈沖性能好，安裝方便，性能可靠，不受光線、泥水等因素影響，價格便宜的優(yōu)點。所以本設(shè)計采用方案三 功能選擇方案 功能選擇 開關(guān)是一種小型微動開關(guān)，其依靠手動輕微的壓力使開關(guān)的觸頭接通或斷開。它體積小、重量輕、可直接插裝在電路板上、安裝方便等優(yōu)點，常用于電視機、錄象機、 VCD 等電子電路小信號的接通與斷開 。 5 采 集方案 方案一 、 FPGA 方案脫離單片機，完全采用硬件控制，因此響應(yīng)速度高，又因采用 FPGAIC，不僅可滿足用戶對系統(tǒng)的單片機集成要求，而且由于 FPGA 的可重加載性，因而易于擴展。但相對于單片機的方案來講， FPGA 方案目前成本高，而且就現(xiàn)有技術(shù)， FPGAIC 還不能做到數(shù)字電路和模擬電路的同片集成。 方案二 、 用單片機對周期信號進行快速采樣，可獲得很多個離散值，在利用單片機的運算功能，進行運算。此方案精度高，并可計算響應(yīng)信息。 單片機系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，它完成整個系統(tǒng)的信息處理及協(xié)調(diào)控制功能。由于系統(tǒng) 對控制速度、功能都無特別之處，因此可以選用目前廣泛使用的MCS51系列單片機 8031。 8031 可以提供系統(tǒng)控制所需的中斷、定時及存放中間結(jié)果的 RAM 電路，但片內(nèi)沒有程序存儲器，因此單片機系統(tǒng)中除了應(yīng)包括復(fù)位電路和晶振電路以外，還應(yīng)擴充程序存儲器 。 報警方案 為了保證騎車人 因車速過快而造成 的安全 問題 ，本系統(tǒng)設(shè)置了報警系統(tǒng)。報警可以選用光報警，但是光報警的可見度有限，因此本設(shè)計設(shè)置了聲報警系統(tǒng)。當速度達到規(guī)定的限度時，三極管 Q1 就會驅(qū)動揚聲器發(fā)出報警 系統(tǒng)硬件電路模塊 系統(tǒng) 硬件電路 如 圖 21 6 圖 21 系統(tǒng)硬件電路 圖 速度和里程由開關(guān)型霍爾傳感器測量，已知 電動 自行車輪子的周長（本系統(tǒng)采用的是 ，設(shè)為 L）輪子每轉(zhuǎn)動一圈，傳感器采樣一個下降沿信號并送到單片機的外中斷 0 產(chǎn)生一次中斷，圈數(shù)加 1，兩個相鄰下降沿信號的時間由單片機定時器 1 計時（設(shè)為 T）那么計算當前速度（設(shè)為 V）和行駛里程（設(shè)為 S）的公式為： V= m/T, S= X 行駛的圈數(shù)。 S1是單片機的復(fù)位方式，系統(tǒng)采用按鍵電平復(fù)位方式； S2是電源開關(guān)， 并由D1 指示； S3 為速度和里程切換開關(guān)； S4 為限速切換開關(guān)，可以根據(jù)自身需要選擇不同的最大超速速度； S5為里程單位切換開關(guān)。 輸出低電平時，控制 D2亮，表示此時顯示的里程值為 km/h,否則為 m/s。 輸出低電平時，控制燈 D3 亮，提示速度太慢； 輸出低電平時，控制 D4亮，表示此時的顯示值是里程（否則為速度）； 控制超速報警電路，其為高電平表示行駛速度正常，為低電平時，三極管 9012 導(dǎo)通，驅(qū)動蜂明器報警。 7 外圍硬件電路模塊 電源電路模塊 及 鎳氫電池 考慮到里程表 要用在 電動 自行車上，本設(shè)計自帶發(fā)電機和充電電路。將發(fā)電機安裝自行車前叉上，通過車輪與發(fā)電機軸的摩擦使發(fā)電機軸轉(zhuǎn)動，從而使發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)過一個整流橋變?yōu)橹绷?，這樣便可為電池充 電。 當然，實驗設(shè)計過程中為了簡便，可以不用電極，直接用 4 個 的電池組經(jīng) 7805 穩(wěn)壓后得到 +5V 電壓給單片機系統(tǒng)和霍爾傳感器供電。 由于電池攜帶不便，而且供電時間較短，所以本設(shè)計選用發(fā)電機加充電電池為系統(tǒng)供電。 電源電路如 圖 22 圖 22 電源電路 圖 發(fā)電機 MOTOR 由于車輪的摩擦發(fā)出 +15V 的交流電，經(jīng)橋式整流電路整流， 3300ｕ F電容濾波后，經(jīng) 的電阻限流，二極管 IN4148 的整流，然后給鎳氫電池充電。開關(guān) S 閉合后， 的電壓經(jīng) 的電容濾波送給三端穩(wěn)壓器，之后三端穩(wěn)壓器輸出 5V 的電壓給單片機系統(tǒng)和霍爾傳感器供電。由于充電電流可達 400～500 mA，且充電時間較長，所以三極管選用功率高的 C805。 1K 的電阻和 5K 5W 的電阻用來調(diào)節(jié)三極管基極的電流，以便調(diào)整三極管對鎳氫電池的充電速度，而 且避免由于電流過大而損壞元件。 鎳氫電池的特點 鎳氫 電池是在研究氫能源的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型能源。它的負極采用了新型材料，和鎳鎘電池相比具有以下優(yōu)點： 8 比能量高同一型號鎳氫電池的容量比鎳鋼電池的容量高 1． 5－ 2 倍，如 AA 型鎳鋼電池的容量一般為 ap－ 800 毫安 時，而鎳氫電池可達到 1000－ 1500 毫安 時。 無記憶效應(yīng)所謂記憶效應(yīng)是指鎳鋼電池部分放電時，好象 “ 記著 ” 以前沒有放完的電；當電池達到該放電點時，電壓永久性下降；而電池內(nèi)殘存的容量隨充電次數(shù)的增加使實際可利用的電量逐漸減少，從而使電器無法正常工作。鎳氫電池沒有記憶效應(yīng)，每次使用 后，不論有天殘余電量不用放電均可直接充電。 無污染由于鎳氫電池不含鎘、鉛、汞等金屬，因此不產(chǎn)生鋼污染，對人體、環(huán)境均無害，被譽為 “ 綠色電池 ” 。 快速充放電因內(nèi)部獨特的優(yōu)點，鎳氫電池本身具有優(yōu)良的大電流沖放電性能，循環(huán)壽命可達到 510 次以上。 工作電壓該電池的工作電壓在 1． 2－ 1． 3V 之間，與鎳福電池相同，不需要改變原來的電器設(shè)計，就可替代鎳鎘電池。 因此，鎳氫電池不僅可廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、儀器儀表、電動工具、助動車及通訊設(shè)備，而且對于電動模型飛機而言，更可謂性能優(yōu)越。目前的鎳氫電池主要有 A、 AA、 AAA、 SC 等型號。 靜態(tài)顯示模塊 顯示方案 方案一 .液晶顯示具有高速顯示、高可靠性、易于擴展和升級等優(yōu)點，但普通液晶顯示屏存在亮度低，對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力差等缺點，在低亮度的環(huán)境下還需要加入其它輔助的照明設(shè)備，驅(qū)動電路設(shè)計相對復(fù)雜。 方案二 .采用 LED 數(shù)碼管顯示器。 LED 數(shù)碼管亮度高、醒目，電路復(fù)雜，但市場價格較低。因此本設(shè)計使用通用的 LED 數(shù)碼管顯示器。 4 位串行靜態(tài)顯示電路。當單片機的 UKRT 口不能進行串口通信時，可設(shè)置其工作于同步移位寄存器方式 0，以輸出顯示信息，實現(xiàn) n 位 LED 數(shù)碼管的靜態(tài)顯示，這樣做只占用了很少的 I/O 口線。系統(tǒng)中， 4 個共陽極的 LED 數(shù)碼管和 4 片74LS164 構(gòu)成 4 位數(shù)字顯示電路， 7I4LS16