【正文】 光電式自行車速度項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案1 緒論 問題由來我國是人口大國，也是自行車大國，隨著生活節(jié)奏的不斷加快，自行車已經(jīng)不僅僅是運(yùn)輸、代步的工具，現(xiàn)在則是代表著綠色、環(huán)保、節(jié)能。因此其輔助功能也變得越來越重要。而且人們希望自行車的娛樂、休閑、鍛煉的功能越來越多，能帶來大家更多的健康與快樂。在這個(gè)背景下，自行車?yán)锍瘫碜鳛樽孕熊嚨囊淮筝o助工具迅速發(fā)展起來?？茖W(xué)、美觀、,使運(yùn)動(dòng)者運(yùn)動(dòng)適量,達(dá)到健康運(yùn)動(dòng)與代步的最佳效果。并且隨著人們生活水平的逐漸提高，人們對(duì)于生活質(zhì)量的要求也日益增加，尤其是對(duì)健身的要求。自行車在中國普遍作為代步工具。而在國外，自行車卻是一項(xiàng)十分受歡迎的健身運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樗鼰o污染，價(jià)位低廉，老少皆宜。而且在運(yùn)動(dòng)過程中可以充分享受到大自然，對(duì)于忙碌的現(xiàn)代人來說，無疑是一種較好的放松方法。在中國這種情況也在慢慢發(fā)生變化。因此愛好自行車運(yùn)動(dòng)的人需要一款里程表，以知道自己的運(yùn)動(dòng)情況。并根據(jù)外界條件，如溫度，風(fēng)速等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，已達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)的效果。而對(duì)于自行車運(yùn)動(dòng)員來說，最為關(guān)心的莫過于一段時(shí)間內(nèi)的訓(xùn)練效果。因?yàn)榻叹氁鶕?jù)一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)估，從而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整已使運(yùn)動(dòng)員達(dá)到最佳的狀態(tài)。因此需要一種裝置進(jìn)行對(duì)訓(xùn)練中各種參數(shù)的測定記錄。 課題現(xiàn)狀傳統(tǒng)的機(jī)械式車速表是由旋轉(zhuǎn)磁場作用于轉(zhuǎn)動(dòng)盤，使轉(zhuǎn)動(dòng)盤連同車速表指針發(fā)生同向的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩與彈簧產(chǎn)生的阻力矩平衡時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)停留在某一角度上。指針偏轉(zhuǎn)角與車速成正比，因而可用其表示車速。機(jī)械式車速表的缺陷是明顯的。由于表盤指針偏轉(zhuǎn)程度正比于軟軸的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁力，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，磁力較小，隨轉(zhuǎn)速變化波動(dòng)較大。因此，低速時(shí)車速表指針擺動(dòng)劇烈、測量及顯示精度不高。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)后置的車輛，要將車速表指針的偏轉(zhuǎn)動(dòng)力由變速箱經(jīng)軟軸等傳至駕駛室，軟軸必然布置的較長，如何將這種長長的轉(zhuǎn)動(dòng)軟軸從結(jié)構(gòu)上布置妥當(dāng)，肯定是一件十分困難的事情?，F(xiàn)在的車速表大多是電子式的，用LED數(shù)碼管或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(dòng),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(jì)、超速提醒等功能。本設(shè)計(jì)就是針對(duì)騎自行車的人們?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業(yè)余愛好者，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)娛樂和鍛煉的效果。而本設(shè)計(jì)卻能實(shí)現(xiàn)娛樂和鍛煉的雙重效果，而且相對(duì)業(yè)余愛好者性價(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，通過光電傳感器來檢測自行車的運(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(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: 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)AT89C205LCD顯示模塊、開關(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)待測信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低對(duì)待測信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的TTL信號(hào)；通過單片機(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、開關(guān)按鍵，報(bào)警模塊組成，系統(tǒng)的硬件組成框圖如下：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，通過光電傳感器檢測出不同狀態(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)。 軟件系統(tǒng)工作流程在硬件設(shè)計(jì)完畢之后，接下來就是設(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)行程序編寫的過程。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(gè)設(shè)計(jì)過程中，軟件設(shè)計(jì)必須與硬件設(shè)計(jì)緊密地結(jié)合在一起。圖22 系統(tǒng)軟件流程圖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LCD160128*16液晶顯示器進(jìn)行顯示。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?；魻杺鞲衅饔捎谰么盆F和開關(guān)型霍爾集成電路組成。霍爾集成電路由霍爾元件、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(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，不過它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個(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(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)，開關(guān)管關(guān)斷，否則打開。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。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(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)簡單，廣泛應(yīng)用于里程表。表31 主要參數(shù)輸入正向電流IF50mA反向電壓Vr6v耗散功率P75mW輸出集射電壓Vceo25V射集電壓Veco6V集電極功耗Pc50mWST1101外圍電路如圖34所示，RR2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(shí)，三極管導(dǎo)通，當(dāng)兩者被隔離時(shí)，三極管截止。圖34 傳感器外圍電路 輪脈沖檢測與轉(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。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(hào)，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(gè)鋁盤，在這個(gè)鋁盤的邊沿處挖出若干個(gè)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(shí)候，傳感器將向外輸出若干個(gè)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(shí)別的TTL電平，即可算出輪子即時(shí)的轉(zhuǎn)速。鋁盤的圓孔的個(gè)數(shù)決定了測量的精度，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)過孔之間的距離過大，而車子正好在過孔之間或者是在下個(gè)過孔之前停止了，造成較大的誤差。本設(shè)計(jì)在鋁盤過孔的設(shè)計(jì)上采用9個(gè)過孔，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(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量任意方波信號(hào)的頻率，也可以測量正弦波信號(hào)的頻率。由于放大器的放大功能降低了對(duì)待測信號(hào)的幅度要求，因此， 的正弦波和脈沖信號(hào)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(jí)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(hào)（如圖37所示）。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢的周期性信?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，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。圖36信號(hào)預(yù)處理電路圖圖圖37信號(hào)處理波形圖 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。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]。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)D7D6D5D4D3D2D1D0符號(hào)GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0GATE：門控位。GATE＝0時(shí)，以運(yùn)行控制位TRX(X=0，1)來啟動(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。定時(shí)/計(jì)數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進(jìn)行設(shè)置。表33M1 M0 工作方式功能0 0工作方式013位計(jì)數(shù)器0 1工作方式116位計(jì)數(shù)器 1 0工作方式2自動(dòng)再裝入8位計(jì)數(shù)器 1 1工作方式3定時(shí)器0：分成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器定時(shí)器1：停止計(jì)數(shù) TCON的低4位用于控制外部中斷,已在前面介紹。TC