基于单片机的自行车里程速度表.doc
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1、键入文字 摘 要: 本设计采用简单、可靠的霍尔元件传感器和AT89C2051单片机系统实现了自行车里程、速度、时间的实时测量,测得的数据由LED数码管显示,切换显示时采用蜂鸣器提示,本设计外围电路简单,元件少,体积小,超速时采用光、语音报警提示。关键词: 单片机;LED数码管显示器;自行车;里程;速度1.引 言近年来,随着人们生活水平的不断提高,各种变速自行车,赛车等高档自行车正在步入每个普通家庭,骑自行车郊游、旅行或体育锻炼已经成为许多人所喜爱的一项活动。这时人们往往希望了解一下自行车的行使速度,以便估算出到达目的地的大概时间,决策其后的行动计划,如果利用速度传感器,固然可以获得较高精度的自
2、行车速度,但是价格比较昂贵,人们难以接受。随着电子技术的广泛应用,传统仪表逐渐被以微处理器为核心的电子控制数字仪表所取代。于是具有价格低廉,结构简单、安装方便、可靠性到等特点的数字式自行车速度里程表的问世,将给喜欢骑自行车的旅游者带来佳音。本设计采用了MCS-51系列单片机设计一种体积小、操作简单的便携式自行车里程速度表,它能自动地显示当前自行车行走的距离及运行的速度和总时间,本设计还带有超速声光报警提示、切换显示时蜂鸣提示,当行走每十公里的整数倍的路程时,蜂鸣器提示等功能,能给骑车人带来很大的方便。传统的速度里程表的功能有两个:一是用指针指示车辆行驶的瞬时车速,二是用机械计数器记录车辆行驶的
3、累计里程。用软轴驱动的传统车速里程表存在着很多的缺陷,因为软轴在高速旋转时,由于受钢丝交变应力极限的限制而容易断裂,同时,软轴布置过长会出现形变过大或运动迟滞等现象,而且,对于不同的车型,转速里程表的安装位置也会受到软轴长度及弯曲度的限制。2.方案的论证2.1课题分析新生事物不会因传统的存在而停止它前进的步伐,电子数码科技今天已渗透到工业,农业,民用的产品的点点滴滴。新概念汽车里程表直接用数字显示速度、里程,另外还有时间显示和温度测量以及超速报警。不只是为达到目的,更是为了享受驾驶的快感。本设计是一个十分实用的设计。像这种电子计程表是一定会在实际应用之中有它的用武之地,市场前景十分广阔。其设计
4、的具体功能要求是:1.实现速度的测量(单位:米/秒);2.具有测量行程的功能(单位:米);3.速度过快的警告功能*;4.LCD显示。要达到课题要求其难点在于:1.用霍尔元件数据采集的具体安装和实现效果。2.单片机对里程和速度的计算,液晶输出的中断与数据采集造成里程和速度的误差2.2 测量传感器模块设计方案方案一:利用红外线传感器(红外对管),检出自行车前轮车条这一速度的特征参量,将其转变为计数脉冲采用红外光电传感器,进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时,传感器将会输出一个低电平,而当没有物体挡在中间时则输出为高电平,从而形成一个脉冲。方案二:利用编码器对
5、车轮的圈数进行测量。将旋转编码器安装在车轴上,这样每当车轮转过一定的距离编码器就会发出一个脉冲。利用脉冲数对里程进行测量。采用红外光电传感器,进行非接触式检测。当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时,传感器将会输出一个低电平,而当没有物体挡在中间时则输出为高电平,从而形成一个脉冲。方案三利用霍尔型非接触式转速传感器对里程进行测量。将霍尔元件安装在车前叉的一侧,在轮圈侧面贴一个磁片。当磁片经过霍尔元件时,霍尔元件输出端的电压发生变化产生脉冲,单片机根据脉冲数计算里程。光敏电阻对光特别敏感,当白天行驶时,外界光源将导致光敏电阻发出错误信号;光敏电阻对环境的要求相当高,如果光敏电
6、阻或发光二极管被泥沙或灰尘所覆盖,光敏电阻就不能再进行准确测量;在雾天和雨天光敏电阻的测量的效果也不好。而编码器必须安装在车轴上,安装较为复杂,这样就会给用户带来很多不便。霍尔元件不但不受天气的影响,即使被泥沙或灰尘覆盖对测量也不会有影响。而且安装方便,不受光线、泥水等因素影响的优点。 故本设计采用方案三。3.系统硬件电路的分析与设计3.1 总体思路:假定轮圈的周长为L,在轮圈上安装m个永久磁铁,则测得的里程值最大误差为L/m。经综合分析,本设计中取m=1。当轮子每转一圈,通过开关型霍尔元件传感器采集到一个脉冲信号,并从引脚P3.4 计数器T0端输入,传感器每获取一个脉冲信号即对系统提供一次计
7、数中断。每秒钟所获取的中断数目再乘以轮圈周长即为速度v,在时间t内走过的总路程s为t个v的总和。当速度键按下时,LED切换显示当前速度v,速度指示灯亮;若自行车超速,系统发出报警提示,指示灯闪烁;当时间键按下时,LED切换显示当前所用时间,时间指示灯亮。当清零键按下时,系统自动重新开始计数。没有任何按键操作时,里程指示灯亮,数码管显示里程值。3.2 系统电路框图通过理论的综合分析和论证,将硬件分为下列几部分:脉冲信号的采集,电源系统的设计,按键开关切换控制,LED显示及驱动,单片机最小系统,提示电路等,方框图如图1所示。89C2051单片机蜂鸣提示LED显示器脉冲信号采集按键开关电源系统里程
8、速度 时间 指示灯图1 系统方框图3.3脉冲信号的采集3.3.1基本原理(霍尔效应)如图2所示,在一块通电的半导体薄片上,加上和片子表面垂直的磁场B,在薄片的横向两侧会出现一个电压,图中的VH,这种现象就是霍尔效应,是由科学家爱德文霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。这种现象的产生,是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下,分别向片子横向两侧偏转和积聚,因而形成一个电场,称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反,它阻碍载流子继续堆积,直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时,片子两侧建立起一个稳定的电压,这就是霍尔电压。图2 霍尔效应3.3.2 信号预处理电路如图3所示
9、,系统的信号预处理电路由二级电路构成,第一级是由开关三极管组成的零偏置放大器,采用开关三极管可以保证放大器具有良好的高频响应。当输入信号为零或负电压时,三极管截止,电路输出高电平;而当输入信号为正电压时,三极管导通,此时输出电压随着输入电压的上升而下降,这使得速度里程表既可以测量任意方波信号的频率,也可以测量正弦波信号的频率。由于放大器的放大功能降低了对待测信号的幅度要求,因此,系统能对任意大于0.5V的正弦波和脉冲信号进行测量。预处理电路的第二级采用带施密特触发器的反相器DM74LS14来把放大器生成的单相脉冲转换成与COMS电平相兼容的方波信号(如图4所示),同时将输出信号加到单片机的P3
10、.4口上。图3 信号预处理电路图图4 施密特触发器对脉冲的整形利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于VT+,即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时,波形的上升沿将明显变坏;当传输线较长,而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象;当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时,信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况,都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理
11、想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的VT+和VT-设置得合适,均能受到满意的整形效果。3.4电源电路 方案一:采用自动充电电路直流电源用于产生+ 5 V 电压,电路如图5 所示。整个电源由2 部分组成。图5 电源电路这种充电器具有自动控制充电电流的功能,蓄电池充足后即自动关闭,无需看管。磨电机与车胎摩擦产生电压为6 V、电流为0. 5 A 的交流电,经整流桥D1D4 整流后得到7. 2 V 直流电压,经限流电阻R1 、可控硅SCR 到被充蓄电池。SCR 导通时,充电电流IC 可由下式估算IC ( UDC - UB) RC式中,UDC为整流桥输出直流电压; UB 为蓄电池电压。触发器的电路如图6
12、所示。该触发器用一只单结晶体管BT33C ,它的发射极E 从R2 (15 K、1/ 4 W) 、R3(15 k、1/ 4 W) 组成的分压器上取得一个整定电压UE。由于W 点上的电压由稳压管DZ(2CW7F) 稳住,因此UE 不随蓄电池的电压波动,而BT33 的B1 极和B2 极则是分别经脉冲变压器TB、R5 (110 ( 、1/ 4W) 接到蓄电池的两端,所以VBB将随蓄电池的电压变化而变化。当UE 0. 6 +VBB时才会触发。当蓄电池充足时,若VBB升高,不再满足触发条件,使触发停止;当蓄电池电压降低时,VBB下降,满足上述不等式,则触发器触发,SCR 导通,蓄电池再行充电,从而达到自动
13、充电的目的。图6 触发器电路图方案二:采用9V直流电源供电,经稳压电路得到+5V直流电压如图7所示图7 +5V电源电路方案二电路简单,性能稳定,较容易实现,故本设计选择方案二3.5按键开关切换控制图8 按键开关及复位切换电路3.6 LED显示及驱动 方案一、数码管LED显示信息。利用4个数码管动态显示数字信息,并用3个发光二极管分别指示显示量的内容和单位。例如数码管显示0007,并且里程指示灯亮,表示自行车行走的里程为7m,本系统一次所能显示的最大里程为9999m,若超出10km则再从0000m计起;若速度指示灯亮,表示当前的速度为7m/s。若时间指示灯亮,此时显示器显示的是时间。 方案二、液
14、晶显示器显示信息。利用低功耗LCD液晶在显屏上切换显示里程、速度、时间的数字信息。并用3个发光二极管分别指示显示量的内容和单位。 本设计选择方案一。如图9:图9显示部分电路3.7单片机最小系统使用最常规的AT89C51。电路也是最常规的最小系统(如图10)。主要是晶振,电源,地,上电复位,还有一些外接I/O口。在这里因该把晶振时钟电路具体说明一下,外部晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有直接要求,但电容的大小多少回影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和稳定性。外接晶振时,C1和C2通常选择30PF,晶振采用12MHZ。图10 AT
15、89C51系列最小系统3.8提示报警电路当自行车超速行驶时,P3.7输出信号驱动蜂鸣器发出报警声音。P1.7口输出信号驱动发光二极管发出光报警。图11 超速报警电路 4.系统软件主要程序的设计4.1 系统工作过程本系统采用AT89C51单片机作为系统核心,采用霍尔元件提供脉冲信号。LED显示器采用动态方式显示,P1.0、P1.1、P1.2、P1.6用于数码管的选片控制。P1.3、P1.5用于74LS164的数据和时钟的输入,并行驱动4位共阴数码管。P1.7、P3.0、P3.1分别用于速度、时间、里程指示灯控制,当显示里程时P3.1=1,LEDs亮;当按下keyv 即INT0中断时,LED切换显
16、示当前速度,并LEDv亮;当按下keyt 即INT1中断时,LED显示所用时间,并LEDt亮。P3.7用于蜂鸣器的提示音驱动控制输出。T0作计数器使用,用于对轮子圈数脉冲的计数输入。T1用作定时器,精确定时1秒钟。若每秒读取轮圈的脉冲数为n,再乘以轮圈周长L,即得瞬时速度值v,当速度v 超过设定值时,即自行车超速,P1.7输出报警提示闪烁信号,同时P3.7输出蜂鸣器报警提示信号,自行车当前的速度值v可用下面式子计算:v = n L(m/s)当自行车行走时间为t秒,系统将获取到n1+n2+n3+nt个脉冲信号,则自行车行走的里程s为:s =(n1+n2+n3+nt)L = v1+v2+v3+vt
17、当key rst按下时,系统自动重新开始计数。4.2系统内存的规划:由于本系统处理功能较多,因而一部分内存单元用于特定的用处,其主要内存单元及用处如下:21H:存放定时1s的计数初值22H-24H:存放自行车所用的时间数;25H-26H:二进制转十进制单元;30H-33H: 显示缓冲单元;42H: 存放自行车瞬时速度值;47H-48H:存放自行车里程值;4.3初始化程序:本系统初始化程序中,主要完成:上电稳定;规划优先级别IP,其优先顺序为:计数器T0、定时器T1、中断INT0、中断INT1;T0设为外部控制计数器,工作模式为2;T1设为定时器工作方式,工作模式为1,并给TL0、TH0,TL1
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