光電式自行車速度項目設(shè)計方案

1 光電式自行車速度 項目設(shè)計方案 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。在這個背景下，自行車里程表作為自行車的一大輔助工具迅速發(fā)展起來?？茖W、美觀、合理設(shè)計自行車里程表有一定的實用價值 使運動者運動適量 ,達到健康運動與代步的最佳效果。 并且隨著人們生活水平 的逐漸提高，人們對于生活質(zhì)量的要求也日益增加，尤其是對健身的要求。自行車在中國普遍作為代步工具。而在國外，自行車卻是一項十分受歡迎的健身運動。因為它無污染，價位低廉，老少皆宜。而且在運動過程中可以充分享受到大自然，對于忙碌的現(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。因此愛好自行車運動的人需要一款里程表，以知道自己的運動情況。并根據(jù)外界條件，如溫度，風速等進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，已達到最佳運動的效果。而對于自行車運動員來說，最為關(guān)心的莫過于一段時間內(nèi)的訓練效果。因為教練要根據(jù)一段時間內(nèi)運動 員的訓練效果進行評估，從而進行適當?shù)恼{(diào)整已使運動員達到最佳的狀態(tài)。因此需要一種裝置進行對訓練中各種參數(shù)的測定記錄。 課題現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的機械式車速表是由旋轉(zhuǎn)磁場作用于轉(zhuǎn)動盤，使轉(zhuǎn)動盤連同車速表指針發(fā)生同向的偏轉(zhuǎn)。當電磁轉(zhuǎn)矩與彈簧產(chǎn)生的阻力矩平衡時，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。 2 機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)動時產(chǎn)生的磁力，當轉(zhuǎn)速較低的時候，磁力較小，隨轉(zhuǎn)速變化波動較大。因此，低速時車速表指針擺動劇烈、測量及顯示精度不高。對于發(fā)動 機后置的車輛，要將車速表指針的偏轉(zhuǎn)動力由變速箱經(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)動軟軸從結(jié)構(gòu)上布置妥當，肯定是一件十分困難的事情。 現(xiàn)在的車速表大多是電子式的，用 碼管或 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中不能很好的把握自己達到了多大的速度，行駛了多遠的距離而 設(shè)計的。以往的里程表只能進行測量速度，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 本設(shè)計要以單片機為核心，通過光電傳感器來檢測自行車的運轉(zhuǎn)情況進而實現(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，從而達到智能化的目的。 主要設(shè)計內(nèi)容 : 系統(tǒng)原理總概述 3 本系統(tǒng)由信號預處理電路、單片機 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)換成可與單片機相連的 號；通過單片機的設(shè)置可使內(nèi)部定時器 脈沖輸入引腳 行控制，這樣能精確地算出加到 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 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)硬件由信號預處理電路、單片機 統(tǒng)化 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 2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。另外單片機能識別的都是 號，經(jīng)波形變換和波形整形電路方能將放大的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機相連的形式。當行駛達到一定的車速時，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)。 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 4 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 2統(tǒng)軟件流程圖 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本設(shè)計采用的是以紅外傳感器 傳感器， 以 為系統(tǒng)的主控芯片，以 128*16 液晶顯 示器進行顯示。 5 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 3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，例如磁感應傳感器，光電感應傳感器，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，當垂直于霍爾元件的磁場強度發(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。它廣泛應用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。如圖 3示，是某光電編碼器的外形。 光電傳感器是應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，基本原理就是當發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖 3示，當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 3示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當扇葉經(jīng)過時，產(chǎn)生脈沖信號。當葉片數(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。 圖 3光電傳感器的原理 圖 6 圖 3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 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，廣泛應用于 里程 表。 表 3要參數(shù) 輸入 正向電流 0 向電壓 v 耗散功率 P 75 出 集 5 V 射 V 集電極功耗 0 圍電路如圖 3示， 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 50兩者之間有孔時，三極管導通，當兩者被隔離時，三極管截止。 感器外圍電路 輪脈沖檢測與轉(zhuǎn)換電路 本設(shè)計采用了 外光電傳感器，進行非接觸式檢測。當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 7 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 把放大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成與 平相兼容的方波信號，再輸入給單片機。 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可以識別的 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 3 圖 3沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖） 信號預處理電路 如圖 3示，系統(tǒng)的信號預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。當輸入信號為零或負電壓時，三極管截止，電路輸出高電平；而當輸入信號為正電壓時，三極管導通，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 正弦波和脈沖信號進行測 8 量。 其中電 阻 輸入電阻， 輸出電阻。 預處理電路的第二級采用帶施密特觸發(fā)器的反相器 把放大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成與 平相兼容的方波信號（如圖 3示），同時將輸出信號加到單片機的 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 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。當傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變壞；當傳輸線較長，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；當其他脈沖信號通過導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 和 置得合適，均能受到滿意的整形效果。 74號預處理電路圖圖 圖 3號處理波形圖 單片機系統(tǒng)部分 片機介紹 9 一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ 低電壓，高性能 微處理器，俗稱單片機。該器件采用 密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 閃爍存儲器組合在單個芯片中， 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。 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。定時 /計數(shù)器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能； 控制寄存器，控制 啟動和停止及設(shè)置溢出標志 。定時 /計數(shù)器結(jié)構(gòu)如圖 3示： 圖 3時 /計數(shù)器結(jié)構(gòu)圖 片機定時 /計數(shù)器的工作由兩個特殊功能寄存器控制。 于設(shè)置其工作方式； 于控制其啟動和中斷申請 9。 10 工作方式寄存器 于設(shè)置定時 /計數(shù)器的工作方式，低四位用于 四位用于 格式如 表 3 表 3號 6 4 2 0 符號 ：門控位。 0 時，以運行控制位 =0， 1)來啟動定時 /計數(shù)器運行； 1 時，要用軟件使 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 外部脈沖計數(shù)； C/T=0 時，選擇定時器模式。 作方式設(shè)置位。定時 /計數(shù)器有 四種工作方式，由 行設(shè)置。 表 31 工作方式 功能 0 0 工作方式 0 13 位計數(shù)器 0 1 工作方式 1 16 位計數(shù)器 1 0 工作方式 2 自動再裝入 8 位計數(shù)器 1 1 工作 方式 3 定時器 0：分成兩個 8 位計數(shù)器 定時器 1：停止計數(shù) 低 4 位用于控制外部中斷 ,已在前面介紹。 高 4 位用于控制定時/計數(shù)器的啟動和中斷申請。其格式如下： 表 3 6 4 2 0 字節(jié)地址： 88H 出中斷請求標志位。 數(shù)溢出時由硬件自動置 1。 應中斷后硬件自動清 0。 作時， 隨時查詢 狀態(tài)。所以， 用作查詢測試的標志。 可以用軟件置 1 或清 0，同硬件置 1 或清 0 的效果一樣。 11 行控制位。 1 時， 始工作； 0 時， 止工作。 軟件置 1 或 清 0。所以，用軟件可控制定時 /計數(shù)器的啟動與停止。 出中斷請求標志位，其功能與 同。 行控制位，其功能與 同。 中斷控制 中斷系統(tǒng)所有中斷以及某個中斷源的開放和屏蔽是由中斷允許寄存器 表 3 7 6 5 4 3 2 1 0 字節(jié)地址： 88H E 外部中斷 0 允許位； 定時 /計數(shù)器 斷允許位； 外部中斷 0 允許位； 定時 /計數(shù)器 斷允許位； 串行口中斷允許位； 斷允許（總允許）位。 單片機外圍電路介紹 復位電路 片機的復位輸入引腳 供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的 0000H 地址單元開始執(zhí)行程序。在 89時鐘電路工作后，只要在 腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平時，單片機內(nèi)部則初始復位。只要 持高 電平，則 89環(huán)復位。只有當 高電平變成低電平以后， 89從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。 復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。 12 本系統(tǒng)的復位電路是采用按鍵復位的電路，如圖 3示，是常用復位電路之一。單片機復位通過按動按鈕產(chǎn)生高電平復位稱手動復位。上電時，剛接通電源，電容 C 相當于瞬間短路， +5V 立即加到 ，該高電平使 89機自動復位，這就是上電復位；若運行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕即可。按下按鈕，則直接把 +5V 加到了 從而復位稱為手動復位 。復位后， 行 I/它寄存器全部清零 。 圖 3位電路 按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過 經(jīng)電阻與電源 通而實現(xiàn)的。時鐘頻率選用 6， C 取 22s 取 200， 1 晶振電路 晶振電路由晶振和兩個負載電容組成。晶振電路部分電路連接如圖 3示。 12振電路 晶振是給單片機提供工作信號脈沖的，這個脈沖就是單片機的工作速度。比如此系統(tǒng)所用的 12振，單片機工作速度就是每 秒 12M。在調(diào)試時要注意將 口波特率設(shè)為 1200。至于兩個電容的大小，它是根據(jù)晶振廠家提供的晶振要求選值的，換句話說，晶振的頻率就是在它提供負載電容下測得，能最大限度的保證頻率值 13 誤差。兩個電容取值都是相同的，大部分在 20有相同電容的情況下，可以用兩個相差不大電容代替，但不能相差太大，容易造成諧振不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。晶振電路在本系統(tǒng)中是并聯(lián)方式，連接在 顯示部分 晶顯示器 功能簡介 :其 液晶模塊內(nèi)部的 字符發(fā)生存儲器（ 經(jīng)存儲了 160個不同的點陣字符圖形，每一個字符都有一個固定的代碼。 其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。 外形尺寸 (視域尺寸 (動電壓 (V) 工作溫度 :(050 2070 存儲溫度 :(0 3080 顯示類型 : 顏色 : 藍色 (帶背光 ) 生產(chǎn)工藝 : 主要技術(shù)參數(shù)為： 顯示容量： 工作電流： 模塊最佳工作電壓： 符尺寸： 602 采用標準的 16 腳接口，其 管腳定義如下 : 14 圖 3物圖 第 1 腳： 地電源。 第 2 腳： 5V 正電源。 第 3 腳： 液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10 第 4 腳： 寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第 5 腳： 讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當 同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 低電平高電平時可以讀忙信號，當 高電平 低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳： E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第 7 14 腳： 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15 腳：背光電源接 5V 正電壓。 第 16 腳：背光電源接地。 1602 的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。液晶模塊 內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令，其指令具體功能介紹如下： 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標復位到地址 00H 位置。 指令 2：光標復位，光標返回到地址 00H。 指令 3：光標和顯示模式設(shè)置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。 指令 4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示， 15 低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令 5：光標或顯示 移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。 指令 6：功能設(shè)置命令 電平時為 4 位總線，低電平時為 8 位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示 5點陣字符，高電平時顯示 5點陣字符。 指令 7：字符發(fā)生器 址設(shè)置。 指令 8： 址設(shè)置。 指令 9：讀忙信號和光標地址 忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令 10：寫數(shù)據(jù)。 指令 11：讀數(shù)據(jù)。 與 碼管相比，液晶顯示器的顯示效果相對較好，液晶 顯示器顯示不僅直觀，而且界面具有人機交互美觀的特點。而且具有低功耗，容易控制，占用 源少這些優(yōu)點，從而成為一些顯示器的首選。 顯示接口電路設(shè)計 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（ 經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母 “A”的代碼是 01000001B（ 41H），顯示時模塊把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母 “A”。因為 1602 識別的是 ，試驗可以用 直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如 A。 以下是 1602 的 16 進制 表地址： 讀的時候，先讀左邊那列，再讀上面那行，如：感嘆號！的 0母 B 的 0面加 0x 表示十六進制）。 指令集 1602 通過 7 的 8 位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。 16 顯示模式設(shè)置： (初始化 ) 0011 0000 0設(shè)置 162 顯示， 57 點陣， 8 位數(shù)據(jù)接口； 顯示開關(guān)及光標設(shè)置： (初始 化 ) 0000 1 顯示 (1 有效 )、 C 光標顯示 (1 有效 )、 B 光標閃爍 (1 有效 ) 0000 01=1(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加 1 &光標加 1)， N=0(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針減 1 &光標減 1)， S=1 且 N=1 (當寫一個字符后，整屏顯示左移 ) S=0 當寫一個字符后，整屏顯示不移動 數(shù)據(jù)指針設(shè)置： 數(shù)據(jù)首地址為 80H，所以數(shù)據(jù)地址為 80H+地址碼 (040 其他設(shè)置： 01H(顯示清屏，數(shù)據(jù)指針 =0，所有顯示 =0)； 02H(顯示回車，數(shù)據(jù)指針 =0)。 示與單片機連接電路圖如圖 3 晶原理圖 17 報警電路 本次報警電路采用蜂鳴器報警，當即時速度超過預定值是蜂鳴器響，指示燈閃爍，提示應該減速。報警電路圖如圖 3示。 警電路圖 鍵盤控制 鍵盤是實現(xiàn)人機對話的重要工具，用戶可用計算機向計算機輸入數(shù)據(jù)和指令，本系統(tǒng)采用獨立鍵盤接口，獨立式按鍵是指直接用 I/O 口線構(gòu)成單個的按鍵電路。每一個獨立式按鍵單獨占用一根 I/O 口線。獨立式按鍵接口電路配置靈活 ，軟件結(jié)構(gòu)簡單。但每個按鍵都需要占用一根 I/O 口線，適用于按鍵數(shù)量少的鍵盤。電路中，按鍵輸入低電平有效。按鍵未按時有上拉電阻保證此時輸入為高電平。 按鍵接口電路如圖： 鍵接口圖 18 4 軟件設(shè)計 待測信號經(jīng)預處理電路后加至單片機的 腳可為單片機測量信號頻率提供有效的輸入信號。單片機通過檢測 腳電平來決定是否啟動測量頻率程序。當該引腳為高電平時，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，要一直到該引腳出 現(xiàn)低電平時才開始測頻率。我們可從硬件的轉(zhuǎn)盤上知道兩個過孔之間在圓周上的距離。而這個距離 M 正好為 計算速度和距離起到了基本的數(shù)據(jù)儲備作用。同時可以從 存器知道在兩秒內(nèi)單片機檢測到的 N 個脈沖。而 MN 所得到的正是這兩秒內(nèi)鋁盤在圓周上所走得距離 S。（此時假設(shè)在這個 兩秒內(nèi)車子是勻速前進的），距離 S 除以 2 秒的時間，就可以大概的算出這 2 秒內(nèi)鋁盤的線速度。再根據(jù)鋁盤與自行車的輪子保持著一樣的角速度，得到鋁盤的線速度與輪子線速度的關(guān)系，從而算出自行車在這 2 秒的平均速度。至于里程的計算，根據(jù)速度計算的相加即可得到目前的總里程數(shù)。 通過單片機計算出來的速度和里程的數(shù)據(jù) ,通過 示模塊顯示。當自行車 行駛時 ,單片機開機經(jīng)過初始化后讀取并且顯示出來 ,這樣以來用戶可以清楚的知道自己的車子已經(jīng)運行了多少公里了。系統(tǒng)的軟件總流程如下； 基于光電傳感器自行車里程表的軟件設(shè)計包括上電初始化程序、中斷子程序、速度調(diào)用子程序、里程調(diào)用子程序、 示子程序、延時子程序等幾大部分。由于要實現(xiàn)很多功能，所以采用模塊化設(shè)計，下面就其主要部分分別加以分析。 測量算法概述 速度測量是工控系統(tǒng)中最基本的需求之一，最常用的是用數(shù)字脈沖測量某根軸的轉(zhuǎn)速，再根據(jù)機械比、直徑換算成線速度。脈沖測速最典型的方法有測頻率 (M 法 )和 測周期 (T 法 )。 M 法是測量單位時間內(nèi)的脈數(shù)換算成頻率，因存在測量時間內(nèi)首尾的半個脈沖問題，可能會有 2 個脈的誤差。速度較低時，因測量時間內(nèi)的脈沖數(shù)變少，誤差所占的比例會變大，所以 M 法宜測量高速。如要降低測量的速度下限，可以提高編碼器線數(shù)或加大測量的單位時間，使用一次采集的脈沖數(shù)盡可能多。 T 法是測量兩個脈沖之間的時間換算成周期，從而得到頻率。因存在半個時間單位的問題，可能會有 1 個時間單位的誤差。速度較高時，測得的周期較小，誤差所占的比例變大，所以 T 法宜測量低速。如要增加速度測量的上限，可以減小編碼器的脈沖數(shù) ，或使用更小更精確的計時單位，使一次測量的時間值盡可能大。 19 設(shè)計中綜合考慮測速精度和系統(tǒng)反應時間，本設(shè)計用測量脈沖頻率來計算歷程，因而具有較高的測距精度。在計算里程時取了自行車的理想狀態(tài)。實際中，誤差控制在幾米之內(nèi)，相對于整個里程來說不是很大。另外，還應盡量保證其他子模塊在編程時的通用性和高效性。 首先我們把槽型光電傳感器 在自行車的轉(zhuǎn)軸上，當自行車啟動時，接通電源后，光電二極管發(fā)光，通過和不通過轉(zhuǎn)盤孔時，使三極管導通或截止，這種變化將會光電傳感器產(chǎn)生脈沖電壓。由于轉(zhuǎn)盤共分為 8 個孔，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一圈 將會改變 8次。所以將會產(chǎn)生 8 個方波，既每輸出 8 個方波代表自行車轉(zhuǎn)動了一周。例如：我們的自行車車輪 半徑為 ，計算得出車輪的周長 為 于每一圈光電傳感器將輸出 8 個脈沖，當自行車行駛 1會轉(zhuǎn)動 667 次，這樣每 1 千米 將 會 產(chǎn)生 5336個脈沖，單片機對這 5336 個脈沖計數(shù)，當達到這個數(shù)時單片機將會產(chǎn)生中斷。 通過單片機計算出來的速度和里程的數(shù)據(jù)，通過 示模塊直觀顯示?？偫锍虜?shù)會自動保存到單片機的數(shù)據(jù)存儲器，當自行車行駛，單片機開機經(jīng)過初始化后顯示出來，這樣以來用戶可以清楚的知道自己的 車子已經(jīng)運行了多少公里了。而速度的顯示則是在計算出速度里程后立刻顯示出來，體現(xiàn)實時性。 中斷子程序的設(shè)計 定時中斷是為滿足定時或計數(shù)的需要而設(shè)置的。在單片機內(nèi)部有兩個定時 /計數(shù)器，以對其中的計數(shù)結(jié)構(gòu)進行計數(shù)的方法，來實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。當結(jié)構(gòu)發(fā)生計數(shù)溢出時，即表明定時時間或計數(shù)值已滿，這時就以計數(shù)溢出信號作為中斷請求，去置位一個溢出標志，作為單片機接受中斷請求的標志。這種中斷請求是在單片機芯片內(nèi)部發(fā)生的，因此無須在芯片上設(shè)置引入端。 定時 /計數(shù)器控制寄存器 8 位寄存器，地址為 88H，。其高 4 位用于定時/計數(shù)器中斷控制，低 4 位借給外部中斷，用做中斷標志和觸發(fā)方式選擇位。本設(shè)計采用定時中斷，對自行車的里程和速度進行計數(shù)。中斷子程序流程圖如圖 4示。 20 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 信圖 4斷子程序流程圖 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計 待測信號經(jīng)預處理電路后加至單片機的 2( 引腳可為單片機測量信號周期提供有效的輸入信號。單片機通過檢測 腳電平來決定是否啟動測量周期程序。當該引腳為高電平時 ,系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，要一直到該引腳出現(xiàn)低電平時才 開始測周期。測量時首先將零賦給 個寄存器以將定時器 運行控制位 位，同時也將 位以允許定時器 斷。然后再判斷 2 引腳是否還為低電平，如為低電平則等待 ,直到出現(xiàn)高電平再開始判斷 2 引腳是否為低電平，當其不是低電平時再等待。一旦出現(xiàn)低電平，則立即復位 止定時器 ,以結(jié)束測周期程序。測周期過程中可能會發(fā)生定時器 中斷，每發(fā)生一次中斷則將存器加一，因此 際上是周期值的高字節(jié)。測出的周期值存儲在 個寄存器中 ,然后 將其轉(zhuǎn)換成速度。速度是用車輪的周長除以脈沖周期得到的。 21 由于所測周期的單位是 s，因此在相除轉(zhuǎn)換時應將被除數(shù)擴大 10 萬倍，以保證得出正確的速度。 里程計算子程序 外中斷 0 服務程序用于對單片機 輸入的圈脈沖進行計數(shù)，為十六進制計數(shù)器。當車輪每轉(zhuǎn)一圈，通過光電傳感器將脈沖數(shù)輸入單片機內(nèi)，通過計數(shù)器計出脈沖數(shù)，再用乘法子程序算出里程數(shù)。其中階段里程為本次行駛所走過的里程，總里程為自行車從開始使用當前行駛的總路程，兩者處理程序大致相同，總里程為階段里程 的累加。 將階段里程自動與以前存儲的總 里程 相 加， 再存入該存儲器，當單片機斷電后，階段里程清零，當有重新開始時，單片機重新計數(shù)與計時。里程 處理子程序流程圖如圖 4示。 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 信圖 4程處理子程序流程圖 速度計算子程序 內(nèi)部定時 /計數(shù)器 務程序用于處理輪子轉(zhuǎn)動一圈后的計時數(shù)據(jù)。定時器計出每轉(zhuǎn)一圈所用的時間，用自行車車輪的周長除以時間就得出自行車的瞬時速度。階段平均速度為階段里程除以本次行駛的時間。下為瞬時速度處理子程序流程圖： 22 信 信信 信 信 信信 信 信 信信 信 信信 信信 信 信 信信 信度處理子程序流程圖 顯示子程序的設(shè)計 液晶顯示是本設(shè)計的難點，為了讓顯示的內(nèi)容更豐富，顯示更合理，根據(jù)設(shè)計要求，里程表需要顯示速度、里程、時間等。當接通電源或按 ，顯示歡迎畫面： 系統(tǒng)延時 2 秒后進入時鐘設(shè)置畫面： 0:00:00 依次按 整時鐘， 定時位， 定分位， 定秒位，待時間設(shè)定完成后按 認。 接著進入自行車輪胎半徑設(shè)置 畫面： = 55 整輪胎直徑后，按 認，里程表開始工作。 23 各項參數(shù)分成四屏選擇顯示，按動 流程圖所示進行切換。 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 信圖 4示流程圖 階段里程是指本次自行車所走過的路程，階段平均速度為階段里程與階段時間的比值，軟件編程的主要變量為：階段行駛里程（ m）、階段時間、瞬時速度（ m/s）、最大速度（ m/s）、階段 平均速度（ m/s）、總里程（ m）。 24 5 設(shè)計總結(jié) 實現(xiàn)目標與特點 一實現(xiàn)目標 該課題的主要任務是開發(fā)一個以 片機為核心的自行車的速度里程表。本設(shè)計主要分為硬件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的簡單性，故盡可能簡化硬件電路，節(jié)省線路板的空間，達到硬件電路最優(yōu)化設(shè)計。軟件采用 C 語言編寫，采用模塊化設(shè)計思想，程序可讀性強。通過仿真、實驗驗證了系統(tǒng)的可行，能滿足設(shè)計要求，達到設(shè)計的指標，實現(xiàn)對自行車里程 /速度的計算功能，并用 示， 設(shè)脈沖總數(shù)為 m，車輪周長 為 C，車輪轉(zhuǎn)一周輸出脈沖數(shù)為 n，車輪行駛時轉(zhuǎn)一圈的時間為 里程 （ S） 與速度 （ v） 分別根據(jù)以下公式求得： S=m*C/n v=C/ 根據(jù)此公式將最終顯示出里程和速度。通過仿真證明本次設(shè)計符合設(shè)計的要求，能實現(xiàn)對里程、速度的顯示，功能性較強，具有一定的實踐意義，將會在許多場合應用。但也有一些不足存在，當顯示速度時，若自行車轉(zhuǎn)動太快，顯示器會顯示過快，應該將速度定時顯示，使人們能夠清楚地看出速度。 （ 1）實現(xiàn)了總里程的測量，并且里程當里程小于 1，數(shù)據(jù)的顯示格式為 里程大于 1，數(shù)據(jù)的顯示格式為 便于數(shù)據(jù)的讀取與測量。其中里程的值為當前行駛的里程。 （ 2）實現(xiàn)了速度包括平均速度瞬時速度的測量，并規(guī)定最大速度為 8m/s，當行駛速度超過該值時，報警器會發(fā)出報鳴聲，提醒減速行駛。 （ 3）實現(xiàn)了時鐘的定時與當前時間的顯示，使設(shè)計更合理。 （ 4）發(fā)揮部分 ：可以顯示最大加速度，在軟件編程中實現(xiàn)。 二設(shè)計特點 （ 1）利用紅外傳感器作信號采集單元，當車輪轉(zhuǎn)動時，圓盤會阻擋紅外對管的光路，接收管輸出低電平，單片機根據(jù)此信號可計算里程、速度等。其優(yōu)點是測量精度高 。 ( 2 ) 開關(guān)按鍵和指示燈設(shè)計，使方案更便于實踐，設(shè)計更合理。 ( 3 ) 晶顯示模塊。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特 25 點，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設(shè)計中最常用的信息顯示器件了。 （ 4）測試數(shù)據(jù)全面，方案不僅能實現(xiàn)速度和里程的測量，還可以作為時鐘使用，另外，當行駛超過一定的速度時，自行車會自動報警，提醒減速行駛。 結(jié)論及不足 本設(shè)計以 核心，通過光電傳感器來檢測自行車的運轉(zhuǎn)情況進而實現(xiàn)電動自行車的速度，里程的計算及里程的累計，最后用液晶顯示器直觀地將速度與里程顯示給用戶，并且在速度高于一定的值時可自動向用戶報警，從而達到智能速度里程表。 存在的問題及不足： （ 1）通過 數(shù)時，單片機每讀取一個脈沖至少需要 3 個機器周期的時間來完成。本系統(tǒng)采用的晶振為 12以一個機器周期 2/f=1要使單片機準確讀取外部脈沖，則脈沖的輸入周期不能超過 3此可計算 (轉(zhuǎn)盤齒數(shù)為 10)，系統(tǒng)能測量的轉(zhuǎn)速需低于： 0s/(30)=6000000r/ （ 2）當顯示速度時，若自行車轉(zhuǎn)動太快，顯示器會顯示過快，應該將速度定時顯示，使人們能夠清楚地看出速度。 （ 4）測量的精度有待改善，當速度很慢時，輸入的