电动车里程速度测量系统的设计

- 1 - 目 录 1 引言 .- 1 - 2 总体方案设计 .- 1 - 2.1 总体方案一 .- 2 - 2.2 总体方案二 .- 2 - 3 分电路设计和论证 .- 2 - 3.1 电源电路 .- 2 - 3.2 数据的采集及处理 .- 3 - 3.3 最小系统 .- 8 - 3.4 报警系统 . - 11 - 3.5 显示系统 . - 12 - 4 软件设计 . - 14 - 4.1 程序流程图 . - 14 - 4.2 程序 . - 17 - 5 软硬件系统的调试 . - 17 - 6 附录 . - 19 - 7 参考文献 . - 24 - - 1 - 电动车里程速度测量系统的设计 摘要： 本文给出一种电动车里程速度测量系统的设计。该设计采用了 8051 单片机，红外线传感器， LED 数码管显示。通过红外线传感器采集数据，达到测量与显示电动车的里程和速度。 关键词： 8051 单片机；红外线传感器；速度及里程测量 1 引言 随着人们生活水平的逐渐提高，人们对于生活质量的要求也日益增加，尤其是对健身的要求。电动车在中国普遍作为代步工具。而在国外，电动车却是一项十分受欢迎的健身运动。因为它无污染，价位低廉，老少皆宜 。而且在运动过程中可以充分享受到大自然，对于忙碌的现代人来说，无疑是一种较好的放松方法。在中国这种情况也在慢慢发生变化。因此爱好电动车运动的人十分需要一款装置，以知道自己的运动情况。并根据外界条件，如温度等进行适当的调节，已达到最佳运动的效果。 随着电动车里程表的发展 ,其功能也逐渐从单一的里程显示发展到速度、时间显示，甚至有的还具有测量骑车人的心跳、显示骑车人热量消耗等功能，让人能清楚地知道当前的速度、时间、里程等物理量。如佛山高明华劲电子公司的电动车里程表 MS-601,能动态显示行驶里程、骑车时间、实时车 速等。 本设计中，我们以 8051 单片机为控制核心，采用霍尔传感器检测电动车轮胎的运转情况，通过一定的抗干扰处理和计算后，由 LED 显示电动车的里程。本设计中，计数的正确性决定了本装置的精度，如何在复杂的环境中得到正确的计数脉冲，是本设计的难点，初步的解决办法是在硬件上进行合理的滤波，软件上进行一定的算法处理。其原理很简单，因为车轮的直径已知，车轮的圆周长便是恒定不变的。由此可以计算出每走一里路车轮要转多少圈，这个数也是恒定不变的。因此只要能够自动把车轮的转数积累下来，然后除以每一里路对应的转数就可以得到行驶的 里程了。 本里程表的设计具有结构简单，成本低廉，显示清晰，稳定可靠等优点。并且可进行扩充，加入时速表的功能，更加方便的了解你现在所处的情况。 设计一个电动车车轮半径可以在一定范围内由人工设定，用霍尔传感器测定出电动车的里程和平均速度，并通过数码管显示出来的电动车里程表系统。 可测定电动车里程。 可测定电动车的平均速度，并通过数码管显示出来。 要实现该设计，就应把整个电路分为几大模块。分别是单片机控制模块，显示模块，键盘输入模块，报警模块和串口下载模块。先通过对各个模块进行设计、调试之后再将其组合起来进行整机 调试。 首先就是要理清实现设计的框图，在总体框图的指导下，作出具体的电路图，由要设计实现的功能，计算出各个电路元件的值，并逐一对各个元件进行选择。最后用仿真软件对设计进行仿真操作，调试软件，并对照出设计有误的地方进行必要的修正，确保设计的正确。 要实现该电路的设计，首要的就是要制定出设计的原理框图，并在老师的指导和参照资料的条件下作出具体电路图，选定实现实现该设计的各种元器件。另外，还应由必要的软件帮助设计的完成。 2 总体方案设计 对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下各种不同方案对同一目 的的实现方法。并比较他们的优劣，最终确定本次设计要采用的方案。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 2 - 2.1 总体方案一 这种方案采用 LCD 显示模块、供电模块、信号采集模块、报警模块组成。通过霍尔传感器将采集到的信号送到 52单片机，通过软件编程对单片机进行控制后，再通过 LCD 液晶显示模块显示出电动车里程和平均速度。系统框图如图 1 所示。 图 1 方案一原理框图 2.2 总体方案二 本速度里程表系统由信号预处理电路、单片机、显示电路、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。信号预处理电路中的放大器用于对待测信号进行放大以降低对待测信号的幅度要求波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机接口的信号通过单机的设置可使引脚能够对内部定时器的工作进行控制这样能精确地测出加引脚的正脉冲宽度即测出脉冲信号的周期速度。显示部分采用数码管显示。所得的数据采用总线并通过来存储因 而节省了所需单片机的接口线和外围器件同时也简化了显示部分的软件编程。如图 2所示。 8051数码管显示 报警 电源供电 信号输入 图 2 方案二原理框图 对比两个方案，方案一用 LCD 液晶显示器来作为显示模块，而方案二采用八段数码管。液晶显示器比数码管更贵，且对其进行编程控制也更难。数码管显示更加直观，控制也更容易。这样即降低了成本同时也更方便对先好进行采集。综合以上所述，我们决定选择方案二作为本次课程设计的方案。 3 分电路设计和论证 3.1 电源电路 （ 1） USB供电 由于从 USB的 4号引脚出 来的是 5V的直流电，故可以直接作为单片机供电电路无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 3 - 用，为了防止电流的反灌，加了一个二极管。 （ 2）用 7805 实现的全桥整流电路 电源总是电路设计不可缺少的部分。这次电源电路主要由电源变压器 T、整流桥、滤波电容器 C1、 C2、 C3、 C4、 CW7805和二极管 D1 等组成。如图 3所示。 1234T V in1GND2V o u t 3U3C20 . 1 u fC1C3C40 . 1 u f12J1C O N 212J2C O N 2图 3 电源电路 因为全桥整流电路电源的利用率更高 ,本次采用全桥整流电路。 3.2 数据的采集及处理 传感器的设计 红外传感器 红外技术 发展到现在，已经为大家所熟知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的 测量系统 ，按照功能能够分成五类：（ 1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（ 2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（ 3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（ 4）红外测距和通信系统；（ 5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或 者多个的组合。 红外传感器工作原理 （ 1）待测目标 根据待侧目标的红外辐射特性可进行 红外系统 的设定。 （ 2）大气衰减 待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。 （ 3）光学接收器 它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。 （ 4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的 干扰信号 。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。 （ 5）红外探测器 这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的 物理效应 探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。 （ 6）探测器制 冷器 由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短 响应时间 ，提高探测灵敏度。 （ 7） 信号 处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 4 - （ 8）显示设备。这是红外设备的终端设备。 常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。 依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的 原理 。 热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通 过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。 图上所示为欧姆龙公司生产的漫反射式和对射式 光电传感器 ，这两种传感器主要用于事件检测和物体定位。图中的红灯和绿灯表示传感器的状态。 红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。 传感器市场发展前景 咨询公司 INTECHNOCONSULTING的 传感器 市场报告显示， 2008年全球 传感器 市场容量为 506亿美元，预计 2010年全球 传感器 市场可达 600亿美元以上。调查显示， 东欧 、亚太区和加拿大成为 传感器 市场增长最快的地区，而 美国 、德国、日本依旧是 传感器 市场分布最大的地区。就世界范围而言， 传感器 市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。 一些 传感器 市场比如压力 传感器 、温度 传感 器 、流量 传感器 、水平 传感器 已表现出成熟市场的特征。流量 传感器 、压力 传感器 、温度 传感器 的市场规模最大，分别占到整个 传感器 市场的 21%、 19%和 14%。 传感器 市场的主要增长来自于无线传感器 、 MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统 )传感器 、生物 传感器 等新兴 传感器 。其中，无线 传感器 在 2007-2010年 复合年增长率 预计会超过 25%。 目前，全球的 传感器 市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出， 传感器 领域的主要技术将在现有基 础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代 传感器 的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的 传感器 市场，比如无线 传感器 、 光纤 传感器 、智能 传感器 和金属氧化传感器 等新型 传感器 的出现与 市场份额的扩大。 红外传感器的类型 红外线传感器依动作可分为： (1) 将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。 (2) 利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因 PN 接合之光电动势效果的量子型。 热型的现象俗称为焦热效应，其中最具代表性者有测辐射热器 (Thermal Bolometer)，热电堆 (Thermopile)及热电 (Pyroelectric)元件。 热型的优点有：可常温动作下操作，波长依存性 (波长不同感度有很大之变化者 )并不存在，造假便宜； 缺点：感度低、响应 慢 (mS之谱 )。 量子型 的优点：感度高、响应快速 (S 之谱 )； 缺点：必须冷却 (液体氮气 ) 、有波长依存性、价格偏高； 红外线传感器特别是利用远红外线范围的感度做为人体检出用，红外线的波长比可见光长而比电波短。红外线让人觉得只由热的物体放射出来，可是事实上无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 5 - 不是如此，凡是存在于自然界的物体，如人类、火、冰等等全部都会射出红外线，只是其波长因其物体的温度而有差异而已。人体的体温约为 36 37C，所放射出峰值为 9 10m的远红外线，另外加热至 400 700C的物体，可放射出峰值为 35m 的中间红外线 。 压力传感器 压力 传感器 是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通 压力传感器 的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任 意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用 压电效应 制造这样的传感器也称为压力传感器。压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着 MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展 ，而且其功耗小、可靠性高。 工作原理 半导体压电阻型 半导体压 电阻抗 扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电 信号 。 静电容量型 静 电容 量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。 （ E8Y的动作 原理 便是静电容量方式，其他机种采用半导体方式）。 霍尔 传感器 霍尔 传感器 是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（ A.H.Hall， 18551938）于 1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导 电流 体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种 霍尔元件 ，广泛地应用于 工业自动化技术、检测技术 及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的 霍尔系数 ，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率 等重要参数。 由霍尔 效应的原理知，霍尔电势的大小取决于： Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关； IC为霍尔元件的偏置电流； B为磁场强度； d为半导体材料的厚度。 对于一个给定的霍尔器件， Vh将完全取决于被测的磁场强度 B。 一个 霍尔元件 一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流 IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则 基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在 0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。 近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类，一类是线性元件，另一类是开关类元件。 霍尔传感器包括以下几个系列： szxrdt霍尔传感器， szxrdt霍尔电流变送器，szxrdt霍尔电流传感器。 工作原理 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 6 - 霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔电流传 感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。 1 直放式电流传感器 众所周知，当电流通过一根长 导线 时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为4V。 2 磁平衡式电流传感器（闭环式） 磁平衡式电流传感器也叫霍尔闭环电流传感器，也称补偿式传感器，即主回路被测电流 Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿， 从而使霍尔器件处于检测零 磁通 的工作状态。 磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上， 所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流 Is。 这一电流再通过多匝绕组产生磁场 ，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场， 使霍尔器件的输 出逐渐减小。当与 Ip与匝数相乘 所产生的磁场相等时， Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 ，此时可以通过 Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。 一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到 1s，这是一个动态平衡的过程。 理论基础 流体中的霍尔效应是研究 “磁流体发电 ”的理论基础。 1） 电流传感器 必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下， 2倍的过载电流持续时间不得超过 1分钟。 （ 2） 电压传感器 必须按产品说明在原边串入一个限流电阻 R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下， 2倍的过压持续时间不得超过 1分钟。 （ 3）电流电压 传感器 的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。当被测电流低于额定值 1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。 （ 4）绝缘耐压为 3KV的传感器可以长期正常工作在 1KV及以下交流系统和1.5KV及以下 直流系统 中， 6KV的传感器可以长期正常工作在 2KV及以下交流系统和 2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。 （ 5）在要求得到良好 动态特性 的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。 （ 6）大电流 直流系统 中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。剩磁影响精度。退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减 小其值。 （ 7）传感器抗外磁场能力为： 距离传感器 5 10cm一个超过传感器原边电流值 2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。三相大电流布线时，相间距离应大于5 10cm。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 7 - （ 8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图介绍的简易典型稳压电源。 （ 9）传感器的磁饱和点和 电路 饱和点，使其有很强的过载能力 ，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时， 2倍以上的过载电流不得超过 1分钟。 （ 10）原边电流母线温度不得超过 85 ，这是 ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。 霍尔器件 具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小， 频率 高（可达 1MHZ），耐震动， 不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好； 霍尔开关 器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 m级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的 工作温度范围 宽，可达 55 150 。 按照 霍尔器件 的功能可将它们分为 : 霍尔线性器件 和 霍尔开关 器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为 :直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、 加速度、 角度 、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 因红外传感器更为快捷且对实验没有影响，且小型化、数字通信、维护简单等优点故选择红外传感器。 脉冲发生源 本设计采用了 ST1101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。 该系统在自行车后轮的轴处保持着与轮子旋转切面平行的方向延伸附加一个铝盘，在这个铝盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当铝盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的 TTL电平，即可算出轮子即时的转速。 系统的信号预处理电路由二级电路构成，第一级是有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 零或者是负电压时，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，电路输出低电平。预处理电路的第二级采用带施密特触发器的反相器来把放大器生成的单脉冲转换成与 COMS电平相兼容的方波信号，同时将输入信号加到单片机的 P3.4口上。 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 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 8 - 意的整形效果。 待测信号经预处理电路后加至单片机的 P3.4 T0引脚可为单片机测量信号频率提供有效的输入信号。单片机通过检测 P3.4 引脚电平来决定是否启动测量频率程序。当该引脚为高电平时系统处于等待状态要一直到该引脚出现低电平时才开始测 频率。 我们可从硬件的铝盘上知道两个过孔之间在圆周上的距离。而这个距离 M正好为计算速度和距离起到了基本的数据储备作用。同时可以从 TL0 寄存器知道在两秒内单片机检测到的 N 个脉冲。而 MN 所得到的正是这两秒内铝盘在圆周上所走得距离 S。此时假设在这个两秒内车子是匀速前进的距离 S除以 2s的时间就可以大概的算出这 2s 内铝盘的线速度。再根据铝盘与电动车的轮子保持着一样的角速度得到铝盘的线速度与轮子线速度的关系从而算出电动车在这 2s 的平均速度。 至于里程的计算根据速度计算的分析在得到 2s 内铝盘在其圆周上走过的 距离后。根据它与电动车轮子的圆周走过的距离有一定比例关系通过两者角速度一样的算法可以通过单片机的算出电动车在这两秒内走过的路程 S1。把这个路程 S1 与存储器原来的里程数相加即可得到目前的总里程数。信号采集电路如图 4所示。 R55KR12kU2O P T O I S O 1Q1N P N1 2U 1A4584R210KV C CV C CT0图 4 信号采集处理电路 3.3 最小系统 8051单片微型计算机 简称为 单片 机 ，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。 单片机 是 70年代中期发展起来的一种 大规模集成电路 芯片，是 CPU、RAM、 ROM、 I/O接口和 中断系统 于同一硅片的器件。 80年代以来， 单片机 发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。如图 3.4 引脚介绍 单片机的 40个引脚大致可分为 4类：电源、时钟、控制和 I/O引脚。 电源 : （ 1） VCC-芯片电源，接 +5V； （ 2） VSS - 接地端； 2 时钟 : XTAL1、 XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3 控制线 : 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 9 - 控制线共有 4根， （ 1） ALE/PROG:地址锁存允 许 /片内 EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存 P0口送出的低 8位地址 PROG功能：片内有 EPROM的芯片，在 EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 （ 2） PSEN:外 ROM读选通信号。 （ 3） RST/VPD:复位 /备用电源。 RST（ Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在 Vcc掉电情况下，接备用电源。 （ 4） EA/Vpp:内外 ROM选择 /片内 EPROM编程电源。 EA功能：内外 ROM选择端。 Vpp功能：片内有 EPROM的 芯片，在 EPROM编程期间，施加编程电源 Vpp。 4 I/O线 80C51共有 4个 8位并行 I/O端口： P0、 P1、 P2、 P3口，共 32个引脚。 P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。 各引脚如图 5所示。 E A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U1 8051图 5 8051 单片机 单片机最小系统 ， RST 端保持高电平时间的长短与振荡器起振时间有关而振荡器起振时间与频率有关。 10MHz时约 1ms； 1MHz 时约 10ms。因此只要保持 RST 端高电平的时间不小于 20ms,单片机便能可靠的复位。 单片机的最小系统是由组 成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。 1） 复位电路 无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 10 - 复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。 上电复位电路中，利用电容充电来实现复位。在电源接通瞬间， RST 引脚上的电位是高电平（ Vcc），电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行，RST引脚上的电位也会逐渐下降为低电平。只要保证 RST引脚上高电平出现的时间大于两个机器周期，便可以实现正常 复位。 按键复位电路中，当按键没有按下时，电路同上电复位电路。如在单片机运行过程中，按下 RESET键，已经充好电的电容会快速通过 200电阻的回路放电，从而使得 RST引脚上的电位快速变为高电平，此高电平会维持到按键释放，从而满足单片机复位的条件实现按键复位。如图 6 所示 . R4100R34. 7KS1+ C310uR E SE TVC C图 6 复位电路 2） 时钟电路 单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。 内部 时钟方式的原理电路如图 2-8所示。在单片机 XTAL1和 XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为 024MHz，常用的晶振频率有 6MHz、 12 MHz、 11.0592 MHz、 24 MHz等。一些新型的单片机还可以选择更高的频率。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用 2030pF的瓷片电容。 外部时钟方式则是在单片机 XTAL1引脚上外接一个稳定的时钟信号源，它一般适用于多片 单片机同时工作的情况，使用同一时钟信号可以保证单片机的工作同步。 时序是单片机在执行指令时 CPU发出的控制信号在时间上的先后顺序。 8051单片机的时序概念有 4个，可用定时单位来说明，包括振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期。 振荡周期：是片内振荡电路或片外为单片机提供的脉冲信号的周期。时序中 1个振荡周期定义为 1个节拍，用 P表示。 时钟周期：振荡脉冲送入内部时钟电路，由时钟电路对其二分频后输出的时钟脉冲周期称为时钟周期。时钟周期为振荡周期的 2倍。时序中 1个时钟周期定义为 1个状态，用 S表示。每个状态包括 2个节 拍，用 P1、 P2表示。 机器周期：机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。一条指令的无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 11 - 执行需要一个或几个机器周期。一个机器周期固定的由 6个状态 S1S6组成。 指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。一般用指令执行所需机器周期数表示。 8051单片机多数指令的执行需要 1个或 2个机器周期，只有乘除两条指令的执行需要 4个机器周期。 了解了以上几个时序的概念后，我们就可以很快的计算出执行一条指令所需要的时间。例如：若单片机使用 12MHz的晶振频率，则振荡周期 =1/（ 12MHz）=1/12us，时钟周期 =1/6us，机器周期 =1us，执行一条单周期指令只需要 1us，执行一条双周期指令则需要 2us。如图 7所示。 Y12MC1104C2104X1X2GND图 7 时钟电路 3.4 报警系统 本次报警电路采用蜂鸣器报警，当即时速度超过预定值是蜂鸣器响，指示灯闪烁，提示应该减速。 报警电路主要负责声音报警和灯光报警。如图 8所示。 L E DL S 1S P E A K E R+ 5 VQ2P N PR7220V C CR 1 71kR 1 810KR X DP 2 0图 8 报警电路 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 12 - 3.5 显示系统 （ 1） LED液晶显示器 通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、 矩阵 管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。 结构 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图 12排列而成的。可实现 0 9的显示。其具体结构有 “反射罩式 ”、 “条形七段式 ”及 “单片集成式多位数字式 ”等 （ 1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电 路板上，每个反射腔底部的中心位置就是 LED芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好 30m的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。 反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。 （ 2）条形七段式数码管属于 混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只 LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形 “可伐 ”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。 （ 3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用 集成电路工艺 制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上 “鱼眼透镜 ”外壳。它们适用 于小型数字仪表中。 （ 4）符号管、米字管的制作方式与数码管类似。 （ 5）矩阵管（发光二极管 点阵 ）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。 分类 （ 1）按字高分：笔画显示器字高最小有 1mm（单片集成式多位数码管字高一般在 2 3mm）。其他类型笔画显示器最高可达 12.7mm（ 0.5英寸）甚至达数百 mm。 （ 2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。 （ 3）按结构分， 有反射罩式、单条七段式及单片集成式。 （ 4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。 参数 由于 LED显示器是以 LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于 LED显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数： 1发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在 1.5 2.3间，最大不能超过 2.5。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 13 - 2脉冲正向电流 若笔画显示器每段典型正向直流工作电 流为 IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于 IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。 （ 2）数码管 数码管要正常显示，就要用 驱动电路 来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的 数字 ，因此根据数码管的 驱动方式 的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动 ， 静态 驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个 单片机 的 I/O端口进行驱动，或者使用如 BCD码二 -十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O端口多，如驱动 5个数码管静态显示则需要 58=40根 I/O端口来驱动，要知道一个 89S51单片机可用的 I/O端口才 32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动 ， 数码管动态显示接口是 单片机 中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形 码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的 COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 1 2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的 余辉 效应，尽管实际上各位数码管并非 同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O端口，而且功耗 更低。 数码显示是一个占用 IO资源较多、程序设计较复杂的模块。在设计时，应从IO占用与软件复杂程度两方面考虑。数码管显示器的 8个笔划段 a-hp同名端连在一起，而每一位数码管显示器的公共端（ 1， 2， 3， 4）各自独立地受三极管控制。CPU向字段输出口送出字形码 时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于数码管的公共端，而这一端是由 74LS164控制的，所以我们只要控制 164的输出数据就可以决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的公共端，使各个显示器轮流点亮。 在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约 1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。图中 100欧电阻起限流作用 ，保护发光二极管。电阻值越小，发光二极管越亮。 2K电阻是位选端限流电阻，保护位选三极管。 这里的数码管是共阳极型。数码管上显示一些符号，必须给数码管的笔形口接低电平信号，给要显示的位公共端送高电平，相应位的数码管就可以显示所要的符号。 数码管动态显示程序包含显示数字、部分字母符号、小数点、数码管闪烁、数码管消隐等。其它程序输出到显示程序的数据既可以是 BCD码、二进制码、 ASCII码、自定义显示码等。假设显示的符号与数据的对应关系如 表 1。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） - 14 - 显示符号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 数据 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 09H 显示符号 A B C D E F H 全亮 全暗 - 数据 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 13H 表 1 数码管显示符号与数据对应关系 由 硬件电路工作原理可知，为了显示稳定的数据，每秒必须显示数据 50次以上，才能达到预期目的。 首先设计一个能显示一位数的程序，然后重复执行这段程序，并改变所显示的内容。由上一实验内容可知，可把位选数据的输出用两种方法实现：位选数据每显示一位送一字节；位选数据每 显示一位送一位二进制数。 因为数码管消耗电力比液晶多一点，但是数码管显示更加清晰，更加适合在白天等强光条件下显示。液晶极其省电，但是使用有温度范围限制，且因是反光式的，在外界光线很明亮的情况下很容易看不清楚。 本次设计采用的是数码管动态显示。如图 9所示。 4 7 0com1com1com2com2com3com3com4com4dpdpggffeeddccbbaaR?C O M P O N E N T _ 1V C CP 0 0P 0 1P 0 2P 0 3P 0 4P 0 5P 0 6P 0 7P 1 3P 1 2P 1 1P 1 0图 9 显示系统 4 软件设计 4.1 程序流程图 在主程序模块中，需要完成对各接口芯片的初始化、自行车里程和速度的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待等工作。另外，在主程序模块中还需要设置启动 /清除标志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，并对它 们进行初始化。然后主程序将根据各标志寄存器的内容，分别完成启动、清除、计程和计速等不同的操作。 P1.0和 P1.1口分别用于显示里程状态和速度状态。 P1.2、 P