电动车车速与蓄电池温度检测系统 毕业论文.docx

滨江学院 学年论文题 目 电动车车速与蓄电池温度检测系统 院 系 自动控制系 专 业 测控技术与仪器 学生姓名 学 号 20102341027 指导教师 职 称 二一三年 十二 月 二 日电动车车速与蓄电池温度检测系统 摘要：针对电动车蓄电池寿命短且速度过快的现象，通过实时监测电动车车速和蓄电池温度，解决车速过快和电池过热的问题。本设计以stc89c52单片机作为控制芯片，对温度传感器和超声波模块进行控制，从而实现对蓄电池温度与车速的检测。利用altiumdesigner作为仿真软件，对电路和检测系统进行仿真和模拟。实验结果表明当蓄电池温度超过设定的最高值或者车速大于极限值时，检测系统会立即警报，能有效解决蓄电池寿命过短和车速过快的问题。关键字：单片机；超声波；车速；蓄电池；温度detecton system of speed of electric bike and temperature of battery abstract: according to the question that the life of batteries is shor and the speed is too fast of electric bike, we check the speed of electric bike and temperature of battery real time to restric the electric bike from overspeed prevent the battery from overheating. this design is based on stc89c52 single-chip as control chip, and the goal of detecting the speed of electric bike and temperature of battery is achieved. by controlling stepper temperature sensor and ultrasonic module. using altiumdesigner simulation software, the simulations for circuits and detection system are conducted. experimental results show that the detection system can issue waring when the temperature of battery is higher than the maximum we set or speed is faster than threshold, and we can solve the problem that the life of battery is short and the speed is too fast.keywords: single-chip microprocessor; ultrasonic; speed of electric bike; battery; temperature第一章 绪论1.1引言随着电动车的使用量日益加大，电动车车速和蓄电池寿命方面的研究从未停止过。但是就目前来看市场上绝大多数是电磁式和电子式模拟仪表或者说第一类仪表。如图1所示，这种现实不够准确而且不够直接。单片机在电子产品中的应用日趋广泛而且很多电子产品已经将单片机用于温度或者速度检测。这种以集成芯片为主的第二类仪表数字式仪表,以数字化结果显示适用于快速响应和高精度要求。本文主要以其在电动车车速和蓄电池温度检测为例,对单片机在温度和速度检测中的使用做简单阐释。图1 电动车车速表本设计测距部分采用的是超声波测距。超声波测距作为典型的非接触式测量方法，被广泛使用，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人避障等。和其他方法如激光测距，微波测距等相比，由于超声波速度远小于光波和无线电波所以测量时间精度的要求没那么苛刻因而被广泛应用。altium designer 是原来的protel的软件开发公司altium 所推出的一体化电子产品开发系统1如下图2所示。主要运行在windows系统中主要包括windows xp和win7两个系统，这套开发系统将原理图设计，电路仿真，pcb绘制，拓扑逻辑自动布线，信号完整性分析等技术完美的结合在一起如下图3所示。为设计者和开发人员提供了全新的平台和解决方案。使设计变得轻松，熟练这套软件的使用必将使电路设计的效率和质量大幅提高。它除了融合protel99se，dxp在内的先前版本的优点以外还进行了很多改进,增加了很多高端功能。拓宽了板级设计的界面并且整合了fpga和sopc设计的工能。当然正因如此其对电脑性能的要求也自然升高。当然其首屈一指的功能使得这款软件非常值得推广。图2 altium 软件图3 altium运行界面1.2课题研究目标与意义：（1）研究目标：1）进一步掌握51单片机的结构2和其引脚功能；2）掌握ds18b20的温度测量功能和使用方法3；3）掌握hc-sr04超声测速模块的使用方法；4）进一步掌握单片机硬件和软件的综合设计方法。5）提高单片机基础知识的综合应用能力，完成电路图和仿真设计。6）调试相关模块，开发出电动车车速与蓄电池温度检测系统样机。（2）研究意义1）从技术层面讲，基于单片机的电动车车速与蓄电池温度检测系统能改善现有的电磁式测速装置反应慢，精度低，不稳定等方面问题，以数字化的形式将蓄电池温度实时显示出来。通过这样能有效提示驾驶者保证安全行驶速度。并且注意防止超负荷行驶导致蓄电池严重发热问题，从而延长蓄电池使用寿命。2）从实际生活的角度看,当前属于数字化的时代。我们对高效率高自动化的环境充满渴望。人们对各种物理因数的测量也往高科技的方向不断迈进，而这其中对精度的要求自然越发的苛刻。单片机作为一种廉价的高速高精度的系统其前景自然不可小觑。而基于单片的温度和速度检测系统在电动车中的应用自然是合适不过。随着电动车需求与日俱增其取代自行车地位的趋势越来越明显。这里之所以对电动车车速和蓄电池温度进行测量是有多方面原因的，比如说车速过快本身很不安全，一旦发生事故，速度过快伤害也更大。还有就是长时间高速行驶蓄电池温度会很高，导致后果就是蓄电池寿命急剧减短。而蓄电池中使用了大量的含铅还有高腐蚀性的物质，其后期处理对环境的影响也是必须重视的。在如今的数字化时代,人们对高度自动化智能化的设备需求越来越高4。而单片机控制系统以其不可多得的优势引领潮流,主要表现在其精度高，过载性好，控制方便，整机结构简单的特点已经广泛运用于现在的实际生产之中。尤其在重视速度、精度、稳定性、和需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场，单片机最受学者和企业的欢迎。基于单片机的测量控制系统作为现代化测控设备的重要组成部分，在今天以及将来都将具有广阔的发展前景。 1.3主要元器件介绍 （1）单片机stc89c52是stc公司生产的一种低功耗，高性能的8位cmos控制器件。其内部有8k的flash存储器。内部依旧是使用的mcs-51内核而它的功能比传统的51单片机做了一些改进这也使得它在多嵌入式控制系统中变得灵活。其具有以下标准功能：8k字节flash、512字节ram、32位i/o口、看门狗定时器、内置4k的e2prom、3个16位定时计数器、4个外部中断、4级中断结构、全双工串口、最高运作频率35mhz。89c52引脚功能：1）vcc（40）：电源+5v。2）vss（20）：接地，也就是gnd。3）xtl1（19）和xtl2（18）：振荡电路。4）psen（29）：片外rom选通信号，低电平有效。5）ale/prog（30）：地址锁存信号输出端/eprom编程脉冲输入端。6）rst/vpd（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 7）ea/vpp（31）：内/外部rom选择端 。8）p0口（39-32）：双向i/o口。9）p1口（1-8）：准双向通用i/0口。10）p2口（21-28）：准双向i/0口。11）p3口（10-17）：准双向i/o口具有第二功能。图4 stc89c52引脚图（2）ds18b20温度传感器模块温度传感器ds18b20是美国达拉斯半导体公司在ds1820后推出的一种智能温度传感器它的结构如下图5所示。是三脚的单总线通信方式的温度传感器，传统的热敏电阻不能直接读出被测温度而ds18b20解决了这个问题。其温度测量范围在-55 0c+125 0c，可编程912位a/d转换精度。测温的分辨率在0.0625 0c被测温度用符号扩展的16位数字量方式输出，供电电压位3v5.5v的电压范围使得系统灵活而又方便。多个ds18b20可以并联到两或三根线上单片机只需一根线就可以与多个传感器通信从而大大减少对处理器端口的占用。也正因此非常适合远距离多点温度测量。其对温度的响应转换时间也很短完全满足基本的温度测量需求。并且以其独到的价格优势很受消费者的欢迎。图5 ds18b20芯片封装结构 ds18b20特点： 1）独特的单线接口方式：ds18b20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现与ds18b20的双向通讯。 2）在使用中不需要任何外围元件。 3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5v。 4）测温范围：-55+125。固有测温分辨率为0.5。 5）通过编程可实现912位的数字读数方式。 6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 7）支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。（3）hc-sr04超声测速模块超声波测距模块hc-sr04可提供2-400cm的非接触式的距离感测模块，测量精度3mm，包括超声波发射器，接受器，和控制电路。如下图所示：图6 hc-sr04超声波测距模块基本工作原理5： 1)采用i/o口trig触发测距，给最少10us的高电平信号。 2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。 3)有信号返回通过i/o口echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340m/s）/2。表1 hc-sr04电气参数电气参数hc-sr04超声波模块工作电压dc 5v工作电流15 ma工作频率40khz最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10us的ttl脉冲输出回响信号输出ttl电平信号与射程成比例规格尺寸45*20*15mm第二章 单片机控制温度和速度传感器系统方案设计2.1 方案综述：由控制按钮控制发出指令，通过51单片机处理，信号由单片机发给执行电路机构（同时在液晶显示器上显示），各传感器模块收到到驱动信号开始工作其如下图所示：ds18b20与hc-sr04单片机 stc89c52控制按钮1602液晶显示模块报警装置图7系统设计流程图编程语言方面c语言和汇编语言在单片机编程中最为常见。中在c语言和汇编语言中我对c语言编程较为熟悉，因其更为简洁易用尤其在寄存器操作方面无需检索复杂的地址使得其非常方便,而且在与其它软件混合编程时非常的方便所以现在很多主流的行业软件都带有c语言接口这是汇编语言所没有的因此本设计使用c语言为单片机编程6。2.2 显示方案选择方案一： 采用led进行动态显示7，在led上可以直观的得到数据与各项参数。这一方案操作简单，易于控制，成本低，但是其耗电量大，显示内容单一。无法满足本次设计的要求。方案二： 采用1602进行显示， lcd的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利。而且显示的内容可以更为形象具体，能够分两行显示对本次设计再适合不过，通过它我们可以直观的了解温度以及速度的变化情况。而且lcd的显示技术也属于比较成熟的8。综上综上所述，我决定选用方案二作为显示方案如图8所示：图8 显示设计原理图2.3硬件设计原理图图9 测温部分原理图图10 超声波测距与警报模块原理图图11 整体电路原理图其中18b20这个芯片有3个引脚超声波模块4个引脚其，可以共用一个电源+5v。然后单片机接上各个部件的控制引脚，这样通过单片机各个传感器及输入输出模块传送控制信号，这样就可以使各个部件得到控制，最后将反馈回来的信息经过一定的处理通过显示器，及报警器表示出来。2.4 实验分析在功耗方面本检测系统基本都是目前市场上功耗最低的产品而且不论是在电动车工作状态还是在其未使用状态都会关闭不必要的模块，从而最大限度的减少电力损耗。例如采样间隔器件关闭除看门狗外的所有模块，切断对传感器电路的供电并将其他一切外部器件置于关闭状态。而只有显示器在工作。在低成本的选择上保证基本性能的情况下选择了1602进行显示和ds18b20，hc-sr04传感器模块，体积小且线路简单因此在电动车上安装会很方便。并且具有结构简单，分辨率高可调节性强等优点。2.5整体调试在单片机整体电路连接好之后分别对主程序，读温度子程序，温度转化程序，超声波发送接收程序，计算子程序和显示子程序进行编译调试之后，通过观察显示器判断数字温度计读取是否准确，以及超声波距离是否准确。各软件流程如下图所示。由于数字式检测系统的时序比较严格，所以准确的把握好时间和反馈才能准确测量出温度及速度值。整体检测系统通过电动车蓄电池的电力分压后供电，并通过7805稳压模块转换为单片机所需的+5v电压对整个检测系统进行供电。为消除各部分的数字数据相互之间干扰可分别接地。其总电源开关应当与电动车物理开关共用。保证在电动车未使用时整个检测模块断电，从而减少不必要的浪费。2.6软件设计原理图图12 hc-sr04处理流程图在超声波测距模块的hc-sr04的引脚trig端发送一个宽度大于10us的高电平就可以在接收端echo等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就会打开定时器开始计时。当此口变低电平就停止计时，并且读出定时器值，此值就是测距时间。图13 ds18b20处理流程图图14 lcd1602处理流程图图15 软件处理流程图第三章 结论本设计以51单片机为基础对温度和速度传感器模块进行精密的控制和显示在实际应用中取得良好的效果。温度的显示进度达到0.1，速度理论精度在mm/s的级别。采用这种基于单片机的电动车车速及