电动车毕业设计论文.doc

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）摘 要随着居民生活水平的不断提高，自行车不再仅仅是普通的运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。自行车的速度里程表能够满足人们最基本的需求，让人们能清楚地知道当前的速度、里程等物理量。本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车的速度里程表的设计。以 STC89C51RC单片机为核心，ST1101光电传感器测转数，实现对自行车里程/速度的测量统计，采用单片机自带的EEPROM实现在系统掉电的时候保存里程信息，并能将自行车的里程数及速度用LED实时显示。文章详细介绍了自行车的速度里程表的硬件电路和软件设计。硬件部分利用光电传感器将自行车每转一圈的脉冲数传入单片机系统，然后单片机系统将信号经过处理送显示。软件部分用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。该系统硬件电路简单，子程序具有通用性，完全符合设计要求。关键词：里程/速度，光电传感器，模块化，单片机I湖南科技大学本科生毕业设计（论文）ABSTRACTWith the developing of peoples life, the bicycle is not only the universal tool of transportation and substitute for walking, but becomes the first choice of entertainment and exercising. The bicycle mileage/speed can fulfill the basic need of peoples life, so that they can learn the speed and the mileage of the bicycle. In this paper, the bicycle mileage/speed design based on the Hall element is elaborated. By STC89C51RC as kernel, using photoelectricity sensing element to measure revolution, the measure and statistic are achieved. The range information is saved by the EEPROM of Single chip when the power is off, the bicycle speed can be displayed on LED. In this article, the hardware circuit and software design of bicycle mileage/speed instrument are introduced in detail. About the hardware, the pulse number is transmitted of one cycle of the bicycle into Single Chip Microcomputer system. Then the signal processed by Single Chip Microcomputer system is sent to display scream. About the software, in assemble language; the program is designed in the mode of modules. The system has simple hardware, common sub-program, and meets the demand of design.Keywords: Mileage / speed; photoelectricity sensing element; modules ;Single chip microcomputer;目 录一.序言11.1前言11.1.1电动车概况11.1.2电动车仪表概况31.2设计任务与目的5二.系统总体方案52.1 系统原理设计思路52.2检测元件选择62.3 单片机选择72.4 显示元件选择82.5系统总体硬件流程9三.系统硬件设计103.1硬件设计总体思路103.2 单片机电路（主控电路设计）123.2.1 芯片介绍123.2.2时钟电路153.3.3复位电路163.3输入电路（数据采集电路设计）173.3.1红外光电传感器介绍173.3.2整形电路193.3.3输入电路设计203.4 输出电路213.4.1数据显示213.4.2 超速报警22四.电动车的里程速度表的软件设计244.1概述244.2 自行车的速度里程表总体程序设计244.3 中断子程序的设计264.4数据处理子系统程序设计274.4.1. 里程计算子程序274.4.2.速度计算子程序274.5显示子程序的设计284.6 数据储存程序的设计29五结论与展望315.1系统分析315.2结论315.3展望32参考文献32致 谢3435第一章 绪论1.1前言1.1.1电动车概况在科技发展迅速的时代人们更多的需要出行，而代步工具的选择就成了于人们生活息息相关的事情，各种代步工具相继出现，其中电动自行车的出现既满足了人们对出行的需要，也以其价格与方便的优势迅速进入人们的生活。对于电动车，定义和特点如下 ：新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。所以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车都被归为电动汽车。电动自行车是由蓄电池、电动轮毂、控制器、充电器四大件和车体部分组成我国最新电动摩托车和电动轻便摩托车通用技术条件的出台，将40公斤以上、时速20公里以上的电动车，称之为电动轻便摩托车或电动摩托车，划入机动车范畴。40公斤以下、时速不超过20公里的，列为非机动车范畴。电动车发展历史:初期发明 18301870电动车的历史比我们现在最常见的内燃机驱动的汽车要早。美国人托马斯达文波特于1834年制造出第一辆直流电机驱动的电动车。1837年，托马斯因此获得美国电机行业的第一个专利。今天在路面上依然行驶的有轨电车是1840年在英国出现的专利。电池电动车的历史。世界上第一辆电动汽车于1881年诞生，发明人为法国工程师古斯塔夫特鲁夫，这是一辆用铅酸电池为动力的三轮车，而在1873年，由英国人罗伯特戴维森用一次电池作动力发明的电动汽车，并没有列入国际的确认范围。后来就出现了铅酸、镍镉、镍氢电池，锂离子电池，燃料电池作为电力。中期发展1860 1920随着蓄电池技术的发展，电动车的运用在19世纪的下半叶在欧美得到了较为广泛的运用。1859年法国伟大的物理学家、发明家噶斯顿普朗特发明了可充电的铅酸电池。19世纪末期到1920年是电动车发展的一个高峰。在早期的汽车消费市场上电动车比内燃机驱动车辆有着更多优势：无气味、无震荡、无噪音、不用换挡和价格低廉，这形成了以蒸汽、电动和内燃机三分天下汽车市场。电动车停滞期1920 -1990阶段：随着美国德州石油的开发和内燃机技术提高，电动车在1920年之后渐渐地失去了优势。汽车市场逐步给内燃机驱动的汽车所取代。只有在少数城市保留着很少的有轨电车和无轨电车以及很有限的电瓶车（使用铅酸电池组，被使用在高尔夫球场、铲车等领域）。电动车的发展从此停滞了大半个世纪。随着石油资源的滚滚流向市场，人们几乎忘记还有电动车的存在。相对运用在电动车上的技术：电驱动、电池材料、动力电池组、电池管理等等也无法得到发展或运用。电动车的复苏期1990 至今：石油资源的日益减少、大气环境的污染严重，让人们重新关注的电动车。 1990年之前提倡使用电动车主要还是以民间为主。比如1969年建立的民间学术团体组织：世界电动车协会(World Electric Vehicle Association) 。世界电动车协会每一年半在世界不同国家和地区举办专业电动车学术会议和展览Electric Vehicle Symposium and Exposition(EVS)。 1990年代开始各个主要的汽车生产厂家开始关注电动车的未来发展并且开始投入资金和技术在电动车领域。 在1990年1月的洛杉矶汽车展上，通用汽车的总裁向全球推介Impact纯电动轿车。 1992年福特汽车使用钙硫电池的Ecostar , 1996年丰田汽车使用镍氢电池的RAV4LEV， 1996年法国雷诺汽车的Clio, 1997年丰田的Prius混合动力轿车下线， 1997年日产汽车世界上第一辆使用锂离子电池的电动车Prairie Joy EV, 1999年本田汽车发布、销售混合动力 Insight。 电动汽车之所以成为本世纪技术开发的宠儿，首先是因为电动汽车直接采用电机驱动，本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少。发电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且发电厂的场所固定，有害排放物集中排放、清除较容易。由于电力可以从多种一次能源中获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，可以很好地解除人们对石油资源日见枯竭的担心。其次，电动汽车能够充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备得到充分利用，大大地提高了经济效益。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电、充入电池、由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。 随着资源环境压力的不断增大，发展电动汽车产业成为世界各国一致的选择，各国汽车企业都在奋力争夺电动汽、车技术研发、产业化的领先优势。电动车技术的发展与创新。在电动车被不断普及应用的未来，他带给我们的方便性也将不断提高，电动车的应用技术还将有创新性的发展：可拆卸电池组的应用普及。可以在充电站设置电池更换服务，使电池电量即将耗尽的车辆在这里更换已充电电池。无线充电技术。利用电磁波等无线传输技术，使电动车可以无限充电，这样可以建立许多无限电波发射站，使车辆即使在行驶中都可以随时充电。1.1.2电动车仪表概况在我们使用电动车的过程中，了解车辆的行驶状态和使用情况最直观也的方法就是通过车辆上自带的各种仪表。不同汽车仪表板的仪表不尽相同，但是一般电动车的常规仪表有车速里程表、转速表、充电表等。现代电动车上，仪表还需要装置稳压器，专门用来稳定仪表电源的电压，抑制波动幅度，以保证仪表的精确性。另外，大部分仪表显示的依据来自传感器，传感装置根据被监测对象的状态变化而改变其电阻值，通过仪表表述出来。仪表板中最显眼的是车速里程表，它表示汽车的时速，单位是km/h(公里小时)。车速里程表实际上由两个表组成，一个是车速表，另一个是里程表。传统的车速表是机械式的，典型的机械式里程表连接一根软轴，软轴内有一根钢丝缆，软轴另一端连接到变速器某一个齿轮上，齿轮旋转带动钢丝缆旋转，钢丝缆带动里程表罩圈内一块磁铁旋转，罩圈与指针联接并通过游丝将指针置于零位，磁铁旋转速度的快慢引起磁力线大小的变化，平衡被打破指针因此被带动。这种车速里程表简单实用，被广泛用于大小型汽车上，也应用于现在的电动车测速当中。不过，随着电子技术的发展，现在很多车量仪表已经使用电子车速表，常见的一种是从变速器上的速度传感器获取信号，通过脉冲频率的变化使指针偏转或者显示数字。里程表是一种数字式仪表，它通过计数器鼓轮的传动齿轮与车速表传动轴上的蜗杆啮合，使计数器鼓轮转动，其特点是上一级鼓轮转一整圈，下一级鼓轮转1/10圈。同车速表一样，目前里程表也有电子式里程表，它从速度传感器获取里程信号。电子式里程表累积的里程数字存储在非易失性存储器内，在无电状下态数据也能保存。车速报警装置是为了保证行车安全而在车速表内装设的速度音响报警系统。如果汽车行驶速度达到或超过某一限定车速(例如100km/h)时，则车速表内速度开关使蜂鸣器电路接通，发出声音报警。仪表板上电量显示、时间超速次数等是电动车运行相关情况的显示，他让驾驶员了解电动车在使用时的一些基本情况。目前，电子化仪表已取代机械式仪表。这是由于机械式仪表一旦出现故障很难处理，另外，由于汽车装用的电子控制机构和相关的临近项目不断增加，而采用电子化仪表，不仅可以改进驾驶员的目视性，还有助于汽车仪表的多样化，其总的发展趋势为如下几点。传统仪表一般是机电式模拟仪表，只能为驾驶员提供汽车运行中必要而又少量的数据信息，已远远不能满足现代汽车新技术、高速度的要求。汽车仪表的功能已不仅仅是单纯的指示，而是通过对汽车各部件参数的监测和微处理机配套，达到控制汽车各种运行工况的目的。随着现代电子技术的发展，多功能高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字显示及图像显示的仪表已不断地在汽车上应用。因此，汽车电子化仪表将逐步取代常规的机电式仪表。未来车用电子化仪表具有以下优点。(1)电子化仪表能提供大量复杂的信息为了提高汽车的使用性能，汽车的电子控制程度越来越高。电子控制装置必须能迅速、准确处理各种复杂的信息，并通过汽车仪表盘以数字、文字或图形等方式显示出来，使驾驶员了解与掌握汽车的当前状态，以便及时处理各种复杂的情况。目前，汽车的故障诊断、地形图显示、导航及各种信息服务装置都已开始装备汽车，汽车仪表盘作为信息显示终端已经是大势所趋。(2)满足小型、轻量化的要求为了使有限的驾驶空间尽可能宽敞些，用于汽车的各种仪表及附件都必须小型轻量化。电子化仪表不仅能适应各种传感器或控制系统的电子化，而且可实现小、轻、薄，既能节省汽车仪表盘附近的宝贵空间，增加一定的仪表数量，还可处理日益增多的信息量。(3)高精度和高可靠性实现汽车仪表的电子化，可为汽车驾驶员提供高精度的数据信息，同时，由于没有机械仪表中的那些机械传动部分，可减少了故障的发生率，大大提高了仪表的可靠性。(4)一表多用汽车电子化仪表可采用数字显示，可用一组数字进行分时显示，也可以同时显示多个参数，这样，汽车就不必为每个参数设置一个指示表，故使仪表盘得以简化，实现一表多用。(5)外形设计自由度高汽车仪表盘造型美观，这对一辆汽车来说非常重要，推出最流行的仪表新款式，选用外形设计自由度特别高的电子显示器件则是实现汽车现代化、提高产品竞争力的有力措施。基于以上优点，汽车将会越来越多地装用各种用途的电子化仪表。造型新颖别致和功能强大的电子化仪表，将是今后车用仪表的发展趋势和潮流。车辆仪表可以是指针式、数字式或组合式，不同的显示方式有其不同的优缺点，指针式显示由机械移动来完成，结构比价简单，可行性比较高，但是显示不够直观明了；而数字式的电子仪表显示则直观易读，但是成本较高，实现复杂。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，特别是步进电动机式汽车仪表，但其开发尚不具备技术条件。全数字式汽车仪表特别是步进电动机式汽车仪表，是当今和未来一段时间汽车仪表的主导技术，有着十分广阔的市场前景。1.2设计任务与目的本设计方案主要是利用传感器、单片机，储存器等部件设计一个可实时显示里程和速度的自行车的速度里程表。主要介绍了自行车的速度里程表的设计思想、元件的选择、方案论证以及电路原理等内容，整体上分为硬件部分设计和软件部分设计。本文首先对该课题的任务进行方案论证，包括硬件选择使用方案和软件方案的设计；继而具体介绍了自行车的速度里程表的硬件设计，包括传感器的选择、单片机的选择、显示电路的设计；然后阐述了该自行车的速度里程表的软件设计，包括数据处理子程序的设计、显示子程序的设计；最后针对仿真过程遇到的问题进行了具体说明与分析，对本次设计进行了系统的总结。 具体的硬件包括：单片机最小系统、显示电路以及外围辅助电路等。软件设计包括：芯片的初始化程序、定时中断采样子程序、显示子程序等，软件采用汇编语言编写，软件设计的思想主要是自顶向下，模块化设计，各个子模块逐一设计。 二.设计思路，总体方案2.1 系统原理设计思路电动车的里程与速度表的总体设计思路是由检测元件检测车辆的行驶状态，然后将检测数据交给单片机进行数据的处理并输出,最后由现实元件直观显示需要显示的数据。在实现车辆状态检测的基本功能条件下，加上报警功能、出错复位等一些辅助功能，实现电动车状态监控。通过图像、声音等方式给驾驶员直观清楚的印象，完成机器与驾驶员之间的人机交互。显示里程/速度（显示元件）数据处理元件（单片机）整形电路检测车辆行驶状态（检测元件）报警提示图2.1 设计思路图本设计主要任务是开发一个以单片机最小系统为核心的电动自行车的速度里程表。本里程与速度分别根据以下公式求得：里程=脉冲总数单个脉冲代表长度速度=实时里程/单位时间此公式将最终显示出里程和速度。当车轮转动，传感器输出一个脉冲，可根据车轮周长计算里程，选择不同的车轮周长，里程数的变化有所不同；显示速度时，显示器会根据转速的不同显示不同的数字，当速度超过一定速度时，将启动报警系统。2.2检测元件选择系统的检测元件是对车辆的形式状态进行测量的关键元件，需要对车辆在启动后对车量的速度进行初步测量。根据系统工作原理，检测元件的主要任务是将车轮的转动信息转换为脉冲信号进行输入，交由单片机进行数据处理。车辆常用的测量元件主要是机械式、电磁式、光学式等。它们都能将车轮的转动状态转换成电平信号，达到使用目的。机械元件：结构简单，使用方便、价格低廉，可以有效节省系统的成本。但是，由于机械是测量元件，要完成信号的检测，需要对车轮进行物理上的直接接触。这就有可能会带来机械上的问题，如机械元件容易损坏、使用寿命短，、老化后误差很大等特点。在当今电子技术发展迅速的今天，我们考虑使用性能更好，价格也并不高的电子器件。电子元件：使用电磁式或者光电式，电磁式传感器主要选用使用较多的霍尔传感器。霍尔传感器是根据霍尔效应原理而制成的电流和电压传感器。它具有灵敏度较高、体积很小，便于制成特殊规格的探头等优点。但是他也存在着互换性差，信号随温度变化，非线性输出等缺点。图2.2 霍尔元件光电传感器：是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 图2.3 光电式传感器综上考虑，因为光电式传感器具有非接触的检测、响应时间短、对检测物体的限制少、性能可靠、价格合理等其他器件所不具有的特点，所以，最后使用光电式传感器作为测量元件。通过对市面上的光电传感器了解，考虑到电动车的结构特点，我们使用ST1101型单光束直射式红外光电传感器。2.3 单片机选择单片机是整个系统的核心元器件，他必须实现输入脉冲的数值处理、数据保存、显示信号输出以及报警等功能。市场上以51为内核的单片机使用的最为普遍与方便。51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是的公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。它使用历史长、发展健全、种类多样、功能齐全，能够达到一般使用的要求，而且成本低廉。现在使用的51系列单片机种类主要是：STC单片机、单片机（51单片机）、PHILIPS公司的单片机、TI公司单片机（51单片机）。本系统选用STC89C51芯片的主要原因：单片极为51系列单片机，具有51单片机的优点，如接口方便，通用性强，使用方便，易于初学者学习与编程。51单片机应用广泛，其使用时间悠久，应用成熟，能够适应多种需求，硬件兼容性好。使用51系列单片机能够有效控制系统的使用成本，高效简洁达到目的。STC89C51芯片带有4K的Flash存储器，其中1K能当EEPROM用，能够有效进行掉电保护，使每次的行驶里程数据在断电后不丢失，并提供下次再启动时使用。数据靠单片机存储，能够实现节省硬件资源，减少接口数量，编程方便，可靠性高。降低由外加芯片带来的附加成本。图2.4 STC单片机2.4 显示元件选择 在系统前两步得到了速度与里程数据之后，要将它显示在驾驶员面前。在单片机应用系统中，使用的主要器件是LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），这两种显示器成本低廉、配置灵活，与单片机接口方便。LCD：它液晶显示器是Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比CRT要好的多，但是价钱较其贵。LED：主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体固态器件，它可以直接把电转化为光。LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点。图2.5 LED数码管在电动车的里程与速度显示较为简单，对于以上两种形式，LED（发光二极管）更适合使用在电动车的现实上。在电动车上使用能完全满足系统显示里程速度的需求，而且，它比LCD成本低很多，具有更好的竞争优势。2.5系统总体设计方案经过元器件的选择之后，即得到系统总体设计的基本方案。即以ST1101为传感器的输入主体，以STC89C51RC为数据处理核心，以LED数码管为显示器件。对电动车的行驶状况进行实时监控与观测，让用户了解驾驶时的状况与电动车的性能。STC89C51RC单片机ST1101型单光束直射式红外光电传感器LED数码管图2.6 系统基本结构图三.系统硬件设计3.1硬件设计总体思路自行车的速度里程表的硬件电路设计是系统的基础部分，它包括信号的捕获、放大、整形，单片机的计算处理，实时显示和单片机外围基本电路的设计，两大主要器件就是传感器和单片机。本设计主要目标是为了对用户在使用电动车的过程中，对电动车的行驶状况进行实时监控与观测，让用户了解驾驶时的状况与电动车的性能。本设计以单片机最小系统为基础，对电动车的行驶状况进行数据接收、处理、显示、报告。这个系统总体上可分为信号的测量与输入、信号的整形、数据的处理、数据的储存、状态量的显示、报警装置、复位系统几大部分： 车轮行驶状态监测：在自行车轮的轴处安装感器，每当后轮旋转的时候，传感器就会产生感应，将向外输出若干个脉冲。信号的整形：对传感器输入的脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL电平，进过计算，即可算出轮子即时的转速。数据的处理：利用传感器测得的信号，结合电动车本身的物理特性以传感器安装特性进行处理，得出我们需要的速度与里程量。数据的储存：对得到的数据进行掉电保护，再次使用。状态量的显示：通过显示元件将电动车的状态特性直观的显示在人们的面前。报警装置：超过安全速度报警。复位系统：对可能的软件问题进行复位再设计时钟电路：为单片机提供时钟信号。ST1101传感器输入部分整形电路晶振电路STC89C51单片机内部EEPROM单片机最小系统复位电路输出部分里程显示超速报警速度显示图3.1 系统设计方案传感器是获取自然或生产领域中信息的关键器件，是现代信息系统和各种设备不可缺少的信息采集工具。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。单片机是本次设计的核心部件，单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。它是信号从采集到输出的桥梁，而且包括计算、定时、信息处理等功能。利用传感器进行信号的测量，整形后输入单片机，而单片机对输入的信号进行处理，完成对数据的计算与输出，使我们想要观察的数据直观的显示在显示设备上。另一方面单片机将需要的数据输入储存设备中，储存设备对其进行保存，以供系统使用。3.2主控电路设计3.2.1 芯片介绍单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随即存储器 RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。计数时钟定时/计数器T0/T1数据储存器RAM程序储存器ROM程序计数器PC振荡器CPU串行口可编程I/O特殊功能寄存器总线扩展串行通信P0P3口控制器外部中断图3.2 单片机结构示意图中央处理器（CPU）中央处理器是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能。内部存储器内部存储器包括内部数据存储器（内部RAM）和内部程序存储器。存储器是由大量的寄存器所组成，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。定时/计数器单片机的定时器和计数器是同一结构，只是计数器记录的是单片机外部发生的事件，由单片机的外部电路提供计数信号；而定时器是由单片机内部提供一个非常稳定的计数信号。中断系统中断系统在计算机中起着十分重要的作用，是现代计算机系统中广泛采用的一种实时控制技术，能对突发事件进行及时处理，从而大大提高系统的实时性能。串行I/O接口串行I/O口的数据各位按顺序传输，其特点是需要一对传输线，成本低；但速度慢，效率低，适合静态显示。并行I/O接口并行I/O接口的数据所有位同时传送。其特点是传输速度快，效率高；但传送多少位就需要多少根传输线，因此传送成本高，适合动态显示。时钟电路MCS-51系列单片机内部有时钟震荡电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，8051所用的典型晶体震荡频率为12MHz。位处理器位处理器，也叫布尔处理器MCS-51系列单片机的位处理器以状态寄存器中的进位标志CY为累加器。位处理器能对可寻址位进行置位、复位、取反、等与“0”转移、等于“1”转移且清“0”以及C与可寻址位之间的传送、逻辑与。逻辑或等位操作。位处理器也是通过运算器实现的，他是单片机实现控制功能的保证。总线上述这些部件都是通过总线连接，构成一个完整的单片机系统。总线结构减少了单片机的连接线和引脚，提高了集成度和可靠性。 在本系统中，以应用最为广泛的51单片机作为核心元件，使用51系列单片机来实现数据处理、显示控制、报警判断等功能。51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。 本系统选用STC89C51单片机。STC89C系列单片机是高速/低功耗的新一代8051单片机，最高工作频率可分别达到25MHz-50MHz，SCT89C系列单片机有较宽的工作电压，5V型号的可工作在3.4V-6V，3.3V型号的可工作在2.0V-4.0V(ISP/IAP操作时对电压的要求会稍严)。正常工作模式下典型电耗为4mA-7mA，空闲模式为2mA，掉电模式（可由外部中断唤醒）下小于0.1uA。STC89C51系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准8051的单片机，它的芯片含有4K字节的FLASH ROM供用户编程使用。由于内部1K的EEPROM的存在，可以使数据的保存更方便，不需要使用外部扩展的数据存储器，大大减小了硬件的复杂程度，节省了硬件电路，对于编程也更方便。此外，STC89C系列单片机在完全兼容8052芯片（在标准的8051基础上增加T2定时器和128字节内部RAM）的基础上，增加了许多实用功能。图3.3 单片机引脚功能图STC89C51的主要管脚功能简介：P0.0P0.7：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/数据总线复用口。P1.0P1.7：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2.0P2.7：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。 P3.0P3.7：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外，由于ALE是以晶振16的固定频率输出的正脉冲，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效(低电平)，以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTALl和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS：地线。 VCC：+5V电源。对于有内部EPROM的单片机芯片(例如87C51)，为写入程序须提供专门的编程脉冲和编程电源。它们也由引脚以第二功能的形式提供的，即：编程脉冲：30脚()编程电压(25V)：31脚()如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话，则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。P3的8条口线都定义有第二功能：P3.0：串行数据接收 RXDP3.1：串行数据接收 TXDP3.2：外部中断0申请 P3.3：外部中断1申请 P3.4：定时/计数器0的外部输入 T0P3.5：定时/计数器1的外部输入 T1P3.6：外部RAM写选通 P3.7：外部RAM读选通 3.2.2时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。STC89C51RC片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本设计采用前者。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和电容，就构成一个稳定的自激振荡器。单片机内部时钟方式的振荡电路如图所示。图3.4 单片机片内振荡电路电路中的电容C1和C2常选择为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。而外接晶体的振荡频率的大小，主要取决于单片机的工作频率范围，每一种单片机都有自己的最大工作频率，外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率即可。此外，如果单片机有串行通信，则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶体。STC89C51单片机应用时，必须在XTAL2管脚串接一个120-160欧姆的电阻再到晶振的管脚，利于起振。所以，应用时，时钟电路应改为如下图所示。图3.5 STC89C51 芯片的时钟电路设计本设计晶振采用6MHz，则计数周期为3.3.3复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要作用是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序.除了进入系统的正常初始化之外，当单片机运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。MCS-51单片机的复位操作有两种方法：上电复位和上电复位按钮。上电复位电路如图。本系统的复位电路是采用按键复位的电路，是常用复位电路之一。单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，该高电平使单片机全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V加到了RET/VPD端从而复位称为手动复位。 图3.6 单片机复位电路复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零。3.3输入电路（数据采集电路设计）3.3.1红外光电传感器介绍本设计采用ST1101型单光束直射式红外光电传感器，它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光敏晶体管组成。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。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。电动车车轮是支撑式设计，将ST1101安装在电动车后轮的轴上，把传感器的检测部分放在支撑棒之间的通透位置。每当后轮旋转的时候，由于车轮的转动，传感器的红外光线由于支撑棒的阻挡与转动，高灵敏度的光电晶体管将间歇性的感应。因此，传感器能将向外输出若干个脉冲。这些脉冲及是电动车的速度参数。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。车轮支撑结构的个数决定了测量的精度，个数越多，精度越高。图3.7 车轮样式 图3.8 光电传感器形状 图中，光电传感器中虚线部分及为光线路径，当车轮不动动时，光源发射出的光一直处于直射或被阻挡的单一状态，高灵敏度的光电晶体管就只会处于一直导通或一直不导通的状态，高灵敏度的光电晶体管电路只会输出一种状态，及高电平或低电平，不会形成脉冲。当电动车开始行驶时，由于车轮的转动，车轮的支撑结构中，支撑架也开始运动，当支撑架运动时，红外光源发出的光线的路径状况就会发生变化。当电动车车轮的支撑架运动到光线路径上时，光源发出的光被遮蔽，高灵敏度的光电晶体管就无法接收到来自光源的光线，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。而随着电动车的运动，车轮的也在不断滚动，这就会使支撑架的位置同时发生变化，原来档在光源与高灵敏度的光电晶体管之间的支撑架移动，光源与高灵敏度的光电晶体管之间重新达到无阻碍状态。而当没有物体挡在中间时高灵敏度的光电晶体管时，高灵敏度的光电晶体管电路则输出为高电平，从而形成一个脉冲。随车车辆不断动作，车轮位置不断变变化，支撑架的位置也不断变化。这就导致了高灵敏度的光电晶体管的接收状态不断改变，从而形成一系列的脉冲信号。而这个脉冲信号及是关于电动车行驶状况的实际参数。对这个脉冲信号进行整形处理后即可得到可供单片机使用的信号，在经过单片机的数据处理后，可得到直观的速度与里程参数。3.3.2整形电路由于从光电传感器中传回的脉冲数据存在电压超过单片机范围、电流不稳定等特点。所以，需要对由传感器传送过来的直接信号进行处理后才能发送给单片机进行数据处理。使得电频信号波形稳定，送入单片机的信号能够符合单片机的使用范围与条件。整形电路主要考虑使传感器输入的信号稳定，电压值能够达到单片机使用范围内。图3.9 整形电路图中，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，同时将输出信号加到单片机的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。UINUOUT图3.10 整形波形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。3.3.3输入电路设计系统的电路部分是系统的先导部分，是保证系统正常实现关键。所以，必须保证输入电路的准确可靠。图3.11 输入电路如图所示，发光二极管发出光源，光电晶体管由于车轮的滚动，物理上间歇性遮断光线，导致其间歇性导通与闭合。当光电晶体管间歇性闭合与导通时，NPN结的基极电压间歇性变化。当基极电压高于一定值时，NPN结导通，其集电极电压为零。NPN结不导通时，集电极电压为高.经过反相器反相后送入单片机。3.4 输出电路3.4.1数据显示在单片机系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种显示器成本低廉、配置灵活，与单片接口方便。本设计中采用LED数码管显示。在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。八段LED显示器由8个发光二极管组成。其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔画段，另一个小数点为dp发光二极管。LED显示器有两种不同的形式：一种是发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。 图3.12 数码管外形 图3.13 共阴极数码管显示器的显示方式有静态显示方式和动态显示方式。静态显示方式就是当显示器显示某一个字符时。相应的发光二极管恒定的导通或截止，直至显示另一个字符为止。静态显示方式，显示器中各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定相应的锁存输出将维持不变。正因为如此，静态显示是亮度较高。这种显示方法编程容易，管理也较简单，但占用I/O口资源较多，因此在显示较多数位的时候，一般用动态显示方法。在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位的分时轮流点亮各位显示器，对每一位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭的时间比例有关。调整导通电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。这种显示方式将各位LED管相同段引脚或短线并联到一起，尤一个8位的I/O口控制，而共阴极或共阳极公共端分别尤相应的I/O口控制，实现各位显示器的分时选通。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），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。本次设计使用动态显示方式。使用