基于单片机与光电传感器的电动自行车速度与里程表的设计.doc

基于单片机与光电传感器的电动自行车速度与里程表的设计 应用天地49今日电子?xx?7月基于单片机与光电传感器的电动自?车速度与?程表的设计张怀强周通陆坤何为民从保护环境和经济条件许可等因素综合来看，电动自?车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。 目前市面上电动自?车的速度表和?程表都是机械的，看起来?够直观与方?。 如果能用直接显示出来?程数或速度值，就可节省用户的时间及精?处?自?车?进过程中的突发事件。 本文介绍的速度与?程表设计以单片机和光电传感器为核心。 传感器将?同车速转变成的?同频率的脉冲信号输入到单片机进?控制与计算，再采用模块进?显示，使得电动自?车的速度与?程数据能直观的显示给使用者。 系统概述本系统由信号预处?电?、单片机、系统化显示模块、?口数据存储电?和系统软件组成。 其中信号预处?电?包含信号放大、波形变换和波形整形。 对待测信号进?放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电?则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的信号；通过单片机的设置可使内部定时器对脉冲输入引脚进?控制，这样能精确地算出加到引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中速度显示采用模块，通过速度换算得来的?程数采用总线并通过来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。 系统的原?框图如图所示。 工作原?该设计能实时地将所测的速度与累计?程数显示出来，主要是将传感器输入到单片机的脉冲信号的频率（传感器将?同车速转变成?同频率的脉冲信号）实时地测?出来，考虑到信号的衰减、干扰等影响，在信号送入单片机前应对其进?放大整形，然后通过单片机计算出速度和?程，再将所得的数据存储到?口数据存储器，并由显示模块交替显示所测速度与?程。 本设计的?程数的算法是一种大概的算法（假设在一定时间内自?车是匀速?进，平均速度与时间的乘积即为?程数）。 设计时，应综合考虑测速精度和系统反应时间。 本设计用测?脉冲频率来计算速度，因而具有较高的测速精度。 在计算?程时取了自?车的?想状态。 实际中，误差控制在几米之内，相对于整个?程来说?是很大。 为了保证系统的实时性，系统的速度转换模块和显示数据转码模块都采用快速算法。 另外，还应尽?保证其他子模块在编程时的通用性和高效性。 本设计的速度和?程值采用位显示，并包含两个小数位。 系统的硬件设计脉冲发生源本设计采用了红外光电传感器，进?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。 图系统的原?框图应用天地今日电子?xx?7月50该系统在自?车后轮的轴处保持着与轮子旋转切面平?的方向延伸附加一个铝盘，在这个铝盘的边沿处挖出?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?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电平，即可算出轮子即时的转速。 铝盘的圆孔的个数决定了测?的精度，个数越多，精度越高。 这样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免了因为两个过孔之间的距离过大，而车子正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止了，造成较大的误差。 本设计在铝盘过孔的设计上采用个过孔，从而留下了个同等的间距。 这样在以后的软件设计中能够较为方?的计算出速度?程。 脉冲发生源的硬件结构图如图所示。 信号预处?电?如图所示，系统的信号预处?电?由二级电?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?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?程表既可以测?任意方波信号的频率，也可以测?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，系统能对任意大于的正弦波和脉冲信号进?测?。 预处?电?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相脉冲转换成与电平相兼容的方波信号（如图所示），同时将输出信号加到单片机的口上。 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，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?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?想的矩形脉冲波形。 只要施密特触发器的和设置得合适，均能受到满意的整形效果。 的应用是位?，在内部组织成位。 的特点是具有允许在简单的二线总线上工作的?接口和软件协议。 如图所示，在本设计中用芯片的端与单片机的口相连，端与单片机的口相连。 因为在这个总线上只有一个器件，所以把的地址设为，即把、都接地。 单片机计算出来的?程数据通过、向图脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）图信号预处?电?图应用天地51今日电子?xx?7月输送数据。 单片机首先向发送写信号，当确认后从单片机内部的数据储存单元提取数据然后向的内部地址传送数据。 当显示?程时，单片机首先向发送读信号，然后确认后，单片机从内部的地址向单片机的读出单元字节读出数据，供显示所用。 显示部分本设计的显示模块包括、和个显示管等器件。 是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的“三合一”器件。 锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，?于观察和记录。 用译码器将码转换成段码，再经过大电流反相器，驱动共阴极数码管。 译码器属于非时序电?，其输出状态与时钟无关，仅取决于输入的码。 的作用相当于位选的功能，当，的输入分别为“、”时分别选择?同的，从而在?同位上显示?同的数字和小数点。 是位三态输出寄存器，通过的，来控制其的工作，从而使来控制小数点显示。 图是显示模块框图。 图为系统显示部分的电?。 系统中用的选择以驱动显示，、来控制的，从而达到以的控制小数点的显示，另一个只用到其和，图中字符相对应的地方表示其引脚相连。 系统的软件设计系统软件框图如图所示，本系统软件采用模块图与单片机的接口电?图化设计方法。 整个系统由初始化模块、频率测?模块、速度，?程计算模块、数据转码模块、速度显示模块、?程显示模块、数据存储，读取模块、定时器中断服务模块以及其他功能模块组成数据处?待测信号经预处?电?后加至单片机的（）引脚可为单片机测?信号频率提供有效的输入信号。 单片机通过检测引脚电平来决定是否启动测?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。 同时可以从寄存器知道在两秒内单片机检测到的个脉冲。 而所得到的正是这两秒内铝盘在圆周上所走得距离。 （此时假设在这个两秒内车子是匀速前进的），距离除以图显示模块框图图系统显示部分的电?（下转第页）应用天地今日电子?xx?7月54同步码或者间隙同步，这?采用第二种方法。 在数据帧发送时，首先拉高数据发送线，拉高的时间为发送个数据位的时间，帧头高电平的间隙用作数据帧的同步。 奇偶校验码作为一种检错码虽然简单，但是?检率太高。 在计算机网络和数据通信中用得最广泛的检错码，是一种?检率低得多也?于实现的循环冗余码。 生成多项式阶数越高，误图发送字节的顺序示意图判的概率越小。 本文采用，其生成多项式为（）。 实现的方法一般有两种直接计算和查表。 由于查表法至少需要的空间用来存储表值，所以这?采用直接计算的方法。 数据传输时使用单线?输出，用口线模拟?发送，发送字节时在口线上依次发送如图所示数据（数据为时拉低口线电平，数据为时拉高口线电平），位持续时间根据波特率计算，本应用中设定波特率为。 当没有数据发送时，输出口线上维持高电平。 数据发送最后通过光耦隔离，使得现场和数据的输出隔离，同时可以根据后级系统输入的需要简单地?改电?。 结束语经过实际应用，单片可实现小信号传感器输出电平测?，转换时间小于。 并可实现低功耗测?，整机功耗?超过。 该系统特别适合于实现了一个智能传感器，当输入信号满辐度大于时可以保证位转换分辨率。 由于采用半双工的差分传输，可以方?地实现传感器的组网。 图系统软件框图的时间，就可以大概的算出这内铝盘的线速度。 再根据铝盘与自?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，从而算出自?车在这的平均速度。 至于?程的计算，根据速度计算的分析，在得到内铝盘在其圆周上走过的距离后。 根据它与自?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自?车在这两秒内走过的?程。 把这个?程与存储器原来的?程数相加即可得到目前的总?程数。 通过单片机计算出来的速度和?程的数据，必须通过码的转换才能输出给显示模块。 总?程数的显示是设定出现在电动自?车开动，