电动车里程表设计.doc

济南铁道职业技术学院 毕业设计 题 目：电动自行车速度里程表系 别：电气系专 业：电气自动化班 级：电气0431学生姓名：付小明指导教师：贾俊刚完成日期：2007.10济南铁道职业技术学院毕业设计任务书班 级电气0431学生姓名付小明指导教师贾俊刚设计题目电动车里程表设计主要研究内容 以AT89C51型单片机为核心，实时测量并实施显示电动车行驶过程的两项运动参数：速度和里程。所测量各值可单独显示，测量值误差小于1%。超速行驶（设置两个可选择的限速参数）时， 自动发出声光报警 。主要技术指标或研究目标 系统由测量模块、功能选择模块、显示模块、供电模块盒单片机小系统构成。功能选择后启动测量，单片机实时采集、处理数据后显示。基本要求 （1）根据功能要求编制设计方案。（2） 设计控制原理图。（3）购买元器件在模拟板上进行调试。（4）PCB电路板设计。（5）连接电路进行最后调试，撰写报告。主要参考资料及文献单片机原理及接口技术 北京航空航天大学出版社 李朝青单片机应用系统设计与实现 福建科学技术出版社 辛友顺单片机在控制系统的应用 电子工业出版社 余永权摘要给出了以AT89C51单片机和光电传感器为核心，利用单片机的运算和控制功能以及传感器可以将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行控制与计算的特点，采用串口LED显示模块实时显示所测速度和里程的速度里程。该方案由于使用了串口LED显示模块和E2PROM以及高效快速的算法，因而可在节约系统资源和简化程序设计的基础上保证测量精度和系统实时性。关键词：脉冲发生；数据采集；串行数据存储；实时数据处理；速度及里程测量；串行LED显示；单片机的选择；软件设计目录第一章.引言.5第二章 系统概述.62.1系统工作原理.62.2 系统硬件设计82.2.1单片机系统.82.2.2 LED显示电路.92.2.3 外部晶振输入及复位电路.112.2.4供电电路.12第三章.系统的软件设计133.1系统软件设计框图133.2数据的采集及处理13总结15致谢16参考文献17附录（一）18元器件清单18电路工作原理图19光电传感器的参数特性19附录（二）系统编程软件.21 第一章 引言当今社会，以电力作为主要动力的电动自行车正逐步取代自行车，摩托车而成为代步的主要交通工具。行驶过程中不产生污染，利于环境保护。考虑其改善人们的出行方式、保护环境和经济节约等综合因素，电动自行车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。目前市面上电动自行车的速度里程表都是机械式结构的，看起来不够直观,如果能够采用LED屏幕直接将里程数或速度值显示出来，则会给用户带来极大的方便！本设计以AT89C51单片机为核心，通过光电传感器来检测自行车的运转情况进而实现电动自行车的速度、里程的计算及里程的累计、存储，最后用8位的LED直观的将速度与里程值显示给用户，并且能够在速度高于用户的设定值时自动向用户发出声光报警，从而实现仪表的智能化。第二章 系统概述本速度里程表系统由信号预处理电路、单片机、串口液晶显示电路、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；通过单片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到引脚的正脉冲宽度（即测出脉冲信号的周期）；速度显示部分采用串口液晶显示模块，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。系统原理框图如图所示:波形整形波形变换信号放大待测信号智能声光报警电路 AT89C51LED显示功能选择电路电源电路2.1 系统工作原理该设计能实时地将所测的速度显示出来，同时也能够累计显示总里程数。该速度里程表能将传感器输入到单片机的脉冲信号的宽度（传感器将车速转变成相应宽度的脉冲信号）实时地测量出来，然后通过单片机计算出速度和里程，再将所得的数据存储到串口数据存储器，并由串口液晶显示模块实时显示出所测速度。本设计用两个按键来控制显示速度或里程。考虑到信号的衰减、干扰等影响，再信号送入单片机前应对其进行放大整形，然后再输入到单片机进行测速。单片机利用定时器的控制功能测出输入信号的周期后，再利用单片机的算术运算功能将周期转换成速度，同时每秒钟进行一次里程累计，从而计算出总里程。最后将得出的速度、里程值存储在中，并根据两个按键的选择情况来显示速度或里程。2.2系统硬件设计系统信号采集及预处理电路如图所示 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。单相脉冲转换成方波信号电路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。2.2. 单片机系统AT89C51单片机简介AT89C51从20世纪90年代初期开始大量进入我国市场，其低廉的价格，可靠的性能，该芯片拥有与8051单片机完全一样的管脚分布，除了内部带有4K flash与8051内部的ROM不一样外，其硬件资源完全相同。其管脚分布图如下所示：1) AT89C51单片机的性能及特点： 与MCS-51系列单片机产品兼容； 片内有4K(8K)可在线重复编程的快速闪存可擦写存储器； 存储器数据保存时间为10年以上； 宽工作电压范围，VCC可为2.76.5V； 全静态工作：可从0Hz24MHz； 程序存储器具有三级加密保护； 128个字节（256个字节）的内部RAM； 32条可编程I/O口线；三个16位定时器/计数器； 中断结构具有5级（6级）中断源和两个优先级； 可编程全双工串行通讯； 空闲维持低功耗和掉电状态保护存储数据；2.2.2 LED显示电路8位LED动态显示电路显示电路是智能仪表的重要功能电路之一，为简化电路、降低成本，通常采用动态显示方式来实现，使用的集成电路有8279，8155，8255，Max7219等，但这些集成电路存在体积大、价格贵的缺点，若在一些功能不是太复杂的系统中选用这些集成电路是不可取的。随着智能仪表技术的不断发展，如何有效地设计低成本、小体积的显示电路成为电路设计者必须考虑的问题。本文提出了一种实用的低成本多位数码显示电路的设计方法。 1 电路的硬件连接和工作原理 图1为单片机系统构成的8位LED动态显示电路，该电路以AT89C51单片机为例。电路使用器件少，仅用到了2片中规模集成电路74LS164和74LS138，占用CPU的IO线少，特别适合于IO线不是很多的单片机如AT89C51系统。74LS164为串并转换移位寄存器，数据端A，B（第1，2脚）接单片机RXD引脚，时钟端CLK接单片机TXD，并行8位数据输出端分别接8个数码管的A，B，C，D，E，F，G，H；74LS138为3线8线译码器，译码器输入端A，B，C分别接AT89C51的P1.0，P1.1，P1.2口 ，译码器输出端Y0Y7接8个数码管从低位到高位的共阴极端。电路中，要显示的数字所对应的字形码通过串行口送到74LS164，74LS138在同一时刻只有1位输出端为低电平，其他7位输出全为高电平，为低电平的对应的数码管选中，因此作为数码管显示时的位选信号。系统在工作时，通过74LS164每次输出一个字形码，同时控制74LS138的译码器输入端A，B，C的电平状态，即从P1.0，P1.1，P1.2送出相应的电平信号，译码后使得要显示的对应位数码管共阴极端依次为低电平，即依次选中要显示的位，完成整个显示电路的动态扫描，依此扫描8次，完成8位数据的显示。 2 软件编写 以AT89C51单片机系统构成的8位LED动态显示电路的显示子程序流程如图2所示: 设待显示的数据放在显示缓冲区中，显示缓冲区的地址为70H，71H，77H，依次存放从低位到高位待显示的数据。则显示子程序清单如下:3编写该程序时要注意程序中的延时时间的大小，延时过长会造成显示不连续，延时过短，又会出现闪烁现象，经多次调试在该设计中最佳延时为4 ms。 本显示电路硬件结构简单，软件实现也很容易，而且性能稳定、成本低。经过反复测试，效果很好，在一般的单片机控制系统中都可以使用该显示电路，具有一定的通用性。在实际使用中，为增加LED数码管的亮度来源，可以在74LS164和74LS138的输出端增加驱动电路如74LS07等。2.2.3外部晶振输入和复位电路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。单片机复位及时钟电路3) AT89C51单片机的各中断源及其特点分为：INT0：外部中断0请求，通过P3.2引脚输入，入口地址为0003H。INT1：外部中断1请求，通过P3.3引脚输入，口地址为0013H。T0：定时器/计数器0溢出中断请求，入口地址为000BH。T1：定时器/计数器1出中断请求，入口地址为001BH。TI/RI：串行口中断请求，入口地址为0023H。2.2.4供电电路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。如图所示电源电路 供电电路第三章 系统的软件设计 3.1 系统软件设计框图 如图所示，本系统软件采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、频率测量模块、速度，里程计算模块、数据转码模块、速度显示模块、里程显示模块、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。系统软件设计框图3.2数据的采集及处理 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。再根据铝盘与自行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，从而算出自行车在这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。根据它与自行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行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。 为了方便计算要显示数据值的段码，可再将其转换成压缩的码，然后通过查表将要显示的数据值中每一位的压缩码转换成段码送到显示缓冲区，最后经串口送至液晶显示模块以显示所测的速度或里程。总里程数的显示是设定出现在电动自行车开动，单片机开机经过初始化后显示出来，这样以来用户可以清楚的知道自己的车子已经运行了多少公里了。而速度的显示则是在计算出速度里程后立刻显示出来，体现实时性。设计时，应综合考虑测速精度和系统反应时间。本设计用测量脉冲频率来计算速 度，因而具有较高的测速精度。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，还应尽量保证其它子模块在编程时的通用性和高效性。本设计的速度和里程值采用位显示，并包含两个小数位 总结通过这次毕业设计，使我深深地体会到知识的无限广阔和学术理论的永无止境，同时也让我充分认识到自身的不足。从刚开始的面对一个陌生而具有挑战性的课题不知该从何处入手打哪指哪到课题结束后的指哪打哪，其过程是曲折的，却是使我受益匪浅的，它使我的综合能力得到进一步的提升，在设计过程中一系列的难题指引下我不断地寻求、探索、对比、反思，从而使自己自然地将各种知识零散的独立体系紧密地结合到了一起进行综合的应用，相互补充，相互支持，课堂上有所遗漏的知识得到及时有效且直观的补充，更使自己原已掌握的部分得到加强和较深的领悟。介于设计水平有限，设计中有不当和欠妥之处，望老师给予批评指正。感谢老师！致谢山在转，水在流，过去的日子不再回头，回首往日，历历在目，老师苦口婆心般的谆谆教导依然回荡在耳际，你熟悉的背影总是让我留恋，你纯真的笑脸总是给我们不尽的欢乐和轻松，不知不觉中我们神清气爽地就被你骗入了浩瀚的知识海洋！一起畅游，一起迷惘，共同接受着知识的洗礼；一起烦恼，一起忧伤，共同承载着年轻的希望。我的错，你的好，早已无法遗忘。如今，我已长大，要靠自己的翅膀飞翔，不管是否愿意，现实不允许我继续借助你的臂膀！但我知道，我一定可以有自己的一片天空，因为，你的人生准则，你的信念，你的学术水平，早已经为我定格了驰骋的坐标！长久以来,老师以自己渊博的学识，脚踏实地的作风，深厚的学术造诣，尽职尽责，孜孜不倦，淋漓尽致地体现着教育工作者的高尚品德！老师强烈的事业心、高度的责任感将激励我在日后的学习工作中积极进取，永不言弃！设计过程中贾俊刚老师给予我不可或缺的指导和帮助，在此向贾俊刚老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！同时也向曾给予我关心教育的所有导师致敬！ 此致敬礼 付小明 2007年5月14日参考文献单片机原理及接口技术 北京航空航天大学出版社 李朝青单片机应用系统设计与实现 福建科学技术出版社 辛友顺单片机在控制系统的应用 电子工业出版社 余永权传感器及其应用手册 机械工业出版社 孙宝元 附录一元器件表元器件名称规格特性数量ST11011个AT89C51DIP封装1片MAX72191片LM78051片数码管6只晶振12MHZ1个 电阻10K4个2K1个4.7K3个0.1K1个0.47K6个电容2200u1个 470u1个10u1个1044个二极管94071个 1N40074个发光二极管个三极管NPN1个 蜂鸣器压电陶瓷1个 电路原理图光电传感器的参数极限特性光电特性附录（二）;*; 60H，61H，62H作里程计数单元，6CH，6DH作T1计数扩充单元，; 68H，69H，6AH，6BH存放自行车每圈时间数，70H，71H，72H，73H; 作显示BCD码存放数用，11H-15H存放被除数，16H-19H存放除数;* 定义* VSDA EQU P1.5 ; EEPROM数据传送口 VSCL EQU P1.4 ; EEPROM时钟传送口 SLA EQU 50H ; EEPROM器件寻址字节存放单元 NUMBYT EQU 51H ; EEPROM传送字节数存放单元 MTD EQU 30H ; EEPROM发送数据缓冲单元 MRD EQU 40H ; EEPROM读出数据存放单元 SLAW EQU 0A0H ; EEPROM寻址字节写 SLAR EQU 0A1H ; EEPROM寻址字节读 DPHH EQU 62H ; DPTR计数扩展高8位 TH1H EQU 6CH ; 定时器T1扩展高8位 TH1HH EQU 6DH ; 定时器T1扩展高8-16位;* ORG 0000H;程序执行开始地址 LJMP START;跳至START ORG 0003H;外中断0中断程序入口 LJMP INTEX0;跳至INTEX0中断服务程序 ORG 000BH;定时器T0中断程序入口 RETI;中断返回 ORG 0013H;外中断1中断入口 LJMP INTEX1; 跳至INTEX1中断服务程序 ORG 001BH; 定时器T1中断程序入口 LJMP INTT1; 跳至INTT1中断服务程序 ORG 0023H;串口中断入口地址 RETI;中断返回 ORG 002BH;定时器T2中断入口地址 RETI;中断返回;*上电初始化程序*CLEARMEN: MOV TMOD,#90H ;T1为16位外部控制定时器 SETB PX0 ;外中断0优先级为1 SETB IT0 ;外中断0用边沿触发 SETB IT1 ;外中断1用边沿触发 CLR A ;清A MOV 20H,A ;清内存中特定单元 MOV 6CH,A MOV 6DH,A MOV 70H,A MOV 71H,A MOV 72H,A MOV 73H,A MOV 60H,A MOV 61H,A MOV 62H,A MOV 63H,A ; 清内存中特定单元 DEC A ;A为#0FFH MOV 68H,A ;内存置数据#0FFH MOV 69H,A ; 内存置数据#0FFH MOV 6AH,A ; 内存置数据#0FFH MOV 6BH,A ; 内存置数据#0FFH MOV P1, A ;P1口置1CLEAR1: JB P1.2,KEY1 ;根据P1.2,P1.3,P1.6,P1.7设置状态，;在21H地址单元赋自行车周长值 MOV 21H,#0FH ;22寸自行车周长值 LJMP CLEAR2 ;转CLEAR2KEY1: JB P1.3,KEY2 ; MOV 21H,#12H ; 24寸自行车周长值 LJMP CLEAR2 ; 转CLEAR2KEY2: JB P1.6,KEY3 ; MOV 21H,#14H ; 26寸自行车周长值 LJMP CLEAR2 ; 转CLEAR2KEY3: JB P1.7,ERR ;四个开关都没合上，转出错处理 MOV 21H,#19H ; 28寸自行车周长值CLEAR2: SETB TR1 ;开定时器T1 SETB EA ;开中断允许 SETB EX0 ;开外中断0 SETB ET1 ;开定时中断T1 SETB P3.1 ;关报警器 LCALL VIICREAD ;将EEPROM中原里程数据调入内存 RET ;子程序返回ERR: CPL P3.1 ;轮周长设置出错，LED灯闪烁堤醒 LCALL DL5S ;延时 LJMP CLEAR1 ;重新初始化，等待轮周长设置开关合上;* MOV SP,#75H ;堆栈在75H开始 LCALL CLEARMEN ;上电初始化START1: JB P3.0,DISPLAYS ;P3.0=1，显示里程 LCALL DISPLAYV ;显示速度START2: SJMP START1 ;转START1循环; 里程计数程序，用外中断0实现，计数用60H-62H内存单元。INTEX0: PUSH ACC ; 累加器堆栈保护 PUSH PSW ;状态字堆栈保护 INC 60H ;圈加1 CLR A ;清A CJNE A,60H,INTEX0OUT ;计数没溢出转INTEX0OUT INC 61H ;溢出进位（61H加1） CJNE A,61H,INTEX0OUT ; 计数没溢出转INTEX0OUT INC 62H ; 溢出进位（62H加1）INTEX0OUT: LCALL VIICWRITE ;里程数据存入EEPROM SETB EX1 ;开外中断1 POP PSW ;状态字恢复 POP ACC ;累加器恢复 RETI ;中断返回; 每转1圈时间计数处理程序，每圈时间放在68H-6BH单元中。INTEX1: PUSH ACC ; 堆栈保护 PUSH PSW CLR EX1 ;关外中断1 JNB 00H,INTEX11 ;溢出标志为0转INTEX11 MOV TL1,#0FFH ;溢出时计时单元赋#0FFH（显示速度为零） MOV TH1,#0FFH MOV 6CH,#0FFH MOV 6DH,#0FFH INTEX11: MOV 68H,TL1 ;将时间计数值移入暂存单元68H-6BH MOV 69H,TH1 MOV 6AH,6CH MOV 6BH,6DH CLR A ;清A MOV TL1,A ;计时单元置0 MOV TH1,A MOV 6CH,A MOV 6DH,A CLR 00H ;清溢出标志 POP PSW ;堆栈恢复 POP ACC RETI ;中断返回; T1计数器中断服务程序。（计数器T1由外中断1输入控制，当为高电平时计时开始）INTT1: PUSH ACC ;堆栈保护 PUSH PSW INC 6CH ;6CH计时 单元加1 MOV A,6CH ;移入A JNZ INTT11 ;不等于0转INTT11 INC 6DH ;进位，6DH单元加1 MOV A,6DH ;移入A JNZ INTT11 ; 不等于0转INTT11 SETB 00H ;计时器溢出，置溢出标志INTT11: POP PSW ;恢复堆栈 POP ACC RETI ;中断返回;里程显示控制程序DISPLAYS: SETB P1.0 ;点亮LED1（显示里程状态） CLR P1.1 ;关闭速度指示灯 SETB P3.7 ;显示小数点（最小显示为0.1公里） LCALL SSS ;将圈数转为公里数 LCALL DISPLAY ;显示公里数据 LJMP START1 ;跳回START1;速度显示控制程序DISPLAYV: CLR P1.0 ;关闭LED1（里程）灯 SETB P1.1 ;点亮LED2(显示时速状态) CLR P3.7 ;关小数点显示 LCALL VVV ;每圈时间换算为公里/小时程序 MOV A,71H ;将十位数（BCD码）值移入A SUBB A,#04H ; 与预定报警值比较 JNC WARING ; 时速超过40时报警 SETB P3.1 ;关报警灯V1: LCALL DISPLAY ;显亮一次（为了改善闪烁） RET ;子程序返回WARING: CLR P3.1 ; 报警灯LED3点亮（并呜叫） AJMP V1 ;转V1退出;归一化EEPROM存入程序（12M时钟），存入数在50H起单元VIICWRITE: ACALL WMOV9 MOV SLA,#SLAW MOV NUMBYT,#09H LCALL WRNBYT RETWMOV9: MOV 5FH,#50H MOV R0,#MTD MOV R1,#5FH MOV R2,#09HWMOV: MOV A,R1 MOV R0,A INC R0 INC R1 DJNZ R2,WMOV RET; 归一化EEPROM读出程序（12M时钟），读出数放入60H-67H单元VIICREAD: MOV MTD,#50H ; MOV SLA,#SLAW MOV NUMBYT,#01H LCALL WRNBYT MOV SLA,#SLAR MOV NUMBYT,#08H LCALL RDNBYT ACALL RMOV8 RETRMOV8: MOV R0,#MRD MOV R1,#60H MOV R2,#08HRMOV: MOV A,R0 MOV R1,A INC R0 INC R1 DJNZ R2,RMOV RET; I2C串行归一化存储子程序STA: SETB VSDA SETB VSCL NOP NOP NOP NOP CLR VSDA NOP CLR VSDA NOP NOP NOP NOP CLR VSCL