基于单片机的速度里程表设计

湖南工业职业技术学院湖南工业职业技术学院 毕业实践任务书 系系 名名 称称 电电 气气 工工 程程 系系 专业及班级专业及班级 学学生生姓姓名名 学学 号号 毕业实践题目 毕业实践题目 基于单片机的汽车里程表设计基于单片机的汽车里程表设计 指指 导导 教教 师 签字 师 签字 教研室主任 签字 教研室主任 签字 系系 主主 任 签字 任 签字 2008 年年 1 月月 20 日日 2 毕业实践课题及任务毕业实践课题及任务 课题简介 该课题主要是利用单片机技术进行的一项软 硬件开发技术 其目的是培养学生利 用单片机技术解决生产 生活中的实际问题 对提高学生设计能力动手能力和工程 实践技能有较重要的意义 学生应具备电路分析 电子技术 单片机技术等方面的 相关知识 熟悉单片机系统流程图 硬件结构图及汇编语言 能进行单片机控制电 路的连接 程序编写 输入 修改及调试等 课题任务 要求 一 毕业设计 论文 的内容概述 汽车里程表是一种具有速度测量 行程测量 超速报警及 LCD 显示功能的 单片机应用系统 利用硬件电路和软件控制来实现上述功能 二 毕业设计 论文 的要求与数据 1 写出汽车里程表的控制要求分析 2 画出硬件电路接线图 3 画出控制系统流程图 4 编写控制程序 5 写出汽车里程表的使用说明 三 毕业设计 论文 应完成的工作 1 毕业设计 论文 应有详细的设计方案 控制电路 控制程序及分析说明 2 毕业设计 论文 应在规定的时间内完成 3 毕业设计 论文 应严格按设计规范打印 装订 3 进程安排 参考资料 1 单片机原理及应用 北京航空航天大学出版社 孙涵芳主编 2 电子技术 高教出版社 胡宴如主编 3 电子线路 CAD 机械工业出版社 王廷才主编 4 单片机应用程序设计技术 北京航空航天大学出版社 周航慈主编 4 湖南工业职业技术学院毕业实践开题报告书湖南工业职业技术学院毕业实践开题报告书 系 专业 学生姓名班级学号 课题名称 课题 准备 情况 思路和 方法 拟重点 解决的 问题 计 划 进 度 指导教 师意见 签名 年 月 日 5 湖南工业职业技术学院毕业实践考核表湖南工业职业技术学院毕业实践考核表 系 专业 学生姓名班级学号 课题名称 课题 完成 情况及 自我评 价 评语评分 共 40 分 指导教 师评价 签名 年 月 日 评语评分 共 30 分 评阅教 师评价 签名 年 月 日 评语评分 共 30 分 答辩小 组评价 组长签名 年 月 日 毕业实践 评审组审 核 经综合考核该学生毕业实践得分 分 评定为 组长签名 年 月 日 6 目录目录 实验原理 3 方案论证和选择 3 所用设备 器材 3 硬件方案 完整的电路原理图 4 软件方案 程序流程图 源程序 含注释 10 调试过程 13 运行结果及分析 16 实验的收获体会及建议 17 组长对本人及组员评价 17 参考文献 作者 名称 出版社 出版日期 17 7 实验原理 实验原理 本设计能实时地将所测的速度与累计里程数显示出来 主要是将传感器输入到单片机的 脉冲信号的频率 传感器将不同车速转变成不同频率的脉冲信号 实时地测量出来 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行放大整形 本设计用两个按键来控制显示速度或里程 单片机利用定时器 T0 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 EEPROM 中 并根据两 个按键的选择情况来显示速度或里程 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 BCD 码 然后通过查表将要显示的数据值中每一位的压缩 BCD 码转换成 8 段码 送到显示缓冲区 最后经串口数据存储器送至 LED 显示模块以显示所测的速度或里程 本设计的里程数的算法是一种大概的算法 假设在一定时间内汽车是匀速行进 平均速 度与时间的乘积即为里程数 设计时 应综合考虑测速精度和系统反应时间 本设计用测量脉冲频率来计算速度 因而具有较高的测速精度 在计算里程时取了汽车的理想状态 实际中 误差控制在几米 之内 相对于整个里程来说不是很大 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 BCD 码模块都采用快速算法 另外 还应尽量保证其他子模块在编程时的通用性 和高效性 本设计的速度和里程值采用 8 位显示 并包含两个小数位 方案论证和选择方案论证和选择 本速度里程表设计以单片机和光电传感器为核心 传感器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 再采用 LED 模块进行显示 使得速度里程数据 能直观的显示给使用者 所用设备 器材组成所用设备 器材组成 本速度里程表由信号预处理电路 AT89C51 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 TTL 信号 通过单片机的 设置可使 INT0 引脚能够对内部定时器 T0 的工作进行控制 这样能精确地测出加到 INT0 引脚的正脉冲数 即测出脉冲信号的周期 设计中速度显示采用 LED 模块 所得的数据采 8 用 I2C 总线并通过 EEPROM 来存储 因而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软件包括单片机和 LED 模块的初始化模块 LED 模块的写 数据 命令子模块 周期测量模块 速度里程计算模块 数据存储模块 速度和里程显示 数据转 BCD 码模块 显示数据消多余零模块 数据显示模块以及实时中断服务模块等 系 统的原理框图如图 1 所示 图 1 系统的原理框图 硬件方案 完整的电路原理图 硬件方案 完整的电路原理图 一 系统硬件设计 1 1 信号预处理电路信号预处理电路 信号预处理电路如图 3 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 74LS14 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 如 图 4 所示 同时将输出信号加到单片机的 P3 2 口上 9 图 3 信号预处理电路图 图 4 施密特触发器对脉冲的整形 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 EEPROMEEPROM AT24C02 的应用 AT24C02 是 CMOS 2048 位串行 EEPROM 在内部组织成 256 8 位 AT24C02 的特点是 具有允许在简单的二线总线上工作的串行接口和软件协议 如图 5 所示 在本设计中用芯片 AT24C02 的 SDA 端与单片机的 P3 7 口相连 SCL 端 与单片机的 P3 5 口相连 因为在这个 I2C 总线上只有一个器件 所以把 AT24C02 的地址设 为 000 即把 A0 A1 A2 都接地 单片机计算出来的里程数据通过 SDA SCL 向 AT24C02 输送数据 单片机首先向 AT24C02 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 AT24C02 的内部地址传送数据 当显示里程时 单片机首先向 AT24C02 发送 读信号 然后确认后 单片机从 AT24C02 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 10 图 5 AT24C02 与单片机的接口电路图 3 显示部分显示部分 本设计的显示模块包括 MC14511BCP CD4076 74LS138 和 8 个 LED 显示管等器件 MC14511 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 便于观察和记录 用译码器将 BCD 码转换成 7 段码 再经 过大电流反相器 驱动共阴极 LED 数码管 译码器属于非时序电路 其输出状态与时钟无 关 仅取决于输入的 BCD 码 74LS138 的作用相当于位选的功能 当 C B A 的输入分别为 000 001 010 011 100 101 110 111 时分别选择不同的 MC14511 从而在不同 位上显示不同的数字和小数点 CD4076 是 CMOS 4 位三态输出 D 寄存器 通过 74LS138 的 Y6 Y7 来控制其 CP 的工作 从而使 CD4076 来控制小数点显示 图 6 是显示模块 图 6 显示模块框图 11 图 7 为系统显示部分的电路 系统中用 74LS138 的 Y0 Y5 选择 MC14511 以驱动 LED 显示 Y6 Y7 来控制 CD40756 的 CP 从而达到以 CD4076 的 Q1 Q4 控制小数点的显示 另一个 CD4076 只用到其 Q1 和 Q2 图中字符相对应的地方表示其引脚相连 图 7 系统显示部分的电路 8 12 二 原理原理图电路见图 1 由检测传感器 单片机电路和数码显示电路等部分组成 图 1 软件方案 程序流程图 源程序 含注释 软件方案 程序流程图 源程序 含注释 系统的软件设计系统的软件设计 1 1 系统软件框图系统软件框图 如图 8 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 图 8 系统软件框图 13 2 2 数据处理数据处理 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 M N 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 再根据铝盘与汽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 从而算出汽车在这 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 根据它与汽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汽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 通过单片机计算出来的速度和里程的数据 必须通过 BCD 码的转换才能输出给显示 模块 总里程数的显示是设定出现在电动汽车开动 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 速度里程表 流程图 15 16 程序 速度里程表 程序 程序的基本思路如流程图 速度里程表流程图 所示 用定时器设定每一圈的时间 里程 记圈数 用记数总圈数除以一公里需要的圈数即要显示的公里数 SDABIT P1 7 I2C 总线定义 SCLBIT P1 6 RSTBIT P1 0 KEY INTBIT P3 2 MTDEQU40H 发送数据缓冲器 MRDEQU49H 接收数据缓冲区 定义器件地址 变 ZLG7290EQU70H ZLG7290 的器件地址 ACKBIT 10H 应答标志位 SLADATA50H 器件的从地址 SUBADATA51H 器件的子地址 NUMBYTEDATA52H 读 写的字节数变量 ORG8000H LJMPMAIN ORG8100H 主程序如下 MAIN MOV SP 70H MOV TMOD 56H MOV TL0 0FFH MOV TH0 0FFH MOV TL1 0FEH MOV TH1 0FFH SETB EA SETB ET0 SETB ET1 CLR TR0 CLR TR1 BEGIN JB P3 0 BEGIN SETB TR1 MOV R2 03H MOV P1 0FCH 17 LOOP JNB P3 1 MAIN JMP LOOP INTT0 INC R2 MOV 30H R2 XRL 30H 0FFH MOV P1 30H RETI INTT1 CLR ET1 SETB TR0 RETI CLRRST LCALL DELAY SETBRST LCALL DELAY MAINLOOP JBT0 KEY HANDLE SJMPMAINLOOP KEY HANDLE MOVSLA ZLG7290 指定器件地址 MOVSUBA 01H 指定子地址 MOVNUMBYTE 01H 发送 2 字节数据 LCALL IRDNBYTE 调用写 2 字节数据程序 LCALL DELAY MOV R7 08H MOV A P1 MOV R6 60H HANDLELOOP MOV MTD R6 MOV MRD A PUSHACC MOV30H R7 MOVMTD 1 MRD MOVSLA ZLG7290 指定器件地址 MOVSUBA 07H 指定子地址 MOVNUMBYTE 02H 发送 2 字节数据 LCALL IWRNBYTE 调用写 2 字节数据程序 LCALL DELAY 18 USING2 MOVR7 30H POPACC INC R6 DJNZR7 HANDLELOOP SJMPMAINLOOP DELAY MOV R7 80H MIN DJNZ R7 YS500 RET YS500 LCALL YS500US LJMP MIN YS500US MOV R6 80H DJNZ R6 RET DELAY1 MOV R7 20H DJNZ R7 RET INCLUDE VI2C ASM INC 包含 VIIC 软件包 END 调试过程调试过程 19 20 21 运行结果及分析 运行结果及分析 程序运行没有错误 但是没有数据显示 分析 可能程序中的输出数据环节少了 结论 本设计以 MCS 51 为核心 通过光电传感器来检测汽车的运转情况进而实现电动汽 车的速度 里程的计算及里程的累计 存储 最后用 8 位的 LED 能直观的将速度与里程显 示给用户 从而达到智能速度里程表的作用 2 实验的收获体会及建议 实验的收获体会及建议 单片机作为我们的主要专业课之一 虽然在大二下学期开学初我对这门课并没有什么兴 趣 觉得那些程序枯燥乏味 但在这次课程设计后我发现自己在一点一滴的努力中对单片 机的兴趣也在逐渐增加 这次单片机课程设计我们历时两个多星期 在