电动自行车数显车头设计说明书

1、XM01-1-CB-K-03XM01-1-CB-K-03带数显车头电路项目计划及设计说明书2002年8月一、项目任务开发出具如下功能特征的电动自行车车头显示板，制订出生产所需的相关技术文件并做出样品。1、显示板的安装尺寸必须满足III型车塑料件的要求。2、接口符合PT0236、SQ0236-D/T型控制器的要求。3、具有四位LED数码显示，开机显示累计里程（可清零），精度1Km，接受到速度信号后，转为显示本次里程，精度0.1Km。单位为Km。掉电时将本次里程累加到累计里程并保存。4、具有691215182022Km/h七档LED速度显示。5、具有31323334353637V七档LED电量显示

2、。6、速度传感器和断电刹把接口为霍耳元件接口。7、具有电源指示灯、限流指示灯及欠压指示灯。8、具有喇叭、车灯及转向灯接口。9、采用89C2051单片机设计、储存器用AT24C02，2Kbit串行EEPROM。二、项目总体计划1、需求分析（1）进一步明确功能特征需求。（2）所有接口的电气特性及要求。（3）总体设计A、生成系统原理框图。B、分配系统资源C、安装尺寸及面板布局规划。D、制订具体设计说明书。2、具体设计（1）硬件设计：按结构框图和具体设计说明书设计硬件，生成电路图稿。（2）软件设计：按设计说明书对各功能块进行模块化设计。生成程序表稿。（3）软件调试：用仿真器对各程序模块进行调试，之后总

3、体调试，生成程序表修改稿、及可供编程的BIN代码。（4）电路板设计：生成可供生产的PCB文件。3、制样：制作可供试验鉴定的样品，生成零配件配套表。4、试验鉴定：按相关标准进行各项有针对性的试验，生成各项试验报告，完善软件、硬件的设计，生成定型的各文件图纸。5、生产技术文件制订：生产工艺、调试、检验工艺等。内容时间人员总体设计2002810前硬件设计软件设计软件调试电路板设计101前制样试验鉴定工艺制定1230前三、项目进度及人员安排： 2002年8月1日1需求分析接口特性（8月3日）速度信号的电气特性传感器：电压型霍耳元件，5V电源，低电位有效。测试方法：用现有邮电车的电路拔下前轮电机线，接到

4、稳压稳流电源。装上后一组电池，开启邮政车电源。用示波器测量传感器的输出波形。调整稳压稳流电源，使车头速度显示为8Km/h，记录示波器的波形，调整速度为12Km/h、18Km/h、24Km/h、28Km/h，记录示波器输出波形。测试结果：表1.1速度（Km/h）波口宽度（ms）波底宽度（ms）84241238216315202211242128208结论：信号检测防抖动延时时间取300us可满足要求。2需求分析总体设计系统框图、资源分配、说明书（8月9日）SEEPROM 2K*1BITMCUDIS. INTERFACE CIRCUITNUMERAL LED DISPLAYERSPEED DECO

5、DE LED SPEED DISPLAYSENCERMILEAGE RESETSWITCHAMP. HORNAMP. DERECTION LIGTH SWITCHP3.0P3.1P3.7/1.7/1.0P3.4P3.3P3.2(INT0)P3.5P1.1P1.621总结构框图、McuI/O资源分配（图2.1） 图2.1 22 软件总框图开始RESET0Y延时/总里程清零读入总里程初始化，开中断、定时器掉电？关中断保存总里程Y 结束图 2.2221主程序初始化T0根据标签初始化参数开T0计数中断结束标签1？清标签关中断/T0返回Y 图2.3222读写子程序根据标签选择服务EEPROM 读写操作服

6、务。由读写子程序设标签调用传感器信号确认延时。由INT0服务程序设标签调用速度/里程计算、速度显示。主程序默认调用图2.4223中断服务程序T0中断服务：里程显示喇叭信号、转向灯信号产生。主程序默认调用图2.5T1中断服务:掉电否?Y设掉电标签设传感器信号接收标签图 2.6INT0中断服务：23系统资源细分231端口资源：表2.1:功能端口地址EEPROM数据输入/输出(SDA)P3.0B0HEEPROM时钟输入(SCL)P3.1B1H里程显示数据第3位P1.696H里程显示数据第2位P1.595H里程显示数据第1位P1.494H里程显示数据第0位P1.393H里程显示选通第1位P1.292H

7、里程显示选通第0位P1.191H速度显示数据第2位P3.7B7H速度显示数据第1位P1.797H速度显示数据第0位P1.090H转向信号输出P3.4B4H清零/喇叭信号输出P3.3B3H小数点显示控制P3.5B5H速度传感器信号输入(INT0)P3.2B2H232中断资源参考2.2.3233工作寄存器RAM资源（需在具体设计时进行优化）代号地址特征说明作用域STATM_RD24H.0(20H)位读标签读写操作STATM_WR24H.1(21H)位写标签PWR24H.2(22H)位伪写标签SCL024H.3(23H)位SCL(P3.1)镜象COUNT24H.4(24H)位辅助读写标签表2.2:续

8、表2.2：代号地址特征说明作用域PCOUNTR5REG基本读写操作时钟序号读写操作NR6REG基本读写操作序号MR7REG基本读写操作累计序号OK24H.5（25H）位读写结束标签WR24H.6（26H）位内部读写标签WRB（04）40H44H5个连续字节读写数据区WR024H.7（27H）位内部辅助读写标签WRB020H（0007H）1个字节，可位寻址读写缓冲字节DELAY(01)Rj、Rj+12个连续的REG.DELAY计数器清零确认SC(01)21H、22H（08H17H）2个连续可位寻址字节数显、方向、喇叭软计数器T1服务F_OPEN25H.0（28H）位里程显示转换标签DISF(12

9、)45H、46H2个连续字节显示缓冲SEL025H.1（29H）位传感器信号标签SCOUNT(01)47H、48H2个连续字节速度计算计数器CD(03)50H53H4个连续字节存储本次里程PDOWN25H.2（2AH）位掉电标签3需求分析总体设计安装尺寸布局规划（9月20日）说明：数码LED采用4014mm，4位带小数点共阴动态显示型。其他指示灯采用5mm高亮度LED。面板和电路板装配后总厚度不大于13mm。面板的尺寸布局如图3.1及图3.2所示。图3.1面板尺寸（背面）35363734333231182022151296电压V速度Km/h总里程当前里程EUROBIKE欠压过流电源右转左转图3

10、.2面板布局（正面）/以下对外保密！4具体设计硬件设计41电源电路（图4.1）图4.1 5V说明：5V电源提供2051及其他TTL电路的电源，C10，D22在掉电时提供对5V的延时，使2051有足够的时间保存里程。5V*电源提供传感器电源，并作为掉电判断辅助电源，即系统检测到该电源为低电位时置位掉电标签，保存里程。D22防止C10在掉电时反向放电过快。42 MCU（U1）相关电路（图4.2）421里程显示：由MCU向七段BCD译码器（LS48）顺序依次提供4个BCD里程码，并提供2线选通控制，通过24线译码器（LS156）产生4个选通信号，依次选通相应的4位里程码，实现里程的动态分时显示。P3

11、.5（U1第9脚）在显示当前里程时，控制数码管第二位小数点的显示。422速度显示：MCU按计算的速度值输出3位二进制码，从000111表示8个档位输出给U4（LS156），U4接成38线译码器，可实现D1D7（LED）随档位的增加依次点亮。423速度信号的输入：速度信号通过INT0（U1第6脚）输入给MCU，J2是霍耳传感器的接口，车轮每转一圈传感器就给INT0一个低电平，触发MCU中断。要求低电平的宽度不小于300uS。424掉电判断：R1确保掉电时INT0脚为低电位，触发INT0中断后，检测U1第12脚电平，如也为低电平则置位掉电标签。图4.2 MCU及外围电路425里程存储电路：由P3.

12、1（U1第3脚）提供同步时钟信号，P3.0（U1第2脚）作为数据的输入输出及命令的输出串行I/O。时钟信号由T0中断产生。U2的13脚接地，将U2的硬地址置为000。选通则通过P3.0发出的选通命令来实现。426其他电路：里程清零喇叭电路：启动时P3.3（U1第7脚）作为清零的判断端口，如在上电前按下AN，上电1秒后放开则里程清零。之后P3.3复用为喇叭音频信号的输出，这时禁止按下AN。AN应内置在电路板上不易触到之处。J3为喇叭按键把接口。Q1为喇叭音频信号放大器。J4为喇叭接口。转向灯信号电路：由P3.4（U1第8脚）输出频率约0.81Hz的方波，经Q2放大。J5为转向开关接口，J6为转向

13、灯接口，D8/D9（LED）为面板转向指示灯。复位电路：C2/R3构成上电自动复位电路。图4.343电量指示电路：图4.312V、36V电源由9芯接口提供。R17R24构成分压基准电路，分别提供7.75V/8V/8.25V/8.5V/8.75V/9V/9.25V的基准电压。分别对应电源电压：31323334353637V。W1按如下方法调整：电源电压调到36.0V，调整W1使分压输出为9.0V即可。44接口及其他电路：图4.4所示。J1为9芯线接口（即与控制主板PT0236、SQ0236-D/T的接口）；图4.4J7为尾灯接口；J12为转把接口，1脚为电源，3脚输出；J13、J14为刹把接口，

14、刹车时输出高电位；J10、J11为大灯和大灯开关接口；D19、D20、D21分别为欠压、过流及电源指示灯。5具体设计软件设计51 读写子程序（READ_WRITE）511 AT24C02的特性及读写操作AT24C02是2K位（即256字节）电可擦写串行只读存储器（EEPROM），共8个引脚。5111引脚说明：13：A0A2：存储器的硬件地址设置引脚，由外部直接接高电位或低电位来设置，可选择000111八个地址中的一个，当MCU读写命令中的串行地址和芯片硬件地址相符时可选通该芯片，本应用中将芯片硬件地址设置为000。4脚：地。5脚：SDA：串行数据输入输出，作为输出时为集电极开路（OC）。6脚：

15、SCL：串行时钟输入，芯片只在上升沿可接受数据，在下降沿可输出数据。7脚：WP：写保护脚，接高电位时保护，低电位时可正常读写，本应用中WP硬接地，不设保护状态。8脚：电源脚。5112参数要求：表5.1代号参数说明5V电源电压时单位最小值最大值fSCL时钟频率400kHztLOW时钟方波低电位的宽度1.2ustHIGH时钟方波高电位的宽度0.6ustBUF上一数据结束到下一数据开始的空闲时间1.2ustHD.STA开始信号保持时间0.6ustSU.STA开始信号设置时间0.6ustSU.STO结束信号设置时间0.6ustWR在写系列的有效结束信号之后，芯片的内部写操作时间10msEnduranc

16、e在5V25下的擦写次数1M次5113芯片读写操作SCLSDA INSDA OUT图 5.1 时钟和数据的传输：SDA脚常需外部元件上拉到高电位。本应用中由于MCU的I/O有内部上拉电阻，所以省去外部的上拉元件。SDA脚上的数据只能在SCL为低电位期间改变（参考图5.15.2数据输入时序）。数据在SCL为高电位时改变将引发一个开始或结束信号（如下定义）。开始信号：在SCL为高电位时，SDA由高电位跳变到低电位便会产生一个开始信号，在任何操作之前必须要先产生一个有效的开始信号（图5.2）。结束信号：在SCL为高电位时，SDA由低电位跳变到高电位便会产生一个结束信号，在一个读系列之后产生一个结束信

17、号（由外部产生）芯片将被置为低功耗模式（图5.2）。应答信号（ACK）：所有的串行输入输出数据或地址都是以8位字节为单位的。每接收一个字节EEPROM将发回一个“0”信号作为应答，这个过程在第9个时钟周期完成（图5.2）。图 5.2 写时序结束信号开始信号SCLSDA低功耗模式：在上电时以及在接收到结束信号并完成所有内部操作之后EEPROM转入低功耗模式。芯片寻址：在读写操作前必须先向EEPROM发送一个开始信号及8位的寻址字节（图5.3）以选通芯片。寻址字节包括：前四位固定的“1”、“0”系列（图5.3示）（对所有AT24CXX系列芯片都是一样的）；接下来三位是与芯片硬地址A2、A1、A0相

18、对应的寻址地址位；第八位是读写选择位，“1”为读，“0”为写。发送寻址字节后，如寻址地址与硬地址相符时，EEPROM将返回一个“0”信号作为应答（ACK）；如果地址不符，EEPROM转入低功耗模式。图5.3 寻址字节写操作：字节写操作： MCU在发送了寻址字节并收到EEPROM的ACK信号后，再向EEPROM发送数据要存储的地址（8位），EEPROM将再次返回“0”作为应答（ACK），并按时钟接受后面的8位数据，之后又返回一个ACK信号，然后MCU产生一个停止信号，完成本次字节写操作。这时EEPROM进入内部写周期tWR（图5.2）。tWR完成前EEPROM不会对任何输入作出响应。（图5.4）

19、图5.4 字节写操作SDA段页写操作：该EEPROM允许不大于8字节的段页写操作。初始化操作和字节写操作的相同。但在第一个数据输入并收到ACK后MCU不产生停止信号，而是继续向EEPROM发送17个字节，在每收到一个字节后EEPROM依然会返回一个ACK，段页写操作必须由MCU产生停止信号来终止。在接收到每一数据后，数据地址自动加一（图5.5）。SDA图5.5 段页写操作应答信号（ACK）的检测：由于EEPROM在进行内部写操作时（tWR期间）将不对外部输入作出响应，为了可靠地进行读写，MCU必须不断发送开始信号及寻址字节，并在第9时钟周期检测ACK，直到EEPROM完成内部写操作后，才会返回

20、ACK，MCU才可以进行下一步的读写操作。读操作：读操作的初始化与写操作一样，只是寻址字节的第八位，即读写选择位要置为“1”。有3种读操作：当前地址读操作、指定地址读操作、系列读操作。当前地址读操作：当前数据指针为最后一次读写操作的数据指针加1。除非掉电，否则该指针保持有效。但在数据地址出界时该指针将转回到开头，这时写操作将复盖前面的数据。SDA图5.6当前地址读操作当MCU发送读初始化操作后，EEPROM将返回ACK信号，并接着串行输出一个当前地址内的数据。之后MCU不需要产生ACK而是产生一个结束信号。（图5.6）指定地址读：指定地址读需要一个“伪”写操作来输入指定的地址，即在开始信号后输

21、入寻址字节（第八位设置为“写”），再输入数据地址字节（即指定地址）。MCU收到ACK信号之后进行一次当前地址读操作即可读指定地址数据。（图5.7）SDA图5.8 系列读操作SDA图5.7指定地址读（随机读）字节系列读操作：系列读可以顺序读出一系列的数据，可以用当前地址读或指定地址读方式。当MCU接收到一字节数据后，将给EEPROM发送一个ACK信号，EEPROM则继续增加地址指针并串行输出数据，到达地址上限后指针回零，系列读仍可继续。如果在接收到数据后MCU不返回ACK，并在下一时钟周期产生一个停止信号，则终止系列读操作。（图5.8）需要注意：哪些ACK由EEPROM产生哪些由MCU产生。51

22、2读写程序设计思想根据要求总里程只需要3个字节以BCD码的方式存储，前1字节存储小数点后的1、2位，后2字节分别存储小数点前的2、1、4、3位。读出的里程或要写入的里程均放在读写数据区WRB（04）的后3位即4244H（参考表2.2）。40H、41H则用来存放寻址字节或数据地址字节。（表5.1）表5.1读写数据区的存储结构：SCL系列12345678说明位RAM地址76543210WRB(0)：40H1010A2A1A0R/W寻址字节WRB(1)：41H0XXXXXXX数据地址字节WRB(2)：42H小数1、2位WRB(3)：43H整数2、1位WRB(4)：44H整数4、3位程序设一缓冲字节W

23、RB0，保存当前要发送或接收的WRB（i）。设置3个标签：STATM_RD：当前地址系列读操作标签STATM_WR：段页写操作标签PWR：“伪”写操作标签调用读写子程序（READ_WRITE）前预设这3个标签以实现相应的功能。如指定地址读实现如下：SETB PWRSETB STATM_WRACALL READ_WRITESETB STATM_RDACALL READ_WRITE40H、41H中的内容在子程序中根据标签赋值。子程序返回前将这3个标签清零。SCL的产生通过T0中断服务实现，因T0中断服务程序有多个功能块，必须根据相关标签确定功能块入口（参考图2.4）。相关标签的设置及T0的初始化、

24、开启均在READ_WRITE子程序中进行。第1次中断第2次中断第4次中断第1次中断SCL图5.9 T0中断点中断的定时取SCL周期的14，每2次中断SCL进行一次取反操作，如图5.9示：第1次中断，SCL为低电位，可对SDA引脚进行读写操作；第2次中断对SCL引脚取反；第3次中断SCL为高电位，可对SDA取反产生开始或停止信号。第4次中断再对SCL取反。根据读写时序特性，定义基本读写操作：最多包含10个SCL周期，并依次编号为09SCL周期，第0周期只产生开始或结束信号，第18周期对SDA引脚读或写，第9周期对ACK检测或发送ACK。一次READ_WRITE的调用是基本读写操作的多次重复，只有

25、第1个基本读写操作包含10个SCL周期，最后一个基本读写操作可能只包含第0 SCL周期（即只产生一个结束信号），中间的基本读写操作只包含第19 SCL周期。T0中断中用PCOUNT（取09）对一个基本操作中的SCL进行序号标识；用N对基本读写操作进行序号标识；用M累计基本操作总次数。STATM_RD、STATM_WR、PWR、SCL0、COUNT、PCOUNT、N、M唯一决定本次中断要执行的动作。513 读写子程序流程图（图5.10）停T0初始化T0，开T0计数中断SCL00，COUNT0，OK0，WR0，PCOUNT0，N0，M0STATM_RD=1?STATM_WR=1?WRB(1)A1H

26、，WRB0&WRB(1)WRB(0)A0H，WRB(1)00H，WRB0&WRB(0)OK=1?M=FFH?停T0，关中断，STATM_WR=0，STATM_RD=0RET图 5.10 读写子程序流程图YYYY开始STATM_RD=1?STATM_WR=1?WR0=0WR0=1重装T0，COUNTCOUNTCOUNT=0?SCL0=1YNPCOUNT+SCL0=SCL0，SCL=SCL0RETIAYYYWR0=1?N=0?WR=1WR=0YYPCOUNT=0?N=6?YSCL0=0?YSDA=1，OK=1RETISDA=0RETIYSCL0=0?SDA=1RETIYPCOUNT

27、=9?B(X3)Y SCL0=0 ?RETI Y WR=1? *(&(*WRB0)+8-PCOUNT)=SDASDA=*(&(*WRB0)+8-PCOUNT)Y RETIRETI514 读写中断服务程序流程图（图5.11）BSCL0=0?WR=1?Y (X4)YACC=SDARETIN=4?SDA=1RETIYSDA=0RETIWR=1?ACK=0?YM+,N+(X5)N=5?N=6,PCOUNT=FFHRETIY X7PCOUNT=0*(&WRB(1)+)=*WRB0RETI (X6)WRB0=&WRB(0),N=0,SDA=0,SCL=0,SCL0=0,COUNT=0,PCOUNT=0M+RETIM+,N+PWR=1?N=2?YYOK=1,PWR=0YRETIN=5?N=6,PCOUNT=FFHRETIYPCOUNT