光电式自行车速度里程表设计毕业论文.docx

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光电式自行车速度里程表设计毕业论文

光电式自行车速度里程表设计

摘要

随着科技的迅速发展，单片机的应用也越来越广泛，并带动传统控制检测技术不断更新。

现在的里程表大多是电子式的，用数码管或液晶显示器即时显示，显示更加直观。

电子式里程表采用接触车速传感器代替软轴传动,可使里程表的安装位置不受距离限制，进一步有效地克服了机械式里程表中的诸多不足。

方案采用了一种以单片机AT89C51为主控机，使用光电传感器进行自行车里程、速度测量的装置。

传感器将不同车速产生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LCD液晶显示模块进行显示，使得自行车的速度与里程数据能直观的显示给使用者。

本设计主要包括自行车轮脉冲采集、键盘输入和数据显示等部分，主程序用C语言编写，完成各项功能及数据的处理。

本里程表的设计具有结构简单，成本低廉，显示清晰，稳定可靠等优点。

并且可以进行扩充，更方便于使用者。

关键词光电传感器单片机液晶显示器里程表

THedesignofphotoelectric

bicycleodometer

Abstract

Withtherapiddevelopmentoftechnology,moreandmorewidespreadapplicationofmicrocomputer,promotethetraditionalcontroldetectiontechnologyconstantlyupdated.Mostofthecurrentelectronicodometer,andwiththeLEDdigitaltubeorLCDdisplayreal-time,displaymoreintuitive.Electronicodometerflexibleshaftusingthecontactspeedsensorinsteadofdriving,mileagetablescanbeinstalledwithoutdistancelimitations,andfurthertoeffectivelyovercomethemechanicaldisadvantagesofmileageinthetable.

TheplanadoptsthesystemandconfigurationofcombiningthemicrocontrollerAT89C51asthemaincontrolcomputer,usingthephotoelectricsensorbicycleodometer,speedmeasuringdevices.whenDifferentspeedpulsesignalsofdifferentfrequenciesproducedbysensorareinputintothemicrocontroller,afteritscalculation,liquidcrystalwilldisplaythedatas,makingthebike'sspeedanddistancedatavisuallytotheuser.

Thedesignincludesabikewheelpulseacquisition,keyboardinputanddatadisplaysection,themainprogramusingClanguage,Thispaperfirstneededto"milestones"designofequipmentindetail,ontheproblemsexistinginthedesign,explainedAndthentohardwareandsoftwaredesignandimplementationofthepartmadeearnestanalysis,Thenpresentedsystemmodelingprocessandthecorrespondingsystembasedonthismodel,thecontrolsimulation,andthesimulationresultsarecompared.

KeywordsodometerphotoelectricsensorMCULCD

1绪论

1.1问题由来

我国是人口大国，也是自行车大国，随着生活节奏的不断加快，自行车已经不仅仅是运输、代步的工具，现在则是代表着绿色、环保、节能。

因此其辅助功能也变得越来越重要。

而且人们希望自行车的娱乐、休闲、锻炼的功能越来越多，能带来大家更多的健康与快乐。

在这个背景下，自行车里程表作为自行车的一大辅助工具迅速发展起来。

科学、美观、合理设计自行车里程表有一定的实用价值.它能合理计算出速度及公里数,使运动者运动适量,达到健康运动与代步的最佳效果。

并且随着人们生活水平的逐渐提高，人们对于生活质量的要求也日益增加，尤其是对健身的要求。

自行车在中国普遍作为代步工具。

而在国外，自行车却是一项十分受欢迎的健身运动。

因为它无污染，价位低廉，老少皆宜。

而且在运动过程中可以充分享受到大自然，对于忙碌的现代人来说，无疑是一种较好的放松方法。

在中国这种情况也在慢慢发生变化。

因此爱好自行车运动的人需要一款里程表，以知道自己的运动情况。

并根据外界条件，如温度，风速等进行适当的调节，已达到最佳运动的效果。

而对于自行车运动员来说，最为关心的莫过于一段时间内的训练效果。

因为教练要根据一段时间内运动员的训练效果进行评估，从而进行适当的调整已使运动员达到最佳的状态。

因此需要一种装置进行对训练中各种参数的测定记录。

1.2课题现状

传统的机械式车速表是由旋转磁场作用于转动盘，使转动盘连同车速表指针发生同向的偏转。

当电磁转矩与弹簧产生的阻力矩平衡时，指针偏转停留在某一角度上。

指针偏转角与车速成正比，因而可用其表示车速。

机械式车速表的缺陷是明显的。

由于表盘指针偏转程度正比于软轴的转动时产生的磁力，当转速较低的时候，磁力较小，随转速变化波动较大。

因此，低速时车速表指针摆动剧烈、测量及显示精度不高。

对于发动机后置的车辆，要将车速表指针的偏转动力由变速箱经软轴等传至驾驶室，软轴必然布置的较长，如何将这种长长的转动软轴从结构上布置妥当，肯定是一件十分困难的事情。

现在的车速表大多是电子式的，用LED数码管或LCD显示，使速度显示更加直观。

采用接触车速传感器代替软轴传动,可使车速表的安装位置不受距离限制,有效地克服了机械式车速表中的诸多不足。

电子式车速表更加智能，车速表的功能也更加人性化，如加上了里程累计、超速提醒等功能。

本设计就是针对骑自行车的人们在行进中不能很好的把握自己达到了多大的速度，行驶了多远的距离而设计的。

以往的里程表只能进行测量速度，里程，时间，温度等数据，虽然能实现很多的功能，但是其中的一些功能不适合自行车业余爱好者，浪费资源，而且性价比也低，而且也不能很好的把握当前运动量，从而不能很好的实现娱乐和锻炼的效果。

而本设计却能实现娱乐和锻炼的双重效果，而且相对业余爱好者性价比更高。

1.3设计任务

 本设计要以单片机为核心，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的测量，最后用液晶显示器直观地将速度与里程显示出来，并且在速度高于一定的值时可自动向用户报警，从而达到智能化的目的。

主要设计内容:

1.传感器电路模块设计

2.单片机外围电路设计

3.报警电路设计

4.显示电路设计

2系统原理概述

2.1系统原理总概述

本系统由信号预处理电路、单片机AT89C2051、LCD显示模块、开关按键,报警模块和系统软件组成。

其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。

对待测信号进行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路则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的TTL信号；通过单片机的设置可使内部定时器T1对脉冲输入引脚T0进行控制，这样能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数。

本设计中，计数的正确性决定了本装置的精度，如何在复杂的环境中得到正确的计数脉冲，是本设计的重点，设计中里程表显示采用LCD1602液晶模块，用液晶显示器显示是本设计的难点。

并且在速度高于一定的值时可自动向用户报警，从而达到智能速度里程表。

2.2系统硬件组成原理

系统硬件由信号预处理电路、单片机AT89C2051、系统化LCD显示模块、开关按键，报警模块组成，系统的硬件组成框图如下：

图2-1系统总体设计框图

由于不同速度发出不同频率的脉冲，通过光电传感器检测出不同状态的脉冲信号，而一般的模拟信号都是微弱的，所以要把它放大，这就需要一个放大器。

另外单片机能识别的都是TTL信号，经波形变换和波形整形电路方能将放大的信号转换成可与单片机相连的形式。

当行驶达到一定的车速时，会发出报警声。

不同的按键方式，液晶显示器会显示不同的数据。

2.3软件系统工作流程

在硬件设计完毕之后，接下来就是设计中最核心和最为主要的软件部分设计。

所谓软件设计就是把软件需求变换成软件的具体设计方案（即模块结构）的过程。

模块化结构设计即是根据要求和硬件设计的结构，将整个系统的功能分成许多小的功能模块，再根据这些小的功能模块进行程序编写的过程。

这样的设计方法，使得系统的整个功能和各部分的功能趋于明朗化。

当系统出现问题，就可以根据功能设置找出问题的根源，从而更快地解决问题。

所以说，在整个设计过程中，软件设计必须与硬件设计紧密地结合在一起。

图2-2系统软件流程图

3系统硬件设计

本设计采用的是以红外传感器ST1101为传感器，以AT89C51作为系统的主控芯片，以LCD1602、128*16液晶显示器进行显示。

图3-1系统硬件框图

3.1采集信息部分以及传感器的选择

信息采集部分可以选用的传感器种类一很多，例如磁感应传感器，光电感应传感器，金属传感器等。

霍尔传感器由永久磁铁和开关型霍尔集成电路组成。

霍尔集成电路由霍尔元件、放大器、整形电路及集电极开路输出等部分组成，其功能是把磁信号转换成电信号，霍尔元件为磁敏元件，当垂直于霍尔元件的磁场强度发生变化时，其两端的电压就会发生变化，经放大和整形即可输出脉冲电信号。

 光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。

它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

如图3-2所示，是某光电编码器的外形。

光电传感器是应用非常广泛的一种器件，各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。

以透射式为例，如图3-1所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。

为此可以制作一个遮光叶片如图3-3所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。

当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。

而考虑到实际可操作性以及设计要求方面，本设计选用的传感器为光电传感器。

图3-2光电传感器的原理图

图3-3遮光叶片

将光敏电阻安装在自行车前又的一侧，在同等高度的另一侧安上一个高亮度的发光二极管。

在同等高度的辐条上贴上一圈黑色材料，并在黑色材料上打上等间距的小孔，这样当小孔经过光敏电阻时，光敏电阻根据光电流的变化发出脉冲，从而测量里程。

红外光电传感器ST1101采用高输出的红外光电二极管与高灵敏度光敏晶其特点是性能可靠，体积小，结构简单，广泛应用于里程表。

表3-1主要参数

输入

正向电流

IF

50

mA

反向电压

Vr

6

v

耗散功率

P

75

mW

输出

集-射电压

Vceo

25

V

射-集电压

Veco

6

V

集电极功耗

Pc

50

mW

ST1101外围电路如图3-4所示，R1、R2均为限流电阻，限制发射二极管的电流，发射二极管的电流大则发射功率大，但不能超过它的极限电流。

根据主要参数表，它的极限电流为50mA，当两者之间有孔时，三极管导通，当两者被隔离时，三极管截止。

图3-4传感器外围电路

3.2轮脉冲检测与转换电路

本设计采用了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。

然后通过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，再输入给单片机。

3.2.1轮脉冲检测

该系统在自行车后轮的轴处保持着与轮子旋转切面平行的方向延伸附加一个铝盘，在这个铝盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，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，传感器将向外输出若干个脉冲。

把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机可以识别的TTL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量的精度，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9个过孔，从而留下了8个同等的间距这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出速度里程。

脉冲发生源的硬件结构图如图3-5所示。

图3-5脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）

3.2.2信号预处理电路

如图3-6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。

其中电阻R3为输入电阻，R4为输出电阻。

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（如图3-7所示），同时将输出信号加到单片机的P3.2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。

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。

图3-6信号预处理电路图图

图3-7信号处理波形图

3.3单片机系统部分

3.3.1AT89C51单片机介绍

　AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图3-8AT89C51引脚图

3.3.2定时/计数器的结构及控制

定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器组成。

TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。

定时/计数器结构如图3-9所示：

图3-9定时/计数器结构图

AT89S52单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。

TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断申请[9]。

1.工作方式寄存器TMOD

工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。

其格式如表3-2：

表3-2

位号

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

符号

GATE

C/T

M1

M0

GATE

C/T

M1

M0

GATE：

门控位。

GATE＝0时，以运行控制位TRX（X=0，1）来启动定时/计数器运行；

GATA＝1时，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚或也为高电平时，才能启动定时/计数器工作；

C/T计数器模式和定时器模式选择位

C/T=1时，选择计数器模式，计数器对外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脉冲计数；C/T=0时，选择定时器模式。

M1M0：

工作方式设置位。

定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。

表3-3

M1M0

工作方式

功能

00

工作方式0

13位计数器

01

工作方式1

16位计数器

10

工作方式2

自动再装入8位计数器

11

工作方式3

定时器0：

分成两个8位计数器

定时器1：

停止计数

2.控制寄存器TCON

TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。

TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。

其格式如下：

表3-4

位

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

字节地址：

88H

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT1

IE0

IT0

TF1（TCON.7）：

T1溢出中断请求标志位。

T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。

CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。

T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。

所以，TF1可用作查询测试的标志。

TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。

TR1（TCON.6）：

T1运行控制位。

TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。

TR1由软件置1或清0。

所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。

TF0（TCON.5）：

T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。

TR0（TCON.4）：

T0运行控制位，其功能与TR1类同。

3.3.3中断控制

CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。

表3-5

位

7

6

5

4

3

2

1

0

字节地址：

88H

EA

ES

ET1

EX1

ET0

EX0

IE

EX0（IE.0），外部中断0允许位；

ET0（IE.1），定时/计数器T0中断允许位；

EX1（IE.2），外部中断0允许位；

ET1（IE.3），定时/计数器T1中断允许位；

ES（IE.4），串行口中断允许位；

EA（IE.7），CPU中断允许（总允许）位。

3.4单片机外围电路介绍

3.4.1复位电路

AT89C51单片机的复位输入引脚RST为AT89C51提供了初始化的手段。

有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。

在89C51的时钟电路工作后，只要在RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。

只要RST保持高电平，则89C51循环复位。

只有当RST由高电平变成低电平以后，89C51才从0000H地址开始执行程序。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图3-10所示，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RESET端，该高电平使89C51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RESET端从而复位称为手动复位。

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。

图3-10AT89C51复位电路

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。

时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200Ω，RK取1KΩ。

3.4.2晶振电路

晶振电路由晶振和两个负载电容组成。

晶振电路部分电路连接如图3-11所示。

图3-11晶振电路

晶振是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度。

比如此系统所用的12MHz晶振，单片机工作速度就是每秒12M。

在调试时要注意将PC串口波特率设为1200。

至于两个电容的大小，它是根据晶振厂家提供的晶振要求选值的，换句话说，晶振的频率就是在它提供负载电容下测得，能最大限度的保证频率值误差。

两个电容取值都是相同的，大部分在20-30pF，没有相同电容的情况下，可以用两个相差不大电容代替，但不能相差太大，容易造成谐振不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。

晶振电路在本系统中是并联方式，连接在AT89c51的XTAL1和XTAL2引脚。

3.5显示部分

3.5.1LCD液晶显示器

功能简介:

其液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都有一个固定的代码。

LCD1602以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。

外形尺寸（LxWxH）80.0x36x12.0 

视域尺寸（WxHxT）64.5x13.8

驱动电压（V）5.0Vor3.3V     

工作温度:

（oC）0~50or-20~70  

存储温度:

（oC）-10~60or-30~80

显示类型:

STNorFSTN 

颜色:

蓝色（带背光） 

生产工艺:

SMT

其主要技术参数为：

显示容量：

4.5~5.5V；

工作电流：

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压：

5.0V

字符尺寸：

2.95×4.35（WXH）mm

1602采用标准的16脚接口，其管脚定义如下:

图3-12LCD1602实物图

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高