電動(dòng)自行車(chē)速度與里程表的設(shè)計(jì)方案

本文介紹的速度與里程表設(shè)計(jì)以單片機(jī)和光電傳感器為核心。傳感器將不同車(chē)速轉(zhuǎn)變成的不同頻率的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)進(jìn)行控制與計(jì)算，再采用LED模塊進(jìn)行顯示，使得電動(dòng)自行車(chē)的速度與里程數(shù)據(jù)能直觀的顯示給使用者。

　　系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)由信號(hào)預(yù)處理電路、單片機(jī)AT89C2051、系統(tǒng)化LED顯示模塊、串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號(hào)預(yù)處理電路包含信號(hào)放大、波形變換和波形整形。對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求;波形變換和波形整形電路則用來(lái)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的TTL信號(hào);通過(guò)單片機(jī)的設(shè)置可使內(nèi)部定時(shí)器T1對(duì)脈沖輸入引腳T0進(jìn)行控制，這樣能精確地算出加到T0引腳的單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù);設(shè)計(jì)中速度顯示采用LED模塊，通過(guò)速度換算得來(lái)的里程數(shù)采用I2C總線并通過(guò)E2PROM來(lái)存儲(chǔ)，既節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件，同時(shí)也簡(jiǎn)化了顯示部分的軟件編程。

　　系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)的原理框圖

　　工作原理

　　該設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)地將所測(cè)的速度與累計(jì)里程數(shù)顯示出來(lái)，主要是將傳感器輸入到單片機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率(傳感器將不同車(chē)速轉(zhuǎn)變成不同頻率的脈沖信號(hào))實(shí)時(shí)地測(cè)量出來(lái)，考慮到信號(hào)的衰減、干擾等影響，在信號(hào)送入單片機(jī)前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行放大整形，然后通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出速度和里程，再將所得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并由LED顯示模塊交替顯示所測(cè)速度與里程。本設(shè)計(jì)的里程數(shù)的算法是一種大概的算法(假設(shè)在一定時(shí)間內(nèi)自行車(chē)是勻速行進(jìn)，平均速度與時(shí)間的乘積即為里程數(shù))。

　　設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮測(cè)速精度和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。本設(shè)計(jì)用測(cè)量脈沖頻率來(lái)計(jì)算速度，因而具有較高的測(cè)速精度。在計(jì)算里程時(shí)取了自行車(chē)的理想狀態(tài)。實(shí)際中，誤差控制在幾米之內(nèi)，相對(duì)于整個(gè)里程來(lái)說(shuō)不是很大。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)的速度轉(zhuǎn)換模塊和顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)BCD碼模塊都采用快速算法。另外，還應(yīng)盡量保證其他子模塊在編程時(shí)的通用性和高效性。本設(shè)計(jì)的速度和里程值采用6位顯示，并包含兩個(gè)小數(shù)位。

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　脈沖發(fā)生源

　　本設(shè)計(jì)采用了ST1101紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時(shí)，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)低電平，而當(dāng)沒(méi)有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。

　　該系統(tǒng)在自行車(chē)后輪的軸處保持著與輪子旋轉(zhuǎn)切面平行的方向延伸附加一個(gè)鋁盤(pán)，在這個(gè)鋁盤(pán)的邊沿處挖出若干個(gè)圓形過(guò)孔，把傳感器的檢測(cè)部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)鋁盤(pán)隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，傳感器將向外輸出若干個(gè)脈沖。把這些脈沖通過(guò)一系列的波形整形成單片機(jī)可以識(shí)別的TTL電平，即可算出輪子即時(shí)的轉(zhuǎn)速。

　　鋁盤(pán)的圓孔的個(gè)數(shù)決定了測(cè)量的精度，個(gè)數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時(shí)間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因?yàn)閮蓚€(gè)過(guò)孔之間的距離過(guò)大，而車(chē)子正好在過(guò)孔之間或者是在下個(gè)過(guò)孔之前停止了，造成較大的誤差。

　　本設(shè)計(jì)在鋁盤(pán)過(guò)孔的設(shè)計(jì)上采用11個(gè)過(guò)孔，從而留下了10個(gè)同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)計(jì)中能夠較為方便的計(jì)算出速度里程。脈沖發(fā)生源的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　圖2 脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖(左為正視圖，右為側(cè)視圖)