電動(dòng)自行車速度與里程表的設(shè)計(jì)

從保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件許可等因素綜合來看，電動(dòng)自行車目前乃至今后都有著廣闊的發(fā)展空間。目前市面上電動(dòng)自行車的速度表和里程表都是機(jī)械的，看起來不夠直觀與方便。如果能用LED直接顯示出來里程數(shù)或速度值，就可節(jié)省用戶的時(shí)間及精力處理自行車行進(jìn)過程中的突發(fā)事件。

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，通過速度換算得來的里程數(shù)采用I2C總線并通過E2PROM來存儲(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，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，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)里程來說不是很大。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)

1. 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，在這個(gè)鋁盤的邊沿處挖出若干個(gè)圓形過孔，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)過孔之間的距離過大，而車子正好在過孔之間或者是在下個(gè)過孔之前停止了，造成較大的誤差。
   
   本設(shè)計(jì)在鋁盤過孔的設(shè)計(jì)上采用11個(gè)過孔，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）
   
   
2. 信號(hào)預(yù)處理電路
   
   如圖3所示，系統(tǒng)的信號(hào)預(yù)處理電路由二級(jí)電路構(gòu)成，第一級(jí)是由開關(guān)三極管組成的零偏置放大器，采用開關(guān)三極管可以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)為零或負(fù)電壓時(shí)，三極管截止，電路輸出高電平；而當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降，這使得速度里程表既可以測(cè)量任意方波信號(hào)的頻率，也可以測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率。由于放大器的放大功能降低了對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求，因此，系統(tǒng)能對(duì)任意大于0.5V的正弦波和脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。預(yù)處理電路的第二級(jí)采用帶施密特觸發(fā)器的反相器DM74LS14來把放大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成與COMS電平相兼容的方波信號(hào)（如圖4所示），同時(shí)將輸出信號(hào)加到單片機(jī)的P3.4口上。
   
   
   
   圖3 信號(hào)預(yù)處理電路圖
   
   
   
   
   圖4 施密特觸發(fā)器對(duì)脈沖的整形
   
   
   利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢的周期性信?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。輸入的信號(hào)只要幅度大于VT+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。
   
   從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當(dāng)傳輸線上的電容較大時(shí)，波形的上升沿將明顯變壞；當(dāng)傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時(shí)，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當(dāng)其他脈沖信號(hào)通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號(hào)時(shí)，信號(hào)上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的VT+和VT-設(shè)置得合適，均能受到滿意的整形效果。
   
3. E2PROM AT24C02的應(yīng)用
   
   AT24C02是CMOS 2048位串行E2PROM，在內(nèi)部組織成2568位。AT24C02的特點(diǎn)是具有允許在簡(jiǎn)單的二線總線上工作的串行接口和軟件協(xié)議。
   
   如圖5所示，在本設(shè)計(jì)中用芯片AT24C02的SDA端與單片機(jī)的P3.7口相連，SCL端與單片機(jī)的P3.5口相連。因?yàn)樵谶@個(gè)I2C總線上只有一個(gè)器件，所以把AT24C02的地址設(shè)為000，即把A0、A1、A2都接地。單片機(jī)計(jì)算出來的里程數(shù)據(jù)通過SDA、SCL向AT24C02輸送數(shù)據(jù)。單片機(jī)首先向AT24C02發(fā)送寫信號(hào)，當(dāng)確認(rèn)后從單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元提取數(shù)據(jù)然后向AT24C02的內(nèi)部地址傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)顯示里程時(shí)，單片機(jī)首先向AT24C02發(fā)送讀信號(hào)，然后確認(rèn)后，單片機(jī)從AT24C02內(nèi)部的地址向單片機(jī)的讀出單元字節(jié)讀出數(shù)據(jù)，供顯示所用。
   
   
   
   圖5 AT24C02與單片機(jī)的接口電路圖
   
   
4. 顯示部分
   
   本設(shè)計(jì)的顯示模塊包括MC14511BCP、CD4076、74LS138和6個(gè)LED顯示管等器件。
   
   MC14511是將鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身的“三合一”器件。鎖存器的作用是避免在計(jì)數(shù)過程中出現(xiàn)跳數(shù)現(xiàn)象，便于觀察和記錄。用譯碼器將BCD碼轉(zhuǎn)換成7段碼，再經(jīng)過大電流反相器，驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管。譯碼器屬于非時(shí)序電路，其輸出狀態(tài)與時(shí)鐘無關(guān)，僅取決于輸入的BCD碼。
   
   74LS138的作用相當(dāng)于位選的功能，當(dāng)C，B，A的輸入分別為“000、001、010、011、100、101”時(shí)分別選擇不同的MC14511，從而在不同位上顯示不同的數(shù)字和小數(shù)點(diǎn)。CD4076是CMOS 4位三態(tài)輸出D寄存器,通過74LS138的Y6，Y7來控制其CP的工作，從而使CD4076來控制小數(shù)點(diǎn)顯示。圖6是顯示模塊框圖。
   
   
   
   圖6 顯示模塊框圖
   
   
   圖7為系統(tǒng)顯示部分的電路。系統(tǒng)中用74LS138的Y0～Y5選擇MC14511以驅(qū)動(dòng)LED顯示，Y6、Y7來控制CD40756的CP，從而達(dá)到以CD4076的Q1～Q4控制小數(shù)點(diǎn)的顯示，另一個(gè)CD4076只用到其Q1和Q2，圖中字符相對(duì)應(yīng)的地方表示其引腳相連。
   
   
   
   圖7 系統(tǒng)顯示部分的電路

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)軟件框圖
   
   如圖8所示，本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、頻率測(cè)量模塊、速度，里程計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)ＢＣＤ碼模塊、速度顯示模塊、里程顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，讀取模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊以及其他功能模塊組成
   
   
   
   圖8 系統(tǒng)軟件框圖
   
   
2. 數(shù)據(jù)處理
   待測(cè)信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路后加至單片機(jī)的P3.4（T0）引腳可為單片機(jī)測(cè)量信號(hào)頻率提供有效的輸入信號(hào)。單片機(jī)通過檢測(cè)P3.4引腳電平來決定是否啟動(dòng)測(cè)量頻率程序。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，要一直到該引腳出現(xiàn)低電平時(shí)才開始測(cè)頻率。
   
   我們可從硬件的鋁盤上知道兩個(gè)過孔之間在圓周上的距離。而這個(gè)距離M正好為計(jì)算速度和距離起到了基本的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備作用。同時(shí)可以從TL0寄存器知道在兩秒內(nèi)單片機(jī)檢測(cè)到的N個(gè)脈沖。而MN所得到的正是這兩秒內(nèi)鋁盤在圓周上所走得距離S。（此時(shí)假設(shè)在這個(gè)兩秒內(nèi)車子是勻速前進(jìn)的），距離S除以2s的時(shí)間，就可以大概的算出這2s內(nèi)鋁盤的線速度。再根據(jù)鋁盤與自行車的輪子保持著一樣的角速度，得到鋁盤的線速度與輪子線速度的關(guān)系，從而算出自行車在這2s的平均速度。
   
   至于里程的計(jì)算，根據(jù)速度計(jì)算的分析，在得到2s內(nèi)鋁盤在其圓周上走過的距離后。根據(jù)它與自行車輪子的圓周走過的距離有一定比例關(guān)系（通過兩者角速度一樣的算法）可以通過單片機(jī)的算出自行車在這兩秒內(nèi)走過的路程S1。把這個(gè)路程S1與存儲(chǔ)器原來的里程數(shù)相加即可得到目前的總里程數(shù)。
   
   通過單片機(jī)計(jì)算出來的速度和里程的數(shù)據(jù)，必須通過BCD碼的轉(zhuǎn)換才能輸出給顯示模塊?？偫锍虜?shù)的顯示是設(shè)定出現(xiàn)在電動(dòng)自行車開動(dòng)，單片機(jī)開機(jī)經(jīng)過初始化后顯示出來，這樣以來用戶可以清楚的知道自己的車子已經(jīng)運(yùn)行了多少公里了。而速度的顯示則是在計(jì)算出速度里程后立刻顯示出來，體現(xiàn)實(shí)時(shí)性。

結(jié)論

本設(shè)計(jì)以AT89C2051為核心，通過光電傳感器來檢測(cè)自行車的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的速度，里程的計(jì)算及里程的累計(jì)，存儲(chǔ)，最后用6位的LED能直觀的將速度與里程顯示給用戶，并且在速度高于一定的值時(shí)可自動(dòng)向用戶報(bào)警，從而達(dá)到智能速度里程表。