基于單片機的速度里程表

基于單片機速度里程表的設計摘要大部分交通工具都會使用里程表，從汽車誕生之初速度里程表的演變就從未停止，從一開始使用軟軸與變速箱相連接，借此來顯示轉速，而里程又通過滾輪計數來顯示。固然機械式里程表布局簡略，易磨損壽命短，但維修方便快捷，使用方便。隨著科技進步，電子里程表逐漸普及，其特征是沒有軟軸。而通過傳感器可以探測出輪子的速度，再通過單片機計算即可顯示車輛速度，里程，甚至可以在車輛超速時報警。其實現方式是，通過在輪子上裝有一個傳感器來探測旋轉速度，然后把速度轉換為一個脈沖信號，然后由微控制器計算和處理，給出車輛速度和里程數，在將數據輸出到顯示設備。關鍵詞：傳感器；單片機；速度；里程目錄TOC\o"1-4"\h\u24157引言 引言步入21世紀，中國經濟飛速增長，人們日益增長的美好生活需要已經體現在生活的方方面面，人們都希望身邊的物品可以在滿足基本功能的情況下可以擁有更多的功能。因此，人們也希望汽車可以順應時代潮流，功能可以更加強大。傳統的機械式里程表表現精度欠缺，敏感度欠缺，讀數也欠缺直觀。而且機械式的里程表易磨損，壽命不高，提供的數據信息也不夠全面。而且現在安全駕駛深入人心，人們也越發(fā)關注安全駕駛，以往單一顯示數據的機械式里程表已無法滿足現在人們的需求。缺少一些關鍵數據的顯示，也給除汽車外的各類交通工具帶來了不便，影響到這些交通工具的發(fā)展。所以機械式里程表開始無法適應現代交通工具的需求。伴隨著技術的發(fā)展，電子顯示里程表應運而生。具備著多功能，高度精準性，高靈敏度以及讀數直觀的特性。而且里程表擁有了更多的附加功能，里程表現在不但只有速度和里程的顯示，更增添了轉速，油量等顯示。甚至有些里程表擁有有超速報警的功能。里程表從原本需要軟軸的機械式到現在使用先進傳感器和液晶顯示設備的電子式里程表。電子儀表有著損耗低，適用性廣，準確度高，體積小的優(yōu)點。本設計使用了52單片機來設計速度里程表，可以把車輛當前時速和行駛路程顯示出來。本設計是經由單片機，傳感器等部件在屏幕上展示里程和速度，同時超速時會報警的車速里程表。本文首要紹介了設計思維，不同元器件的選擇，電路理論解釋等內容?？傮w上分為理論和論證和實踐和執(zhí)行兩部分。本設計先對課題目標進行簡單論證，包括硬件部分和軟件部分，以證明其可行性。然后介紹了傳感器的多種規(guī)格，為何要選擇霍爾傳感器，為何要選擇52單片機，為何選擇1602顯示器。再簡要闡述了基于單片機的速度里程表的軟件編寫想法，最后對本次課題進行了簡單總結。車速里程表兩表組成，一個是車速表，一個是里程表。這兩個表都可以用來記錄行駛中的路程，但是它們的作用卻完全不一樣，前者主要起指示和計時的功能；后者則主要用于計算并顯示車輛所經過的距離。車速里程表的關鍵是測量傳動系統輸出端的轉速，知道傳動系統輸出端的轉速，知道車輪的轉的次數，然后根據車輪的周長，就可以知道里程數。REF_Ref8833\r\h[1]硬件部分主要有52微處理器外圍、顯示、馬達、增減速開關等。程序包括有：系統初始化程序、速度檢測程序、顯示屏顯示程序、速度計算程序、里程計算程序、存儲程序程序、蜂鳴器報警程序。1.設計任務1.1設計要求設計一種適用于各種交通工具的速度里程表，顯示里程、車速等。理解，學習，分析有關車速里程表的基本知識，并編寫程序，完成實際的設計。1.2方案設計我們都知道，要想測量速度，首先要考慮并且解決的是采樣問題，這里有一個比較簡單的方法，俗稱脈沖計數法。REF_Ref8634\r\h[2]所以以單片機為核心部件，霍爾傳感器將電機處的輪速測量成電子脈沖信號，然后將電子脈沖信號處理到微控制器中。單片機通過程序計算出脈沖頻率，再算出里程數和速度值，再輸出到顯示設備上。當車速值跨越必然限制，蜂鳴器報警。還可以經由開關實現增減速。1.3系統概述本系統由信號采樣模塊、單片機STC89C52、里程積累模塊，速度算數模塊，展現速度和里程模塊、信息存儲模塊和報警模塊等。其中單片機的計算最為重要，傳感器采樣的數據都統一匯入單片機內，進行數據計算，再顯示在顯示器上。1.4本設計基本設計方案本論文的核心目的是實現對測量速度的實時監(jiān)控和數據或信息的顯示。在整個系統中采用了STC89C52作為主控芯片。該控制器可以采集加速度、電壓等物理量并轉換成相應的數字信號，然后經過模數轉換器轉換為模擬量輸出給單片機處理。對傳感器測量的信號數量或頻率進行實時數據監(jiān)測，并通過與單片機相連的電子脈沖和電信號對數據計算分析，最終由微處理器的控制屏幕實時顯示數據或信息。本設計選擇了一臺微處理器，一來是因為我曾經學過和研究過它，二來是因為它必須要有高精度的控制電路，才能讓它的控制更智能化，得到更高的精度，更準確的測量出更高的速度。本設計單片機控制系統原理流程框圖如圖1.1所示圖1.1單片機控制系統原理流程框圖該系統采用了單片機內部的軟件和外部的硬件相結合的方法，將LCCD1602顯示、傳感器檢測、減速調速、報警器等功能與單片機相結合，形成了一個整體的控制系統。由監(jiān)控傳感器接收到的機械旋轉信號，再由放大電路將輸入的信號進行放大、變形，變成由MCU識別的信號，由微處理器進行處理、運算，最終實現對整個系統的控制。2.系統硬件平臺的設計2.1車輪轉動速度及傳感器概述和選型2.1.1光電式轉速傳感器直射式（又稱透射式)傳感器是--種簡單的旋轉軸光電編碼器.REF_Ref27138\r\h[3]它的工作方式如圖2所示,其預變換器的首要部件是能隨被測軸運動的測速盤,早期的測速盤,是帶有許多小孔的金屬或塑料圓盤,如圖2.1-a這些小孔等距離地散布在盤的同一圓周上，發(fā)光裝置和光敏元件安裝在盤的兩側。在工作中，測速盤每轉過一個孔，就從發(fā)光裝置通過孔向光敏元件發(fā)出一個光脈沖。假設Z為測速盤上的孔數，每當被測軸轉動一周，Z個光脈沖信號就會從預變換器中輸出，再通過光電變換器就轉成為了Z個電脈沖信號,由此可見，被測轉速和測速盤的開孔數與傳感器的輸出頻率成正比。隨著傳感器的每轉脈沖數的增加，分辨率就隨之提高，精度也隨之變得準確。這在低轉速和瞬時轉速測定的應用中體現的很明顯,當增添測光盤的開孔數時直射式傳感器的每轉脈沖數也會增多。在現如今傳感器的使用中，會采取改孔為縫的措施以增添閘光盤的開孔數量，如圖2.1-b所示,這些漏光的縫叫做光柵,由于利用現代科技在圓盤上制造出細密的光棚并不困吶，所以這類傳感器與別的脈沖式轉速傳感器相比之下,最明顯的特色便是其每轉脈沖數可以做得非常多。低轉速和瞬時轉速的測量就是最適合直射式傳感器的地方，但是直射式傳感器的測景區(qū)域較窄，不適合測量高轉速,而且它的閘光盤一定要和被測軸觸碰才能運行，使用起來也不太便利。圖2.1光電式轉速傳感器結構圖示2.1.2反射式傳感器該種傳感器的工作方式如后面的圖2.2所示。預變壓器的主要組成部分是在被測物體旋轉表面上作出的反射標記。明亮的白色材料，如白色顏料、白色油漆、白色紙片、玻璃鏡片、鋁箔或定向反光紙，經常被用來制作反光標記。發(fā)光器件和感光元件都放在被測物體的一側，人們常把發(fā)光器件、感光元件和光學元件的組合稱為光電頭。工作時，每次被測物體轉動反射標記時，光源發(fā)出的輻射光就被反射一次，即向光敏元件傳遞光脈沖。電脈沖信號是由光電轉換器通過光脈沖轉換而產生的。由此可見被測轉速與反射標記數都和傳感器輸出信號的頻率成正比。反射標記一般只做一個，就是因為反射標記不能做的很多。所以反射傳感器的脈沖數通常為1。正因如此，使用改傳感器測量低轉速時適合采用測量周長法，不適合使用測量頻率法，否則誤差巨大。但反射式傳感器的測量區(qū)間寬，非常適合高轉速測量情況，此時即可采用頻率測量法，而且在遇到閘門時間長的電子計數器時可以無阻礙地輸出均速值，精確度很高。該類傳感器最顯著的優(yōu)勢是可以無需接觸測量，而且間隔距離很遠。這個優(yōu)勢是其他脈沖式轉速傳感器是無法比擬的，反射式傳感器有兩大類，分別是如下圖2.2所示，有光路分離式傳感器和光路重合式傳感器。圖2.2反射式感器結構圖示2.1.3霍爾式轉速傳感器霍爾速度傳感器是根據霍爾效應工作的：一個金屬或半導體片被放置在垂直于該片的磁場中，當電流Ic被施加到該片上時，在該片的兩邊產生一個小的霍爾電壓UH。如果磁場的強度發(fā)生變化，如果你改變磁場的強度，霍爾電壓就會改變，磁場消失后，霍爾電壓就會變成零。由矩陣脈沖信號作為傳感器的輸出，在很多方面非常適合應用于數字控制系統,是數字控制系統的理想選擇，主要原因就是該傳感器的抗干擾能力非常強悍。傳感器輸出電壓訊號穩(wěn)定,只要存在磁場,霍爾元件總是產生相同的電壓,并且輸出信號電壓的大小與轉速無關,即使是在發(fā)動機起動的低轉速狀態(tài)下,仍能夠獲得較高的檢測準確度。[4]圖2.1.3霍爾式轉速傳感器2.1.4傳感器選用原則針對該系統的各種類型的傳感器都有各自的優(yōu)勢，但由于測試對象的不同，需要選用的傳感器類型也會有很大的差異，所以選用的傳感器不僅會影響到測試的準確性，還會對最終的測試結果產生一定的影響。所以對于不同的被測物，應該使用不同的傳感器傳感器測定數據不同的數據，選擇合適的傳感器對于測量數據的準確性和最終的檢測結果是非常重要的。由于傳感器的種類和工作原理各有差異，因此選用合適的感應器必須依據目標和對象特性而定。根據被測對象的各種合監(jiān)控數據的差異和監(jiān)控數據的準確性、靈敏度和穩(wěn)定性，并按照線性需求和探測區(qū)域等的各種性能和特征來進行選擇。2.1.5關于本設計課題所選用的轉速傳感器考慮到濕度溫度等外部因素的影響，并考慮到本設計主要針對模擬系統設計，本設計采用霍爾傳感器原件作為傳感器的選擇。本文首先介紹了車輛測速原理及方法，然后對基于霍爾傳感技術的汽車智能控制系統進行研究分析，最后通過實驗驗證該控制方案可行性。在文章最后給出了總結與展望?；魻栃夹g是一種理想的磁感應技術，它能探測到磁場的變化，反映磁場的變化，并轉化為電磁信號來檢測速度、方位、角度等?；魻杺鞲衅骶哂性S多優(yōu)點，如結構簡單，魯棒性好，可靠性高,壽命長,功耗低，溫度范圍廣，抗干擾能力強，耐灰塵油污腐蝕等。[6]2.2總體設計方案說明本設計方案是：以電機模擬為車輪，其車輪轉速被傳感器檢測到，轉化成脈沖信號，52單片機為處理核心，收到信號進行處理。52微處理器將收集到的信息進行運算，并將其輸出至監(jiān)視器，由監(jiān)視器顯示。其原理是：假定輪周是L，在輪環(huán)上裝有一塊磁石，當每次旋轉時，霍爾感應器會探測到一個脈沖，當單片計算機的計數被切斷時，它會用P3.2來切斷0的端點，表示傳感器探測到了來自不同的脈沖。而每次中斷代表車輪的轉動一次，中斷次數N乘以圓周L就是里程數。當計數器T1通過計算每次旋轉所花費的時間t，再用里程除以時間來計算瞬間速度v。REF_Ref20113\r\h[13]當系統的轉速超出了規(guī)定的范圍時，傳感器檢測到超速信息，并將信息發(fā)送到單片機內，單片機內程序觸發(fā)，將高電平輸出到P3.7端口，并觸發(fā)蜂鳴器的警報。方案要求及實現方法如下：（1）檢測電機轉速并輸出。實現：傳感器檢測輪上數據并轉換成脈沖信號輸出（2）對脈沖信號進行計數。 實現：利用程序對脈沖信號進行計數。（3）對數據進行處理并輸出到顯示設備。實現：利用C語言編寫程序，讓程序實現對數據的處理，并將數據輸出至顯示設備。最終目標：使該系統擁有檢測速度，計算里程的功能，并可以設定相應的速度，當檢測速度超過該值時進行報警。圖2.2系統框圖2.3單片機最小系統2.3.1STC89C52單片機STC89C52采用8K可編程Flash內存，具有低功耗、高性能的CMOS8位單片機。完全符合本設計的需求。REF_Ref18667\r\h[7]并且該單片機在教學應用中使用較多，網上關于該單片機信息全面，應用案例較多，使用起來難度低，維護成本低，相關的代碼也較為豐富，有利于完成本設計。圖2.3.1STC89C52單片機2.3.2時鐘電路該系統的時鐘電路通過放置放大器、晶振和電容，同時把三者構成振蕩電路。時鐘電路是1個12MHz的晶振和2個20PF的電容組合構成，其中晶振要盡可能靠近STC89C51的第18、19引腳。[5]XTAL1是逆變器的輸入端，XTAL2是輸出端.圖2.3.2時鐘電路2.3.3復位電路復位模式有兩種：上電復位和手動按鍵復位。在電路中，電容器的容量是可變的，按下按鈕后，電容器就會釋放出全部的能量，而電阻器上的電壓會升高，從而重新設置系統。這是由于在單片機復位管腳收到2us以上的信號時，它將被重置，因此，只要電容器充電和放電的持續(xù)時間超過2us，它就能被重置。另外，在振蕩器穩(wěn)定的情況下，如果存在兩個高的電平，并且在重置管腳上保持24次以上的振動循環(huán)，則可以使系統重置圖2.3.3復位電路2.4顯示模塊LCD1602LCD，可顯示2行文字，一屏即可同時顯示數字、單位等。此外，由LCD1602顯示器組成的顯示裝置，其優(yōu)點是顯示內容多、功率低、操作方便、使用單片機接口少，工作電壓為4.5-5.5V，工作電流為2mA。圖2.4液晶顯示模塊圖1602引腳說明表格如圖下所示：圖2.4.1602引腳說明2.5A44E霍爾傳感器圖2.5霍爾傳感器A44E是一種霍爾開關元件，工作電壓范圍很廣（4.5至18V）。信號輸出達到TTL電平標準，可直接連接到單片機的I/O端口，最大檢測頻率為1MHz。REF_Ref23425\r\h[10]A44E霍爾一體化開關是一種應用了霍爾效應的電磁感應器件，它是由半導體技術實現的。它是由一系列部件組成的。其主要優(yōu)點：1.結構簡單、成本低；2.工作可靠；3.抗干擾能力強；4.可在較寬的范圍內連續(xù)測量磁場變化量。該產品已廣泛應用于工業(yè)控制領域中。該A44E霍爾傳感器的輸入是磁感應強度，而輸出是數字電壓信號。該傳感器使用廣泛，在日常生活中使用頻率高，簡單維護，也易于更換，這是選擇的主要原因。2.6DS1302時鐘芯片圖2.6時鐘芯片本設計采用DS1302作為芯片，該芯片具有低功耗、高性能的特點，可以通過簡單的同步串行模式與單片機通信聯絡[8]。DS1302的Vcc1管腳是用來與備用電源相連接的，Vcc2管腳是用來與主電源相連接的，當主電源小于0.2V時，Vcc1用于驅動x1和x2引腳的外部32.768晶振。3.系統軟件的設計與實現3.1主程序處理過程圖圖3.1主程序處理過程圖3.2顯示處理過程圖本系統采用液晶顯示器進行動態(tài)掃描和顯示。將P1.2接口與E接口相連接。接著，將P1.0接口與RS端連接，P0~P7接口連接D0~D7，并向P0端口發(fā)送該數值。呼叫延遲時，把P2.2端口設為0,P2.0端口設為1，輸出命令，P2.2、P2.0端口設為1，輸入數據，顯示全部數字。如圖下所示圖3.2顯示處理過程圖3.3速度計算處理流程圖圖3.3速度計算處理流程圖3.4單片機程序開發(fā)環(huán)境KeiluVision4是現時51系列單片機的主要發(fā)展工具，KeiluVision4是STC開發(fā)的最新一代51系列單片機的編譯、連接和調試的一體化環(huán)境，keiluvision4是現時51系列單片機的主要發(fā)展工具。本文介紹了如何使用C語言編寫KeiluVision系統，以及在此過程中需要注意的問題，同時給出了一些具體實例來說明其實現方法。最后對整個系統進行了測試和分析。KeiluVision4不僅提供了支持C/C++開發(fā)的全Windows開發(fā)環(huán)境接口，REF_Ref29669\r\h[11]而且該程序在學校里學習過，網上學習資料豐富，上手難度較低，容易使用，有利于完成該設計。3.4電路仿真3.4.1仿真軟件簡介由Lab中心電子公司開發(fā)的Proteus軟件不僅模擬功能EDA軟件，而且模仿MCU和周圍的設備。由于它功能強大，操作簡單方便，所以在很多高校都開設有這門課程。而在電路設計過程中,PCB是最關鍵的部分之一，因此PCB布線技術對于電路板性能起著決定性作用。Proteus軟件Proteus軟件電子電路電子電路教學領域得到了廣泛的應用，從布圖到代碼調試，從MCU和周圍電路的協同模擬，到PCB設計，從概念到最終產品。[12]該軟件在教學任務里學習過，對該軟件有一定的了解，并且可以熟練使用，對于完成該設計有一定幫助。3.4.2仿真結果基于單片機的速度里程表在Protues內仿真如圖12所示。圖3.4.2基于單片機的速度里程表仿真結果4.該設計的設備的調試和測試基于單片機的速度里程表的電路實物圖如圖13所示。圖4基于單片機的速度里程表的電路實物圖5.設計總結本計劃的基于51單片機為焦點的速度里程表，首要包羅硬件和軟件的計劃。（1）本設計所設計的里程表結構較為簡單，設計原理也較為簡單。在深切智能化方面未作探究。（2）本設計結構簡單但是系統穩(wěn)定性高且易維護。（3）該設計是利用C編程實現的，既實現了該系統的功能，又確保了該系統的兼容性和可移植性。參考文獻吳翊鈞.基于單片機的車速里程表設計與仿真[J].計算機光盤軟件與應用,2012(14):213-223周炳,洪家平.基于AT89C52的自行車速度里程表的設計[J].電腦知識與技術，2016(8):254-255黎廷云.光電計數式轉速傳感器的分類及評述[J].電工技術，1990(05):44-48汪云.基于霍爾傳感器的轉速檢測裝置[J].傳感器技術,2003(10):