《汽车里程表电路》word版.doc

汽车里程表电路摘要本系统由信号预处理电路、单片机AT89C2051、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。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；设计中速度显示采用LED模块，通过速度换算得来的里程数采用I2C总线并通过E2PROM来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。关键词 整形 计数 存储1 引言车仪表板中最显眼的是车速里程表，它表示汽车的时速，单位是km/h（公里小时）。汽车里程表实际上由两个表组成，一个是车速表，另一个是里程表。传统的车速表是机械式的，典型的机械式里程表连接一根软轴，软轴内有一根钢丝缆，软轴另一端连接到变速器某一个齿轮上，齿轮旋转带动钢丝缆旋转，钢丝缆带动里程表罩圈内一块磁铁旋转，罩圈与指针联接并通过游丝将指针置于零位，磁铁旋转速度的快慢引起磁力线大小的变化，平衡被打破指针因此被带动。这种车速里程表简单实用，被广泛用于大小型汽车上. 现在绝大数多轿车使用没有软轴的电子传感器的车速表，常见的一种是从变速器上的速度传感器获取信号，通过脉冲频率的变化使指针偏转或者显示数字表示汽车的时速。汽车里程表还包括由连接同一信号源的两个液晶数字显示窗，分别累计本次里程和总里程。本次里程通常有四位数，供短期计数，这是可以清零的；总里程则有六位数，不能清零。电子式里程表累积的里程数字存储在非易失性存储器内，在无电状下态数据也能保存。2 设计要求分析根据设计要求里程范围0100000KM。根据设计要求需要6位译码显示屏，可采用LED显示模块显示速度，再通过转换来存储里程数据。计数器要求不能进行人工清零或增加计数，数据只能加不能减。AT89C2051单片机可使内部定时器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；设计中速度显示采用LED模块，通过速度换算得来的里程数采用I2C总线并通过E2PROM来存储。CD4076是CMOS 4位三态输出D寄存器,通过74LS138的Y6,Y7来控制其CP的工作,从而使CD4076来控制小数点显示。应综合考虑测速精度和系统反应时间。本设计用测量脉冲频率来计算速度,因而具有较高的测速精度。在计算里程时取了自行车的理想状态。3.设计原理及工作过程图1 电路原理方框图本系统由信号预处理电路、单片机AT89C2051、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。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；设计中速度显示采用LED模块，通过速度换算得来的里程数采用I2C总线并通过E2PROM来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。系统的原理框图如图1所示。该设计能实时地将所测的速度与累计里程数显示出来，主要是将传感器输入到单片机的脉冲信号的频率（传感器将不同车速转变成不同频率的脉冲信号）实时地测量出来，考虑到信号的衰减、干扰等影响，在信号送入单片机前应对其进行放大整形，然后通过单片机计算出速度和里程，再将所得的数据存储到串口数据存储器，并由LED显示模块交替显示所测速度与里程。本设计的里程数的算法是一种大概的算法（假设在一定时间内自行车是匀速行进，平均速度与时间的乘积即为里程数）。 4 电路设计4.1 单元电路设计4.1.1 脉冲发生源本设计采用了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。 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11个过孔，从而留下了10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2所示。图24.1.2 信号预处理电路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。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4所示），同时将输出信号加到单片机的P3.4口上。图34.1.3 施密特触发器电路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44.1.4 E2PROM AT24C02的应用AT24C02是CMOS 2048位串行E2PROM，在内部组织成2568位。AT24C02的特点是具有允许在简单的二线总线上工作的串行接口和软件协议。如图5所示，在本设计中用芯片AT24C02的SDA端与单片机的P3.7口相连，SCL端与单片机的P3.5口相连。因为在这个I2C总线上只有一个器件，所以把AT24C02的地址设为000，即把A0、A1、A2都接地。单片机计算出来的里程数据通过SDA、SCL向AT24C02输送数据。单片机首先向AT24C02发送写信号，当确认后从单片机内部的数据储存单元提取数据然后向AT24C02的内部地址传送数据。当显示里程时，单片机首先向AT24C02发送读信号，然后确认后，单片机从AT24C02内部的地址向单片机的读出单元字节读出数据，供显示所用。图54.1.5 显示部分本设计的显示模块包括MC14511BCP、CD4076、74LS138和6个LED显示管等器件。 MC14511是将锁存、译码、驱动三种功能集于一身的“三合一”器件。锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，便于观察和记录。用译码器将BCD码转换成7段码，再经过大电流反相器，驱动共阴极LED数码管。译码器属于非时序电路，其输出状态与时钟无关，仅取决于输入的BCD码。74LS138的作用相当于位选的功能，当C，B，A的输入分别为“000、001、010、011、100、101”时分别选择不同的MC14511，从而在不同位上显示不同的数字和小数点。CD4076是CMOS 4位三态输出D寄存器,通过74LS138的Y6，Y7来控制其CP的工作，从而使CD4076来控制小数点显示。图6是显示模块框图。图64.1.6 系统的软件设计 1 系统软件框图如图7所示，本系统软件采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、频率测量模块、速度，里程计算模块、数据转码模块、速度显示模块、里程显示模块、数据存储，读取模块、定时器中断服务模块以及其他功能模块组成。图72 数据处理待测信号经预处理电路后加至单片机的P3.4（T0）引脚可为单片机测量信号频率提供有效的输入信号。单片机通过检测P3.4引脚电平来决定是否启动测量频率程序。当该引脚为高电平时，系统处于等待状态，要一直到该引脚出现低电平时才开始测频率。我们可从硬件的铝盘上知道两个过孔之间在圆周上的距离。而这个距离M正好为计算速度和距离起到了基本的数据储备作用。同时可以从TL0寄存器知道在两秒内单片机检测到的N个脉冲。而MN所得到的正是这两秒内铝盘在圆周上所走得距离S。（此时假设在这个两秒内车子是匀速前进的），距离S除以2s的时间，就可以大概的算出这2s内铝盘的线速度。再根据铝盘与汽车的轮子保持着一样的角速度，得到铝盘的线速度与轮子线速度的关系，从而算出汽车在这2s的平均速度。 至于里程的计算，根据速度计算的分析，在得到2s内铝盘在其圆周上走过的距离后。根据它与车轮子的圆周走过的距离有一定比例关系（通过两者角速度一样的算法）可以通过单片机的算出自行车在这两秒内走过的路程S1。把这个路程S1与存储器原来的里程数相加即可得到目前的总里程数。通过单片机计算出来的速度和里程的数据，必须通过BCD码的转换才能输出给显示模块。总里程数的显示是设定出现在汽车开动，单片机开机经过初始化后显示出来，这样以来用户可以清楚的知道自己的车子已经运行了多少公里了。而速度的显示则是在计算出速度里程后立刻显示出来，体现实时性。5 系统电路设计该设计能实时地将所测的速度与累计里程数显示出来,主要是将传感器输入到单片机的脉冲信号的频率（传感器将不同车速转变成不同频率的脉冲信号）实时地测量出来,考虑到信号的衰减、干扰等影响,在信号送入单片机前应对其进行放大整形,然后通过单片机计算出速度和里程,再将所得的数据存储到串口数据存储器,并由LED显示模块交替显示所测速度与里程。本设计的里程数的算法是一种大概的算法（假设在一定时间内车是匀速行进,平均速度与时间的乘积即为里程数）。 图8 总电路图6 小结设计以AT89C2051为核心，通过光电传感器来检测汽车的运转情况进而实现汽车的速度，里程的计算及里程的累计，存储，最后用6位的LED能直观的将速度与里程显示给用户，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。参考书目黄智伟 全国大学生电子设计竞赛训练教程 北京 电子工业出版社 2005高吉祥 全国大学生电子设计竞赛训练教程 北京 电子工业出版社 2006卿太全 常用数字集成电路原理与应用 北京 人民邮电出版社 2006肖景和 COMS数字电路应用300例 北京 中国电力出版社 2005黄永定 电子线路与课程设计 北京 机械工业出版社 2005黄智伟 全国大学生电子设计竞赛电路设计 北京 北京航空航天出版社 2006附录 材料清单序号名称型号数量备注1单片机AT89C205112存储器74LS13813译码驱动器MC1451124门电路CD407625显示器LED6