電動自行車速度與里程表的設(shè)計方案

本文介紹的速度與里程表設(shè)計以單片機(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輸入到單片機(jī)進(jìn)行控制與計算，再采用LED模塊進(jìn)行顯示，使得電動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)存儲電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號預(yù)處理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。對待測信號進(jìn)行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求;波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的TTL信號;通過單片機(jī)的設(shè)置可使內(nèi)部定時器T1對脈沖輸入引腳T0進(jìn)行控制，這樣能精確地算出加到T0引腳的單位時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù);設(shè)計中速度顯示采用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，既節(jié)省了所需單片機(jī)的口線和外圍器件，同時也簡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)計能實時地將所測的速度與累計里程數(shù)顯示出來，主要是將傳感器輸入到單片機(jī)的脈沖信號的頻率(傳感器將不同車速轉(zhuǎn)變成不同頻率的脈沖信號)實時地測量出來，考慮到信號的衰減、干擾等影響，在信號送入單片機(jī)前應(yīng)對其進(jìn)行放大整形，然后通過單片機(jī)計算出速度和里程，再將所得的數(shù)據(jù)存儲到串口數(shù)據(jù)存儲器，并由LED顯示模塊交替顯示所測速度與里程。本設(shè)計的里程數(shù)的算法是一種大概的算法(假設(shè)在一定時間內(nèi)自行車是勻速行進(jìn)，平均速度與時間的乘積即為里程數(shù))。

　　設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮測速精度和系統(tǒng)反應(yīng)時間。本設(shè)計用測量脈沖頻率來計算速度，因而具有較高的測速精度。在計算里程時取了自行車的理想狀態(tài)。實際中，誤差控制在幾米之內(nèi)，相對于整個里程來說不是很大。為了保證系統(tǒng)的實時性，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的通用性和高效性。本設(shè)計的速度和里程值采用6位顯示，并包含兩個小數(shù)位。

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　脈沖發(fā)生源

　　本設(shè)計采用了ST1101紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測。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，傳感器將會輸出一個低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖。

　　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鋁盤，在這個鋁盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)鋁盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機(jī)可以識別的TTL電平，即可算出輪子即時的轉(zhuǎn)速。

　　鋁盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度，個數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因為兩個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過孔之前停止了，造成較大的誤差。

　　本設(shè)計在鋁盤過孔的設(shè)計上采用11個過孔，從而留下了10個同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)計中能夠較為方便的計算出速度里程。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)