基于单片机的速度里程表

基于单片机速度里程表的设计摘要大部分交通工具都会使用里程表，从汽车诞生之初速度里程表的演变就从未停止，从一开始使用软轴与变速箱相连接，借此来显示转速，而里程又通过滚轮计数来显示。固然机械式里程表布局简略，易磨损寿命短，但维修方便快捷，使用方便。随着科技进步，电子里程表逐渐普及，其特征是没有软轴。而通过传感器可以探测出轮子的速度，再通过单片机计算即可显示车辆速度，里程，甚至可以在车辆超速时报警。其实现方式是，通过在轮子上装有一个传感器来探测旋转速度，然后把速度转换为一个脉冲信号，然后由微控制器计算和处理，给出车辆速度和里程数，在将数据输出到显示设备。关键词：传感器；单片机；速度；里程目录TOC\o"1-4"\h\u24157引言 引言步入21世纪，中国经济飞速增长，人们日益增长的美好生活需要已经体现在生活的方方面面，人们都希望身边的物品可以在满足基本功能的情况下可以拥有更多的功能。因此，人们也希望汽车可以顺应时代潮流，功能可以更加强大。传统的机械式里程表表现精度欠缺，敏感度欠缺，读数也欠缺直观。而且机械式的里程表易磨损，寿命不高，提供的数据信息也不够全面。而且现在安全驾驶深入人心，人们也越发关注安全驾驶，以往单一显示数据的机械式里程表已无法满足现在人们的需求。缺少一些关键数据的显示，也给除汽车外的各类交通工具带来了不便，影响到这些交通工具的发展。所以机械式里程表开始无法适应现代交通工具的需求。伴随着技术的发展，电子显示里程表应运而生。具备着多功能，高度精准性，高灵敏度以及读数直观的特性。而且里程表拥有了更多的附加功能，里程表现在不但只有速度和里程的显示，更增添了转速，油量等显示。甚至有些里程表拥有有超速报警的功能。里程表从原本需要软轴的机械式到现在使用先进传感器和液晶显示设备的电子式里程表。电子仪表有着损耗低，适用性广，准确度高，体积小的优点。本设计使用了52单片机来设计速度里程表，可以把车辆当前时速和行驶路程显示出来。本设计是经由单片机，传感器等部件在屏幕上展示里程和速度，同时超速时会报警的车速里程表。本文首要绍介了设计思维，不同元器件的选择，电路理论解释等内容。总体上分为理论和论证和实践和执行两部分。本设计先对课题目标进行简单论证，包括硬件部分和软件部分，以证明其可行性。然后介绍了传感器的多种规格，为何要选择霍尔传感器，为何要选择52单片机，为何选择1602显示器。再简要阐述了基于单片机的速度里程表的软件编写想法，最后对本次课题进行了简单总结。车速里程表两表组成，一个是车速表，一个是里程表。这两个表都可以用来记录行驶中的路程，但是它们的作用却完全不一样，前者主要起指示和计时的功能；后者则主要用于计算并显示车辆所经过的距离。车速里程表的关键是测量传动系统输出端的转速，知道传动系统输出端的转速，知道车轮的转的次数，然后根据车轮的周长，就可以知道里程数。REF_Ref8833\r\h[1]硬件部分主要有52微处理器外围、显示、马达、增减速开关等。程序包括有：系统初始化程序、速度检测程序、显示屏显示程序、速度计算程序、里程计算程序、存储程序程序、蜂鸣器报警程序。1.设计任务1.1设计要求设计一种适用于各种交通工具的速度里程表，显示里程、车速等。理解，学习，分析有关车速里程表的基本知识，并编写程序，完成实际的设计。1.2方案设计我们都知道，要想测量速度，首先要考虑并且解决的是采样问题，这里有一个比较简单的方法，俗称脉冲计数法。REF_Ref8634\r\h[2]所以以单片机为核心部件，霍尔传感器将电机处的轮速测量成电子脉冲信号，然后将电子脉冲信号处理到微控制器中。单片机通过程序计算出脉冲频率，再算出里程数和速度值，再输出到显示设备上。当车速值跨越必然限制，蜂鸣器报警。还可以经由开关实现增减速。1.3系统概述本系统由信号采样模块、单片机STC89C52、里程积累模块，速度算数模块，展现速度和里程模块、信息存储模块和报警模块等。其中单片机的计算最为重要，传感器采样的数据都统一汇入单片机内，进行数据计算，再显示在显示器上。1.4本设计基本设计方案本论文的核心目的是实现对测量速度的实时监控和数据或信息的显示。在整个系统中采用了STC89C52作为主控芯片。该控制器可以采集加速度、电压等物理量并转换成相应的数字信号，然后经过模数转换器转换为模拟量输出给单片机处理。对传感器测量的信号数量或频率进行实时数据监测，并通过与单片机相连的电子脉冲和电信号对数据计算分析，最终由微处理器的控制屏幕实时显示数据或信息。本设计选择了一台微处理器，一来是因为我曾经学过和研究过它，二来是因为它必须要有高精度的控制电路，才能让它的控制更智能化，得到更高的精度，更准确的测量出更高的速度。本设计单片机控制系统原理流程框图如图1.1所示图1.1单片机控制系统原理流程框图该系统采用了单片机内部的软件和外部的硬件相结合的方法，将LCCD1602显示、传感器检测、减速调速、报警器等功能与单片机相结合，形成了一个整体的控制系统。由监控传感器接收到的机械旋转信号，再由放大电路将输入的信号进行放大、变形，变成由MCU识别的信号，由微处理器进行处理、运算，最终实现对整个系统的控制。2.系统硬件平台的设计2.1车轮转动速度及传感器概述和选型2.1.1光电式转速传感器直射式（又称透射式)传感器是--种简单的旋转轴光电编码器.REF_Ref27138\r\h[3]它的工作方式如图2所示,其预变换器的首要部件是能随被测轴运动的测速盘,早期的测速盘,是带有许多小孔的金属或塑料圆盘,如图2.1-a这些小孔等距离地散布在盘的同一圆周上，发光装置和光敏元件安装在盘的两侧。在工作中，测速盘每转过一个孔，就从发光装置通过孔向光敏元件发出一个光脉冲。假设Z为测速盘上的孔数，每当被测轴转动一周，Z个光脉冲信号就会从预变换器中输出，再通过光电变换器就转成为了Z个电脉冲信号,由此可见，被测转速和测速盘的开孔数与传感器的输出频率成正比。随着传感器的每转脉冲数的增加，分辨率就随之提高，精度也随之变得准确。这在低转速和瞬时转速测定的应用中体现的很明显,当增添测光盘的开孔数时直射式传感器的每转脉冲数也会增多。在现如今传感器的使用中，会采取改孔为缝的措施以增添闸光盘的开孔数量，如图2.1-b所示,这些漏光的缝叫做光栅,由于利用现代科技在圆盘上制造出细密的光棚并不困呐，所以这类传感器与别的脉冲式转速传感器相比之下,最明显的特色便是其每转脉冲数可以做得非常多。低转速和瞬时转速的测量就是最适合直射式传感器的地方，但是直射式传感器的测景区域较窄，不适合测量高转速,而且它的闸光盘一定要和被测轴触碰才能运行，使用起来也不太便利。图2.1光电式转速传感器结构图示2.1.2反射式传感器该种传感器的工作方式如后面的图2.2所示。预变压器的主要组成部分是在被测物体旋转表面上作出的反射标记。明亮的白色材料，如白色颜料、白色油漆、白色纸片、玻璃镜片、铝箔或定向反光纸，经常被用来制作反光标记。发光器件和感光元件都放在被测物体的一侧，人们常把发光器件、感光元件和光学元件的组合称为光电头。工作时，每次被测物体转动反射标记时，光源发出的辐射光就被反射一次，即向光敏元件传递光脉冲。电脉冲信号是由光电转换器通过光脉冲转换而产生的。由此可见被测转速与反射标记数都和传感器输出信号的频率成正比。反射标记一般只做一个，就是因为反射标记不能做的很多。所以反射传感器的脉冲数通常为1。正因如此，使用改传感器测量低转速时适合采用测量周长法，不适合使用测量频率法，否则误差巨大。但反射式传感器的测量区间宽，非常适合高转速测量情况，此时即可采用频率测量法，而且在遇到闸门时间长的电子计数器时可以无阻碍地输出均速值，精确度很高。该类传感器最显著的优势是可以无需接触测量，而且间隔距离很远。这个优势是其他脉冲式转速传感器是无法比拟的，反射式传感器有两大类，分别是如下图2.2所示，有光路分离式传感器和光路重合式传感器。图2.2反射式感器结构图示2.1.3霍尔式转速传感器霍尔速度传感器是根据霍尔效应工作的：一个金属或半导体片被放置在垂直于该片的磁场中，当电流Ic被施加到该片上时，在该片的两边产生一个小的霍尔电压UH。如果磁场的强度发生变化，如果你改变磁场的强度，霍尔电压就会改变，磁场消失后，霍尔电压就会变成零。由矩阵脉冲信号作为传感器的输出，在很多方面非常适合应用于数字控制系统,是数字控制系统的理想选择，主要原因就是该传感器的抗干扰能力非常强悍。传感器输出电压讯号稳定,只要存在磁场,霍尔元件总是产生相同的电压,并且输出信号电压的大小与转速无关,即使是在发动机起动的低转速状态下,仍能够获得较高的检测准确度。[4]图2.1.3霍尔式转速传感器2.1.4传感器选用原则针对该系统的各种类型的传感器都有各自的优势，但由于测试对象的不同，需要选用的传感器类型也会有很大的差异，所以选用的传感器不仅会影响到测试的准确性，还会对最终的测试结果产生一定的影响。所以对于不同的被测物，应该使用不同的传感器传感器测定数据不同的数据，选择合适的传感器对于测量数据的准确性和最终的检测结果是非常重要的。由于传感器的种类和工作原理各有差异，因此选用合适的感应器必须依据目标和对象特性而定。根据被测对象的各种合监控数据的差异和监控数据的准确性、灵敏度和稳定性，并按照线性需求和探测区域等的各种性能和特征来进行选择。2.1.5关于本设计课题所选用的转速传感器考虑到湿度温度等外部因素的影响，并考虑到本设计主要针对模拟系统设计，本设计采用霍尔传感器原件作为传感器的选择。本文首先介绍了车辆测速原理及方法，然后对基于霍尔传感技术的汽车智能控制系统进行研究分析，最后通过实验验证该控制方案可行性。在文章最后给出了总结与展望。霍尔效应技术是一种理想的磁感应技术，它能探测到磁场的变化，反映磁场的变化，并转化为电磁信号来检测速度、方位、角度等。霍尔传感器具有许多优点，如结构简单，鲁棒性好，可靠性高,寿命长,功耗低，温度范围广，抗干扰能力强，耐灰尘油污腐蚀等。[6]2.2总体设计方案说明本设计方案是：以电机模拟为车轮，其车轮转速被传感器检测到，转化成脉冲信号，52单片机为处理核心，收到信号进行处理。52微处理器将收集到的信息进行运算，并将其输出至监视器，由监视器显示。其原理是：假定轮周是L，在轮环上装有一块磁石，当每次旋转时，霍尔感应器会探测到一个脉冲，当单片计算机的计数被切断时，它会用P3.2来切断0的端点，表示传感器探测到了来自不同的脉冲。而每次中断代表车轮的转动一次，中断次数N乘以圆周L就是里程数。当计数器T1通过计算每次旋转所花费的时间t，再用里程除以时间来计算瞬间速度v。REF_Ref20113\r\h[13]当系统的转速超出了规定的范围时，传感器检测到超速信息，并将信息发送到单片机内，单片机内程序触发，将高电平输出到P3.7端口，并触发蜂鸣器的警报。方案要求及实现方法如下：（1）检测电机转速并输出。实现：传感器检测轮上数据并转换成脉冲信号输出（2）对脉冲信号进行计数。 实现：利用程序对脉冲信号进行计数。（3）对数据进行处理并输出到显示设备。实现：利用C语言编写程序，让程序实现对数据的处理，并将数据输出至显示设备。最终目标：使该系统拥有检测速度，计算里程的功能，并可以设定相应的速度，当检测速度超过该值时进行报警。图2.2系统框图2.3单片机最小系统2.3.1STC89C52单片机STC89C52采用8K可编程Flash内存，具有低功耗、高性能的CMOS8位单片机。完全符合本设计的需求。REF_Ref18667\r\h[7]并且该单片机在教学应用中使用较多，网上关于该单片机信息全面，应用案例较多，使用起来难度低，维护成本低，相关的代码也较为丰富，有利于完成本设计。图2.3.1STC89C52单片机2.3.2时钟电路该系统的时钟电路通过放置放大器、晶振和电容，同时把三者构成振荡电路。时钟电路是1个12MHz的晶振和2个20PF的电容组合构成，其中晶振要尽可能靠近STC89C51的第18、19引脚。[5]XTAL1是逆变器的输入端，XTAL2是输出端.图2.3.2时钟电路2.3.3复位电路复位模式有两种：上电复位和手动按键复位。在电路中，电容器的容量是可变的，按下按钮后，电容器就会释放出全部的能量，而电阻器上的电压会升高，从而重新设置系统。这是由于在单片机复位管脚收到2us以上的信号时，它将被重置，因此，只要电容器充电和放电的持续时间超过2us，它就能被重置。另外，在振荡器稳定的情况下，如果存在两个高的电平，并且在重置管脚上保持24次以上的振动循环，则可以使系统重置图2.3.3复位电路2.4显示模块LCD1602LCD，可显示2行文字，一屏即可同时显示数字、单位等。此外，由LCD1602显示器组成的显示装置，其优点是显示内容多、功率低、操作方便、使用单片机接口少，工作电压为4.5-5.5V，工作电流为2mA。图2.4液晶显示模块图1602引脚说明表格如图下所示：图2.4.1602引脚说明2.5A44E霍尔传感器图2.5霍尔传感器A44E是一种霍尔开关元件，工作电压范围很广（4.5至18V）。信号输出达到TTL电平标准，可直接连接到单片机的I/O端口，最大检测频率为1MHz。REF_Ref23425\r\h[10]A44E霍尔一体化开关是一种应用了霍尔效应的电磁感应器件，它是由半导体技术实现的。它是由一系列部件组成的。其主要优点：1.结构简单、成本低；2.工作可靠；3.抗干扰能力强；4.可在较宽的范围内连续测量磁场变化量。该产品已广泛应用于工业控制领域中。该A44E霍尔传感器的输入是磁感应强度，而输出是数字电压信号。该传感器使用广泛，在日常生活中使用频率高，简单维护，也易于更换，这是选择的主要原因。2.6DS1302时钟芯片图2.6时钟芯片本设计采用DS1302作为芯片，该芯片具有低功耗、高性能的特点，可以通过简单的同步串行模式与单片机通信联络[8]。DS1302的Vcc1管脚是用来与备用电源相连接的，Vcc2管脚是用来与主电源相连接的，当主电源小于0.2V时，Vcc1用于驱动x1和x2引脚的外部32.768晶振。3.系统软件的设计与实现3.1主程序处理过程图图3.1主程序处理过程图3.2显示处理过程图本系统采用液晶显示器进行动态扫描和显示。将P1.2接口与E接口相连接。接着，将P1.0接口与RS端连接，P0~P7接口连接D0~D7，并向P0端口发送该数值。呼叫延迟时，把P2.2端口设为0,P2.0端口设为1，输出命令，P2.2、P2.0端口设为1，输入数据，显示全部数字。如图下所示图3.2显示处理过程图3.3速度计算处理流程图图3.3速度计算处理流程图3.4单片机程序开发环境KeiluVision4是现时51系列单片机的主要发展工具，KeiluVision4是STC开发的最新一代51系列单片机的编译、连接和调试的一体化环境，keiluvision4是现时51系列单片机的主要发展工具。本文介绍了如何使用C语言编写KeiluVision系统，以及在此过程中需要注意的问题，同时给出了一些具体实例来说明其实现方法。最后对整个系统进行了测试和分析。KeiluVision4不仅提供了支持C/C++开发的全Windows开发环境接口，REF_Ref29669\r\h[11]而且该程序在学校里学习过，网上学习资料丰富，上手难度较低，容易使用，有利于完成该设计。3.4电路仿真3.4.1仿真软件简介由Lab中心电子公司开发的Proteus软件不仅模拟功能EDA软件，而且模仿MCU和周围的设备。由于它功能强大，操作简单方便，所以在很多高校都开设有这门课程。而在电路设计过程中,PCB是最关键的部分之一，因此PCB布线技术对于电路板性能起着决定性作用。Proteus软件Proteus软件电子电路电子电路教学领域得到了广泛的应用，从布图到代码调试，从MCU和周围电路的协同模拟，到PCB设计，从概念到最终产品。[12]该软件在教学任务里学习过，对该软件有一定的了解，并且可以熟练使用，对于完成该设计有一定帮助。3.4.2仿真结果基于单片机的速度里程表在Protues内仿真如图12所示。图3.4.2基于单片机的速度里程表仿真结果4.该设计的设备的调试和测试基于单片机的速度里程表的电路实物图如图13所示。图4基于单片机的速度里程表的电路实物图5.设计总结本计划的基于51单片机为焦点的速度里程表，首要包罗硬件和软件的计划。（1）本设计所设计的里程表结构较为简单，设计原理也较为简单。在深切智能化方面未作探究。（2）本设计结构简单但是系统稳定性高且易维护。（3）该设计是利用C编程实现的，既实现了该系统的功能，又确保了该系统的兼容性和可移植性。参考文献吴翊钧.基于单片机的车速里程表设计与仿真[J].计算机光盘软件与应用,2012(14):213-223周炳,洪家平.基于AT89C52的自行车速度里程表的设计[J].电脑知识与技术，2016(8):254-255黎廷云.光电计数式转速传感器的分类及评述[J].电工技术，1990(05):44-48汪云.基于霍尔传感器的转速检测装置[J].传感器技术,2003(10):