AT89C2051單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

PAGE30沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）No摘要如今，單片機(jī)得到越來越廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的控制檢測(cè)技術(shù)也隨著它的發(fā)展一直進(jìn)步。本設(shè)計(jì)內(nèi)容為電動(dòng)車測(cè)速顯示儀，以前科技不發(fā)達(dá)儀器儀表大多采用機(jī)械式，現(xiàn)在采用電子式的車速表居多，其優(yōu)點(diǎn)是更加直觀顯示信息。本測(cè)速儀采用的便是電子式進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)把AT89C2051作為運(yùn)算以及控制的核心，該型號(hào)單片機(jī)完全可以滿足本設(shè)計(jì)功能上的要求。顯示模塊選用LED方案來進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，采用這種電子顯示方式能夠最直觀展示信息，讓駕駛者對(duì)于速度、里程等信息一目了然。同時(shí)系統(tǒng)軟件和串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路也將被本設(shè)計(jì)所采用。設(shè)計(jì)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形和濾波處理。本測(cè)速儀器采取了E2PROM、數(shù)碼管顯示模塊、放大器和波形整形變換電路等結(jié)構(gòu)：放大器用于放大待測(cè)信號(hào)；而波形整形變換電路是用來轉(zhuǎn)換經(jīng)過放大器放大的信號(hào)。計(jì)算完畢，通過E2PROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)碼管顯示模塊顯示速度與里程。設(shè)計(jì)最終目的是滿足測(cè)速儀功能要求，同時(shí)盡可能節(jié)省單片機(jī)的口線以及外圍器件,簡化顯示部分的軟件編程。本設(shè)計(jì)最終可以實(shí)現(xiàn)速度的實(shí)時(shí)顯示、路程的累加、超速報(bào)警等一系列功能。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；數(shù)碼顯示；電動(dòng)自行車；霍爾傳感器；DC/DC變換器；語音報(bào)警AbstractNowadays

therapiddevelopmentof

scienceandtechnology,Thetraditionalcontroldetectiontechnologyalsohasbeenprogressalongwiththedevelopmentofit.Thisdesigncontentfortheelectricvehiclespeeddetection,nowuseelectronicspeedtable,mainlyincludeLCDreal-timedisplayorLEDdigitaltubedisplay,itsadvantageismoreintuitivedisplayinformation.TheAT89C2051asthecoreoftheoperationandcontrolthedesign,accordingtochooseLEDsolutionforreal-timedisplaymodule,systemsoftwareandatthesametimealsowillbethedesignadoptsserialdatastoragecircuit.Inthedesignofthesignalamplification,plasticprocessingandfiltering.ThisspeedmeasuringinstrumentadoptedE2PROMchipswasintroduced,digitaltubedisplaymodule,amplifiercircuitandwaveformshapingtransformationstructure:amplifierusedinamplifiedsignalundertest;Andwaveformshapingtransformcircuitisusedtoconvertsignalamplifieramplificationprocess.ThestoreddataisevaluatedbyE2PROMchipswasintroduced,digitaltubedisplaymoduledisplayspeedandmileage.Ultimateaimistosatisfythespeedometerfunctionalrequirements,atthesametimelineassoonaspossibletosavethemouthofthesingle-chipmicrocomputerandperipheraldevices,simplifythedisplaypartofthesoftwareprogramming.Thisdesigncanrealizereal-timedisplayspeed,eventuallydistanceaccumulation,overspeedalarmandaseriesoffunctions.Keywords:microcomputer；Electricbicycle；digitaldisplay；Hallsensor；DC/DCconverter；voicealarm引言本設(shè)計(jì)為電動(dòng)自行車速度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)。如今電動(dòng)自行車已成為方便人們出行，節(jié)能無污染的首選交通工具。但是它本身并不具備測(cè)速功能，這個(gè)問題使騎行電動(dòng)車的人不清楚當(dāng)前車速多快盲目加速引起安全隱患。這時(shí)一個(gè)自行車測(cè)速儀的出現(xiàn)變得尤為必要。它讓人們清楚直觀的知道當(dāng)前的車速路程為多少，還具備超速報(bào)警等功能。

本次設(shè)計(jì)核心為單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)展速度之快有目共睹?，F(xiàn)在的家用電器基本上都通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制，種類繁多，隨處可見。單片機(jī)擁有功耗低、控制功能強(qiáng)、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，故在儀器儀表中得到廣泛應(yīng)用；形式多樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)均可以由單片機(jī)構(gòu)成。比如電梯智能化控制、工廠流水線的智能化管理、種類不同的報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)組成的二級(jí)控制系統(tǒng)等。單片機(jī)通過通信接口可以與計(jì)算機(jī)通信，因此當(dāng)今的通信設(shè)備大都采用單片機(jī)，從樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、小型程控交換機(jī)、再到日常生活及工作中到處可以見到的移動(dòng)電話，無線電對(duì)講機(jī)，集群移動(dòng)通信等；單片機(jī)應(yīng)用在醫(yī)用設(shè)備中亦十分廣泛，比如監(jiān)護(hù)儀，醫(yī)用呼吸機(jī)，超聲診斷設(shè)備，各種分析儀及病房的呼叫系統(tǒng)等等。本文將會(huì)詳細(xì)說明本次單片機(jī)的使用。霍爾傳感器也是本次設(shè)計(jì)重要器件，本設(shè)計(jì)中電動(dòng)自行車的速度便是依靠霍爾傳感器測(cè)量自行車的車輪運(yùn)轉(zhuǎn)情況而實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)其工作特性，霍爾元件同樣被廣泛的應(yīng)用在科學(xué)技術(shù)的諸多其他領(lǐng)域。本文將系統(tǒng)的闡述霍爾效應(yīng)及其在本設(shè)計(jì)的應(yīng)用。1總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)速度里程表由系統(tǒng)軟件、AT89C2051單片機(jī)、檢測(cè)元件、信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)碼管顯示電路、語音芯片和串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成。內(nèi)部定時(shí)器T0的控制是通過單片機(jī)的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的,這樣可以精確地測(cè)出脈沖信號(hào)周期；使用E2PROM進(jìn)行存儲(chǔ),顯示部分采用數(shù)碼管顯示。本設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)顯示所測(cè)的速度以及累計(jì)總里程數(shù)。該裝置可以測(cè)出傳感器給出的脈沖,傳送至單片機(jī),單片機(jī)計(jì)算出速度及里程，最后儲(chǔ)存數(shù)據(jù)并顯示出所測(cè)的速度。避免其他因素對(duì)精度的影響，在把數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)之前應(yīng)放大整形處理。里程的計(jì)算可通過每秒鐘速度的累加來得到。最后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在E2PROM之中,通過兩個(gè)不同按鈕分別顯示速度與里程。為了簡化計(jì)算,可以使用BCD碼來轉(zhuǎn)換,再把壓縮BCD碼變換成8段碼,最后通過串口送到顯示模塊來顯示數(shù)據(jù)。,為提高測(cè)速的精度，本設(shè)計(jì)計(jì)算速度是通過測(cè)量脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)。為了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證應(yīng)采取快速算法。采用2位來顯示本設(shè)計(jì)的里程值和速度值。如圖1所示系統(tǒng)的方框圖。圖1系統(tǒng)方框圖2測(cè)速儀系統(tǒng)單元模塊概述2.1測(cè)速儀單片機(jī)選型本設(shè)計(jì)采用AT89C2051型號(hào)的單片機(jī)，下面介紹一下該單片機(jī)，其主要機(jī)構(gòu)有128B的RAM、2kB閃存、2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、15根I/O口線、1個(gè)全雙工串行口和5個(gè)向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu),而且還擁有二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖在加密陣列上的功能[1]。介紹完其結(jié)構(gòu)功能，本設(shè)計(jì)使用了AT89C2051的INT0引腳和T0、T1定時(shí)器,外加P1端口上的6個(gè)口線。單片機(jī)和89C51的兼容使本設(shè)計(jì)更加方便。但要注意:所有的分支轉(zhuǎn)移指令和跳轉(zhuǎn)都需限制在2KB范圍內(nèi)。再者，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到它不支持外部存儲(chǔ)器操作。AT89C2051還有比如可以通過命令處于低功耗模式等其它特點(diǎn)。2.2測(cè)速儀傳感器設(shè)計(jì)霍爾傳感器是一種對(duì)磁敏感的傳感元件，一般有CS3040、A04E、CS3020等被用于開關(guān)信號(hào)的采集，該傳感器一旦接上電源、地，便可工作。它性能穩(wěn)定，并且具有較寬工作電壓范圍，非常便捷。如圖2：圖2霍爾元件和磁鋼圖通過霍爾效應(yīng)采集信號(hào)，可將一個(gè)磁鋼固定到電動(dòng)車前輪上。而將霍爾開關(guān)固定在安裝輪子的車架上。磁鋼隨著車輪一圈圈轉(zhuǎn)動(dòng)不斷接近和遠(yuǎn)離霍爾開關(guān)，使之不斷發(fā)出脈沖信號(hào)。單片機(jī)的計(jì)算便是根據(jù)該脈沖進(jìn)行的，若安裝多個(gè)等距磁鋼，可一圈得到多個(gè)信號(hào)提高精度?；魻栐皇軠囟取⑺刍蚧覊m的影響。具有數(shù)字脈沖性能好，響應(yīng)快，性能穩(wěn)定，安裝簡易，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。2.3測(cè)速儀顯示模塊選型液晶LCD顯示器、發(fā)光二極管LED顯示器等是單片機(jī)系統(tǒng)常用的顯示器。本實(shí)驗(yàn)考慮到測(cè)速系統(tǒng)比較簡單，故只考慮LCD顯示器和LED靜態(tài)、動(dòng)態(tài)顯示器。動(dòng)態(tài)顯示方式和靜態(tài)顯示方式是LED顯示器的兩種工作方式。LED技術(shù)有三大非常明顯的優(yōu)勢(shì)。第一，LED背光源不含汞和鉛等有害有毒物質(zhì)，是綠色環(huán)保的光源[2]；第二，它可以比傳統(tǒng)顯示屏顯示更加豐富的色彩；第三，其背光源亮度可以隨著環(huán)境亮度改變而改變，達(dá)到節(jié)能的目的。不僅如此，在屏幕刷新頻率方面LED比LCD更優(yōu)秀。LED分為靜態(tài)動(dòng)態(tài)兩種，電動(dòng)和速度不可能一直不變。所以顯示模塊采用動(dòng)態(tài)LED。2.4速度算法概述工控系統(tǒng)經(jīng)常要計(jì)算速度，采用脈沖測(cè)某根軸的轉(zhuǎn)速再換算成線速度，這種方法較為常見。測(cè)頻率法(M法)及測(cè)周期(T法)是脈沖測(cè)速最典型的方法。測(cè)量高速通常采用測(cè)頻率法，測(cè)頻法是單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率。速度低時(shí)測(cè)到的數(shù)據(jù)變少，誤差也就變大了。測(cè)量高速采用測(cè)周期法，兩個(gè)脈沖時(shí)間所用時(shí)間為一個(gè)周期。速度快時(shí)測(cè)到周期小，誤差變大。車速不是一定處于高速或者低速的，因此無論采用M法、T法都不能準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)。后來人們將兩種方法綜合：高速測(cè)頻率、低速測(cè)周期。得到的新方法稱為多倍周期法速度常用以下幾種方法計(jì)算：方法一，周期法；方法二，多倍周期法；方法三，頻率法。在分析總結(jié)原有方法基礎(chǔ)上，我們采取一種既能保證精度又能滿足實(shí)時(shí)性的方法：精度自適應(yīng)法。這種全新方法理想地克服了傳統(tǒng)方法存在的局限性[3]。綜上，精度自適應(yīng)法對(duì)本設(shè)計(jì)再合適不過。電動(dòng)車輪速計(jì)算公式（2-1）：V=(2/z)f（2-1）r—電動(dòng)車車輪半徑；z—磁片的數(shù)量；f—脈沖的頻率。相對(duì)于不同的系統(tǒng)2／z的值不一定相同，但同一系統(tǒng)該值是一定值，考慮到電動(dòng)車車速計(jì)算的誤差，故本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)速輸出脈沖頻率誤差分析來轉(zhuǎn)換。為確保精度，T法用于測(cè)量轉(zhuǎn)速低頻，而M法用于測(cè)量轉(zhuǎn)速高頻。兩種方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)就是多倍周期法。需對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)分頻，轉(zhuǎn)速脈沖的頻率通過使周期倍乘來計(jì)算：（2-2）—實(shí)際轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)周期；—周期倍乘數(shù)；T—分頻脈沖周期。本設(shè)計(jì)中默認(rèn)，替換到上面方程中有：（2-3）本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速脈沖周期與比值即為N1，這么計(jì)算的原因是采取了轉(zhuǎn)速周期倍乘的措施。值得注意，磁片在電動(dòng)車車輪圓周邊緣的分布不均產(chǎn)生有正負(fù)之分的，因此轉(zhuǎn)速周期平均值比單個(gè)周期精度更高，存在誤差更小。本設(shè)計(jì)使用的多倍周期法測(cè)量精度較高，本設(shè)計(jì)加長了低頻轉(zhuǎn)速計(jì)算上的時(shí)間間隔以滿足對(duì)測(cè)速儀實(shí)時(shí)性的要求。其原理如圖3所示。圖3多倍周期法測(cè)量原理圖傳統(tǒng)多倍周期法計(jì)算速度低實(shí)時(shí)性差，其中的主要原因是的值不固定，但精度自適應(yīng)既能保證計(jì)算精度又能保證實(shí)時(shí)性，很好的克服了多倍周期法的缺點(diǎn)，兩者區(qū)別在于的取值。首先，從保證時(shí)性角度出發(fā)，取為最大周期，可求上限值：（2-4）求完上限值，接下來求其下限值。從保證高精度角度出發(fā)，可求下限值。結(jié)合方程(2-3)，可求：（2-5）由上方程可知，測(cè)量誤差有兩點(diǎn)：一是常值誤差,一般精度保證在以下，因此本設(shè)計(jì)對(duì)該誤差忽略不計(jì)；第二點(diǎn)是誤差/N，本設(shè)計(jì)中dN=士1。綜上所述，誤差來源主要是時(shí)標(biāo)信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)誤差/N，公式可表達(dá)為：（2-6）如果精度用百分?jǐn)?shù)表達(dá)：（2-7）可求，合并(2-4)及(2-8)得:(2-8)本設(shè)計(jì)中，為計(jì)算到值下限，用作為試算脈沖，完畢之后，計(jì)算出值上限，該測(cè)試周期之內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖分頹值只需在兩值之間取一整數(shù)。本設(shè)計(jì)中需要固定轉(zhuǎn)速計(jì)算精度，值隨轉(zhuǎn)速升高而變大。這樣一來，計(jì)算精度和低速檢測(cè)實(shí)時(shí)性[4]都得到了保障。由(2-4)可知，的上限值與的值有關(guān)。利用本設(shè)計(jì)單片機(jī)中的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，可求的值即為引腳上轉(zhuǎn)速脈沖寬度的兩倍。的下限值也可以利用求出。然后確定當(dāng)前測(cè)試周期內(nèi)的分頻值，方法為在上限和下限之間取一整數(shù)。確定后，按照多倍周期法的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，利用本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，對(duì)時(shí)標(biāo)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過此方法求出車速。2.5測(cè)速儀報(bào)警電路選擇本設(shè)計(jì)提前在系統(tǒng)中錄入人聲報(bào)警的語音，該語音讓駕駛員最直接接受報(bào)警信息，WTV040語音芯片是報(bào)警電路的核心。該款芯片具有錄入語音功能且價(jià)格實(shí)惠，在本實(shí)驗(yàn)使用再合適不過了。3測(cè)速儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1測(cè)速儀單片機(jī)主控電路3.1.1單片機(jī)概述AT89C2051是一個(gè)高性能的CMOS8位單片機(jī)，其功耗低，與MCS－51系列指令集和引腳兼容，有128bytes內(nèi)部RAM，2Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器，15根I／O線，2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，5個(gè)兩級(jí)中斷源，1個(gè)全雙工串行口，一個(gè)片內(nèi)精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器。其特點(diǎn)如下：耐久性：1,000寫／擦除周期2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器（3）和MCS-51產(chǎn)品的兼容（4）2.7V～6V的操作范圍（5）15根可編程I/O引線（6）兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器（7）直接LED驅(qū)動(dòng)輸出（8）全靜態(tài)操作：0Hz～24MHz（9）低功耗空載和掉電方式（10）片內(nèi)模擬比較器（11）128×8位內(nèi)部隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器如圖4所示AT89C2051有20個(gè)引腳，該芯片比8051缺少P0、P22兩個(gè)對(duì)外端口。其引腳減少就意味著尺寸相應(yīng)也減小[5]。圖4AT89C2051引腳圖3.1.2測(cè)速儀復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路通常用按鈕復(fù)位及上電自動(dòng)復(fù)位兩種方式。圖580C2051復(fù)位電路由圖5所示，為按鍵手動(dòng)復(fù)位電路。當(dāng)Vcc的上升時(shí)間小于1ms時(shí),自動(dòng)上電復(fù)位就可實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘頻率用6MHZ時(shí)C取22μF,R取1KΩ[6]。有時(shí)還要靠按鍵手動(dòng)復(fù)位。上電復(fù)位并不適用所有情況，該設(shè)計(jì)便是按鍵手動(dòng)復(fù)位。時(shí)鐘頻率為6MHZ時(shí)，相應(yīng)的C取值為22μF,Rs取值為200Ω，RK取值為1KΩ。3.1.3測(cè)速儀晶振電路設(shè)計(jì)如圖6所示為晶振電路連接圖。圖6晶振電路連接晶振電路包括晶振和兩個(gè)負(fù)載電容。調(diào)試時(shí)應(yīng)注意把PC串口波特率設(shè)定為1200。，為最大限度保證頻率值的誤差，需根據(jù)晶振廠家規(guī)定晶振選值決定兩個(gè)電容的大小。兩個(gè)電容取在二十、三十pF之間的相同兩個(gè)值，若沒有兩個(gè)相同大小的電容，近似大小的替代也可行，不然會(huì)引發(fā)停振或不起振[7]。3.2測(cè)速儀信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)由二級(jí)電路構(gòu)成，其中第一級(jí)的偏置可以確保放大器有較好的高頻響應(yīng)，其本身是開關(guān)三極管。輸入信號(hào)為正電壓的時(shí)候，三極管導(dǎo)通，輸出電壓與輸入電壓成反比。這時(shí)，本裝置可任意測(cè)量方波和正弦波頻率；而輸入信號(hào)是零或負(fù)電壓時(shí)，則三極管截止，輸出高電平。預(yù)處理電路第二級(jí)把與COMS電平兼容方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成放大器生成的單相脈沖，并且把輸出信號(hào)加在單片機(jī)的P3.4口上[8]。若觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換中的正反饋信號(hào)變化緩慢，可以用矩形信號(hào)代替。值得注意的是，若要在輸出端獲得同等頻率的矩形脈沖信號(hào)需滿足信號(hào)幅度大于VT+。發(fā)生如下問題可通過施密反相觸發(fā)器整形得到理想的矩形脈沖波形。1、波形畸變；2、振蕩現(xiàn)象；3、波形的上升沿變壞。如圖7所示為信號(hào)預(yù)處理電路。圖7信號(hào)預(yù)處理電路圖3.3測(cè)速儀傳感器電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)關(guān)于傳感器的應(yīng)用，在信號(hào)脈沖發(fā)生源上我選擇的是開關(guān)型霍爾傳感器。可以把磁場(chǎng)當(dāng)做媒介通過霍爾傳感器檢測(cè)多種物理量，如加速度、轉(zhuǎn)速、位移、電功率、電流等。它不僅能夠非接觸測(cè)量，并且無需附加其他能源?；魻杺鞲衅鲬{借感器尺寸小、性能可靠、應(yīng)用電路簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的應(yīng)用。除了直接利用它外，還可以用它開發(fā)出許多派生的傳感器[9]?；魻栐韴D如圖8所示。圖8霍爾傳感器磁場(chǎng)效應(yīng)經(jīng)考慮研究后采用開關(guān)型霍爾傳感器A04，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9開關(guān)型霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖該傳感器是集成傳感器的一種，其內(nèi)部包括霍爾元件、穩(wěn)壓電源及放大器、集電極開路輸出部分等。如圖10所示為開關(guān)型霍爾傳感器工作特性。圖10開關(guān)型霍爾傳感器工作特性不同類型電平輸出：1、低電平，磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn) BOP；2、高電平，磁感應(yīng)強(qiáng)度降到釋放點(diǎn)BRE的；3、電平不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度降到Bop以下的時(shí)候。Bre和Bop之間的回差使開關(guān)動(dòng)作可靠性更加高。圖11霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速示意圖圖11為霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速示意圖。將磁鋼粘貼在非磁材料的電動(dòng)車輪邊上，在電動(dòng)車輪外緣附近固定霍爾傳感器。安裝完畢，車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈霍爾傳感器輸出一個(gè)脈沖。電動(dòng)車輪轉(zhuǎn)速可以通過單片機(jī)測(cè)量產(chǎn)生脈沖的頻率而得出。與之同理，根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速，然后結(jié)合圓盤的周長便可使物體的位移計(jì)算出來。因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)部輸出是集電極開路輸出，為解決此問題，可以外接一個(gè)上拉電阻，電路結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖12傳感器輸出電路3.4測(cè)速儀變換電路設(shè)計(jì)電動(dòng)車電瓶電源為24V，而與單片機(jī)電壓為5V。所以要使用降壓變換電源降壓，經(jīng)考慮本設(shè)計(jì)采用MC34063降壓變換電源。該降壓變換電源是DC/DC變換集成電路，在本實(shí)驗(yàn)起降壓作用。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13所示：圖13MC34063引腳圖及原理框圖MC34063是單片雙極型線性的集成電路。其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn):特點(diǎn)一、輸入電壓3.0-40V；特點(diǎn)二、輸出電壓振蕩頻率從100HZ至100KHZ；特點(diǎn)三、輸出1.5A電流；特點(diǎn)四、低靜態(tài)電流。電路如圖14所示：圖14降壓變換電源當(dāng)VI=24V,Io=500mA的時(shí)候，該降壓電源具有如下三個(gè)特點(diǎn)：特點(diǎn)一、線性調(diào)整率為12mV±0.12％；特點(diǎn)二、負(fù)載調(diào)整率為3mV±0.03％；特點(diǎn)三、紋波電壓為120mV。3.5測(cè)速儀存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)3.5.1概述I2C總線是二線制總線，其作用是與IC器件相連接。它接到總線上來傳送器件之間的信息，并且可以通過地址把諸如單片機(jī)、LCD驅(qū)動(dòng)器等每個(gè)器件識(shí)別出來。采取I2C總線的單片機(jī)或者是IC部件，其片選是通過軟件尋址來實(shí)現(xiàn)的，通過這種方法減少了線的連接。某個(gè)功能單元的電路摘離總線或掛靠可通過CPU指令實(shí)現(xiàn)，單元的工作狀況還通過此方法檢測(cè)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的擴(kuò)展和控制[10]。4.5.2測(cè)速儀存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)AT24C02是串行EEPROM，是ATMEL公司的生產(chǎn)的。有寫入速度快、擦寫次數(shù)多、工作電壓寬等特點(diǎn)。芯片的硬件地址由AT24C02的1、2、3腳用來確定。它們?cè)趩纹瑱C(jī)試驗(yàn)開發(fā)板上接地，第4腳為負(fù)電源。第5腳為串行數(shù)據(jù)的輸入/輸出，數(shù)據(jù)在其試驗(yàn)開發(fā)板上與單片機(jī)的P3.5連接，通過這條雙向I2C總線串行來傳送的。第6腳SCL是串行時(shí)鐘輸入線，與單片機(jī)的P3.6連接。第7腳要接地。第8腳為正電源。本設(shè)計(jì)使用該芯片SCL端和單片機(jī)的P3.5口連接，用芯片SDA端和單片機(jī)的P3.7口連接。AT24C02在內(nèi)部組織成256×8位，其具有在二線總線上工作的串行接口和軟件協(xié)議?？紤]到本設(shè)計(jì)總線只有一個(gè)元件，所以把接口A0、接口A2、接口A3全部接地，也就是設(shè)AT24C02地址為000。圖15AT24CO2與單片機(jī)的接口電路

如圖15所示為單片機(jī)的接口。電動(dòng)車測(cè)速儀顯示里程時(shí)，單片機(jī)發(fā)送讀信號(hào)，經(jīng)過確認(rèn)后，讀出數(shù)據(jù)，用來顯示使用。其中，單片機(jī)計(jì)算得出的里程數(shù)據(jù)通過SDA、SCL兩端輸送向AT24C02。3.6測(cè)速儀顯示電路設(shè)計(jì)經(jīng)考顯示效果、適應(yīng)性等多方面慮后，本設(shè)計(jì)采用74HC164驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。下面簡單介紹下該數(shù)碼管，它是8位邊沿觸發(fā)式的移位寄存器。數(shù)據(jù)通過輸入端DSA輸入，也可以通過DSB輸入，輸入方式為串行輸入。也就是可以通過DSA、DSB任意一個(gè)控制另一輸入端數(shù)據(jù)輸入。但要注意，兩個(gè)輸入端不要懸空，實(shí)現(xiàn)方式是，它們要連接在一起或者把不用的輸入端接高電平。如圖16所示為74HC164的引腳。圖1674HC164的引腳數(shù)據(jù)隨著時(shí)鐘的由低變高而向右移動(dòng)，然后輸入到輸入端的邏輯與Q0，它將上升時(shí)鐘沿之前維持一個(gè)建立時(shí)間長度。值得注意一點(diǎn)，主復(fù)位輸入端上的一個(gè)低電平會(huì)強(qiáng)制全部的輸出都是低電平[11]。也就是該低電平使其它輸入端失效，并讓寄存器清空。3.7測(cè)速儀報(bào)警電路設(shè)計(jì)電動(dòng)車行使超速時(shí)語音報(bào)警的電路應(yīng)用講述，WTV040語音芯片是語音報(bào)警電路的核心。WTV040語音芯片語音可由自己自由設(shè)定、適應(yīng)性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。下面我們將了解下WTV040語音芯片，再依據(jù)語音芯片各項(xiàng)功能，規(guī)劃一下超速報(bào)警器的工作框圖，最后詳細(xì)設(shè)計(jì)電動(dòng)車報(bào)警儀。3.7.1測(cè)速儀語音芯片概述本設(shè)計(jì)采用WTV040語音芯片，其功能完全能夠滿足本設(shè)計(jì)要求，該語音芯片工作電壓是DC2.5～3.5V，其輸出是PWM模式和DAC模式。一些芯片插入靜音也需要占用空間，而該芯片并不占用語音空間且可任意靜音。擁WTV040語音芯片有多種工作模式，這里不過多贅述。該語音芯片工作時(shí)，BUSY腳可任意設(shè)定高低電平輸出。本芯片裝有喇叭直推線路,十分方便，無需外加器件。該款語音芯片還具有可編程功能，經(jīng)過設(shè)計(jì)，可定制各種復(fù)雜的功能[12]。按鍵模式下有十幾種觸發(fā)該語音芯片的方式?？梢杂缮衔粰C(jī)軟件隨意對(duì)報(bào)警語音、觸發(fā)方式和控制模式進(jìn)行更改設(shè)定，該芯片可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在多種場(chǎng)合中應(yīng)用。如表1所示為WTV040語音芯片的語音段數(shù)：表1WTV040語音芯片語音段數(shù)封裝規(guī)格播放時(shí)長（秒）語音芯片工作對(duì)應(yīng)的最多語音段數(shù)按鍵模式（段）按鍵組合（段）并口模式（段）串口模式（段）SSOP2040128128128208DIP16407782083.7.2測(cè)速儀語音報(bào)警電路電動(dòng)車超速時(shí)，系統(tǒng)單片機(jī)會(huì)向外發(fā)出一個(gè)拉低I/O口P01的低電平，這個(gè)信號(hào)會(huì)觸發(fā)語音報(bào)警。電路中，測(cè)速器輸出恒定的電壓，一旦電動(dòng)車超速，便會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)一直工作，車速降到限制速度以下停止報(bào)警。本設(shè)計(jì)通過按鍵模式來控制語音芯片。可直接通過按鍵讓電動(dòng)車報(bào)警語音芯片發(fā)聲，單片機(jī)每個(gè)管腳對(duì)應(yīng)特定的錄音?？紤]到實(shí)際使用存在按鍵抖動(dòng)問題，本設(shè)計(jì)采用15ms防按鍵抖動(dòng)時(shí)間，這會(huì)有效避免按鍵抖動(dòng)。如表2所示為端口的分配。表2按鍵控制模式端口分配封裝形式管腳T07T06T05T04T03T02T01T00DIP16K4K3K2K1SOP16K4K3K2K1SSOP20K8K7K6K5K4K3K2K1芯片采用電平保持可循環(huán)觸發(fā)的觸發(fā)方式。其時(shí)序圖如圖17所示：該芯片采用的觸發(fā)方式是一種負(fù)脈沖觸發(fā)。單片機(jī)I/O口檢測(cè)到下降沿時(shí)，就立即控制該語音芯片播放語音。且系統(tǒng)將遵循接收到下降沿信號(hào)，便重新播放的規(guī)律。圖17可循環(huán)觸發(fā)時(shí)序圖電平保持觸發(fā)方式如圖18所示。I/O口低電平時(shí)播放語音，高電平時(shí)停止播放。圖18電平保持觸發(fā)時(shí)序圖我們先做一個(gè)能滿足大部分車主要求的簡單的電動(dòng)車超速報(bào)警器，就是只錄制一段報(bào)警語音在語音芯片里面。因?yàn)橹讳浺欢握Z音，所以采用DIP16封裝的WTV040語音芯片更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。圖19超速報(bào)警器工作框圖定義P01為語音觸發(fā)腳，因?yàn)槟壳爸徊シ乓欢握Z音，故其他I/O口被騰空。只要電動(dòng)車超速，單片機(jī)就會(huì)輸出低電平，單片機(jī)輸出的低電平拉低P01的電平，導(dǎo)致結(jié)果是電動(dòng)車測(cè)速儀報(bào)警程序啟動(dòng)，語音及指示燈同時(shí)工作，駕駛?cè)私邮盏接嵪p速慢行。電動(dòng)車速度低于設(shè)定速度時(shí)，語音芯片接收到信號(hào)，語音停止播放，指示燈停止閃爍。上電前為使語音芯片處于良好狀態(tài)，首先要讓其復(fù)位。該款語音芯片采用頻率是48MHz的RC震蕩模式，經(jīng)研究后，本設(shè)計(jì)選取了阻值270KΩ的電阻為外部震蕩電阻R1。電動(dòng)車播放器聲音的大小由反饋電路兩個(gè)電阻阻值的大小決定。只要在超速時(shí)測(cè)速器能夠輸出電壓，該超速報(bào)警器便可以正常工作。如圖20所示，R1是270KΩ的震蕩電阻，R1在區(qū)間250KΩ~270KΩ內(nèi)改變阻值大小將影響語音播放速度的快慢。語音速度可調(diào)，音量自然也可調(diào)?？梢哉{(diào)節(jié)反饋電阻R3的阻值大小來改變音量的大小，音量隨其值變大而變大。假如語音芯片供電電壓不兼容主控單片機(jī)供電電壓，依據(jù)公式（Vin-Vout）×700/Vin=Rn計(jì)算,可算出數(shù)據(jù)線或者地址線，復(fù)位線的電阻。通常主控為5V單片機(jī)的話Rn的值在200到510歐之間。圖20超速報(bào)警器語音部分電路圖3.8測(cè)速儀掉電保護(hù)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)一直啟動(dòng)會(huì)浪費(fèi)能源，所以加入自動(dòng)關(guān)閉及開啟系統(tǒng)的功能勢(shì)在必行。電動(dòng)車速度大于0.1KM/H時(shí)系統(tǒng)可以自己啟動(dòng)。而當(dāng)速度小于該值并保持10S以上時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。電路沒有輸出脈沖，當(dāng)維持此狀態(tài)10S以上時(shí)，單片機(jī)將POWERC端置高電平，系統(tǒng)默認(rèn)電動(dòng)車未行駛，此時(shí)除單片機(jī)之外系統(tǒng)只為測(cè)量電路繼續(xù)供電，而單片機(jī)進(jìn)入掉電狀態(tài)，系統(tǒng)耗電微小，電池電量可供系統(tǒng)保持近一年之久。此時(shí)電池為單片機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行提供能源，電池電壓等于或稍小于2V時(shí)單片機(jī)便可運(yùn)行。雖然系統(tǒng)耗電微小，但是電池未接電源，其電量也就會(huì)用完[13]。我們稱電池能使用的最長時(shí)間為保護(hù)時(shí)間參數(shù)，平時(shí)使用中不可超過該數(shù)值，以確保系統(tǒng)運(yùn)行。車主也應(yīng)注意隔段時(shí)間為電池充電，以確保保護(hù)不失效。關(guān)于電池充電問題總結(jié)來說：主電源不供電時(shí)系統(tǒng)使用電池電量；主電源工作時(shí)，為系統(tǒng)供電同時(shí)也為電池充電。圖21掉電保護(hù)電路如圖21是一個(gè)掉電保護(hù)電路。工作原理如下，主電源為系統(tǒng)供能時(shí)，為節(jié)省電池電量，VCC電源為單片機(jī)供電。充電時(shí)間長短和電流大小與R1阻值有關(guān)，合理取值可以節(jié)省時(shí)間。放電路徑：電池給單片機(jī)供電，通過R1+R2之后，會(huì)被兩個(gè)電阻消耗一部分，供電電流會(huì)有壓降，這會(huì)導(dǎo)致電壓到單片機(jī)VCC端口時(shí)通常在2V—2.5V左右，不足3V，但不能盲目提高電壓。不同公司的單片機(jī)情況不一，所以不同單片機(jī)，供電電壓也不盡相同，在單片機(jī)能運(yùn)行前提下，調(diào)整電R2阻值，減少耗用電流[14]。3.9測(cè)速儀數(shù)據(jù)處理過程由單片機(jī)決定是否啟動(dòng)測(cè)量周期程序，而這一個(gè)過程是單片機(jī)通過檢測(cè)P3.2引腳電平來完成的。只有引腳出現(xiàn)低電平才可以測(cè)量，高電平時(shí)等待。為允許定時(shí)器T0中斷，測(cè)量時(shí)第一步將TR0置位，同時(shí)也將ET0置位。然后判斷，如P3.2引腳為低電平則單片機(jī)等待測(cè)量；當(dāng)出現(xiàn)高電平時(shí)，首先判斷P3.2引腳是否為低電平，如果是，立刻復(fù)位TR0，第一時(shí)間終止定時(shí)器,來停止單片機(jī)測(cè)周期程序。有一種情況值得注意，該過程中T0可能會(huì)中斷，T0中斷一次，則R0加一，由此可知R0是周期值的高字節(jié)。周期值經(jīng)測(cè)量之后被存儲(chǔ)在寄存器R0、寄存器TH0、寄存器TL0之中,接下來要將周期值換算成電動(dòng)車速度。電動(dòng)車速度算法是用電動(dòng)車輪的周長除以脈沖周期。計(jì)算時(shí)單位換算問題應(yīng)考慮進(jìn)來，由于采用μs作為周期的單位，因此要將所得值擴(kuò)大10的6次方倍。總里程數(shù)可由當(dāng)前速度值累加前一秒的里程來得到。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)物理按鍵切換顯示速度和里程。要顯示的值放到三個(gè)寄存器后即可轉(zhuǎn)換BCD代碼，然后再顯示處理[15]。本儀器應(yīng)具有實(shí)時(shí)性，所以全部快速算法。用壓縮BCD代碼轉(zhuǎn)換后，調(diào)用顯示消多余零模塊，調(diào)用顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8段碼傳送到顯示緩沖區(qū)。目的是消除顯示數(shù)據(jù)前面的多余零，來保障測(cè)速儀顯示正常。最后經(jīng)串口將數(shù)據(jù)送至液晶顯示模塊以供顯示。結(jié)論本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C2051為核心，采用快速高效的算法以保證