基于AT89C51的LCD数字测速仪的设计测量汽车速度文档格式.docx

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关键词：

速度；

时间；

光断续器；

单片机；

LCD显示

ThecarspeedometerdesignbasedontheAT89C51

ABSTRACT

Withthedevelopingofpeople’slife,thecarisbecomingtheuniversaltooloftransportationandsubstituteforwalkingandbecomingthefirstchoiceofentertainmentandexercising.Thecarspeedometercanfulfillthebasicneedofpeople’slife,sothattheycanlearnthespeed、themileage、thetimeofthecar.Forthatpeoplecouldtakesomenecessarymeasuresincaseofanyaccidenthappenedbyadangerousspeed.Asoneofthemostbasicandimportantpartofacar,speedometeristakinganimportantroleduringthecar’srunning.Tosomeextent,anaccurateandstablespeedometerhasaeffectonthedriver’slifedirectly.

Inthispaper,thecarspeedometerdesignbasedonthephotoelectricsensorelementiselaborated.ByAT89C52askernel,usingphotoelectricsensorelementtomeasurerevolution,themeasureandstatisticareachieved.ThecarspeedcanbedisplayedonLCD.Inthisarticle,thehardwarecircuitandsoftwaredesignofcarspeedometerinstrumentareintroducedindetail.Aboutthehardware,thepulsenumberistransmittedofonecycleofthecarintoSingleChipMicrocomputersystem.ThenthesignalprocessedbySingleChipMicrocomputersystemissenttodisplayscream.Aboutthesoftware,inClanguage;

theprogramisdesignedinthemodeofmodules.Thesystemhassimplehardware,commonsub-program,andmeetsthedemandofdesign.

KEYWORDS:

Mileage/speed;

Time；

temperature；

photoelectricsensorelement;

Singlechipmicrocomputer;

LCD

基于AT89C51的LCD数字测速仪

1 

设计背景

随着人们生活水平的逐渐提高，人们对于生活质量的要求也日益增加，尤其是对出行的要求。

汽车在中国普遍作为代步工具，对于忙碌的现代人来说，无疑是一种较好的省时方法。

现代社会的快速发展，中国经济的快速增长，社会上机动车拥有量也急速增多。

根据统计资料表明，未来机动车增长趋势不会下降，小汽车进入寻常百姓家，给人们生活带来极大的便利。

但是，在追求省时、舒适的同时，安全也日益成为人们关注的焦点。

交通事故频发，又给人们的生活增添了烦恼和不幸。

据调查，每100例交通事故中，由于超速行驶造成的占60％以上，正所谓十次事故九次快！

而且凡是由于超速所导致的交通事故，大部分都是恶性事故，对司乘人员造成严重伤害。

因而作为汽车的必要组成部分之一，测速系统扮演着举足轻重的作用。

已经成熟的测速方式中，光电式传感器较其他的具有有以下优点：

1、检测距离长：

如在对射型中保留10m以上的检测距离，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法检测的距离。

2、对检测物体的限制少：

由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。

3、响应时间短：

光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

4、分辨率高：

能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

5、可实现非接触的检测：

可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。

因此，传感器能长期使用。

6、可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。

利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。

7、便于调整：

在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。

光电传感器是以光电效应为基础，将光信号转换为电信号的传感器。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

所谓光电效应，即是当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生的相应的电效应，如电导率变化、发射电子或产生电动势等。

通常将光电效应分三类:

其一，光照在光电材料上，材料表面的电子吸收能量，若电子吸收的能量足够大时，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象称为外光电效应。

基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。

其二，当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。

它属于内光电效应，这种光电元件有光敏电阻等。

其三，在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。

据此效应制造的光电器件有光电池，光电二极管，管控晶闸管和光耦合器等。

光电传感器一般由三部分构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路，如图1所示，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管，光束不间断地发射。

接收器有光电二极管、光电三极管等。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维，三角反射板是结构牢固的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

图1光电器件原理图

光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种：

1、发光二极管：

它是一种把电能转变成光能的半导体器件。

它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。

因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。

2、丝灯泡：

这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。

如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。

3、激光：

激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。

由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。

测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。

不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。

最近十年来，焊缝跟踪技术的研究、应用得到了飞速的发展，尤其是焊缝传感技术已从简单的机械接触、电磁感应转变为信息量更大、精确度更高的电弧传感、光电（视觉）传感等方式。

由于光电传感器具有反应速度快，精度高、分辨力高、可靠性好，体积小，重量轻、功耗低、便于集成、可实现非接触测量等优点，因而被广泛应用于军事、通讯、检测与工业自动控制等各个领域中。

光电传感器的典型应用之一是光电开关与光断续器。

光电开关与光断续器都是用来检测物体的靠近、通过等状态。

近年来，随着生产的自动化，机电一体化的发展，光电开关与光电断续器已经发展成为系列产品，其品种及产量日益增加。

我们可以根据需要，选用适当的产品，而不必自行设计光路和电路。

光断续器是一个整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米。

光断续器发射、接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，所以两者能可靠对准。

可分为遮断式和反射式两种。

遮断式的槽宽，深度及光敏元件各不同，反射式的检测距离较短，多用于安装空间较小的场合。

由于检测范围小，光电断续器的发光二极管可用直流电驱动，红外LED的正向压降约1.2到1.5V，驱动电流控制在几十毫安。

光电断续器是较便宜，简单，可靠的光电器件，广泛用于自动控制系统，机电一体化设备，办公设备和家用电器中。

将光电传感器运用于汽车测速，通过车轮带动码盘旋转，而码盘上面开有等间隔的孔，在旋转一周中间隔的通光与遮光，使传感器发出脉冲。

利用软件计算出汽车速度，并通过单片机输出信号驱动LCD显示。

有了实时测速系统，驾驶员才能知道自己的运动情况，才能够及时调整车速，避免因过速而引发事故，保护自己以及他人的生命及财产安全。

具有相当的实用及研究价值。

2欲实现功能

2.1对汽车进行实时速度的测量，显示出速度值。

2.2可以利用软件自行设定采样频率。

3系统硬件设计

3.1系统框图及测速原理

电源电路

复位电路

主控模块

AT89C51

OPTC光断续器

LCD显示模块

晶振电路

图2基于AT89C52单片机的LCD数字测速仪系统框图

光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。

光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。

光电效应：

由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率成正比。

光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量E的粒子轰击在物体上。

所谓光电效应既是由于物体吸收了能量为E的光后产生的效应。

光电传感器必须经过光波调制，光波的调制像无线电波的传送和接收，将收音机调到某台,就可以忽略其他的无线电波信号。

未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段,使接收器只能接收到发射器发出的光,才能使其能量变得高。

相比之下,经过调制的接收器能忽略周围的光,只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。

在遮断方式中，传送和接收器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当冀片进入间隙时，作用到光电传感器上的光线被部分或全部遮断，以此来调节工作电压，被传感的运动信息加在冀片上。

将光电传感器安装于挡板的两侧，挡板（软铁）固定于车轮上面，随着车轮一起转动，挡板（软铁）开有等间隔的孔。

当车轮转过一周，传感器便会间断地接收光子照射，进而产生感应的脉冲电压。

通过光断续器对外部物理量（通光与遮光）进行测量，再将物理信号转换为电压信号（脉冲电压），输入单片机，单片机对所输入的电压信号，在汇编程序的控制之下，进行处理、计算、储存，最后通过LCD输出显示速度、里程的信息。

本设计中用到的主要部件包括单片机AT89C52、夏普龙公司的OPTC光电断续器、、LCD液晶显示屏、三端稳压集成器LM7805。

3.2单片机AT89C51

由于AT89C51系列单片机已经停产，综合内存RAM容量、中断源及价格等因素考虑，故本设计选择51系列的强化型：

AT89C52单片机。

其二者区别如下：

1、RAM空间增大：

AT89C51有128字节的内部RAM，AT89C52的内部RAM扩展为256字节；

2、内部FLASH变大：

AT89C51有4K字节的内部FLASHPERAM，而AT89C52的内部FLASHPERAM增加1倍，达到8K。

3、中断源增加：

AT89C52除了具备AT89C51的定时器/计数器T0和定时器/计数器T1，还额外增加了一个定时器/计数器T2。

AT89C52单片机是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12kB的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。

其主要工作特性是：

⑴片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；

⑵片内数据存储器内含256字节的RAM；

⑶具有32根可编程I/O口线；

⑷具有3个可编程定时器；

⑸中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；

⑹串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

⑺具有一个数据指针DPTR；

⑻低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

⑼具有可编程的3级程序锁定位；

⑽AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；

⑾AT89C52最高工作频率为24MHz

AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

图3AT89C52管脚图

3.3OPTC光断续器

光断续器都是用来检测物体的靠近、通过等状态。

其发射、接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，所以两者能可靠对准。

可分为遮断式和反射式两种，遮断式的槽宽，深度及光敏元件各不同，反射式的检测距离较短，多用于安装空间较小的场合。

本设计采用遮断式光电断续器，将其输出端口与单片机的P3.2口相连接，用于向单片机提供一定频率的脉冲。

图4光电断续器

3.4液晶显示LM016L

LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM（AC）。

IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDRAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种。

可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM但愿，LM016L液晶模块的引脚功能如下表所示

图5LM016L功能引脚图

在本设计中，我们将LCD的D0—D7口分别与单片机的p1.0—p1.7口相连接，因p1口是一个准双向口，可用作通用I/O口。

内部有上拉电阻与电源相连。

实际上，电阻是两个场效应管（FET）并在一起：

一个FET为负载管，其电阻固定。

另一个FET可工作在导通或者截止状态，使其总阻值变化近似为0或阻值很大的两种情况。

当阻值近似为0时，可将引脚快速拉致高电平；

当阻值很大时，P1口为高阻输入状态。

当p1口输出高电平时，能向外提供电流负载，所以不必再接上拉电阻。

3.5三端稳压集成器LM7805

图6LM7805硬件图

LM7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，能提供DC5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。

带散热片时能持续提供1A的电流，如果使用外围器件，它还能提供不同的电压和电流。

将此器件与9V电源串联连接，其中，2脚接地。

1、3脚串入电路中，从而达到将9V电源稳压到5V，共给单片机使用的目的。

同时，可以使电源电压稳定，延长系统寿命保证单片机工作的稳定性及系统测量精度。

3.6电源

这里采用9V的南孚碱性电池供电，用LM7805进行稳压处理，将9V稳降到5V以供单片机以及各芯片使用。

经测试9V电池完全可以满足实际需要。

这里采用我们熟知的串口通讯方式，AT89C52具有一个可编程的全双工串行通信口，它可以用作UART，也可以用作同步移位寄存器，其帧格式可以有8位、10位、11位，并能设置各种波特率，给使用带来很大的灵活性。

其中，电源的稳定性很重要，它关系着单片机的工作稳定性，更为系着整个系统的稳定性与寿命长短。

故必须利用LM7805芯片进行稳压处理，在实验调试过程中，应该使用示波器观察电压波形及幅值的稳定性，以便于进行下一步的调整。

4软件设计

4.1程序流程图

初始化

开始

OPTC光电断续器

数据转换

数据算法处理

图7基于AT89C52单片机LCD数字测速仪主程序流程图

通常对于转速或速度的测量可转化为对信号频率（或周期）的检测，对信号频率的检测最常采用的方法有3种：

计数法、周期法和多倍周期法。

其中，计数法适合于测高频，测低频时所需时间较长故误差较大。

周期法适合测低频，测高频信号时要求参考脉冲频率高，故误差大。

这两种方法共同优点是实现比较简单。

而多倍周期法在一定程度上可以解决高低频之间的矛盾，但实现相对困难。

因为多倍周期法要预先确定一个恰当的倍数N。

而N的预先确定是比较困难的。

如果N取的不当，也会使检测时间增长或高频时有较大的误差。

在本设计中，对多倍周期法进行了一定的改进，并提出了一个简单的N的算法，既可以自动确定恰当的N，又可以满足高低频信号的检测要求。

4.2C语言编程

程序语言采用C语言编程，C语言在很多方面都可以用，不仅仅是在软件开发上，各类科研都是需要用到C语言的。

具体应用比如我是学硬件的，单片机以及嵌入式系统都可以用C来开发。

C语言发展如此迅速,而且成为最受欢迎的语言之一,主要因为它具有强大的功能。

许多著名的系统软件,如DBASEⅢPLUS、DBASEⅣ都是由C语言编写的。

用C语言加上一些汇编语言子程序,就更能显示C语言的优势了,像PC-DOS、WORDSTAR等就是用这种方法编写的。

归纳起来C语言具有下列特点:

　　1.C是中级语言它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。

C语言可以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作,而这三者是计算机最基本的工作单元。

　　2.C是结构式语言结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化,即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。

这种结构化方式可使程序层次清晰,