智能化测控应用系统设计报告正文.docx

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智能化测控应用系统设计报告正文

1前言

自行车被发明及使用到现在已有两百多年的历史，这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车，自行车发展的目的也从最早的交通代步的工具转换成休闲娱乐运动的用途。

随着居民生活水平的不断提高，自行车不再仅仅是普通的运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。

因此，人们希望自行车的功用更强大，能给人们带来更多的方便。

自行车里程速度表作为自行车的一大辅助工具也正是随着这个要求而迅速发展的，其功能也逐渐从单一的里程显示发展到速度、时间显示，甚至有的还具有测量骑车人的心跳、显示骑车人热量消耗等功能。

本设计采用了MCS-51系列单片机设计一种体积小、操作简单的便携式自行车的速度里程表，它能自动地显示当前自行车行走的距离及运行的速度。

2总体方案设计

根据本系统所要实现的功能为：

1、设计以单片机和速度感器为核心的速度过高报警装置。

2、能实现自行车轮子圈数信号的检测、传输和处理功能。

3、当自行车速度超过一定值时报警。

4、具有实时显示速度值或里程值和速度超高报警功能。

所以根据设计要求制定了以下两种方案。

2.1方案对比

两种方案的设计思路是相同的，只是在某些模块上采用的形式不同，以下为两种不同的设计方案的具体实现形式：

2.1.1方案一

图2.1方案一的原理框图

方案一中首先是对自行车轮圈大小的选择，再传感器对自行车车轮圈数进行检测；将检测信号直接送进单片机，复位电路使单片机所有部位处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作；时钟电路为CPU提供时钟脉冲；根据里程和速度的选择来显示电路用于显示所测得的里程或速度，报警器是当速度超过预定值时报警。

2.1.2方案二

图2.2方案二的原理框图

方案二系统工作时，传感器采集到信号传输给单片机，单片机计数器统计脉冲个数，定时器记录相应时间长度，经过运算，将行驶里程、平均速度送给共阴数码管显示。

报警器是当速度超过预定值时报警。

2.2方案论证

测量一定时间间隔t里自行车车轮转过的圈数q。

假设车轮周长为c，则速度V=c*q/t测量自行车车轮转过一圈的时间t，则速度V=c/t本里程表是根据第一个原理计算速度的。

方案一采用了传感器具体的给出信号采集的方案，而且还增加了了轮圈大小的选择，可以测量多种型号的轮圈，并且对里程显示或者速度显示有选择，使使用者能自由选择显示里程还是速度，方案二比较的简单没有轮子大小的选择，也就说这个系统只能测量一个型号的自行车。

其中在传感器方面我们也做出了比较和选择

红外光电传感器。

把红外对管分别安装在自行车车轮的两侧，当车轮转动时，辐条会阻挡红外对管的光路，接收管输出低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。

红外对管的优点是测量精度高，缺点是安装比较复杂和容易受外来光线、灰尘等的影响。

开关型霍尔传感器。

霍尔传感器是利用霍尔效应把磁输入信号转换成电信号的器件。

把开关型霍尔传感器安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，传感器输出一个无抖动的低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。

霍尔传感器的优点是稳定和安装简易，缺点是成本较高。

干簧管。

干簧管是一种磁敏的有触点无源电子开关元件，应用在里程表上的原理与开关型霍尔传感器类似，把干簧管安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，干簧管闭合，单片机根据此信号可计算里程、速度等。

干簧管的优点是成本低廉和安装简易，缺点是比较脆弱和不够稳定。

本里程表选用干簧管，稳定、安装简易。

2.3方案选择

比较两种方案可以看出，方案一和方案二的大概思路都差不多，只是单片机选择和显示模块不同，而方案一的设计比较具体使用一些，他可以对多种型号的自行车进行检测，二方案二只能测量一种型号的自行车，此外在里程和速度的显示上方案一给出了比较明确的选择，而方案二没有，所以我们选择了方案一做为本次课题的主要研究对象，本文也将注重介绍方案一的设计方法。

3单元模块设计

采用STC89C52为控制核心，主要功能模块有：

数据采集模块选用干簧管传感器，数据显示选用共阴数码管，里程和速度显示的选择以及轮子大小的设置用开关按钮，超速报警选用蜂鸣器和发光二极管。

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

为完成自行车里程和速度显示的设计，本系统采用单片机为控制核心，以实现便携式里程速计仪的基本控制功能。

系统主要功能内容包括：

数据采集、数据处理、超速报警、数据显示等。

本系统设计采用功能模块化的设计思想，系统主要分为总硬件和软件的设计两大部分。

3.1.1单元模块功能介绍

1单片机最小系统电路

在课题设计的速度控制系统设计中，控制核心是STC89C52单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4KFLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为1μS。

使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括：

复位电路、震荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择），电路如下图3.1所示：

图3.1单片机最小系统

（1）晶振电路

单片机工作的过程中各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称作时序，单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种微操作提供时间基准，89c52的时钟产生方式有两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。

内部时钟方式即在单片机的外部接一个晶振电路与单片机里面的振荡器组合作用产生时钟脉冲信号，外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，此方式常用于多片89C52单片机同时工作，以便于各单片机的同步，一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns.且

为频率低于12MHz的方波。

对于CHMOS工艺的单片机，外部时钟要由XTAL1端引入，而XTAL2端应悬空。

本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了内部时钟方式。

在89C52单片机的内部有一个震荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号，图中电容器C1和C2稳定频率和快速起振，电容值在5—30pF，典型值是22pF，晶振CYS选择的是12MHz。

（2）复位电路

复位的意义

单片机开始工作的时候，必须处于一种确定的状态，否则，不知哪是第一条程序和如何开始运行程序。

端口线电平和输入输出状态不确定可能使外围设备误动作，导致严重事故的发生；内部一些控制寄存器（专用寄存器）内容不确定可能导致定时器溢出、程序尚未开始就要中断及串口乱传向外设发送数据。

因此，任何单片机在开始工作前，都必须进行一次复位过程，使单片机处于一种确定的状态。

复位电路原理

当在89C52单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

2里程和速度显示的选择以及轮子大小的选择模块

（1）轮圈大小的选择电路

图3.2轮圈大小的选择电路

通过对车轮大小的设计，就可以对不同型号的车子的数据进行检测，特别是在硬件设计是原想通过按钮来实现对尺寸大小的选择，但是通过按钮来实现的方式比较复杂，本次设计使用的是双排针来设置，通过P1.4,P1.5,P1.6,P1.7四个口来分别设置轮圈的大小，假设车轮周长为c，则速度V=c*q/t测量自行车车轮转过一圈的时间t，则速度V=c/t本里程表是根据第一个原理计算速度的。

通过圈数来统计里程。

（2）里程/速度显示选择电路

图3.3里程/速度显示选择电路

通过一个六脚开关对里程还是速度显示进行准确的选择，P2.6口的开关来确定显示的方式，当开关选择在低电平是时即接地则是共阴数码管显示速度，当开关选择在高电平时即接电源则共阴数码管显示里程。

3测量电路

测量电路由干簧管传感器和磁铁组成。

干簧管是一种磁敏的特殊开关。

它的两个触点由特殊材料制成，被封装在真空的玻璃管里。

只要用磁铁接近它，干簧管两个节点就会吸合在一起，使电路导通。

因此可以作为传感器用，用于计数，限位等等。

有一种自行车公里计，本次设计是在轮胎上粘上磁铁，在一旁固定上干簧管构成的把磁铁固定在自行车轮子上及跟随轮子的转动而转动，再将干簧管固定在车轮旁边，能与磁铁反应的距离但是不能跟随车轮转动，不然不能计数，每当车轮的磁铁经过干簧管的时候就将干簧管的开关吸合，产生一个数据信号给单片机，这就是对车轮圈数进行采集，通过单片机对此数据信号进行分析计算。

4数据显示电路

图3.4数据显示电路

本次设计使用的是3位的共阴数码管显示器，在设计是注意区分这两种不同的接法。

为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。

七段数码管加上一个小数点，共计8段。

因此为显示器提供的编码正好是一个字节。

本实验板用共阴显示器。

LED显示器工作方式有两种：

静态显示方式和动态显示方式。

静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。

当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。

这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。

缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。

动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。

选亮数码管采用动态扫描显示。

所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。

动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。

本次设计使用的是静态显示方式。

5报警和储存电路

（1）报警电路

图3.5报警电路

当自行车速度超过预设值时应及时采取报警措施，实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压，就能产生3kHZ左右的蜂鸣振荡音响。

压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。

压电式蜂鸣器，约需10mA的驱动电流，可在某端口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动，如图3.5所示。

P2.7接三极管基极输入端，当P2.7输出高电平“1”时，三极管导通，蜂鸣器的通电而发音，当P2.7输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发音。

同时本次设计还将发光二极管放在报警电路中，当报警器发声是同时发光二极管也导通而发光亮起来，起到更好的报警效果。

（2）存储电路

图3.6存储器电路

本次设计使用的是24C01存储器，用于P1.0和P1.1EEPROM的存取控制。

CAT24WC01/02/04/08/16支持I2C总数据传送协议，I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器。

任何从总线接收数据的器件为接收器。

数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。

主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据发送或接收的模式，通过器件地址输入端A0A1和A2可以实现将最多8个24WC01和24WC02。

这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为024WC01除外。

当使用24WC01或24WC02时最大可级联8个器件。

如果只有一个24WC02被总线寻址，这三个地址输入脚A0A1A2可悬空或连接到电源，如果只有一个24WC01被总线寻址，这三个地址输入脚A0，A1，A2必须连接到电源。

当使用24WC04时最多可连接4个器件，该器件仅使用A1、A2地址管脚。

A0管脚未用，可以连接到电源或悬空。

如果只有一个24WC04被总线寻址，A1和A2地址管脚可悬空或连接到电源。

当