电动自行车数显车头设计说明书.docx

1、电动自行车数显车头设计说明书XM01-1-CB-K-03带数显车头电路项目计划及设计说明书2002年8月一、 项目任务开发出具如下功能特征的电动自行车车头显示板， 制订出生产所需的相关技术文件并做出样品。1、 显示板的安装尺寸必须满足 III型车塑料件的要求。2、 接口符合 PT0236、SQ0236-D/T型控制器的要求。3、 具有四位LED数码显示，开机显示累计里程(可清零)，精 度1Km，接受到速度信号后，转为显示本次里程， 精度0.1Km。单位 为Km。掉电时将本次里程累加到累计里程并保存。4、 具有 6/9/12/15/18/20/22Km/h 七档 LED 速度显示。5、 具有 3

2、1/32/33/34/35/36/37V 七档 LED 电量显示。6、 速度传感器和断电刹把接口为霍耳元件接口。7、 具有电源指示灯、限流指示灯及欠压指示灯。&具有喇叭、车灯及转向灯接口。9、采用89C2051单片机设计、储存器用 AT24C02, 2Kbit串行 EEPROM。二、 项目总体计划1、 需求分析(1)进一步明确功能特征需求。(2)所有接口的电气特性及要求。(3)总体设计A、 生成系统原理框图。B、 分配系统资源C、 安装尺寸及面板布局规划。D、 制订具体设计说明书。2、 具体设计(1)硬件设计：按结构框图和具体设计说明书设计硬件，生成电 路图稿。(2)软件设计：按设计说明书对各

3、功能块进行模块化设计。生成 程序表稿。(3) 软件调试：用仿真器对各程序模块进行调试， 之后总体调试，生成程序表修改稿、及可供编程的 BIN代码。(4) 电路板设计：生成可供生产的 PCB文件。3、 制样：制作可供试验鉴定的样品，生成零配件配套表。4、 试验鉴定：按相关标准进行各项有针对性的试验，生成各项试验报告，完善软件、硬件的设计，生成定型的各文件图纸。5、生产技术文件制订：生产工艺、调试、检验工艺等。三、项目进度及人员安排：内容时间人员总体设计2002. 8. 10前硬件设计软件设计软件调试电路板设计10. 1 前制样试验鉴定工艺制定12. 30前2002年8月1日1/*需求分析接口特性

4、（8月3日） 速度信号的电气特性传感器：电压型霍耳元件，5V电源，低电位有效。 测试方法：用现有邮电车的电路拔下前轮电机线，接到稳压稳流电源。装上后一组电池，开启邮政车电源。用示波器测量传感器的输出波形。调整稳压稳流电源，使车头速度显示为 8Km/h，记录示波器的 波形，调整速度为 12Km/h、18Km/h、24Km/h、28Km/h，记录示波 器输出波形。测试结果：表1.1速度（Km/h）波口宽度（ms）波底宽度（ms）842. 4123. 821631. 5202. 21. 124212820. 8结论：信号检测防抖动延时时间取 300us可满足要求。2/*需求分析总体设计系统框图、资源

5、分配、说明书（ 8月9日）2. 1总结构框图、Mcul/O资源分配（图2.1）P1.1P1.6图2.12. 2软件总框图2. 2. 1主程序图2.22. 2. 2读/写子程序返回2. 2. 3中断服务程序T0中断服务：图2.4T1中断服务:里程显示/喇叭信号、转向灯信号产生。主程序默认调用图2.5INTO中断服务:图2.62. 3系统资源细分2. 3. 1端口资源:表 2.1:功能端口地址EEPROM数据输入/输出（SDA）P3.0B0HEEPROM时钟输入(SCL)P3.1B1H里程显示数据第3位P1.696H里程显示数据第2位P1.595H里程显示数据第1位P1.494H里程显示数据第0位

6、P1.393H里程显示选通第1位P1.292H里程显示选通第0位P1.191H速度显示数据第2位P3.7B7H速度显示数据第1位P1.797H速度显示数据第0位P1.090H转向信号输出P3.4B4H清零/喇叭信号输出P3.3B3H小数点显示控制P3.5B5H速度传感器信号输入（INT0）P3.2B2H2. 3. 2中断资源参考2.2.32. 3. 3工作寄存器/ RAM资源（*需在具体设计时进行优化） 表 2.2:代号地址特征说明作用域STATM_RD24H.0(20H)位读标签读写操作STATM_WR24H.1(21H)位写标签PWR24H.2(22H)位伪写标签SCL024H.3(23H

7、)位SCL(P3.1)镜象COUNT24H.4(24H)位辅助读写标签续表2.2:代号地址特征说明作用域PCOUNTR5REG基本读写操作时钟序号读写操作NR6REG基本读写操作序号MR7REG基本读写操作累计序号OK24H.5 (25H)位读与结束标签WR24H.6 (26H)位内部读写标签WRB (04)40H44H5个连续字节读写数据区WR024H.7 (27H)位内部辅助读写标签WRB020H (0007H)1个字节，可位 寻址读写缓冲字节DELAY(01)Rj、Rj+12个连续的REG.DELAY计数器清零确认SC(01)21H、 22H(08H17H)2个连续可位寻址字节数显、方向

8、、喇叭软计数器T1服务F_OPEN25H.0 (28H)位里程显示转换标签DISF(12)45H、 46H2个连续字节显示缓冲SEL025H.1 (29H)位传感器信号标签SCOUNT(01)47H、 48H2个连续字节速度计算计数器CD(03)50H53H4个连续字节存储本次里程PDOWN25H.2 (2AH )位掉电标签3/*需求分析总体设计安装尺寸/布局规划（ 9月20日） 说明：数码LED采用40 * 14mm，4位带小数点共阴动态显示型 其他指示灯采用5mm高亮度LED。面板和电路板装配后总厚度不大于 13mm。面板的尺寸/布局如图3.1及图3.2所示。图3.1面板尺寸（背面）图3.

9、2面板布局（正面）/ *以下对外保密！*/4/*具体设计-硬件设计4. 1电源电路（图4.1）D22 1N4148 150 Q /1W ,FlR30 1K1 1R10 1 1 C10U8 7805DNGV丄C110.01u50V470U 2 -U9 78L05 R111 2V 打 68 Q /1/2WDNGn5V *C12；O.OluTitleSiz e N umberA3D ate: 17-O ct-2 00 2File: U ser02d 电动自行车图4.1A 说明：5V电源提供2051及其他TTL电路的电源，C10, D22在掉电 时提供对5V的延时使2051有足够的时间保存里程。5V*

10、电源提供 传感器电源，并作为掉电判断辅助电源，即系统检测到该电源为低电A 3位时置位掉电标签，保存里程“D22防止C10在掉电时反向放电过快。 File : U ser02 d 电动自 行车 车头.ddb D rawn By:4. 2 MCU （U1 ）相关电路（图 4.2） 84. 2. 1里程显示：由 MCU向七段BCD译码器（LS48）顺序依次 提供4个BCD里程码，并提供2线选通控制，通过 2-4线译码器（LS156）产生4个选通信号，依次选通相应的 4位里程码，实现里 程的动态分时显示。P3.5 （ U1第9脚）在显示当前里程时，控制数 码管第二位小数点的显示。4. 2. 2速度显示

11、：MCU按计算的速度值输出3位二进制码，从000 111表示8个档位输出给U4 （LS156）, U4接成3-8线译码器，可 实现D1D7 （LED ）随档位的增加依次点亮。4. 2. 3速度信号的输入：速度信号通过 INT0 （U1第6脚）输入给 MCU , J2是霍耳传感器的接口，车轮每转一圈传感器就给INT0 一个低电平，触发MCU中断。要求低电平的宽度不小于 300uS。4. 2. 4掉电判断：R1确保掉电时INT0脚为低电位，触发INT0中 断后，检测2U1第12脚电平3,如也为低电平则置位掉电标签。536V图4.2 MCU及外围电路4. 2. 5里程存储电路：由P3.1（ U1第3

12、脚）提供同步时钟信号，P3.0 （ U1第2脚）作为数据的输入输出及命令的输出串行 I/O。时钟 信号由T0中断产生。U2的13脚接地，将U2的硬地址置为000。 选通则通过P3.0发出的选通命令来实现。4. 2. 6其他电路：里程清零/喇叭电路：启动时 P3.3 （ U1第7脚） 作为清零的判断端口，如在上电前按下 AN，上电1秒后放开则里程1 清零。之后P3.3复用为喇叭音频信号的输出，4这时禁止按下5AN o AN 应内置在电路板上不易触到之处。 J3为喇叭按键把接口。 Q1为喇叭音频信号放大器。J4为喇叭接口。转向灯信号电路：由 P3.4 （U1第612 3 48脚）输出频率约0.81

13、Hz的方波，经Q2放大。J5为转向开关接口，J6为转向灯接口，D8/D9（ LED ）为面板转向指示灯。复位电路：C2/R3构成上电自动复位电路。4. 3电量指示电路：图4.3 12V、36V电源由9芯接口 提供。R17R24构成分压 基准电路，分别提供 7.75V/8V/8.25V/8.5V/8.75 V/9V/9.25V的基准电压。分别对应电源电压：31/32/33/ 34/ 35/ 36/37V。W1按如下方法调整：电源电压调到36.0V，调整 W1 使分压输出为9.0V即可。4. 4接口及其他电路：图4.4所示。J1为9芯线接口（即与控制主板 PT0236 、SQ0236-D/T 的接

14、口）；J7为尾灯接口； J12为转把 接口，1脚为电源，3脚输 出；J13、J14为刹把接口，刹车时输出高电位；J10、J11为大灯和大灯开关接口； D19、D20、D21分别为欠压、过流 及电源指示灯。2VR17rl卜211KR181KD10LED36VR1510kW110kR165k.LC1525V1u1R19-1KR20,1KR211KR221KR231K31KR2445LM33931 2V6U7BPM33989U7A2D11LEDU7C LM339D12ED1011U7D LM339D13ED1011U8D89D16LED2LM339D15EDU8ALM339U8C2D14EDR25

15、3K/1W . -36V图4.3图4.45/*具体设计-软件设计5. 1读写子程序（READ_WRITE ）5. 1. 1 AT24C02的特性及读写操作AT24C02是2K位（即256字节）电可擦写串行只读存储器（EEPROM），共8个引脚。5. 1. 1. 1引脚说明：13: A0A2 :存储器的硬件地址设置引脚，由外部直接接高电 位或低电位来设置，可选择000111八个地址中的一个，当MCU读 写命令中的串行地址和芯片硬件地址相符时可选通该芯片， 本应用中将芯片硬件地址设置为 000。4脚：地。5 脚: SDA :串行数据输入/输出，作为输出时为集电极开路（OC）。6脚：SCL:串行时钟

16、输入，芯片只在上升沿可接受数据，在下降 沿可输出数据。7脚：WP :写保护脚，接高电位时保护，低电位时可正常读写， 本应用中WP硬接地，不设保护状态。8脚：电源脚。5. 1. 1. 2参数要求: 表5.1代号参数说明5V电源电压时单位最小值最大值fSCL时钟频率400kHztLOW时钟方波低电位的宽度1.2ustHIGH时钟方波高电位的宽度0.6ustBUF上一数据结束到下一数据开始的空闲时间1.2ustHD.STA开始信号保持时间0.6ustSU.STA开始信号设置时间0.6ustSU.STO结束信号设置时间0.6ustWR在与系列的有效结束信号之后， 芯片的内部写操作时间10msEn du

17、ra nee在5V25 C下的擦写次数1M次5. 1. 1. 3芯片读写操作时钟和数据的传输：SDA脚常需外部元件上拉到高电位。 本应用中由 于MCU的I/O有内部上拉电阻，所以省去外部的上拉元件。 SDA脚上的数据只能在SCL为低电位期间改变（参考图 5.1/5.2数据输入 时序）。数据在SCL为高电位时改变将引发一个开始或结束信号（如 下定义）。图5.1开始信号：在SCL为高电位时，SDA由高电位跳变到低电位便会产 生一个开始信号，在任何操作之前必须要先产生一个有效的开始信号（图 5.2） o结束信号：在SCL为高电位时，SDA由低电位跳变到高电位便会产 生一个结束信号，在一个读系列之后产

18、生一个结束信号 （由外部产生） 芯片将被置为低功耗模式（图 5.2） o应答信号（ACK ）:所有的串行输入输出数据或地址都是以 8位字节 为单位的。每接收一个字节EEPROM将发回一个“0”信号作为应答， 这个过程在第9个时钟周期完成（图5.2） o图5.2写时序低功耗模式：在上电时以及在接收到结束信号并完成所有内部操作之后EEPROM转入低功耗模式。芯片寻址：在读写操作前必须先向 EEPROM发送一个开始信号及 8 位的寻址字节（图5.3）以选通芯片。寻址字节包括：前四位固定的“ 1”、“ 0”系列（图5.3示）（对所有 AT24CXX系列芯片都是一样的）；接下来三位是与芯片硬地址 A2、

19、A1、A0相对应的寻址地址位；第八位是读/写选择位， “1”为读，“0”为写。发送寻址字节后，如寻址地址与硬地址相符时，EEPROM 将返回一个“ 0”信号作为应答（ACK ）;如果地址不符，EEPROM 转入低功耗模式。写操作：字节写操作：MCU在发送1010 I役A, fvw了寻址字节并收到MSDLSBEEPROM的ACK信号后，再向EEPROM发送数据要 图5.3寻址字节存储的地址（8位），EEPROM将再次返回“ 0”作为应答（ACK ）,并按时钟接受后面的8 位数据，之后又返回一个 ACK信号，然后MCU产生一个停止信号， 完成本次字节写操作。这时 EEPROM进入内部写周期twR

20、（图5.2）。 twR完成前EEPROM不会对任何输入作出响应。（图5.4）图5.4字节写操作段页写操作：该EEPROM允许不大于8字节的段页写操作。初始化 操作和字节写操作的相同。但在第一个数据输入并收到 ACK后MCU 不产生停止信号，而是继续向EEPROM发送17个字节，在每收到 一个字节后EEPROM依然会返回一个ACK ,段页写操作必须由MCU 产生停止信号来终止。在接收到每一数据后，数据地址自动加一（图5.5）。应答信号（ACK ）的检测：由于EEPROM在进行内部写操作时（twR 期间）将不对外部输入作出响应，为了可靠地进行读写， MCU必须不断发送开始信号及寻址字节，并在第 9

21、时钟周期检测 ACK，直到EEPROM完成内部写操作后，才会返回ACK，MCU才可以进行下一 步的读写操作。图5.5段页写操作读操作：读操作的初始化与写操作一样，只是寻址字节的第八位，即 读写选择位要置为“ 1”。有3种读操作：当前地址读操作、指定地址 读操作、系列读操作。当前地址读操作：当前数据指针为最后一次读写操作的数据指针加 1。除非掉电，否则该指针保持有效。但在数据地址出界时该指针将转回 到开头，这时写操作将复盖前面的数据。当MCU发送读初始化操作后，EEPROM将返回ACK信号，并接着 串行输出一个当前地址内的数据。之后 MCU不需要产生ACK而是 产生一个结束信号。（图5.6）图5

22、.6当前地址读操作 k指定地址读：指定地址读需要一个“伪”写操作来输入指定的地址，即在开始信号后输入寻址字节（第八位设置为“写”），再输入数据地 址字节（即指定地址）。MCU收到ACK信号之后进行一次当前地址 读操作即可读指定地址数据。（图5.7）系列读操作：系列读可以顺序读出一系列的数据，可以用当前地址读 或指定地址读方式。当 MCU接收到一字节数据后，将给 EEPROM 发送一个ACK信号，EEPROM则继续增加地址指针并串行输出数据， 到达地址上限后指针回零，系列读仍可继续。如果在接收到数据后 MCU不返回ACK，并在下一时钟周期产生一个停止信号，则终止系 列读操作。（图5.8）A图5.

23、8系列读操作 K*需要注意：哪些 ACK由EEPROM产生哪些由MCU产生。5. 1. 2读写程序设计思想根据要求总里程只需要 3个字节以BCD码的方式存储，前1字节存 储小数点后的1、2位，后2字节分别存储小数点前的 2、1、4、3位。 读出的里程或要写入的里程均放在读写数据区 WRB （04）的后3位即4244H （参考表2.2）。40H、41H则用来存放寻址字节或数据 地址字节。（表5.1）表5.1读写数据区的存储结构:SCL系列12345678说明位RAM地址J、76543210WRB(0) : 40H1010A2A1A0R/W寻址字节WRB(1) : 41H0XXXXXXX数据地址字

24、节WRB(2) : 42H小数1、2位WRB(3) : 43H整数2、1位WRB(4) : 44H整数4、3位程序设一缓冲字节 WRB0，保存当前要发送或接收的 WRB (i )。 设置3个标签：STATM_RD :当前地址系列读操作标签STATM_WR :段页写操作标签 PWR: “伪”写操作标签 调用读写子程序(READ_WRITE )前预设这3个标签以实现相应的 功能。如指定地址读实现如下：SETB PWRSETB STATM_WR ACALL READ_WRITESETB STATM_RD ACALL READ_WRITE40H、41H中的内容在子程序中根据标签赋值。 子程序返回前将这

25、3个标签清零。SCL的产生通过T0中断服务实现，因T0中断服务程序有多个功能 块，必须根据相关标签确定功能块入口(参考图 2.4)。相关标签的设 置及T0的初始化、开启均在 READ WRITE子程序中进行。第1次中断第1次中断 I I ISCL第2次中断 第4次中断图5.9 T0中断点中断的定时取SCL周期的1 /4, 每2次中断SCL进行一次取反操 作，如图5.9示：第1次中断， SCL为低电位，可对SDA引脚进 行读/写操作；第 2次中断对 SCL引脚取反；第3次中断SCL为高电位，可对SDA取反产生开始或停止信号。第4次中断再对SCL 取反。根据读写时序特性，定义基本读写操作：最多包含

26、 10个SCL周期，并依次编号为09SCL周期，第0周期只产生开始或结束信 号，第18周期对SDA引脚读或写，第9周期对ACK检测或发送 ACK。一次READ_WRITE的调用是基本读写操作的多次重复， 只有第1个基本读写操作包含10个SCL周期，最后一个基本读写操作可 能只包含第0 SCL周期（即只产生一个结束信号），中间的基本读写 操作只包含第19 SCL周期。T0中断中用PCOUNT （取09）对 一个基本操作中的SCL进行序号标识；用 N对基本读写操作进行序 号标识；用M累计基本操作总次数。STATM_RD、STATM_WR、PWR、 SCL0、COUNT、PCOUNT、N、M唯一决定

27、本次中断要执行的动作。5. 1. 3读写子程序流程图（图 5.10）停T0图5.10读写子程序流程图5. 1. 4读写中断服务程序流程图（图 5.11）RETIM+,N+L (X5)1fN=6,N=5?PCOUNTX7=FFHPCOUNT=0RETIRETISCL0=0?Y (X4)ACC=SDARETIRETISDA=0RETIYACK=0?(X6)WRB0=&WRB(0),N=0,SDA=0,SCL=0,SCL0=0,C0UNT=0,PC0UNT=0M+,N+M+RETIRETIPCOUNT=0,*WRB0=* (&WRB(0)+)PWR=1?*(&WRB(1)+)=* WRB0N=2?OK=1,PWR=0RETIRETI图5.11读写中断服务程序框图5. 2转向灯、喇叭信号发生及数字显示程序( T1中断服务)5. 2. 1程序设计思想T1中断服务程序定时向喇叭信号端口( P3.3)、转向信号端口(P3.4)发送占空比50 %的方波信号，其中喇叭信号频率取值在 800 1000Hz之间，转向信号频率取值约 0.60.8Hz,分别符合人的听觉、 视觉一般要求。数字显示采用动态显示方式