基于单片机的汽车数字里程表系统设计说明

计算机控制技术课程设计成绩评定表设计课题：基于单片机的汽车数字里程表系统设计学院名称：电气工程学院专业班级：学生：学号：指导教师：王黎设计地点：中原路校区2号楼421设计时间： 2010.6.27—2010.7.3计算机控制技术课程设计课题设计名称：基于单片机的汽车数字里程表系统设计专业班级：学生姓名：学号：指导教师：王黎课程设计地点：中原路校区2号楼421 课程设计时间： 2010.6.27—2010.7.3计算机控制技术课程设计任务书摘要随着电子技术的迅猛发展，电子式里程表得以广泛应用，现在很多轿车仪表已经使用电子车速里程表，本设计介绍一种基于单片机的智能电子里程表。

该电子式里程表是一种数字式仪表，主要由车速表和里程表两部分组成，其传感器采用无接触测量的光电传感器。

它不仅可显示车辆行驶的总里程，也可显示一段时间的阶段里程，还可显示车速，以及实现超速报警等功能。

它的实现方式是，通过安装在汽车转轴上的测量盘，用光电式转速传感器检测转速的脉冲信息，在脉冲状态下，将转速的变化转换成光通量的变化，再通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量的变化，接着通过频率测量电路将脉冲信号输入到单片机中，然后依据电量与转速的函数关系实现转速测量，再通过计算，从而得出里程、车速的信息，并由LED显示器显示出来。

并且该电子式里程表累积的里程数字存储在非易失性的EEPROM存储器，在无电状态下数据也能保存。

关键词：AT89S51单片机；里程表；光电传感器；LED显示器；存储器目录1引言 (1)2 总体方案设计 (3)2.1控制器的选择 (3)2.2传感器的选择 (3)2.3键盘模块的选择 (5)2.4显示模块的选择 (5)2.5存储模块的选择 (6)3 硬件各单元电路设计 (7)3.1 传感器的设计 (7)3.2 单片机与光电传感器的接口设计 (8)3.3 单片机与外部存储器的接口设计 (9)3.4 单片机与超速报警电路的接口设计 (10)3.5 单片机与键盘和7段显示器的接口设计 (10)4 系统软件设计 (11)4.1 脉冲测量部分 (13)4.2 键盘输入部分 (13)4.3 数据处理部分 (14)4.4 存储器部分 (14)4.5 超速报警部分 (15)4. 6 显示部分 (16)总结 (18)参考文献 (19)附录 (20)1引言随着经济的全球化,国外汽车零部件厂商也大举进入中国参与竞争。

电子式仪表及新型传感器是各类车型汽车的首选配套产品，通用性好，市场前景广阔。

目前国外汽车车速里程表已广泛采用电子式机芯结构，而国汽车仪表一直是机械式车速里程表的天下，少数采用动圈式电子仪表。

一般汽车的常规仪表有车速里程表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、充电表等。

仪表盘中最常用的是车速里程表，目前很多轿车仪表已经使用电子车速表，它通过变速器上的速度传感器获取信号，通过脉冲频率的变化使指针偏转或者显示数字。

随着汽车电子半导体技术的发展，多功能、高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字显示及图像显示的仪表已不断应用于汽车。

本作品利用安装在汽车转轴上的测量盘，由光电传感器输出采样脉冲，采取单片机控制，用一个六位LED数码管和一个四位LED数码管作为显示设备，从而得出里程、车速的信息。

在里程信息的存储功能上，采用了新型轿车中广泛使用的串行EEPROM芯片24C16。

该电子式里程表以AT89S51单片机为核心，由系统输入、单片机部分和系统输出组成。

其主要模块有报警装置、键盘输入、光电传感器、显示、单片机以及EEPROM 存储器。

其系统组成框图如图2-1所示。

图2-1 系统组成框图单片机控制模块是该作品的重要组成部分。

为了提高单片机的使用效率，以及可以实现在线编程，而采用了AT89C51单片机的升级产品AT89S51单片机。

当电源正常供电时给电容器充电，电源掉电时，利用电容器电流将单片机中的数据写入EEPROM中。

超速报警部分本作品采用了简单的软件设计，由程序产生，铃声是为了达到提示的目的，因此，选用了一个简单的蜂鸣器，通过软件定时产生的嘀嘀声作为提示音，并且接一个红色的发光二极管，使报警效果更加理想。

在车速里程显示方面，本作品采用了常用的6位共阳极LED显示器，通过按键的转换以及对单片机的软件编程，可在一个6位共阳极LED显示器中实现系统总里程和单班里程的显示，而车速则通过另一个4位的共阳极LED显示器实时显示。

而本系统的车速脉冲采样部分，采用了非接触式的高灵敏度光电传感器，它有利于提高脉冲测量的精度，并提高了系统的可靠性，应用时将测量盘固定在车辆的转轴上，再通过光电传感器来测量。

根据电子式里程表的具体设计要求：（1）显示车辆行驶的总里程，用6位LED显示；（2）显示一段时间的阶段里程，用6位LED显示；（3）显示车速，用4位LED显示；（4）实现超速报警；本作品设计的电子式里程表拥有以下单元功能模块：（1）光电传感器的脉冲信号检测与转换；（2）超速报警功能；（3）里程信息存储功能；（4）车速和里程的LED显示功能；根据电子式里程表的一些基本要求，从而结合实际情况对具体的单元功能模块作软件或硬件上的不同分工，具体如下：在车辆转轴上安装的光电传感器的脉冲检测单元必须使用具体硬件电路来实现。

键输入和键处理、脉冲记数处理等功能模块使用软件编程方式要比硬件电路简单得多，实现也很容易。

超速报警、里程信息存储、车速和里程的LED显示都采用硬件电路和软件编程相结合的方式。

其中超速报警采用一个蜂鸣器和一个红色发光二极管的报警方式，通过单片机的软件中断请求，实现蜂鸣器的嘀嘀声及发光二极管的闪烁显示。

2 总体方案设计2.1控制器的选择本系统使用了单片机AT89S51，它是AT89C51的升级产品，能实现在线编程。

单片机AT89S51是由ATMEL公司生产的51单片机。

AT89S51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含2个外部中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

2.2传感器的选择转速是指每分钟旋转轴转动的圈数。

机械式转速仪和电模拟式测速仪已经无法满足自动化程序日益提高的需要，它们只能测量精度不高的转速，而且输出不能直接供计算机使用，因此，非接触式的光电数字转速仪表就越来越广泛地得到应用。

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。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域得到广泛应用。

经过比较，由于光电传感器的结构简单、可靠、测量精度高等优点，因而本设计中选用了光电传感器。

光电传感器的选择光电传感器的类型按照光电传感器中光电元件输出电信号的形式可以将光电传感器分为模拟式和脉冲式两大类。

(1)模拟式光电传感器这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系。

(2)脉冲式光电传感器在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。

通过两种形式的光电传感器比较，我选用了脉冲式光电传感器，因其多用于光电计数和光电式转速测量等场合。

脉冲式光电转速传感器从光路系统看，有透射式和反射式两种。

（1）透射式光电传感器这种仪表的测量盘装在被测转轴上，在它旁边装有不动的读数盘。

测量盘沿外缘圆周源射来的光线就将照射到光敏元件上一次，这个光脉冲将引起光敏元件的输出电脉冲，在孔数一定时，该列电脉冲数就和转速成正比。

电脉冲经测量电路整形放大后再送入频率计计数和显示，经核算或标定后，就可以得到一个便于测量计刻有等距径向透明光缝，在读数盘上刻有同样间距的透光缝隙，当测量盘随被测轴一起转动时，每转过一个缝隙，由光数的信号，此时被测转速为n= f/N式中f——测得的脉冲频率；N——每转脉冲数，它等于圆周上之缝数。

（2）反射式光电传感器在转轴上不便于安装测量转盘时，还可以采用在测量转轴上加反射镜的方法。

只有光线入射时，转轴每转一周就有数次光反射作用。

再用简单光学系统将反射光投到光敏元件上，就可以输出相应的电脉冲。

其它部分与透射式一样，通过测脉冲频率就可以求出转速。

反射式转速表使用方便，它不给转轴带来附加载荷，可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速，但要求转轴不能太细，便于贴反射镜，它适于测10r/min。

量的转速围为30-4.8×5通过比较，可知透射式光电传感器比反射式光电传感器的测量精度高，因而本设计中我采用了透射式光电传感器，并且采用了60条缝隙的测量盘。

经过比较，本系统采用了透射式光电测速脉冲整形电路。

每当安装在汽车转轴上的旋转测量盘上的长方孔与光电传感器上的透光孔重合，则光敏三极管受光而通过电流，使三极管饱和导通，故用于脉冲整形的施密特触发器CD4093输出高电平，当圆盘转至透光孔被遮时，CD4093输出低电平。

随着圆盘不停地转动，CD4093便输出脉冲序列。

测出输出脉冲个数，结合圆盘每一周的孔数，使可算出转轴旋转的转速，进而可算出车辆的行驶速度。

2.3键盘模块的选择单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。

编码键盘是只要按下它的某一个键，就能产生这个键的代码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码。

编码键盘使用方便，也不用编写太复杂的程序。

但硬件电路复杂，比非编码简易键盘成本要高。

非编码键盘也称简易键盘，它的按键是排列成行、列矩阵形式的。

按键的作用只是简单地实现接点的接通或断开，因此必须有一套相应的程序与之配合，才能产生相应的键码，它基本上不需要附加什么硬件电路。

但需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码的问题。

本系统的键盘输入部分，采用了2个功能键，用这2个键既可以选择6位LED显示器显示是单班里程还是总里程。

为了节约成本，本作品选用简易键盘即两个按键开关来实现车速与里程的转换显示。

2.4显示模块的选择单片机所用的显示有LED和LCD两种，从设计的难度和成本造价来说LCD 都要高于LED。

液晶显示器LCD的最大优点是电源电压低和功耗低，但液晶为非发光型物质，它是利用外界光源的被动式显示器件，环境越明亮显示越清晰，不能用于暗处。

寿命与使用条件有关，强光下使用寿命会减小。

此外，它的响应速度较低（在10-200ms围），这就限制了它在快速系统中的应用。