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1、汽车电气与电子课程设计基于单片机的汽车智能速度表的设计姓名焦方虎学院交通学院专业交通运输年级交本0903学号20092814068指导教师梁桂航2012年12月 日鲁东大学课程设计基于单片机的汽车智能速度表的设计焦方虎（交通学院 交通运输专业 2009级 交通本0903班 20092814068）摘 要：本智能速度表设计以单片机和光电传感器为核心，由信号预处理电路、80C51单片机、串口液晶显示电路、串口数据存储电路和系统软件组成。本身设计主要是计算汽车在一秒内轮子的转动圈数即转动频率，但考虑本设计的实际情况，为使电路简单，仅以转动频率来模拟汽车的速度，并将计得的速度通过LCD显示出来，速度显
2、示每1秒钟刷新一次，并在实时速度超过设置的报警速度时发出报警声。司机可以根据不同的情况需要设计来设置合适的报警速度，以使司机能在合适的速度范围内安全行驶。关键词：单片机；单片机最小系统；按键模块；LCD显示模块。Abstract: The intelligent speed meter design based on MCU and photoelectric sensor as the core, the signal pretreatment circuit, 80C51 single-chip microcomputer, serial LCD display circuit, seri
3、al data storage circuit and system software. Design of automobile itself is calculated in a second wheel rotation number namely rotation frequency, but considering the design of the actual situation, in order to make the circuit is simple, only to the rotational frequency to simulate the automobile
4、speed, and the measured speed through the LCD display, display the speed of each of the 1 second refresh time, and in real time speed exceeds the set alarm when the alarm sound velocity. The driver can according to the different situation need to set suitable alarm speed, so that the driver can fit
5、in the speed range of safety driving.Key Words: SCM; SCM system; module; the LCD display module.1. 引言在当今时代里，汽车是最普通的交通运输工具，然而人们往往忽略高速行驶所带来的危险后果。每年由于司机的超速行驶而产生的交通事故很多，因此造成的直接和间接经济损失更是无法估量，然而很多因超速行驶而造成事故的肇事者不是想开很快，而是他们根本没有意识到自己在超速行驶，因此在交通事故发生之后大都感到后悔。但是如果在他们的汽车上安装汽车的速度显示及超速报警器，在很大程度上可以提醒司机适当放慢车速，以确保能及时
6、避免发生此类事故。我们设计的限速路段超速自动提示和报警系统与安全气囊等设施相比，更为主动有效，将可能产生的交通事故防患于未燃，它与警察用的雷达测速等防止司机超速装置相比，显得实用有效，司机可以在不同路段根据不同情况设定不同的最高限速值，主动自觉地有效限制车速。本身设计主要是计算汽车在一秒内轮子的转动圈数即转动频率，但考虑本设计的实际情况，为使电路简单，仅以转动频率来模拟汽车的速度，并将计得的速度通过LCD显示出来，速度显示每1秒钟刷新一次，并在实时速度超过设置的报警速度时发出报警声。司机可以根据不同的情况需要设计来设置合适的报警速度，以使司机能在合适的速度范围内安全行驶。在实时检测系统中单片机
7、是一个核心部件，此设计就是采用的8051单片机对机动车的超速行驶进行灯光报警。系统结构简单，可靠性高，操作方便，可广泛用于摩托车、汽车等机动车辆的速度监控。该电路只要由单片机最小系统、按键模块、LCD显示模块组成。单片机可以产生计数脉冲，来计算1秒钟内转动的圈数，通过计算可得到其实时速度，并在LCD上显示出来。按键模块设有暂停/开始键，设置报警速度时的加速、减速键，模拟轮子转速频率的加速、减速键。在设计中一般考虑一下几点：遵循从整体到局部的设计原则，把复杂难处理的问题划分为若干个简单的、较易处理的问题，分别加以解决，在组合起来完成较复杂的功能。为获得较高的性价比，设计不应盲目的追求复杂高级的方
8、案，在满足性能指标的前提下，采用尽可能简单的方案，用尽可能少的元器件，能得到更高的性价比。在满足指标的前提下，保证尽可能高的平均无故障时间、无故障率、无失效率、平均寿命，也是设计的一个很重要的考虑因素。2 总体方案设计2.1 方案比较 方案一：采用数字芯片，用555定时器组成的多谐振荡器产生方波信号，将产生的波形整形后输入计数器，对波形脉冲进行加计数，记录产生脉冲的个数，最后通过译码器和数码管对模拟的速度进行显示。其原理框图如图2-1所示：555定时器组成的多谐振荡电路整形电路LED显示计数器译码器 图2-1 数字芯片实现框图 方案二：基于现场可编程门阵列FPGA，通过EDA技术，采用Veri
9、log HDL硬件语言描述。用分频器产生方波脉冲，用下降沿触发加一计数，将计数结果在数码管中显示。其原理框图如图2-2所示：分频器产生方波脉冲计数器LED显示 图2-2 FPGA实现框图 方案三：基于单片机，通过C语言编程控制各模块的相互作用，实现速度测试功能的设计。程序设计思想为：1、单片机内部产生模拟时钟脉冲；2、利用外部中断对产生的时钟脉冲技术； 3、按键功能实现人机交互功能，人为设置参数；4、将计数结果和设置的参数送入LCD中显示出来。其原理框图如图23所示：单片机产生时钟脉冲外部中断对脉冲进行计数按键功能设置LCD显示 图2-3 单片机实现框图2.2 方案论证方案一采用数字芯片实现设
10、计要求，设计中使用的分离元件电路较多，元件内部延时很大，不容忽视，这就要求精密的计算，工作量大，而且增加了硬件调试的时间，过程繁琐；此外各元件受外部环境影响较大，电路设计出来实物的稳定性较差。方案二基于现场可编程门阵列FPGA，使用Verilog HDL硬件描述语言，需要很清楚的了解此语言的用法，其中的计数器模块采用自底向上的设计方式，这种设计方法就如同一砖一瓦建造金字塔，不仅效率低，成本高，而且容易出错；另外，FPGA器件是基于SRAM结构的，由于SRAM的易失性，每次加电时，配置数据都必须重新构造，过程比较冗杂；在FPGA中的多路信号的电平值发生变化时，在信号改变的瞬间，组合逻辑的输出有先
11、后顺序，并不是同时变化，往往会出现一些不正确的毛刺，会产生毛刺，可能对输入有危害。方案三采用单片机技术，这种技术现在已经很成熟了，一方面单片机有极高的性能价格比，体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高等特点，另一方面利用C语言编程的可移植性和易读性，开发较为容易，利用程序实现各个功能模块的相互配合，实现的设计产品灵活性好，可靠性好。2.3 方案选择由于现在系统开发市场的突飞猛进，设计的自动化程度越来越高，设计的复杂性也越来越强，人们对能简化电路设计、低研究成本、低故障、高实时、高可靠、高稳定的性能的设计理念和设计方法更加青睐，结合本设计的要求及综合以上比较的情况，我们选择了基于单片机设计的
12、方案。3 硬件设计本设计主要采用了单片机最小系统、按键模块、LCD显示模块，单片机是本设计的核心部件，主要用于实时速度的测量，总路程的计算并在LCD上显示出来，还有是否超速的检测。若检测到超速还应该报警提示，本设计采用蜂鸣器实现报警功能。3.1 信号预处理电路 信号预处理电路如图3所示，系统的信号预处理电路由二级电路构成，第一级是由开关三极管组成的零偏置放大器，采用开关三极管可以保证放大器具有良好的高频响应。当输入信号为零或负电压时，三极管截止，电路输出高电平；而当输入信号为正电压时，三极管导通，此时输出电压随着输入电压的上升而下降，这使得速度里程表既可以测量任意方波信号的频率，也可以测量正弦
13、波信号的频率。由于放大器的放大功能降低了对待测信号的幅度要求，因此，系统能对任意大于0.5V的正弦波和脉冲信号进行测量。预处理电路的第二级采用74LS14把放大器生成的单相脉冲转换成与COMS电平相兼容的方波信号（如图4所示），同时将输出信号加到单片机的P3.2口上。图3 信号预处理电路图图4 施密特触发器对脉冲的整形 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于VT+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。 从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明
14、显变坏；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的VT+和VT-设置得合适，均能受到满意的整形效果。3.2 EEPROM AT24C02的应用 AT24C02是CMOS 2048位串行EEPROM，在内部组织成2568位。AT24C02的特点是具有允许在简单的二线总线上工作的串行接口和软件协议。 如图5所示，在本设计中用芯片AT24C02的SDA端与
15、单片机的P3.7口相连，SCL端与单片机的P3.5口相连。因为在这个I2C总线上只有一个器件，所以把AT24C02的地址设为000，即把A0、A1、A2都接地。单片机计算出来的里程数据通过SDA、SCL向AT24C02输送数据。单片机首先向AT24C02发送写信号，当确认后从单片机内部的数据储存单元提取数据然后向AT24C02的内部地址传送数据。当显示里程时，单片机首先向AT24C02发送读信号，然后确认后，单片机从AT24C02内部的地址向单片机的读出单元字节读出数据，供显示所用。图5 AT24C02与单片机的接口电路图3.3 各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1 单片机最小系统本设计最小系统的核心部件是89C51单片机，各管脚的连接如图3-1所示，P0端口的管脚接有上拉电阻。复位电路的S22为复位按键，可使单片机复位。复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使单片机复位。复位的主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，
