基于STC12C5408AD增強(qiáng)型51單片機(jī)自行車碼表

摘 要：隨著現(xiàn)在交通壓力增大，對(duì)于一些出行距離不算遠(yuǎn)的人來說，自行車可以算是一種很好的交通工具，即鍛煉身體還能綠色出行，為環(huán)境保護(hù)做一些貢獻(xiàn)。騎行過程中可以實(shí)時(shí)觀察一下騎行速度也不失為一種樂趣。雖有市售的成品自行車碼表出售并且功能強(qiáng)大，但對(duì)于一般人來說能看一下實(shí)時(shí)騎行速度足矣。對(duì)于電子愛好者來說利用手頭的閑置物品親自動(dòng)手制作一款速度碼表既能鍛煉動(dòng)手能力增長(zhǎng)知識(shí)還能享受自己動(dòng)手完成的成就感。本文即以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一款基于STC12C5408AD增強(qiáng)型51單片機(jī)簡(jiǎn)易功能的自行車速度顯示碼表，包括顯示實(shí)時(shí)速度、LED發(fā)光管輔助照明、電子鳴音提醒功能等。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；速度；碼表；12C5408AD；LED發(fā)光管照明；電子鳴音

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 10-0000-01

一、電路組成

電路結(jié)構(gòu)有電池充電模塊、電池、數(shù)碼管顯示、速度信號(hào)輸入、按鍵功能選擇、LED發(fā)光管照明、蜂鳴器、單片機(jī)控制部分組成。

發(fā)光管LED1-LED6、電阻R10-R15、場(chǎng)效應(yīng)管Q2、電阻R18、R19組成LED發(fā)光管照明電路。為了簡(jiǎn)化電路并沒有使用恒流源電路，直接使用了電阻限流。使用NMOS管作為照明電路開啟與關(guān)閉的電子開關(guān)。使用NMOS管相比于NPN型三極管在同體積時(shí)可以有更大的電流容量和更低的導(dǎo)通電阻。

電阻R22、NPN三極管Q1、音頻變壓器T和蜂鳴片LS組成電子鳴音電路。音頻信號(hào)發(fā)生使用了12C5408AD內(nèi)部的PCA模塊的快速脈沖輸出功能，產(chǎn)生800HZ的頻率輸出經(jīng)過NPN三極管8050和脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)蜂鳴片發(fā)出聲音。

此自行車速度表內(nèi)部含有可充電電池，給電路供電，此電池充電可以選擇用太陽能板。這里選擇的是成品的TP4056電池充電管理模塊，USB供電5V輸入使電路更加簡(jiǎn)潔。也可以使用手機(jī)電池的萬能充電器。電池選用體積合適的閑置的手機(jī)鋰電池。

二、元件選擇

12C5408AD是STC公司的新型51單片機(jī)，指令完全兼容傳統(tǒng)8051。對(duì)比于傳統(tǒng)51單片機(jī)具有單條指令執(zhí)行速度快，最快指令速度可以達(dá)到傳統(tǒng)單片機(jī)速度的12倍。片上資源豐富，具有8路10位AD、2路8位PWM。輸出端口配置靈活，可配置為內(nèi)部上拉輸入、浮空輸入、開漏輸出、推挽輸出。另外下載程序方便，只需要一個(gè)RS232串口電平轉(zhuǎn)換電路即可，使調(diào)試下載程序快速方便。具有15條輸入/輸出引腳，對(duì)于本電路來說單片機(jī)的I/O數(shù)量不夠用，所以采用了74HC595移位寄存器作為輸出擴(kuò)展，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。既可以節(jié)約單片機(jī)的I/O數(shù)量也可以增加驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)74HC595的3條I/O引腳在軟件中配置為推挽輸出以節(jié)約外部上拉電阻并簡(jiǎn)化電路。

由于使用多按鍵固定方式的不方便，所以在LED照明和鈴聲功能區(qū)分上采用1個(gè)按鍵輸入方式，按下時(shí)間大于0.5秒時(shí)電子鳴音會(huì)通過蜂鳴器發(fā)出聲音以提醒他人注意，鳴音時(shí)間長(zhǎng)短取決于按鈕按下的時(shí)間長(zhǎng)短。按鈕按下時(shí)間小于0.5秒并且間隔時(shí)間小于0.5秒的情況下連續(xù)按下2次為開啟LED輔助照明，再次按下2次為關(guān)閉LED輔助照明。

三、電路原理

具體電路如圖1所示。

由電阻R20、R21，電容C3、C4和二極管D組成電池電壓檢測(cè)電路，在每次開關(guān)閉合通電的時(shí)候?qū)﹄姵仉妷哼M(jìn)行一次檢測(cè)。電壓在LED數(shù)碼管顯示3秒鐘，以方便查看電池電量。在電量過低的時(shí)候及時(shí)充電保證電路的正常運(yùn)行。電池電壓低于3.3V就應(yīng)該充電了。這里對(duì)于電壓的要求精度并不是非常的嚴(yán)格，用單片機(jī)自帶的AD取其8位精度數(shù)據(jù)足夠。因?yàn)殡姵仉妷菏窃谑褂弥凶兓模孕枰粋€(gè)基準(zhǔn)電壓的參考來檢測(cè)電池的電壓。精度要求不高這里選用了比較常用的二極管1N4148用其正向特性的導(dǎo)通壓降來作為參考。其導(dǎo)通壓降在一定電流變化時(shí)電壓變化不大，取0.56V。由R20、C3和D組成基準(zhǔn)電壓，由R21、C4組成電池電壓輸入電路。C3、C4用于平滑輸入的電壓保證AD采樣數(shù)據(jù)的正確性和穩(wěn)定性。

速度信號(hào)輸入采用了磁鐵+干簧管的方式，這樣的電路相對(duì)于采用霍爾元件的好處就是省電，畢竟采用電池供電的電路還是需要考慮電池的續(xù)航能力的。干簧管通常有兩個(gè)軟磁性材料做成的、無磁時(shí)斷開的金屬簧片觸點(diǎn)，有的還有第三個(gè)作為常閉觸點(diǎn)的簧片。這些簧片觸點(diǎn)被封裝在充有惰性氣體（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端部重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構(gòu)成開關(guān)的常開或常閉觸點(diǎn)。干簧管比一般機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、速度高、工作壽命長(zhǎng)；而與電子開關(guān)相比，它又有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，工作可靠性很高。外加的磁場(chǎng)使兩片簧片端點(diǎn)位置附近產(chǎn)生不同的極性， 結(jié)果兩片不同極性的簧片將互相吸引并閉合。依此技術(shù)可做成非常小尺寸體積的切換組件，并且切換速度非常快速、且具有非常優(yōu)異的信賴性。永久磁鐵的方位和方向確定何時(shí)以及多少距離使開關(guān)打開和關(guān)閉。磁鐵固定于車輪的兩條輻條之間，干簧管做好防水處理后固定于前叉一側(cè)。調(diào)整干簧管靠近磁鐵的位置使車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈都能輸出一個(gè)閉合信號(hào)。固定于前叉的干簧管產(chǎn)生周期脈沖，經(jīng)過R17和C8組成的RC脈沖整形電路后送入單片機(jī)的外部中斷0，并設(shè)定為高優(yōu)先級(jí)中斷保證采集信號(hào)的準(zhǔn)確性。由于騎行速度一般不會(huì)很快，設(shè)定顯示速度為1.1-50KM/H，低于1.0KM時(shí)無實(shí)際意義忽略為0。對(duì)于速度信號(hào)計(jì)算一般有頻率法和周期法。在使用頻率法時(shí)由于控制計(jì)數(shù)起止信號(hào)的開啟和停止時(shí)間與周期脈沖信號(hào)的關(guān)系是不相關(guān)的，故其在時(shí)間軸上的位置彎曲時(shí)隨機(jī)的，因此在時(shí)間相同的定時(shí)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的結(jié)果可能不同，會(huì)有±1的誤差；周期法是通過測(cè)量脈沖的周期，在測(cè)量時(shí)會(huì)引起時(shí)基計(jì)數(shù)±1的誤差，周期較長(zhǎng)時(shí)相對(duì)誤差比較小，反之相對(duì)誤差就比較大。因此，頻率法通常運(yùn)用于脈沖頻率較高場(chǎng)合的測(cè)量，周期法通常運(yùn)用于脈沖頻率較低的場(chǎng)合。本系統(tǒng)中采集的脈沖頻率并不高所以采用了周期法。單片機(jī)通過對(duì)內(nèi)部的100us基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到實(shí)際車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的周期時(shí)間，通過公式計(jì)算得到實(shí)際速度。數(shù)碼管顯示到速度的小數(shù)點(diǎn)后一位，為了避免過多的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算在公式計(jì)算結(jié)果時(shí)被軟件擴(kuò)大了10倍，實(shí)際顯示時(shí)不需另外計(jì)算小數(shù)點(diǎn)后部分。

三位一體數(shù)碼管LMD、移位寄存器75HC595、電阻數(shù)碼管顯示方式有靜態(tài)輸出和動(dòng)態(tài)掃描輸出，靜態(tài)輸出實(shí)現(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單但是需要占用的驅(qū)動(dòng)引腳比較多，每位數(shù)碼管需要8個(gè)驅(qū)動(dòng)引腳，3位數(shù)碼管顯示則需要24個(gè)驅(qū)動(dòng)引腳。這在硬件電路上就顯得比較復(fù)雜。動(dòng)態(tài)掃描輸出每個(gè)數(shù)碼管的8個(gè)段碼引腳相連，每個(gè)數(shù)碼管的位碼引腳單獨(dú)引出，這樣就需要8+3共11驅(qū)動(dòng)引腳即可。單片機(jī)的3個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)74HC595將由串行送出的8位數(shù)據(jù)并行輸出到數(shù)碼管，單片機(jī)I/O口采用共陰方式驅(qū)動(dòng)依次點(diǎn)亮3位顯示。在軟件上采用定時(shí)動(dòng)態(tài)掃描輸出，這樣僅需要單片機(jī)的6個(gè)I/O即可驅(qū)動(dòng)3位數(shù)碼管顯示。每位數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間為4ms，3位數(shù)碼管掃描顯示一次時(shí)間為12ms，顯示刷新頻率為83.3HZ，由于人眼的視覺暫留性這樣既能保證數(shù)碼管顯示的亮度又看不到顯示的閃爍。

四、結(jié)束語

經(jīng)過一系列的設(shè)計(jì)、繪圖、安裝與調(diào)試，終于制作成功了，雖然功能還不夠豐富，但卻很實(shí)用。實(shí)際測(cè)試結(jié)果，裝配完成后通過與手機(jī)GPS導(dǎo)航軟件中的速度顯示對(duì)比，顯示的數(shù)值小數(shù)點(diǎn)后1位誤差為0。廣大的電子愛好者如果有興趣，可以聯(lián)系作者索要PCB圖和程序。

參考文獻(xiàn)：

[1]12C5408AD系列單片機(jī)器件手冊(cè)[Z].宏晶電子.

[2]付家才.單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]http：//baike.baidu.com/view/1048726.htm？fr=aladdin[OL].

[作者簡(jiǎn)介]柴曉杰（1985-），女，煙臺(tái)南山學(xué)院國(guó)際商學(xué)院，教學(xué)秘書，助教，研究方向：電子、計(jì)算機(jī)；劉少丙（1984-），男，青島邦健康復(fù)器械有限公司；王榮申（1984-），男，煙臺(tái)南山學(xué)院電氣信息實(shí)驗(yàn)中心，高級(jí)技師，研究方向：電子、自動(dòng)化。