基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計

基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計摘要本文設(shè)計了一種基于霍爾元件的自行車的速度和里程測量系統(tǒng)。以AT89C52單片機為核心，A44E霍爾傳感器測轉(zhuǎn)數(shù)，從而實現(xiàn)對自行車里程、速度的測量統(tǒng)計，采用AT24C02實現(xiàn)在系統(tǒng)掉電的時候保存里程信息，并可以將自行車的里程和速度的物理量用LED顯示出來。硬件部分是利用霍爾元件將自行車每轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)傳入單片機系統(tǒng)，然后單片機系統(tǒng)將信號經(jīng)過處理送往顯示裝置；軟件部分用匯編語言進行編程，采用模塊化設(shè)計思想?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第1頁。關(guān)鍵詞：速度；里程；霍爾元件；AT89C52單片機基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第1頁。AbstractIambasedonthedesignofaHolzerelementtothebicycle'sspeedandmileagemeasurementsysteminthisthesis.ThemaincontentistakeAT89C52singlechipasthecore,A44EHolzersensorinmeasuringspeed,thusrealizingthebicyclemileageandspeedmeasurementstatistics,theuseofAT24C02realizeinsavemileageinformationwhenthesystempoweroff,andcanbedisplayingthebicyclemileageandspeedofthephysicalquantityintheLED.ThehardwarepartoftheHolzerelementwilltakethepulsenumberofeveryturntobiketransfertoSCMsystem,thenSCMsystemwillsignalisprocessedtodisplaydevice;usetheassemblylanguageprogramminginthesoftwarepart,啊pplicationtheideaofmodularization.基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第2頁。Keywords:Speed;course;Holzerelement;AT89C52SCM基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第2頁。目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章前言 １1.1課題背景 １1.2課題設(shè)計的任務(wù)和要求 １1.3課題設(shè)計的內(nèi)容 １第二章自行車里程表的總體設(shè)計方案 22.1霍爾傳感器 22.2設(shè)計思路 22.3硬件設(shè)計 22.4軟件設(shè)計 3第三章自行車里程表的電路設(shè)計 53.1測量系統(tǒng) 53.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 63.3時鐘電路的設(shè)計 83.4顯示電路設(shè)計 8第四章軟件部分設(shè)計 94.1系統(tǒng)總程序設(shè)計 94.2數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計 9第五章總結(jié) 11參考文獻 12附表 13基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第3頁。基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第3頁。第一章前言1.1課題背景自行車是一種普遍的交通工具。而隨著社會的發(fā)展，交通日益擁擠，能源也開始變得緊張，人們的視線開始向自行車轉(zhuǎn)移，自行車也加入到了健身器材的行列。但自行車有它設(shè)計的局限性，不能將速度、里程的數(shù)據(jù)直觀的顯示給人們。本文的設(shè)計是對自行車的一些完善，可以通過設(shè)備將速度、里程清晰直觀的顯示給人們，讓人們能夠清楚的了解到自行車的時速、行程。1.2課題設(shè)計的任務(wù)和要求研究測量自行車速度和里程的方案，并設(shè)計出電路，以實現(xiàn)對自行車的速度和里程兩個物理量的測量和顯示。1.3課題設(shè)計的內(nèi)容基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第4頁。本文是介紹的是以霍爾元件和單片機為基礎(chǔ)設(shè)計的出的電路，原理是先在單片機中設(shè)定自行車的車輪周長tc，通過霍爾元件測量自行車車輪轉(zhuǎn)動一周的時間t，然后將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，其中時速V=tc/t，而里程L=tc*T/t，T為行駛總時間。數(shù)據(jù)是通過外部電路經(jīng)由霍爾元件傳給單片機，單片機將數(shù)據(jù)處理過之后再經(jīng)過外部電路轉(zhuǎn)輸給LED，將數(shù)據(jù)顯示具體化，從而使人們可以直觀的看到自行車的速度和行駛里程?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第4頁。第二章自行車里程表的總體設(shè)計方案2.1霍爾傳感器霍爾傳感器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的傳感器，它可以檢測出磁場的變化?；魻杺鞲衅骶哂泻芏鄡?yōu)點：體積小、壽命長、、功耗低、耐振動、結(jié)構(gòu)堅固、抗污染和腐蝕能力較強?；魻栃?yīng)：在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長度為L，寬度為B，厚度為D，當他被置于磁場強度為B的磁場中時，如果在其相對兩邊通入控制電流I，且電流方向與磁場方向成正交，則在半導(dǎo)體的另外相對兩邊產(chǎn)生一個大小為控制電流I與磁場強度B乘積成正比的電勢Uh，即Uh=KhIB，其中Kh為霍爾元件的靈敏度系數(shù)，該電勢就稱為霍爾電勢。2.2設(shè)計思路本文設(shè)計思路為：假定車輪的周長為L，在車輪上安裝1個永久磁鐵，當車輪每轉(zhuǎn)一周，通過開關(guān)霍爾元件可以采集到一個脈沖信號，并從引腳P3.2中斷O端輸入，霍爾元件每獲取一個脈沖信號就對系統(tǒng)提供一次計數(shù)中斷，每次中斷則表示車輪轉(zhuǎn)動一周，所以自行車的里程為中斷數(shù)n和車輪周長L的乘積；通過計數(shù)器T1計算出車輪每轉(zhuǎn)一周所用的時間t，就可以計算出速度v。當測量里程按鍵被按下時，里程指示燈亮，LED顯示為里程數(shù)；當測量速度按鍵被按下時，速度指示燈亮，LED顯示為速度值。2.3硬件設(shè)計基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第5頁。測速首先要解決的問題是采樣，使用單片機進行測量，可以可以使用脈沖計數(shù)法，車輪每轉(zhuǎn)一周可以產(chǎn)生數(shù)量固定的脈沖，并送入單片機中進行計算，就可以獲得速度的信息。因霍爾傳感器不受天氣、光線等影響，也不會受到灰塵的影響，所以本文采用霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鳈C械結(jié)構(gòu)較為簡單，可以在轉(zhuǎn)軸齒輪上粘幾粒永久磁鋼，霍爾傳感器固定在前叉上面。當車輪轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器接觸到永久磁鋼時就會有信號輸出，當車輪不停轉(zhuǎn)動時就會有連續(xù)信號輸出。粘磁鋼的時候要注意，霍爾傳感器對磁場的方向十分敏感，粘上磁鋼后如果沒有信號輸出，則可以換個方向試試?；魻杺鞲衅魇谴琶粼?，常用的采集信號的有A44E，該傳感器與三極管很相似，有三個管腳，只要接上電源和地就可以工作，工作電壓較寬，其外形如圖2-1所示?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第5頁。1-VCC2-GND3-OUT圖2-1A本文的設(shè)計是以單片機為核心，主要是因為單片機將CPU、內(nèi)存和一些主要的接口集中在了一個芯片上面，而且它功耗低、功能強、體積小、重量輕、運行速度快等特點，所以我的設(shè)計是以單片機為核心。本文中的設(shè)計用的單片機是AT89C52單片機，系統(tǒng)原理圖如圖2-2所示。外部信號外部信號霍爾傳感器外部存儲器AT89C52單片機里程顯示速度顯示報警部分圖2-2系統(tǒng)原理圖2.4軟件設(shè)計基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第6頁。程序的設(shè)計要考慮合理性和可讀性，循環(huán)模塊設(shè)計的原則是采用自頂向下的方法，模塊化設(shè)計可以使程序的可讀性良好，修改方便。軟件設(shè)計包括主程序、行車途中速度和里程計算子程序、延時子程序、中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等等。中斷子程序是將傳感器產(chǎn)生的信號接入外部中斷O，將經(jīng)過74LS74分頻后的信號接入外部中斷1，利用中斷和定時器對分別對里程進行累加、車輪每轉(zhuǎn)一周的時間進行測量；數(shù)據(jù)處理子程序是將進入單片機的脈沖信號與實際要顯示值之間形成對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過軟件的編程顯示所需要的值。顯示子程序是將數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果送往顯示裝置，通過LED顯示出來。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖2-3所示，其中A為系統(tǒng)判斷條件，即測量速度或者里程，現(xiàn)實中用按鍵實現(xiàn)此項功能。基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第6頁。初始化初始化P3.0=1?計算里程顯示里程計算速度顯示速度A開始基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第7頁。圖2-3軟件系統(tǒng)流程圖基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第7頁。第三章自行車里程表的電路設(shè)計3.1測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)的作用就是捕捉信號，將捕捉到的信號通過電路傳送走。測量系統(tǒng)所應(yīng)用的器件就是霍爾傳感器，本次設(shè)計所利用的就是霍爾傳感器磁敏的特性：置于磁場中的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體通入與磁場方向垂直的電流，就會產(chǎn)生一個與磁場和電流都垂直的電勢。如圖3-1所示，利用霍爾效應(yīng)制成的元件就成為霍爾元件?；魻栐撵`敏性很高，符合本次設(shè)計的要求，所以測量系統(tǒng)選擇霍爾傳感器。圖3-1霍爾效應(yīng)原理圖基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第8頁。根據(jù)設(shè)計的要求，我們選擇霍爾傳感器中的霍爾開關(guān)器件。A44E就是霍爾開關(guān)器件，如圖3-2（a）所示，其中A為穩(wěn)壓器，B為霍爾電勢發(fā)生器，C為差分放大器，D為施密特觸發(fā)器，E為OC門輸入，圖中的（1）、（2）、（3）為三個引出端。在電源端加電壓Vcc，經(jīng)由穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾電勢發(fā)生器的兩端，由于霍爾元件的特性，會產(chǎn)生一個電勢差，該電勢差經(jīng)過放大器的放大后送往施密特觸發(fā)器，由施密特觸發(fā)器對信號進行整形形成方波，然后送往OC門輸出。當施加的磁場達到工作點時，觸發(fā)器輸出高電壓，使三極管導(dǎo)通，此時OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為開；當施加的磁場達到釋放點時，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這種狀態(tài)為關(guān)，這樣隨著磁場變化霍爾開關(guān)就完成了一次開關(guān)動作。工作點與釋放點的差值就是磁滯，在此差值內(nèi)，V0保持不變，因而使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集成霍爾開關(guān)傳感器優(yōu)良特性之一。傳感器主要特性是它的輸出特性，即輸入磁感應(yīng)強度B與輸出電壓V0之間的關(guān)系。A44E集成霍爾開關(guān)是單穩(wěn)態(tài)型，由測量數(shù)據(jù)作出的輸出特性曲線如圖3-2(b)所示，測量時，在（1）、（2）兩端加5V直流電壓,在輸出端3與1之間接一個2kW的負載電阻，如圖3-3所示?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第8頁。圖3-2霍爾開關(guān)傳感器圖3-3霍爾開關(guān)接線圖3.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)74LS74是D觸發(fā)器的一種，本次設(shè)計中74LS74所起到的作用就是分頻，車輪每轉(zhuǎn)動一周，霍爾傳感器就發(fā)出一個低電平脈沖，通過74LS74進行二分頻后，定時器T1開啟的時間為車輪轉(zhuǎn)動一周的時間，這樣就可以算出自行車的速度了。分頻前后對比圖如圖3-4所示。由圖可知二分頻后波形時間正好是霍爾傳感器開關(guān)的時間。ttt00vv霍爾輸出圈脈沖二分頻后的波形基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第9頁。圖3-4分頻前后對比圖基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第9頁。為了能夠是CPU采樣到電平的變化，本次的設(shè)計采用的中斷方式為脈沖觸發(fā)方式。用INT0和INT1引腳來實現(xiàn)中斷。存儲器AT24C02是一個2K為串行CMOSE2PROM，內(nèi)部含有256個8位字節(jié)，一個16字節(jié)寫緩沖器，該器件通過I2C總線口進行操作有一個專門的寫保護功能，通過器件地址輸入端A0、A1和A2可以將最多達8個AT24C02器件連接到總線上面。AT24C20管腳如圖3-5所示。圖3-5AT24C02管腳圖SCL為串行時鐘，用于產(chǎn)生器件所有的數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘。SDA為串行數(shù)據(jù)/地址，用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，是一個開漏輸出管腳，可與其它開漏輸出或集電極開路輸出進行連線。WP是寫保護，如果WP管腳連接到Vcc，則所有的內(nèi)容就只能讀不能寫；當WP管腳連接到Vss或懸空，則可以允許器件進行正常的讀/寫操作。本次設(shè)計采用的AT24C02是為了防止掉電時里程數(shù)據(jù)的丟失，由于AT24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳輸數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL和SDA與單片機傳輸數(shù)據(jù)。在軟件編程時采用E2PROM程序包來控制AT24C02發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。74LS244的作用是驅(qū)動數(shù)碼管，將單片機的輸出口直接接顯示電路的話，電流太小無法顯示，所以要通過驅(qū)動芯片74LS244來放大電流，使LED可以正常工作。圖3-6為74LS244的邏輯圖?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第10頁。基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第10頁。圖3-674LS244邏輯圖3.3時鐘電路的設(shè)計單片機的各項功能運行都是通過時鐘頻率為基準的，此次設(shè)計所采用的為內(nèi)部時鐘。AT89C52單片機內(nèi)部的高增益反向放大器的輸入引腳XTAL1和輸出引腳XTAL2跨接石英晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機內(nèi)部時鐘方式的振蕩電路如圖3-7所示。電路中的電容C1和C2常選擇為30P左右，外接電容的值雖然沒有嚴格要求，但電容大小會影響振蕩器的高低、穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性，而外接晶體振蕩頻率的大小，主要取決于單片機工作頻率范圍，每一種單片機都有自己最大工作頻率，外接晶體振蕩頻率不大于單片機最大工作頻率即可。此外，如果單片機有串行通信，則應(yīng)該選擇振蕩頻率除以串行通信頻率可以除盡的晶體。此次設(shè)計晶振采用12MHz，則計數(shù)周期為S（2-1）圖3-7單片機內(nèi)振蕩電路3.4顯示電路設(shè)計基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第11頁。本次設(shè)計中顯示部分是由LED顯示。八段LED顯示器由7個發(fā)光二極管構(gòu)成8字的筆畫，還有小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。此次設(shè)計所用LED顯示器是采用公陰極連接方法，動態(tài)顯示方法。就是把所有顯示器中a-h同名端連接在一起，而公共極COM各自獨立接受I/O線控制，當CPU向字段輸出口送字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，究竟哪個顯示取決于COM端，采用分時方法，可以使顯示器輪流點亮，由于每個顯示器點亮?xí)r間及其短暫，人類有視覺延遲，所以不會有閃爍感?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第11頁?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第12頁?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第12頁。第四章軟件部分設(shè)計4.1系統(tǒng)總程序設(shè)計在主程序模塊中，需要完成對各接口芯片的初始化、自行車里程和速度的初始化、中斷向量的設(shè)計以及開中斷、循環(huán)等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設(shè)置啟動/清除標志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，并對它們進行初始化。然后主程序?qū)⒏鶕?jù)各標志寄存器的內(nèi)容，分別完成啟動、清除、計程和計速等不同的操作。P1.0和P1.1口分別用于顯示里程狀態(tài)和速度狀態(tài)。P1.2、P1.3、P1.6和P1.7口分別用于設(shè)置輪圈的大小，低電平有效。P3.0是用于里程和速度切換的，高電平為顯示里程，低電平為顯示速度。中斷0用于對輪子圈數(shù)的計數(shù)輸入，輪子每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個低電平脈沖。將根據(jù)里程寄存器中的內(nèi)容計算和判斷出行駛里程數(shù)。中斷1用于控制定時器T1的啟動/停止，當輸入為0時關(guān)閉定時器。此控制信號是將輪子圈數(shù)的計數(shù)經(jīng)二分頻后形成。這樣，每次定時器T1的開啟時間剛好為轉(zhuǎn)一圈的時間，根據(jù)輪子的周長就可以計算出自行車的速度。其程序流程如圖附表1所示。4.2數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計通過外中斷0服務(wù)程序用于對單片機P3.2口輸入的圈脈沖進行計數(shù)，為十六進制計數(shù)器。60H為低位，62H為高位。每次計數(shù)一次后，對里程數(shù)據(jù)進行一次存儲操作。當車輪每轉(zhuǎn)一圈，通過霍爾元件將脈沖數(shù)輸入單片機內(nèi)，通過計數(shù)器計出脈沖數(shù)，再用乘法子程序算出里程數(shù)。里程處理子程序流程圖如圖4-1所示?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第13頁。點亮里程指示燈開始將車圈數(shù)轉(zhuǎn)換成里程顯示里程值基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第13頁。點亮里程指示燈開始將車圈數(shù)轉(zhuǎn)換成里程顯示里程值返回通過外中斷1服務(wù)程序用于處理輪子轉(zhuǎn)動一圈后的計時數(shù)據(jù)。當標志位（00H）為1時，計數(shù)溢出，放入最大時間值（為#0FFH）；當標志位為0時，將計數(shù)單元（TL1、TH1、6CH、6DH）的值放入68H～6BH單元。定時器計出每轉(zhuǎn)一圈所用的時間，用自行車車輪的周長除以時間就得出自行車的速度。程序流程圖如圖4-2所示。開始開始開速度指示燈計算速度報警顯示速度AY是否超速？返回圖4-2速度處理子程序基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第14頁。顯示子程序是通過P2.0、P2.1、P2.2、P2.3信號一起組成位選通的位選信號，P0.0～P0.7信號一起組成段碼選通的段選信號，通過軟件編程，先把所要顯示的數(shù)據(jù)放入存儲單元，然后把數(shù)據(jù)送入段選通對應(yīng)的地址，再選通某一個LED，逐步完成四個LED的顯示。程序流程圖見附表2?；趩纹瑱C的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第14頁。第五章總結(jié)基于單片機的多功能自行車里程表的設(shè)計設(shè)計全文共19頁，當前為第15頁。本文的設(shè)計使用AT89C52單片機為處理中心，應(yīng)用霍爾傳感器A44E來獲取信息，經(jīng)由外部電路將信息傳輸給觸發(fā)器74LS74，信息經(jīng)過觸發(fā)器74LS74的處理后經(jīng)由外部電路傳輸給處理中心AT89C52單片機，由于已在單片機內(nèi)設(shè)定程序，信息經(jīng)過單片機的計算處理后輸出，通過驅(qū)動器74LS244放大信號，利用LED將信號顯示出來。由于此次設(shè)計所有的器件體積小，質(zhì)量輕，成本低，而且該系統(tǒng)對測量場地無要求，對外界不利因素如：溫度、灰塵等有很高的抗性，所以應(yīng)用范圍廣闊。系統(tǒng)的主要核心