基于单片机的自行车里程表设计样本.docx
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基于单片机的自行车里程表设计样本
摘要
随着居民生活水平不断提高,自行车不再仅仅是普通运送、代步工具,而是成为人们娱乐、休闲、锻炼首选。
自行车里程表可以满足人们最基本需求,让人们能清晰地懂得当前速度、里程等物理量。
重要阐述一种基于霍尔元件自行车里程表设计。
以AT89C52单片机为核心,A44E霍尔传感器测转数,实现对自行车里程/速度测量记录,采用24C02实当前系统掉电时候保存里程信息,并能将自行车里程数及速度用LED实时显示。
文章详细简介了自行车里程表硬件电路和软件设计。
硬件某些运用霍尔元件将自行车每转一圈脉冲数传入单片机系统,然后单片机系统将信号通过解决送显示。
软件某些用汇编语言进行编程,采用模块化设计思想。
该系统硬件电路简朴,子程序具备通用性,完全符合设计规定。
核心词:
里程/速度;霍尔元件;单片机;LED显示
Abstract
Withthedevelopingofpeople’slife,thebicycleisnotonlytheuniversaltooloftransportationandsubstituteforwalking,butbecomesthefirstchoiceofentertainmentingandexercising.Thebicyclemileage/speedcanfulfillthebasicneedofpeople’slife,sothattheycanlearnthespeedandthemileageofthebicycle.Inthesepaper,thebicyclemileage/speeddesignbasedontheHallelementiselaborated.ByAT89C52askernel,usingA44EHallelementtomeasurerevolution,themeasureandstatisticareachieved.Therangeinformationsaresavedby24C02whenthepowerisoff,thebicyclespeedcanbedisplayedonLED.Inthisarticle,thehardwarecircuitandsoftwaredesignofbicyclemileage/speedinstrumentareintroducedindetail.Aboutthehardware,thepulsenumberistransmittedofonecycleofthebicycleintoSingleChipMicrocomputersystem.ThenthesignalprocessedbySingleChipMicrocomputersystemissenttodisplayscream.Aboutthesoftware,inassemblelanguage,theprogramisdesignedinthemodeofmodules.Thesystemhassimplehardware,commonsub-program,andmeetthedemandofdesign.
Keywords:
Mileage/speed;Hallelement;SingleChipMicrocomputer;LED
第1章绪论
1.1课题产生背景
自世界上第一辆自行车问世至今已有200近年历史了。
18世纪末,法国人西夫拉克创造了最早自行车。
这辆最早自行车是木制,其构造比较简朴。
世界上第一批真正实用型自行车浮现于19世纪初。
在20世纪,自行车在中华人民共和国获得了前所未有普及和发展。
从某种意义上来说,中华人民共和国是一种自行车王国。
每天清晨和落日时分,滚滚车流在中华人民共和国都市中碾动,这是最为壮观一道风景,这是一条当代中华人民共和国流动长城。
随着居民生活水平不断提高,自行车不再仅仅是普通运送、代步工具,而是成为人们娱乐、休闲、锻炼首选。
因而,人们但愿自行车功用更强大,能给人们带来更多以便。
自行车里程表作为自行车一大辅助工具也正是随着这个规定而迅速发展,其功能也逐渐从单一里程显示发展到速度、时间显示,甚至有还具备测量骑车人心跳、显示骑车人热量消耗等功能。
本设计采用了MCS-51系列单片机设计一种体积小、操作简朴便携式自行车里程表,它能自动地显示当前自行车行走距离及运营速度。
单片微型计算机自1976年问世以来发展非常迅速,当前已成为微型计算机一种很重要分支,在现实生活中应用越来越广泛,已经对人类产生了巨大影响,特别是美国Intel公司MCS—51系列单片机,由于其集成度高、解决功能强、性能价格比高、可靠性高、系统构造简朴,可以灵活与其她芯片构成众多测量电路用于速度、温度、深度、高度、湿度、光强等方面测量和研究等特点,在国内当代化生活、生产中已经得到了广泛应用,如在工业检测控制、仪器仪表、电子工业、机电一体化等众多领域获得了令人瞩目成果。
本设计运用MCS—51系列单片机扩展以便、可靠性能高、解决功能强、速度高等特点,实现对自行车里程和速度测量。
1.2课题重要任务及内容
本课题重要任务是运用霍尔元件、单片机等部件设计一种可用LED数码管实时显示里程和速度自行车速度里程表。
本文重要简介了自行车里程表设计思想、电路原理、方案论证以及元件选取等内容,整体上分为硬件某些设计和软件某些设计。
本文一方面扼要对该课题任务进行方案论证,涉及硬件方案和软件方案设计;继而详细简介了自行车速度里程表硬件设计,涉及传感器选取、单片机选取、显示电路设计;然后阐述了该自行车速度里程表软件设计,涉及数据解决子程序设计、显示子程序设计;最后针对仿真过程遇到问题进行了详细阐明与分析,对本次设计进行了系统总结。
详细硬件电路涉及AT89C52单片机外围电路以及LED显示电路等。
软件设计涉及:
芯片初始化程序、定期中断采样子程序、显示子程序等,软件采用汇编语言编写,软件设计思想重要是自顶向下,模块化设计,各个子模块逐个设计。
第2章自行车里程表总体方案设计
2.1任务分析与实现
本次毕业设计题目是:
自行车里程表设计
其设计任务是:
以通用MCS-51单片机为解决核心,用传感器将车轮转数转换为电脉冲,进行解决后送入单片机。
里程及速度测量,是通过MCS-51定期/计数器测出总脉冲数和每转一圈时间,再通过一系列计算得出,其成果通过显示屏显示出来。
本系统总体思路如下:
里程及速度传感器采用霍尔元件,用一种霍尔芯片、一种小磁铁,霍尔芯片紧贴齿轮,磁铁放在芯片背面。
齿轮转动一周霍尔元件与小磁铁接近一次,这样可以变化通过霍尔芯片磁通量,霍尔芯片可以输出类似正弦波形,用运放放大波形,背面接一级比较器,把正弦波转换为方波,方波频率和齿轮转速成正比。
自行车里程测量是通过霍尔元件输出端电压发生变化产生脉冲,通过计数器,依照脉冲数计算里程。
自行车速度测量是通过定期器测出车轮转一周所用时间t,车轮周长L除以时间t就是自行车速度。
规定达到各项指标及实现办法如下:
1.运用霍尔传感器产生里程数脉冲信号。
2.对脉冲信号进行计数。
实现:
运用单片机自带计数器T0对霍尔传感器脉冲信号进行计数。
3.对数据进行解决,规定用LED显示里程总数和即时速度。
实现:
运用软件编程,对数据进行解决得到需要数值。
最后实现目的:
自行车里程表具备里程、速度测试与显示功能,采用单片机作控制,可依照车圈不同设立惯用四种尺寸,显示电路可显示里程及速度,当开关S打开时,LED切换显示当前里程;当开关S闭合时,LED切换显示当前速度v;若自行车超速,系统发出报警提示。
整个设计过程涉及硬件电路搭建,软件编程,系统调试,调试通过后,固化程序,脱离开发系统运营。
2.2自行车里程表硬件方案设计
自从1971年微型计算机问世以来,随着大规模集成电路技术不断进步,微型机重要向两个方向发展:
一种向高速度,高性能高档微型计算机方向发展。
一种向稳定可靠,小而便宜单片机方向发展。
所谓单片机,就是把中央解决器CPU、只读存储器ROM、定期/计数器以及I/O接口电路等集成在一块集成电路芯片上微型计算机。
从构成和功能上看,它具备微型计算机含义。
单片机由于将CPU、内存和某些必要接口集成到一种芯片上,并且面向控制功能将构造作了一定优化,因此它有普通芯片不具备特点:
1.体积小、重量轻;
2.电源单一、功耗低;
3.功能强、价格低;
4.所有集成在一块芯片上,布线短、合理;
5.数据大某些在单片机内传送,运营速度快、抗干扰能力强、可靠性高。
当前,单片机被广泛应用于测控系统、工业自动化、智能仪表、集成智能传感器、机电一体化产品、家用电器领域、办公自动化领域、汽车电子与航空航天器电子系统以及单片机多机系统等领域。
2.2.1里程/速度测量传感器设计
1.速度传感器设计
测速是工农业生产中经常遇到问题,学会使用单片机技术设计测速仪表具备很重要意义。
要测速,一方面要解决是采样问题。
在使用模仿技术制作测速表时,惯用测速发电机办法,即将测速发电机转轴与待测轴相连,测速发电机电压高低反映了转速高低。
使用单片机进行测速,可以使用简朴脉冲计数法。
只要转轴每旋转一周,产生一种或固定各种脉冲,将脉冲送入单片机中进行计算,即可获得转速信息。
(1)霍尔传感器
霍尔传感器是对磁敏感传感元件,惯用于信号采集有A44E、CS3020、CS3040等,此类传感器是一种3端器件,外形与三极管相似,只要接上电源、地,即可工作,普通是集电极开路(OC门)输出,工作电压范畴宽,使用非常以便。
A44e外形如图2.1所示。
将有字面对准自己,三根引脚从左向右分别是电源、地、输出。
1-Vcc2-GND3-OUT
图2.1A44e外形图
使用霍尔传感器获得脉冲信号,其机械构造也可以做得较为简朴,只要在转轴齿轮盘上粘上一粒磁钢,霍尔元件固定在前叉上,当车子转动时霍尔元件接近磁钢,就有信号输出,转轴旋转时,就会不断地产生脉冲信号输出。
如果在齿轮盘上粘上多粒磁钢,可以实现旋转一周,获得各种脉冲输出。
在粘磁钢时要注意,霍尔传感器对磁场方向敏感,粘之前可以先手动接近一下传感器,如果没有信号输出,可以换一种方向再试。
这种传感器不怕灰尘、油污,在工业现场应用广泛。
(2)光电传感器
光电传感器是应用非常广泛一种器件,有各种各样形式,如透射式、反射式等,基本原理就是当发射管光照射到接受管时,接受管导通,反之关断。
以透射式为例,如图2.2所示,当不透光物体挡住发射与接受之间间隙时,开关管关断,否则导通。
为此,可以制作一种遮光叶片,如图2.3所示,安装在转轴上,当扇叶通过时,产生脉冲信号。
当叶片数较多时,旋转一周可以获得各种脉冲信号。
图2.2光电传感器原理图
图2.3遮光叶片
(3)光电编码器
光电编码器工作原理与光电传感器同样,但是它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一种整体,只要用连轴器将光电传感器轴与转轴相连,就能获得各种输出信号。
它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目的测定等需要检测角度装置和设备中。
某光电编码器外形如图2.4所示。
图2.4成品光电编码器
2.里程测量传感器设计
里程测量传感器选取也有如下几种方案:
使用光敏电阻对里程进行测量、运用编码器对车轮圈数进行测量、运用霍尔传感器对里程进行测量、运用干簧管型传感器测量里程。
这几种方案都是通过自行车车轮转动产生脉冲数,然后依照脉冲数计算里程。
2.2.2方案拟定
光敏电阻对光特别敏感,当白天行驶时,外界光源将导致光敏电阻发出错误信号;光敏电阻对环境规定相称高,如果光敏或发光二极管被泥沙或灰尘所覆盖,光敏电阻就不能再进行精确测量;而编码器必要安装在车轴上,安装较为复杂;霍尔元件或干簧管不但不受天气影响,虽然被泥沙或灰尘覆盖也不会有影响,并且安装以便。
因此本设计采用霍尔元件对里程与速度进行测量,既简朴易行,又经济合用。
本系统硬件系统框图如图2.5所示
图2.5系统原理框图
2.3自行车里程表软件方案设计
硬件是基本,软件是灵魂。
通过软件控制单片机功能是单片机重要特点和长处,程序设计要考虑合理性和可读性。
程序遵循模块化设计原则,采用自顶向下设计办法。
即先考虑整体目的,明确整体任务,然后把整体任务提成一种个子任务,子任务再提成子子任务,这样逐级细分,同步分析层次间关系与同一层次各任务间关系,最后拟订出各任务细节。
模块化设计使程序可读性好、修改及完善以便。
软件设计涉及主程序、行车过程中里程和速度计算子程序、延时子程序、T0、T1中断服务子程序、显示子程序等等。
中断子程序是将传感器产生信号接入计数器T0口,然后计数器开始计数,当计数到一定数目后,计数器就产生溢出中断。
数据解决子程序是将进入单片机脉冲信号与实际要显示值之间有一定相应关系,通过软件编程显示所需要值。
显示子程序是将数据解决成果送显示屏显示。
本系统软件总体流程图如图2.6所示。
图2.6软件总体流程图
第3章自行车里程表硬件电路设计
3.1概述
传感器在人们研究自然现象、规律以及生产实践活动中,起着非常重要作用。
特别是在当今,科学技术发展使人类进入了一种信息时代,在运用信息过程中,一方面要解决就是获取精确可靠信息。
传感器是获取自然或生产领域中信息核心器件,是当代信息系统和各种设备不可缺少信息采集工具。
磁传感器是一种将磁学量信号转变为电信号器件或装置。
随着信息产业、工业自动化、医疗仪器等飞速发展和计算机应用普及,需要大量传感器将被测或被控非电信号转换成可与计算机兼容电信号。
作为输入信号,这就给磁传感器迅速发展提供了机遇,形成了磁传感器产业。
自从磁传感器作为一种独立产品进入应用领域,从10-14T人体磁场到高达25T以上强磁场,都可以找到相应磁传感器进行检测。
而这巨大应用前景也使微机电系统技术在磁传感器中大有可为。
其中最具代表磁传感器就是霍尔传感器,在自动检测系统中,运用霍尔传感器测转数是一种最基本测量工作,它特性是霍尔传感器输出脉冲信号个数比较直接反映所测量转数数目。
3.2传感器及其测量系统
霍尔器件是一种磁传感器。
用它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场关于场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基本。
霍尔器件具备许多长处,它们构造牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装以便、功耗小、频率高(可达1MHz)、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等污染或腐蚀。
霍尔线性器件精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。
取用了各种补偿和保护办法霍尔器件工作温度范畴宽,可达-55℃~150℃。
按照霍尔器件功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件,前者输出模仿量,后者输出数字量。
按被检测对象性质可将它们应用分为:
直接应用和间接应用。
前者是直接检测出受检测对象自身磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设立磁场,用这个磁场来作被检测信息载体。
通过它,将许多非电、非磁物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化时间等,转变成电量来进行检测和控制。
3.2.1霍尔传感器测量原理
霍尔传感器是运用霍尔效应制成一种磁敏传感器。
在置于磁场中导体或半导体通入电流I,若电流垂直磁场B,则在与磁场和电流都垂直方向上会浮现一种电势差Uh,这种现象称为霍尔效应。
运用霍尔效应制成元件称为霍尔元件。
由于它具备构造简朴、频率响应宽、敏捷度高、测量线性范畴大、抗干扰能力强以及体积小、使用寿命长等一系列特点,因而被广泛应用于测量、自动控制及信息解决等领域。
霍尔效应原理图如图3.1所示。
图3.1霍尔效应原理图
3.2.2集成开关型霍尔传感器
A44E集成霍尔开关由稳压器A、霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本某些构成,如图3.2(a)所示。
(1)、
(2)、(3)代表集成霍尔开关三个引出端点。
在电源端加电压Vcc,经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器两端,依照霍尔效应原理,当霍尔片处在磁场中时,在垂直于磁场方向通以电流,则与这两者相垂直方向上将会产生霍尔电势差VH输出,该VH信号经放大器放大后送至施密特触发器整形,使其成为方波输送到OC门输出。
当施加磁场达到工作点时,触发器输出高电压(相对于地电位),使三极管导通,此时OC门输出端输出低电压,普通称这种状态为开。
当施加磁场达到释放点时,触发器输出低电压,三极管截止,使OC门输出高电压,这种状态为关。
这样两次电压变换,使霍尔开关完毕了一次开关动作。
工作点与释放点差值一定,此差值称为磁滞,在此差值内,V0保持不变,因而使开关输出稳定可靠,这也就是集电成霍尔开关传感器优良特性之一。
传感器重要特性是它输出特性,即输入磁感应强
图3.2集成开关型霍尔传感器
a)构成b)输出特性
度B与输出电压V0之间关系。
A44E集成霍尔开关是单稳态型,由测量数据作出输出特性曲线如图3.2(b)所示。
测量时在1、2两端加+12V直流电压,在输出端3与1之间接一种2kΩ负载电阻,如图3.3所示。
图3.3集成霍尔开关接线图
3.3芯片简介
3.3.1单片机选取
单片微型计算机是指集成在一种芯片上微型计算机,也就是把构成微型计算机各种功能部件,涉及CPU(CentralProcessingUnit)、随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)、只读存储器ROM(Read-onlyMemory)、基本输入/输出(1nput/Output)接口电路。
定期器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上,构成一种完整微型计算机从而实现微型计算机基本功能。
单片机内部构造示意图如图3.4所示。
单片机实质上是一种芯片。
在实际应用中,普通很少将单片机直接和被控对象进行电气连接,必要外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件,才干构成一种单片机应用系统。
图3.4单片机内部构造示意图
1.AT89C52引脚功能
AT89C52是美国ATMEL公司生产低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes可重复擦写只读程序存储器(EPROM)和256bytes随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产,与原则MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央解决器(CPU)和Flash存储单元,功能强大,AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制场合应用。
重要性能参数:
与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
8k字节可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作:
0Hz-24MHz
三级加密程序存储器
256×8字节内部RAM
32个可编程I/O口线
3个16位定期/计数器
8个中断源
可编程串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式
图3.589C52引脚图
AT89C52提供如下原则功能:
8k字节Flash闪速存储器,256字节内部RAM,32个I/O口线,3个16位定期/计数器,一种6向量两极中断构造,一种全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同步,AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作,并支持两种软件可选节电工作模式。
空闲方式停止CPU工作,但容许RAM,定期/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一种硬件复位。
89C52管脚图如图3.5所示。
89C52重要管脚功能如下:
P0.0~P0.7:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也是地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸取电流方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
P1.0~P1.7:
P1是一种带内部上拉电阻8位双向I/O口,P1输出缓冲极可驱动(吸取或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
P2.0~P2.7:
P2是一种带内部上拉电阻8位双向I/O口,P2输出缓冲极可驱动(吸取或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
P3.0~P3.7:
P3是一种带内部上拉电阻8位双向I/O口,P3输出缓冲极可驱动(吸取或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P3写“1”,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
ALE:
地址锁存控制信号。
在系统扩展时,ALE用于控制把P0口输出低8位地址锁存起来,以实现低位地址和数据隔离。
此外,由于ALE是以晶振1/6固定频率输出正脉冲,因而,可作为外部时钟或外部定期脉冲使用。
:
外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM时,
有效(低电平),以实现外部ROM单元读操作。
:
访问程序存储控制信号。
当
信号为低电平时,对ROM读操作限定在外部程序存储器;当
信号为高电平时,对ROM读操作是从内部程序存储器开始,并可延至外部程序存储器。
RST:
复位信号。
当输入复位信号延续两个机器周期以上高电平时即为有效,用以完毕单片机复位初始化操作。
XTALl和XTAL2:
外接晶体引线端。
当使用芯片内部时钟时,此二引线端用于外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号。
VSS:
地线。
VCC:
+5V电源。
以上是MCS-51单片机芯片40条引脚定义及简朴功能阐明。
由于工艺及原则化等因素,芯片引脚数目是有限制。
例如,MCS-51系列把芯片引脚数目限定为40条,但单片机为实现其功能所需要信号数目却远远超过此数,因而就浮现了需要与也许矛盾。
如何解决这个矛盾?
“兼职”是唯一可行办法,即给某些信号引脚赋以双重功能。
如果把前述信号定义为引脚第一功能话,则依照需要再定义信号就是它第二功能。
下面简介某些信号引脚第二功能。
(1)P3口线第二功能。
P38条口线都定义有第二功能,如表3.1所示
表3.1P3口引脚与第二功能
引脚
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接受
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
T0
定期/计数器0外部输入
P3.5
T1
定期/计数器1外部输入
P3.6
外部RAM写选通
P3.7
外部RAM读选通
(2)EPROM存储器程序固化所需要信号。
有内部EPROM单片机芯片(例如8751),为写入程序需提供专门编程脉冲和编程电源,这些信号也是由信号引脚以第二功能形式提供,即:
编程脉冲:
30脚(ALE/
)
编程电压(25V):
31脚(
/VPP)
(3)备用电源引入。
MCS-51单片机备用电源也是以第二功能方式由9脚(RST/VPD)引入。
当电源发生故障,电压减少到下限值时,备用电源经此端向内部RAM提供电压,以保护内部RAM中信息不丢失。
2.定期/计数器
(1)计数:
计数是指对外部事件个数进行计量。
其实质就是对外部输入脉冲个数进行计量。
实现计数功能器件称为计数器。
(2)定期:
8051单片机中定期器和计数
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