基于单片机的自行车速度里程表的设计.docx
- 文档编号:27874798
- 上传时间:2023-07-05
- 格式:DOCX
- 页数:31
- 大小:156.87KB
基于单片机的自行车速度里程表的设计.docx
《基于单片机的自行车速度里程表的设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的自行车速度里程表的设计.docx(31页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的自行车速度里程表的设计
摘要
随着居民生活水平的不断提高,自行车再也不单单是一般的运输、代步的工具,而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。
自行车的速度里程表能够知足人们最大体的需求,让人们能清楚地明白当前的速度、里程等物理量。
本论文要紧论述一种基于霍尔元件的自行车的速度里程表的设计。
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/速度的测量统计,采纳24C02实此刻系统掉电的时候保留里程信息,并能将自行车的里程数及速度用LED实时显示。
文章详细介绍了自行车的速度里程表的硬件电路和软件设计。
硬件部份利用霍尔元件将自行车每转一圈的脉冲数传入单片机系统,然后单片机系统将信号通过处置送显示。
软件部份用汇编语言进行编程,采纳模块化设计思想。
该系统硬件电路简单,子程序具有通用性,完全符合设计要求。
关键词:
里程/速度;霍尔元件;单片机;LED显示
ABSTRACT
Withthedevelopingofpeople’slife,thebicycleisnotonlytheuniversaltooloftransportationandsubstituteforwalking,butbecomesthefirstchoiceofentertainmentandexercising.Thebicyclemileage/speedcanfulfillthebasicneedofpeople’slife,sothattheycanlearnthespeedandthemileageofthebicycle.Inthispaper,thebicyclemileage/speeddesignbasedontheHallelementiselaborated.ByAT89C52askernel,usingA44EHallelementtomeasurerevolution,themeasureandstatisticareachieved.Therangeinformationissavedby24C02whenthepowerisoff,thebicyclespeedcanbedisplayedonLED.Inthisarticle,thehardwarecircuitandsoftwaredesignofbicyclemileage/speedinstrumentareintroducedindetail.Aboutthehardware,thepulsenumberistransmittedofonecycleofthebicycleintoSingleChipMicrocomputersystem.ThenthesignalprocessedbySingleChipMicrocomputersystemissenttodisplayscream.Aboutthesoftware,inassemblelanguage;theprogramisdesignedinthemodeofmodules.Thesystemhassimplehardware,commonsub-program,andmeetsthedemandofdesign.
KEYWORDS:
Mileage/speed;Hallelement;Singlechipmicrocomputer;LED
1绪言
课题背景
自行车被发明及利用到此刻已有两百连年的历史,这两百年间人类在不断的尝试与研发进程中,将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车,自行车进展的目的也从最先的交通代步的工具转换成休闲娱乐运动的用途。
随着居民生活水平的不断提高,自行车再也不单单是一般的运输、代步的工具,而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。
因此,人们希望自行车的功用更壮大,能给人们带来更多的方便。
自行车里程速度表作为自行车的一大辅助工具也正是随着那个要求而迅速进展的,其功能也慢慢从单一的里程显示进展到速度、时刻显示,乃至有的还具有测量骑车人的心跳、显示骑车人热量消耗等功能。
本设计采纳了MCS-51系列单片机设计一种体积小、操作简单的便携式自行车的速度里程表,它能自动地显示当前自行车行走的距离及运行的速度。
课题的要紧任务及内容
本课题要紧任务是利用霍尔元件、单片机等部件设计一个可用LED数码管实时显示里程和速度的自行车的速度里程表。
本文要紧介绍了自行车的速度里程表的设计思想、电路原理、方案论证和元件的选择等内容,整体上分为硬件部份设计和软件部份设计。
本文第一扼要对该课题的任务进行方案论证,包括硬件方案和软件方案的设计;继而具体介绍了自行车的速度里程表的硬件设计,包括传感器的选择、单片机的选择、显示电路的设计;然后论述了该自行车的速度里程表的软件设计,包括数据处置子程序的设计、显示子程序的设计;最后针对仿真进程碰到的问题进行了具体说明与分析,对本次设计进行了系统的总结。
具体的硬件电路包括AT89C52单片机的外围电路和LED显示电路等。
软件设计包括:
芯片的初始化程序、按时中断采样子程序、显示子程序等,软件采纳汇编语言编写,软件设计的思想主若是自顶向下,模块化设计,各个子模块一一设计。
2自行车的速度里程表整体方案设计
任务分析与实现
本设计的任务是:
以通用MCS-51单片机为处置核心,用传感器将车轮的转数转换为电脉冲,进行处置后送入单片机。
里程及速度的测量,是通过MCS-51的按时/计数器测出总的脉冲数和每转一圈的时刻,再通过单片机的计算得出,其结果通过LED显示器显示出来。
本系统整体思路如下:
假定轮圈的周长为L,在轮圈上安装m个永久磁铁,那么测得的里程值最大误差为L/m。
经综合分析,本设计中取m=1。
当轮子每转一圈,通过开关型霍尔元件传感器搜集到一个脉冲信号,并从引脚中断0端输入,传感器每获取一个脉冲信号即对系统提供一次计数中断。
每次中断代表车轮转动一圈,中断数n轮圈的周长为L的乘积为里程值。
计数器T1计算每转一圈所用的时刻t,就能够够计算出即时速度v。
当里程键按下时,里程指示灯亮,LED切换显示当前里程,与当速度键按下时,速度指示灯亮,LED切换显示当前速度,假设自行车超速,系统发出报警信号,指示灯闪烁。
要求达到的各项指标及实现方式如下:
1.利用霍尔传感器产生里程数的脉冲信号。
2.对脉冲信号进行计数。
实现:
利用单片机自带的计数器T1对霍尔传感器脉冲信号进行计数。
3.对数据进行处置,要求用LED显示里程总数和即时速度。
实现:
利用软件编程,对数据进行处置取得需要的数值。
最终实现目标:
自行车的速度里程表具有里程、速度测试与显示功能,采纳单片机作操纵,显示电路可显示里程及速度。
自行车的速度里程表硬件方案设计
测速,第一要解决是采样的问题。
利用单片机进行测速,能够利用简单的脉冲计数法。
只要转轴每旋转一周,产生一个或固定的多个脉冲,将脉冲送入单片机中进行计算,即可取得转速的信息。
经常使用的测速元件有霍尔传感器、光电传感器和光电编码器。
里程测量传感器的选择也有以下几种方案:
利用光敏电阻对里程进行测量、利用编码器对车轮的圈数进行测量、利用霍尔传感器对里程进行测量、利用干簧管型传感器测量里程。
光敏电阻对光专门灵敏,当白天行驶时,外界光源将致使光敏电阻发犯错误信号;光敏电阻对环境的要求相当高,若是光敏或发光二极管被泥沙或尘埃所覆盖,光敏电阻就不能再进行准确测量;而编码器必需安装在车轴上,安装较为复杂;霍尔元件或干簧管不但不受天气的阻碍,即便被泥沙或尘埃覆盖也可不能有阻碍,而且安装方便。
因此本设计采纳霍尔元件对里程与速度进行测量,既简单易行,又经济适用。
利用霍尔传感器取得脉冲信号,其机械结构也能够做得较为简单,只要在转轴的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靠近磁钢,就有信号输出,转轴旋转时,就会不断地产生脉冲信号输出。
若是在齿轮盘上粘上多粒磁钢,能够实现旋转一周,取得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意,霍尔传感器对磁场方向灵敏,粘之前能够先手动接近一下传感器,若是没有信号输出,能够换一个方向再试。
这种传感器不怕尘埃、油污,在工业现场应用普遍。
霍尔传感器是对磁灵敏的传感元件,经常使用于信号搜集的有A44E,该传感器是一个3端器件,外形与三极管相似,只要接上电源、地,即可工作,工作电压范围宽,利用超级方便。
A44E的外形如下图。
1-Vcc2-GND3-OUT
图A44E外形图
单片机由于将CPU、内存和一些必要的接口集成到一个芯片上,而且面向操纵功能将结构作了必然的优化,因此它有一样芯片不具有的特点:
1.体积小、重量轻;
2.电源单一、功耗低;
3.功能强、价钱低;
4.全数集成在一块芯片上,布线短、合理;
5.数据大部份在单片机内传送,运行速度快、抗干扰能力强、靠得住性高。
目前,单片机被普遍的应用于测控系统、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和单片机的多机系统等领域。
在设计当选用的是AT89C52单片机。
外部信号
霍尔传感器
外部存储器
AT89C52单片机
里程显示
速度显示
报警部分
图系统的原理框图
自行车的速度里程表软件方案设计
通过软件操纵单片机的功能是单片机的要紧特点和优势,程序的设计要考虑合理性和可读性,遵循模块化设计的原那么,采纳自顶向下的设计方式。
模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。
软件设计包括主程序、行车进程中里程和速度计算子程序、延时子程序、中断效劳子程序、显示子程序等等。
中断子程序是将传感器产生的信号接入外部中断0,将通过74LS74分频后的信号接入外部中断1,利用中断和按时器对别离对里程进行累加、每转一周的时刻进行测量。
数据处置子程序是将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有必然的对应关系,通过软件编程显示所需要的值。
显示子程序是将数据处置的结果送显示器显示。
系统软件整体流程图如下图。
初始化
=1?
计算里程
显示里程
计算速度
显示速度
N
开始
图软件整体流程图
3自行车的速度里程表硬件电路设计
概述
自行车的速度里程表的硬件电路设计是基础部份,它包括信号的捕捉、放大、整形,单片机的计算处置,数码管的实时显示和单片机外围大体电路的设计,两大要紧器件确实是传感器和单片机。
传感器是获取自然或生产领域中信息的关键器件,是现代信息系统和各类设备不可缺少的信息搜集工具。
磁传感器是一种将磁学量信号转变成电信号的器件或装置。
随着信息产业、工业自动化、医疗仪器等的飞速进展和运算机应用的普及,需要大量的传感器将被测或被控的非电信号转换成可与运算机兼容的电信号。
作为输入信号,这就给磁传感器的快速进展提供了机缘,形成了磁传感器的产业。
其中最具代表的磁传感器确实是霍尔传感器,在自动检测系统中,利用霍尔传感器测转数是一种最大体的测量工作。
单片机是本次设计的核心部件,它是信号从搜集到输出的桥梁,而且包括计算、按时、信息处置等功能。
传感器及其测量系统
本次设计信号的捕捉采纳的是霍尔传感器。
霍尔器件具有许多优势,它们的结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高(可达1MHz)、耐震动、不怕尘埃、油污、水汽及烟雾等的污染或侵蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清楚、无抖动、无回跳、位置重复精度高。
取用各类补偿和爱惜方法的霍尔器件工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。
依照霍尔器件的功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件,前者输出模拟量,后者输出数字量。
按被检测对象的性质可将它们的应用分为:
直接应用和间接应用。
前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用那个磁场来作被检测的信息的载体。
通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速和工作状态发生转变的时刻等,转变成电量来进行检测和操纵。
霍尔传感器的测量原理
霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁敏传感器。
在置于磁场中的导体或半导体通入电流I,假设电流垂直磁场B,那么在与磁场和电流都垂直的方向上会显现一个电势差Uh,这种现象称为霍尔效应。
利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。
因为它具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强和体积小、利用寿命长等一系列特点,因此被普遍应用于测量、自动操纵及信息处置等领域。
霍尔效应原理图如下图。
图霍尔效应原理图
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五个大体部份组成,如图(a)所示。
(1)、
(2)、(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。
在电源端加电压Vcc,经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两头,依照霍尔效应原理,当霍尔片处在磁场中时,在垂直于磁场的方向通以电流,那么与这二者相垂直的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。
当施加的磁场达到工作点时,触发器输出高电压(相关于地电位),使三极管导通,现在OC门输出端输出低电压,通常称这种状态为开。
当施加的磁场达到释放点时,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。
如此两次电压变换,使霍尔开关完成了一次开关动作。
工作点与释放点的差值必然,此差值称为磁滞,在此差值内,V0维持不变,因此使开关输出稳固靠得住,这也确实是集电成霍尔开关传感器优良特性之一。
传感器要紧特性是它的输出特性,即输入磁感应强度B与输出电压V0之间的关系。
A44E集成霍尔开关是单稳态型,由测量数据作出的输出特性曲线如图(b)所示。
测量时,在一、2两头加5V直流电压,在输出端3与1之间接一个2kΩ的负载电阻,如下图。
图集成开关型霍尔传感器
图集成霍尔开关接线图
单片机的原理及应用
单片机原理简介
单片机是指集成在一个芯片上的微型运算机,也确实是把组成微型运算机的各类功能部件,包括CPU(CentralProcessingUnit)、随机存储器RAM(RandomAccessMemory)、只读存储器ROM(Read-onlyMemory)、大体输入/输出(Input/Output)接口电路。
按时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上,组成一个完整的微型运算机从而实现微型运算机的大体功能。
单片机内部结构示用意如下图。
定时/计数器
中断系统
CPU
存储器
并行I/O口
串口I/O口
TXDTXD
RXD
T
INT
P0-P3
图单片机内部结构示用意
1.中央处置器(CPU)
中央处置器是单片机最核心的部份,要紧完成运算和操纵功能。
内部存储器包括内部数据存储器(内部RAM)和内部程序存储器。
存储器是由大量的寄放器所组成,其中每一个寄放器就称为一个存储单元。
单片机的按时器和计数器是同一结构,只是计数器记录的是单片机外部发生的事件,由单片机的外部电路提供计数信号;而按时器是由单片机内部提供一个超级稳固的计数信号。
中断系统在运算机中起着十分重要的作用,是现代运算机系统中普遍采纳的一种实时操纵技术,能对突发事件进行及时处置,从而大大提高系统的实时性能。
串行I/O口的数据列位按顺序传输,其特点是需要一对传输线,本钱低;但速度慢,效率低,适合静态显示。
并行I/O接口的数据所有位同时传送。
其特点是传输速度快,效率高;但传送多少位就需要多少根传输线,因此传送本钱高,适合动态显示。
单片机的引脚功能介绍
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8KBytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和256字节的随机存取数据存储器(RAM),器件采纳ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处置器(CPU)和Flash存储单元,功能壮大,AT89C52单片机适合于许多较为复杂操纵场合应用。
图AT89C52引脚图
AT89C52提供以下标准功能:
8K字节Flash闪速存储器,256字节内部RAM,32个I/O口线,3个16位按时/计数器,5个中断源,一个全双工串行通信口,片内具有振荡器及时钟电路。
AT89C52管脚图如下图。
AT89C52的要紧管脚功能如下:
~:
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。
~:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
~:
P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
~:
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
ALE:
地址锁存操纵信号。
在系统扩展时,ALE用于操纵把P0口输出的低8位地址锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。
另外,由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲,因此,可作为外部时钟或外部按时脉冲利用。
:
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单元的读操作。
:
访问程序存储操纵信号。
当
信号为低电平常,对ROM的读操作限定在外部程序存储器;当
信号为高电平常,对ROM的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。
当输入的复位信号延续两个机械周期以上的高电平常即为有效,用以完成单片机的复位初始化操作。
XTALl和XTAL2:
外接晶体引线端。
当利用芯片内部时钟时,此二引线端用于外接石英晶体和微调电容;当利用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号。
VSS:
地线。
VCC:
+5V电源。
若是把前述的信号概念为引脚第一功能的话,那么依照需要再概念的信号确实是它的第二功能。
P3的8条口线都概念有第二功能,如表所示
关于有内部EPROM的单片机芯片(例如87C51),为写入程序须提供专门的编程脉冲和编程电源。
它们也由引脚以第二功能的形式提供的,即:
编程脉冲:
30脚(
)
编程电压(25V):
31脚(
)
表P3口引脚与第二功能
引脚
第二功能
信号名称
RXD
串行数据接收
TXD
串行数据接收
外部中断0申请
外部中断1申请
T0
定时/计数器0的外部输入
T1
定时/计数器1的外部输入
外部RAM写选通
外部RAM读选通
单片机中断系统介绍
中断是指当运算机执行正常程序时,系统中显现某些急需处置的事件,CPU临时中止当前的程序,转去执行效劳程序,以对发生的更紧迫的事件进行处置,待处置终止后,CPU自动返回原先的程序执行AT89C52系列单片机的系统有5个中断源,2个优先级,可实现二级中断效劳嵌套。
由片内特殊功能寄放器中的中断许诺寄放器IE操纵CPU是不是响应中断请求;由中断优先级寄放器IP安排各优中断源的优先级;同一优先级内各终端同时提出中断请求时,由内部的查询逻辑确信其响应顺序。
采纳的外部中断方式包括外部中断0和外部中断1,它们的中断请求信号别离由单片机引脚
/和
/输入
。
外部中断请求有两种信号方式:
电平触发方式和脉冲触发方式。
电平触发方式的中断请求是低电平有效。
只要在
和
引脚上显现有效低电平常,就激活外部中断方式。
脉冲触发方式的中断请求那么是脉冲的负跳变有效。
在这种方式下,在两个相邻机械周期内,
和
引脚电平发生转变,即在第一个机械周期内为高电平,第二个机械周期内为低电平,就激活外部中断。
由此可见,在脉冲方式下,中断请求信号的高电平和低电平状态都应至少维持一个机械周期,以使CPU采样到电平状态的转变,本次设计所采纳的触发方式为脉冲触发方式。
CPU对中断系统所有中断和某个中断源的开放和屏蔽是由中断许诺寄放器IE操纵的。
IE的状态可通进程序由软件设定,某位设定为1,相应的中断源中断许诺;某位设定为0,相应的中断源中断屏蔽。
CPU复位时,IE列位为0,禁止所有中断。
IE寄放器列位的概念如下。
EX0()外部
中断许诺位;
ET0()按时/计数器T0中断许诺位;
EX1()外部
中断许诺位;
ET1()按时/计数器T1中断许诺位;
ES()串行口中断许诺位;
EA()CPU中断许诺位。
AT89C52单片机有两个中断优先级,即可实现二级中断效劳嵌套。
每一个中断源的中断优先级都是由中断优先级寄放器IP中的相应的状态来规定的。
IP的状态由软件设定,某位设定为1,那么相应的中断源为高优先级中断;某位设定为0.那么相应的中断源为低优先级中断。
单片机复位时,IP列位清0,各中断源同为低优先级中断。
IP寄放器列位的概念如下。
PX0()外部中断
优先级设定位;
PT0()按时/计数器T0中断优先级设定位;
PX1()外部中断
中断优先级设定位;
PT1()按时/计数器T1中断优先级设定位;
PS()串行口中断优先级设定位。
单片机按时/计数功能介绍
AT89C52单片机按时/计数器的工作由两个特殊功能寄放器操纵。
TMOD用于设置其工作方式;TCON用于操纵其启动和中断请求。
工作方式寄放器TMOD用于设置按时/计数器的工作方式。
GATE:
门控位。
GATE=0时,只要用软件使TCON中的TR0或TR1为1,就能够够启动按时/计数器工作;GATE=1时,要用软件TR0或TR1为1,同时外部中断引脚
或
也为高电平常,才能启动按时/计数器工作。
:
按时/计数模式选择位。
=0为按时模式;
=1为计数模式。
M1M2:
工作方式设置位。
按时/计数器有4种工作方式,由M1M2进行设置。
本次设计TMOD为90H,即选通按时/计数器一、按时功能、工作方式1。
工作方式16位按时/计数器。
TF1()按时/计数器T1溢出中断请求标志位。
按时/计数器T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。
CPU响应中断后TF1由硬件自动清零。
T1工作时,CPU可随时查询TF的状态。
因此,TF1可用作查询测试的标志。
TF1也能够用软件置1或清零,同硬件置1或清零的成效一样。
TR1()按时/计数器T1运行操纵位。
TR1置1不时,按时/计数器T1开始工作;TR1置0时,按时/计数器T1停止工作。
TR1由软件置1或清0。
TF0():
按时/计数器T0溢出中断请求标志位。
TR0():
按时/计数器T0运行操纵位。
其他器件的介绍
存储器的介绍
AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM。
内部含有256个8位字节,ATMEL公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。
AT24C02有一个16字节页写缓冲器,该器件通过I2C总线接口进行操作有一个专门的写爱惜功能。
AT24C02支持I2C总线数据传送协议。
数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件操纵的。
主器件和从器件都能够作为发送器或接收器,但由主器件操纵传送数据(发送或接收)的模式,通过器件地址输入端A0、A1和A2能够实现将最多8个24C02器件连接到总线上。
管脚图如所示。
图24C02管脚图
SCL串行时钟:
AT24C02串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。
SDA串行数据/地址:
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 自行车 速度 里程表 设计