工业自动化论文 自行车测速系统设计.docx
- 文档编号:3910809
- 上传时间:2022-11-26
- 格式:DOCX
- 页数:27
- 大小:392.43KB
工业自动化论文 自行车测速系统设计.docx
《工业自动化论文 自行车测速系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《工业自动化论文 自行车测速系统设计.docx(27页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
工业自动化论文自行车测速系统设计
毕业设计(论文)
课题名称自行车测速系统设计
系别机电系
专业工业自动化
姓名
准考证号
指导老师
2016年10月28日
目录
摘要.......................................................1
引言………………………………………………………………………………………2
第1章系统方案分析与设计
1.1课程主要任务与内容………………………………………………………………3
1.2任务分析与实现……………………………………………………………………3
第2章系统单元模块与速度算法概述
2.1传感器选型…………………………………………………………………………4
2.2单片机选型…………………………………………………………………………5
2.3显示模块选型………………………………………………………………………6
2.4算法的概述…………………………………………………………………………6
第3章系统硬件设计
3.1单片机主控电路………………………………………………………………….7
3.1.1单片机概述………………………………………………………………………7
3.1.2单片机得引脚功能介绍…………………………………………………………8
3.1.3单片机中断系统介绍……………………………………………………………10
3.1.4单片机定时器/计数器功能介绍………………………………………………..10
3.2霍尔传感器的测温原理…………………………………………………………..11
3.3储存器电路………………………………………………………………………..13
3.474LS74芯片……………………………………………………………………….14
3.5时钟电路的设计……………………………………………………………………15
3.6复位电路的设计……………………………………………………………………16
3.7显示电路的设计……………………………………………………………………17
第4章系统软件设计
4.1概述……………………………………………………………………………………18
4.2总体程序设计………………………………………………………………………..18
4.3中断子程序设计………………………………………………………………………22
4.4里程计算子程序………………………………………………………………………23
4.5显示子程序的设计……………………………………………………………………24
总结与展望……………………………………………………………………..26
参考文献………………………………………………………………………..27
摘要
随着居民生活水平的不断提高,人们对于生活质量的要求也日益增加,尤其是对健身的要求。
自行车不再仅仅是普通的运输、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满足人们最基本的需求,让人们能清楚地知道当前的速度、里程等物理量。
而对于自行车运动员来说,最为关心的莫过于一段时间内的训练效果。
因为教练要根据一段时间内运动员的训练效果进行评估,从而进行适当的调整已使运动员达到最佳的状态。
因此爱好自行车运动的人十分学要一款能测速的装置,以知道自己的运动情况。
并根据外界条件,如温度,风速等进行适当的调节,已达到最佳运动的效果。
关键词:
单片机、LED显示、里程/速度、霍尔元件
引言
本论文主要阐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,采用24C02实现在系统掉电的时候保存里程信息,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。
硬件部分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经过处理送显示。
软件部分用汇编语言进行编程,采用模块化设计思想。
该系统硬件电路简单,子程序具有通用性,完全符合设计要求。
第一章系统总方案分析与设计
1.1课题主要任务及内容
本课题主要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。
本文主要介绍了自行车的速度里程表的设计思想、电路原理、方案论证以及元件的选择等内容,整体上分为硬件部分设计和软件部分设计。
本文首先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;然后阐述了该自行车的速度里程表的软件设计,包括数据处理子程序的设计、显示子程序的设计;最后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、霍尔元件以及LED显示电路等。
软件设计包括:
中断子程序设计,里程计算子程序设计,显示子程序设计。
软件采用汇编语言编写,软件设计的思想主要是自顶向下,模块化设计,各个子模块逐一设计。
1.2任务分析与实现
本设计的任务是:
以通用AT89C52单片机为处理核心,用传感器将车轮的转数转换为电脉冲,进行处理后送入单片机。
里程及速度的测量,是经过AT89C52的定时/计数器测出总的脉冲数和每转一圈的时间,再经过单片机的计算得出,其结果通过LED显示器显示出来。
本系统总体思路如下:
假定轮圈的周长为L,在轮圈上安装m个永久磁铁,则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采集到一个脉冲信号,并从引脚P3.2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和周长L的乘积为里程值。
计数器T1计算每转一圈所用的时间t,就可以计算出即时速度v。
当里程键按下时,里程指示灯亮,LED切换显示当前里程;当速度键按下时,速度指示灯亮,LED切换显示当前速度。
要求达到的各项指标及实现方法如下:
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.对数据进行处理,要求用LED显示里程总数和即时速度。
实现:
利用软件编程,对数据进行处理得到需要的数值。
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,采用单片机作控制,显示电路可显示里程及速度。
第二章系统主要单元模块和速度算法概述
2.1传感器选型
方案一、光电传感器。
光电传感器是应用非常广泛的一种器件,各种各样的形式,如透射式、反射式等,基本原理就是当发射管光照射到接收管时,接收管导通,反之关断。
以透射式为例,如图2-1所示,当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时,开关管关断,否则打开。
为此可以制作一个遮光叶片如图2-2所示,安装在转轴上,当扇叶经过时,产生脉冲信号。
当叶片数较多时,旋转一周可以获得多个脉冲信号。
图2-1光电传感器的原理图
图2-2遮光叶片
将光敏电阻安装在自行车前又的一侧,在同等高度的另一侧安上一个高亮度的发光二极管。
在同等高度的辐条上贴上一圈黑色材料,并在黑色材料上打上等间距的小孔,这样当小孔经过光敏电阻时,光敏电阻根据光电流的变化发出脉冲,从而测量里程。
方案二、光电编码器
光电编码器的工作原理与光电传感器一样,不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体,只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连,就能获得多种输出信号。
它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
如图2-3所示,是某光电编码器的外形。
图2-3 成品光电编码器
将旋转编码器安装在车轴上,这样每当车轮转过一定的距离编码器就会发出一个脉冲。
利用脉冲数对里程进行测量。
方案三、霍尔传感器
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件,常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040、A04E等,这种传感器是一个3端器件,外形与三极管相似,只要接上电源、地,即可工作,输出通常是集电极开路(OC)门输出,工作电压范围宽,使用非常方便。
图2-4霍尔元件和磁钢实际图
使用霍尔传感器获得脉冲信号,其机械结构也可以做得较为简单,只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢,让霍尔开关靠近磁钢,就有信号输出,转轴旋转时,就会不断地产生脉冲信号输出。
如果在圆周上粘上多粒磁钢,可以实现旋转一周,获得多个脉冲输出,单片机根据脉冲数来计算里程。
霍尔元件和磁钢如图2-4所示。
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,可以换一个方向再试。
这种传感器不怕灰尘、油污,在工业现场应用广泛。
光敏电阻对光特别敏感,当白天行驶时,外界光敏电阻对光特别敏感,当白天行驶时,外界光源导致光敏电阻发出错误信号;光敏电阻对环境的要求相当高,如果光敏电阻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测量;在雾天和雨天光敏电阻的测量的效果也不好。
而编码器必须安装在车轴上,这样安装就会给用户带来很多不便。
霍尔元件不受天气的影响,即便被泥沙或灰尘覆盖对测量也不会有任何影响。
由霍尔元件加整形电路构成的霍尔开关系统,具有输出响应快,数字脉冲性能好,安装方便,性能可靠,不受光线、泥水等因素影响,价格便宜的优点。
所以本设计采用方案三霍尔传感器。
2.2单片机选型
本设计用89C52单片机设计自行车里程/速度计。
AT89C52是51系列单片机的一个型号,它是ATMEL公司生产的。
一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本
2.3显示模块选型
单片机系统中常用的显示器有:
发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器等。
在这里由于单片机测速系统比较简单,所以只考虑LED显示器和LCD显示器。
LED显示器工作方式有两种静态显示方式和动态显示方式。
方案一LED静态显示器:
静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示字形码。
当送入一次字形码后,显示字形可一直保持,直到送入新字形码为止。
这种方法的优点是占用CPU时间少,显示便于监测和控制。
缺点是硬件电路比较复杂,成本较高。
LED动态显示器:
动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起,由位选线控制是哪一位数码管有效。
这样一来,就没有必要每一位数码管配一个锁存器,从而大大地简化了硬件电路。
选亮数码管采用动态扫描显示。
所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选,利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用,使人的感觉好像各位数码管同时都在显示,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感。
动态显示的亮度比静态显示要差一些,所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。
方案二用液晶显示器LCD显示信息。
LCD显示器工作原理就是利用液晶的物理特性;通电时排列变得有序,使光线容易通过;不通电时排列混乱,阻止光线通过,说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。
LCD的好处有:
与CRT显示器相比,LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。
LED背光源技术能够大幅度提升电视画面的对比度和色彩表现力,同时具有节能环保等诸多优点,势必成为未来电子显示技术的发展趋势。
LED技术具有非常明显的三大优势。
第一,它显示的色彩更加丰富,色彩数量可超过目前传统CCFL冷阴极荧光管背光灯的1倍以上;第二,LED背光源亮度可以随着画面亮度进行主动调节,可节能30%以上;第三,LED背光源不含铅和汞等有毒有害物质,是真正的绿色环保光源。
本课题选用LED动态显示器。
2.4算法概述
假定轮圈的周长为L,在轮圈上安装m个永久磁铁,则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采集到一个脉冲信号,并从引脚P3.2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和周长L的乘积为里程值。
计数器T1计算每转一圈所用的时间t,就可以计算出即时速度v。
第三章系统硬件设计
3.1单片机主控电路
3.1.1单片机概述
单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器(CPU),存储器(RAM,ROM,EPROM)和各种输入、输出接口(定时器/计数器,并行I/O口,串行口,A/D转换器以及脉宽调制器PWM等),这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性,因而被称为单片微型计算机,简称单片机。
单片机是本次设计的核心部件,它是信号从采集到输出的桥梁,而且包括计算、定时、信息处理等功能。
目前,单片机被广泛的应用于测控系统、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以及单片机的多机系统等领域。
在设计中选用的是AT89C52单片机。
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,并且面向控制功能将结构作了一定的优化,所以它有一般芯片不具有的特点:
1.体积小、重量轻;
2.电源单一、功耗低;
3.功能强、价格低;
4.全部集成在一块芯片上,布线短、合理;
本设计用89C52单片机设计自行车里程/速度计。
AT89C52是51系列单片机的一个型号,它是ATMEL公司生产的。
一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
(背景色)
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
本设计选用AT89C52单片机,AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。
使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,可与工业AT89C51 产品指令和引脚完全兼容。
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
主要功能特性
1、兼容MCS51指令系统
2、8k可反复擦写(大于1000次)FlashROM;
3、32个双向I/O口;
4、256x8bit内部RAM;
5、3个16位可编程定时/计数器;
6、时钟频率0-24MHz;
7、2个串行中断,可编程UART串行通道;
8、2个外部中断源,共5个中断源;
9、2个读写中断口线,3级加密位;
10、低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能;
11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。
单片机内部结构示意图如图3-1所示。
图3-1
3.1.2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),器件采用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位中央处理器(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。
图3-2AT89C52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位定时/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管脚图如图2.3所示。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为:
1.Vcc:
电源电压。
2.P1口:
P1口是一8位双向I/O口。
P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入(AIN1)。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。
当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。
P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
3.P3口:
P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
用作输入时,被外部拉低P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表3-3所示。
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
4.RST:
复位输入。
RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
5.XTAL1:
作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。
6.XTAL2:
作为振荡器反相放大器的输出。
表3-3P3口的功能
P3口引脚
功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
RXD(串行输入端口)
TXD(串行输出端口)
INT0(外中断0)
INT1(外中断1)
TO(定时器0外部输入)
T1(定时器1外部输入)
3.1.3单片机中断系统介绍
中断是指当计算机执行正常程序时,系统中出现某些急需处理的事件,CPU暂时中止当前的程序,转去执行服务程序,以对发生的更紧迫的事件进行处理,待处理结束后,CPU自动返回原来的程序执行AT89C52系列单片机的系统有5个中断源,2个优先级,可实现二级中断服务嵌套。
由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求;由中断优先级寄存器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定其响应次序。
采用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分别由单片机引脚
/P3.2和
/P3.3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
引脚上出现有效低电平时,就激活外部中断方式。
脉冲触发方式的中断请求则是脉冲的负跳变有效。
在这种方式下,在两个相邻机器周期内,
和
引脚电平发生变化,即在第一个机器周期内为高电平,第二个机器周期内为低电平,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器周期,以使CPU采样到电平状态的变化,本次设计所采用的触发方式为脉冲触发方式。
3.1.4单片机定时器/计数器功能介绍
AT89C52单片机定时器/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用于设置其工作方式;TCON用于控制其启动和中断请求。
1.工作方式寄存器TMOD
工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式。
GATE:
门控制。
GATE=0时,只要用软件使TCON中的TR0或TR1为1,就可以启动定时/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
也为高电平时,才能启动定时/计数器工作。
C/
:
定时/计数模式选择位。
C/
=0为定时模式;C/
=1时为计数模式。
M1M2:
工作方式设置位。
定时/计数器有4种工作方式,由M1M2进行设置。
本次设计TMOD为90H,即选通定时/计数器为1、定时功能、工作方式1.工作方式为16位定时/计数器。
2.控制寄存器TCON
TF1(TCON.7)定时/计数器T1溢出中断请求标志位。
定时/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。
所以,TF1可用作查询测试的标志。
TF1也可以用软件置1或清零,同硬件置1或清零的效果一样。
TR1(TCON.6)定时/计数器T1运行控制位。
TR1置1时,定时/计数器T1开始工作;TR1置0时,定时/计数器T1停止工作。
TR1由软件置1或清0。
TF0(TCON.5)定时/计数器T0溢出中断请求标志位。
TR0(TCON.4)定时/计数器T0运行控制位。
3.2霍尔传感器的测温原理
在信号脉冲发生源上,本系统采用的是开关型霍尔传感器。
以磁场作为媒介,利用霍尔传感器可以检测多种物理量,如位移、振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。
它不仅可以实现非接触测量,并且采用永久磁铁产生磁场,不需附加能源。
另外霍尔传感器尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠,因而获得极为广泛的应用。
除了直接利用霍尔传感器外,还利用它开发出各种派生的传感器。
金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流Ic,并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh,称为霍尔电势或霍尔电压(如图l所示)。
霍尔电势Uh=KhIcB(其中Kh为霍尔元件灵敏度,它与所用的材料及几何尺寸有关)。
这种现象称为霍尔效应,而用这种效应制成的元件称为霍尔元件。
由于霍尔元件输出的电压信号较小,并且有一定温度误差,目前已较少直接使用霍尔元件作传感器。
霍尔传感器原理图如图3-4所示。
图3-4霍尔传感器磁场效应
本系统采用开关型霍尔传感器A04E。
开关型霍尔传感器是一种集成传感器,它内部含有霍尔元件、放大器、稳压电源、带一定滞后特性的比较器及集电极开路输出部分等,如图3-5所示。
图3-5开关型霍尔传感器内部结构图
开关型霍尔传感器的工作特性如图3-6所示。
图3-6开关型霍尔传感器工作特性
当外加的磁感应强度超过动作点Bop时,传感器
- 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:
- 工业自动化论文 自行车测速系统设计 工业 自动化 论文 自行车 测速 系统 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)