感应式自行车速度里程表设计.docx
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感应式自行车速度里程表设计.docx
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感应式自行车速度里程表设计
摘要
随着我国人民生活水平的日益提高,自行车的应用在我们的日常生活中越来越广泛,不仅仅扮演着交通工具的角色,而且也是人们日常生活中娱乐、休闲、锻炼的首选。
随着自行车成为一大时尚运动的趋势,伴随而来的自行车速度里程表当然也就变成了我们在使用过程中最关心的工具。
因此自行车速度里程表的设计具有现实意义,能够很好地满足人们对于自行车运动的要求。
此次设计的感应式自行车速度里程表的核心是单片机和霍尔传感器。
不同的车速会被霍尔传感器检测到并将其转变为不同频率的脉冲信号,进而输入到单片机中进行计算,再采用1602液晶屏和四位八段数码管分别进行显示,可以方便、简洁的将速度和里程呈现给使用者。
本系统由单片机STC89C52、霍尔传感器、液晶显示屏1602、四位八段数码管、键盘矩阵、芯片LM393、38译码器组成。
我们首先对感应式自行车速度里程表设计中所需要的硬件器件作了详细的介绍,而后又认真分析了硬件和软件部分的融合设计和功能实现,在此基础条件上对系统进行了仿真与调试,最后进行实物的操作。
关键词霍尔传感器;液晶显示1602;键盘矩阵;速度里程表
Abstract
Alongwiththeincreasingofpeople'slivingstandard,theapplicationofbicycleisbecomingmoreandmorewidelyinourdailylife,notonlyplaytheroleofthetransportnow.Thebicycleintoday'ssociallifehasbecomeabigsportsfashion,accompaniedbybikespeedodometer,ofcourse,alsobecomesourindispensableauxiliarytoolintheprocessofmovement.Sothedesignofthebicyclespeedodometerhaspracticalsignificance,canwellmeettherequirementsofpeopleforcycling.
Thecoreofthisdesignissinglechipmicrocomputerandhallsensor.Hall-effectsensordetectsthespeedwillbedifferentandturnedthemintodifferentfrequencypulsesignal,andtheninputtothesinglechipmicrocomputertocalculate,thenuse1602LCDscreenandLEDdisplay,respectively,speedandmileagecanbeconvenientandconciselypresentedtotheuser.ThissystemconsistsofmicrocontrollerSTC89C52,hallsensors,liquidcrystaldisplay1602,LED,keyboardmatrix,LM393,38decoderchip.Thefirstthingweneedinthedesignofinductionbicyclespeedodometerhardwaredevicehasmadethedetailedintroduction,thencarefullyanalysesthehardwareandsoftwaredesignandfunctionrealization,partofthefusionsystemonthebasicconditionsforthesimulationanddebugging,finallycarriesonthephysicaloperation.
KeywordsHallSensor;LCD1602;KeyboardMatrix;Speedodometer
感应式自行车速度里程表设计
1绪论
1.1设计背景
自行车传入到中国已是19世纪末,那时正是清朝末期,自然而然的首先进入到皇家贵族中,成为他们的玩具,民间将其称为“洋马儿”,也就是说这是从洋人那里传过来的、能代替马的一种交通工具。
新中国成立后,也就是上世纪50年代,人们生活逐渐富裕,每个中国人都梦想着能拥有一辆自行车当作自己的交通工具。
再往后到了60年代,由于时代的发展,自行车成为年轻人结婚必备的“三大件”,另外两件是缝纫机和手表,这些成为了一个家庭辛福的象征,在此期间,中国的自行车盛行一时,中国被外国人称为自行车王国。
转眼到了90年代,受到了其他交通工具的影响,自行车逐渐退出历史舞台,从此,其不再被人所崇拜。
到了21世纪,自行车又一次迎来了春天,但不再是以前的简单的自行车,出现了许多种改装后的自行车,包括山地自行车、公路自行车、折叠自行车等许多新的种类。
由此可见自行车在我国的发展历程顺应着时代的变化,随着我国经济文化的不断前进,自行车的各方面用途也在日新月异。
我国因人口众多,所以是使用自行车数量较多的国家,同时随着我国经济的蓬勃发展,人们生活水平也在逐渐提高。
现在自行车已经不仅只用来运输和代步,其辅助功能也变得越来越多。
因此,自行车其他功能也被开发的越来越多,比如用来我们娱乐、休闲。
在这种潮流下,自行车当然也需要更多的辅助性工具,其中速度里程表就是很重要的一种。
它能准确为使用者提供速度与里程显示,进而可以大致的判断出自己的运动状态,使运动者能直观决定自己的运动量,达到代步与健康运动的完美结合。
1.2设计的意义及前景
由于自行车速度里程表现已广泛应用于家庭和比赛等众多场合,所以也逐渐成为了人们运动生活中的一部分。
自行车速度里程表优点很多,这一切都得益于数字集成电路的发展。
目前,市场上已经有现成的自行车速度里程表集成芯片,其价格低廉,使用方便。
但出于对由单片机及自动检测等主要组成部分的考虑,研究感应式自行车速度里程表及扩大其功能,有着非常现实的意义,其发展前景明朗,在这个人们越来越注重生活质量的社会中其会受到广泛欢迎,而科技的发展也会促进自行车速度里程表的改进与精良。
1.3设计研究的主要内容
本设计的主要目的就是利用霍尔传感器、单片机等部件设计一个可以在液晶显示屏上显示平均速度和里程,同时在四位八段数码管上面显示瞬时速度的自行车速度里程表。
在开始时我们可以利用键盘矩阵选择所要进行测试的自行车的规格,以此来满足各种车型。
在测试过程中,霍尔传感器对单片机提供脉冲信号,1602液晶屏显示平均速度,但出于人性化设计,使用者可以通过按键切换模式,使得液晶屏上面显示目前行进的里程。
为了灵活,键盘矩阵上设有暂停和开始键,以满足我们随时可以开始或者暂停自行车速度里程表的使用。
在此系统设计中,为了模拟速度里程表的真实使用情况,在系统基础上增加了步进电机等设备,从而在键盘矩阵上相应的设置了电机停、电机正转、电机来回转三个按键。
2总体方案设计
2.1系统功能分析及实现
本设计要实现的是在自行车行驶过程中显示速度及里程。
此设计中处理核心为STC89C52单片机,车轮的转数经霍尔传感器转换为电脉冲,然后送入处理核心单片机。
STC89C52的计数器和定时器分别测出总的脉冲数和总的时间,再经过处理器的计算,这样便可以得到里程及平均速度,其结果送到液晶显示屏中并显示出来。
瞬时速度的测量则是通过在单位时间内记录到的脉冲数来计算的。
本设计包含单片机控制系统,数据采集系统,键盘矩阵,液晶显示,数码管显示5部分。
其五部分的功能和联系是:
数据采集由霍尔传感器及其它芯片完成,然后将输出的脉冲送入到单片机中进行最关键的处理,经过单片机处理的数据由液晶显示屏和四位八段数码管显示,其中键盘矩阵是用来选择车型以及进行模式转换,这就是整个系统的各个部分设计及整体思想。
本设计的程序计算思路为:
假设轮胎的周长为L,在轮胎上我们可以安装n个小磁片作为标志,由于速度以及里程数不需要很高的精确度,因此在本设计中设n为1。
在此基础上,车轮每转过一周,单片机也就会收到一个脉冲,里程数也就会增加一个周长,里程数除以从开始到目前的时间长度就是平均速度。
对于瞬时速度的计算是通过测量单位时间内的脉冲数,然后用脉冲数乘以车轮周长得出瞬时速度。
整个系统的功能以及实现大概就是以上所述,但在实际应用中,误差是不可避免的。
2.2硬件部分方案设计
对于速度和里程的测量,首先摆在我们面前的问题就是如何进行采样。
因为这次设计的题目是感应式自行车速度里程表,所以经过考虑选择霍尔传感器来进行采样。
在现实中使用霍尔传感器获得脉冲信号是一件比较简单的事情,因为其机械结构简单,我们只需要在车轮的一根辐条上安装一个小磁片,检测器固定在自行车的前叉上。
这里一定要注意,必须使小磁片和检测器能够在同一水平位置,否则是检测不到脉冲的。
当车子运动的时候,小磁片转到检测器的位置后,检测器就会输出脉冲信号,不断地运动就会输出不断的脉冲信号。
只要车轮每转一圈,就会产生一个脉冲,脉冲会送到单片机中进行计算,这样便可得到转速的信息。
在本次设计中使用一个步进电机模拟车轮,在电机轴上安装一个带有小磁片的横轴,使用程序来控制电机的转动情况。
矩阵键盘和显示模块部分。
键盘矩阵根据此次设计要求设计的是4*4的矩阵键盘,整个键盘的完成是先通过电路设计,然后安装小按键,最后进行连线。
显示部分为了实现能够显示里程,平均速度和瞬时速度,分别选择了1602液晶屏和四位八段数码管。
硬件电路系统框图如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
2.3软件部分方案设计
单片机的最大特点和优点就是我们可以通过设计程序来控制单片机的所有引脚,程序最重要的两大特性就是合理性与可读性,本系统遵循的设计原则是模块化原则。
采用自顶向下的设计方法加上模块化设计思想,不仅可以优化程序的可读性而且也方便后续的修改及完善。
本设计采用C语言来进行程序编写。
软件程序部分包括主程序、行车过程中用到的里程和速度计算子程序、延时子程序、显示子程序、中断服务子程序等等。
中断子程序指的是将霍尔传感器产生的信号接入单片机的外部中断,利用中断和定时器分别对单位时间里行走的路程进行加和以及测量轮子每转一周的时间。
数据处理子程序是单片机处理外部中断送来的数据,同时在定时器的帮助下运用一定的关系计算速度与里程值。
显示子程序的作用是将单片机处理好的数据送到显示模块显示。
3硬件电路设计
3.1概述
自行车速度里程表的基础也是最重要的部分就是硬件电路设计,它包括信号的采集部分霍尔传感器,处理核心单片机,矩阵键盘,起显示功能的液晶屏与数码管,同时还有其他基本电路。
传感器和单片机是最核心最重要的两大电子元件,其中单片机是整个系统的大脑。
3.2数据采集模块
3.2.1霍尔传感器工作原理及其介绍
本次设计利用霍尔传感器来获取车轮所转圈数并向单片机发送脉冲信号。
霍尔传感器的制作原理是霍尔效应,从而它属于磁敏传感器。
霍尔传感器因功能不同我们可以把它们分为线性器件和开关器件,线性器件输出的是模拟量,而开关器件输出的是数字量。
在使用时我们要考虑到检测对象的性质,从而我们有两种使用方法:
直接应用和间接应用。
检测对象本身具有磁场或磁特性的可以用直接应用方法,如果是人为设置的磁场我们就用间接检测,人为磁场充当信息载体,通过它,许多非电、非磁的物理量就可以转变成电量以方便我们检测。
本次设计中采用的就是Y3144霍尔开关型器件,接线如图3-1所示。
霍尔效应:
是磁场中垂直放置半导体薄片或有电流的金属时,薄片两端会产生电位差。
霍尔电势U指的就是两端具有的电位差,其表达式为U=K·I·B/d,其中B为外加磁场的磁感应强度,I为薄片中通过的电流,K为霍尔系数,d是薄片的厚度,由此可见,外加磁场的磁感应强度是直接影响霍尔效应的灵敏度的。
霍尔元件就是利用霍尔效应制成的。
图3-1霍尔元件接线图
Y3144采用双极技术制造,采用霍尔板、电压调节器、反电压保护器、信号放大器组成的施密特触发电路。
驱动器输出由晶体管的集电极开路完成。
Y3144的工作范围和操作温度范围宽,十分适合应用在此次设计中,如图3-2为此次设计的实物图。
图3-2霍尔传感器实物图
3.2.2LM393比较器
LM393是双电压比较器。
输出电压是不受VCC端电压值的限制,这也就是为什么其可以连接在任何电源上,当然前提条件是在电源电压范围内。
优势。
(1)高精度比较器;
(2)可以单电源供电;
(3)减少由于温漂引起的失调电压;
(4)兼容分逻辑电路;
(5)输入共模电压范围接近地电平。
LM393比较器在此系统中的作用是比较霍尔传感器输出的电压值和提前设定好的电压值。
当提前设定的电压值小于霍尔传感器输出的时,比较器输出1。
反之,当提前设定好的电压值大于霍尔传感器输出的电压值时,比较器输出0。
而提前设定好的电压值的设定是当磁片转到霍尔传感器上方时,通过指示灯的亮灭来调试设定值,设定根据是比较器输出1时指示灯亮,0时则灭,如图3-3为此次设计的实物图。
图3-3LM393实物图
3.3单片机模块
3.3.1单片机原理
单片机也叫做微型计算机,顾名思义就是将计算机的各功能部件集成化放在一个小芯片上,包括CPU(CentralProcessingUnit)、只读存储器ROM(Read-onlyMemory)、随机存储器RAM(RandomAccessMemory)、定时器/计数器、基本输入/输出(Input/Output)接口电路等部件,可以通过编程来实现一定的控制功能。
单片机内部结构如图3-4所示。
P0-P3
图3-4单片机内部结构示意图
3.3.2单片机引脚介绍
表3.1单片机管脚功能表
/PSEN
外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM时,/PSEN有效(低电平),以实现外部ROM单元的读操作
/EN
访问程序存储控制信号。
对ROM的读操作是在当/EN信号为低电平时,操作限定在外部程序存储器;反之当/EN信号为高电平时,对ROM的读操作开始于内部程序存储器,延至外部程序存储器
RST
复位信号。
当两个机器周期以上的输入复位信号都是高电平时即为有效,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
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
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
P1.0~P1.7
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口
P2.0~P2.7
P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口
P3.0~P3.7
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口
我们通常将以上所定义的引脚功能称之为引脚第一功能,如果再定义的话就称之为引脚的第二功能。
P3口的8条引脚有第二功能定义,如表3.2所示,其他口没有第二功能。
表3.2P3口引脚与第二功能
引脚
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据接收
P3.2
/INT0
外部中断0申请
P3.3
/INT1
外部中断1申请
P3.4
T0
定时/计数器0的外部写入
P3.5
T1
定时/计数器1的外部写入
P3.6
/WR
外部RAM写选通
P3.7
/RD
外部RAM读选通
3.3.3单片机中断系统
假如在计算机正常程序运行过程中,系统中出现了急需要处理的事件,我们就要进行中断,也就是CPU要对更加紧迫的事件进行处理,所以要暂时停止运行当前的程序。
等到紧急事件处理完成后,CPU会重新返回到原来程序的地方,继续向下运行。
STC89C52系列单片机具有5个中断源,因为其有2个优先级,故可实现二级中断嵌套。
CPU是否响应中断请求是受一个特殊功能寄存器控制。
在进行终端服务时,我们还要安排各中断源的优先级,此项任务由中断优先级寄存器IP完成。
如果是属于同一优先级的各终端中断请求同时提出,必须要经过内部的逻辑查询确定其响应先后顺序。
外部中断方式有两个,它们的中断请求信号分别由单片机引脚
/P3.2和
/P3.3输入。
在外部中断的请求中包含两种信号方式:
电平触发方式和脉冲触发方式。
拿低电平触发来说,当出现电平由高掉到低的情况,也就是低电平只要出现在
和
引脚上,外部中断方式就会被激活,这种称为电平触发。
当原来情况下都是高电平,突然出现了负跳变时,也就是在两个相邻机器周期内,引脚电平发生了变化,简单地可以理解为在第一个机器周期内为一直为高电平,第二个机器周期内为变为低电平,单片机检测的是下降沿,而不是单纯的电平,这种触发方式称为脉冲触发。
由此我们可以知道,要使用脉冲触发,就必须让中断请求信号的高低电平都至少维持一个机器周期,不然就会检测不到,无法正常工作。
脉冲触发方式是应用于此次设计的触发方式。
中断允许控制:
中断系统中包括五种中断源,具体如下所列。
同时这五个中断分别由IE的各个位控制,假如某一位为1,则其中断为允许,若某位为0则中断为屏蔽。
并且IE的最高位为中断允许位,也就是说此位只有在为1的情况下中断系统才能正常运行,否则中端系统无法正常工作。
IE寄存器各位的定义如下。
EX0(IE.0):
外部
中断允许位;
ET0(IE.1):
定时/计数器T0中断允许位;
EX1(IE.2):
外部
中断允许位;
ET1(IE.3):
定时/计数器T1中断允许位;
ES(IE.4):
串行口中断允许位;
EA(IE.7):
CPU中断允许位。
3.3.4单片机定时/计数功能介绍
STC89C52的定时器和计数器的工作方式是由两个特殊功能的寄存器来控制的,TCON是用来控制启动和关闭哪个中断,TMOD是用来控制其工作模式,具体功能如下表。
表3.3功能表
控制寄存器TCON
用来设置使用哪个中断
TF1(TCON.7)
定时/计数器T1溢出中断请求标志位
TR1(TCON.6)
定时/计数器T1运行控制位
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
工作方式寄存器TMOD
用于设置定时/计数器的工作方式
GATE
门控位
C//T
定时/计数模式选择位
M1M2
工作方式设置位
本次设计中单片机的引脚分布及其各部分所连器件如下。
P0.0~P0.7连接1602液晶屏的8位数据口;
P1.0~P1.7连接上拉电阻和四位八段数码管的八位段选;
P2.0~P2.7连接矩阵键盘;
P3.0~P3.2连接1602液晶屏的读写及使能端,P3.4、P3.6、P3.7连接38译码器。
如图3-5为单片机仿真接线图。
图3-5单片机仿真图
3.4显示模块
本设计中采用1602液晶屏和四位八段数码管来进行显示。
3.4.1显示模块之液晶屏
LCD1602液晶显示屏是一种专门用来显示数字、字母、符号等ASCII码的点阵液晶屏。
一般有两种类型,一种是5*7个点阵组成的一个字符,另一种是5*11个点阵组成的一个字符,但两种类型的字符之间都有一定的间隔,每行也有一定的空隙,这和LCD12864不同,因此不能很好的显示图形。
LCD1602可以显示两行内容,每行可以包含16个字符(显示字符和数字)。
在此设计中显示平均速度与里程数。
特性:
1602工作电压有两种即3.3V或5V,对比度是可以调节的,其中自带复位电路,具有各种控制指令,如:
清屏、光标闪烁、字符闪烁、显示移位等。
含有80字节的数据显示存储器DDRAM,并且内建有192个5*7点阵的字符发生器CGROM,8个5*7的字符发生器CGRAM。
图3-61602LCD仿真图
图3-71602实物图
寄存器选择控制如下表所示。
表3.4寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器(清除屏等)
0
1
都busyflag(DB7),以及读取位址计数器(DB0~DB6)值
1
0
写入数据寄存器(显示各字型等)
1
1
从数据寄存器读取数据
指令集
1602是通过D0~D7的8位数据端发送和传递指令和数据的。
显示模式设置:
(初始化)
00110000[0x38]就是设置液晶屏为16*2显示,5*7点阵,8位数据接口模式;
显示开关及光标设置:
(初始化)
00001DCBD显示、B光标闪烁、C光标显示,这里都是1有效。
000001NSN=1(读或写一个字符后地址指针加1且光标加1)
N=0(读或写一个字符后地址指针减1且光标减1)
一般推荐的初始化过程如下。
延时15ms
写指令38H
延时5ms
写指令38H
延时5ms
写指令38H
延时5ms(以上都不检测忙信号)
写指令38H(以下都要检测忙信号)
写指令08H关闭显示
写指令01H显示清屏
写指令06H光标移动设置
写指令0cH显示开及光标设置
完毕
字符集
LCD1602液晶屏有自己的存储器,其中含有160个点阵字符,当我们需要使用这些字符时,只要将与之对应的代码发送给液晶屏,其就会自动匹配,为我们找到相对应的字符进而显示在指定位置,这方便了设计者的程序设计,比如说我们需要显示字母“A”,因为它的代码就是01000001B(41H),也就是他的ASCII码值,此时我们就可以直接将这个代码发送给液晶屏,当然也可以在程序中显示发送‘A’,然后单片机会自动转化为ASCII码值传送给液晶屏,其实这两个就是等价的,不过在编程时为了增加可读性,一般使用‘A’这样的形式。
显示地址如下。
表3.5显示地址
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
/H
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
0A
0B
0C
0D
0E
0F
/H
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
4A
4B
4C
4D
4E
4F
3.4.2显示模块之四位八段数码管
本设计中采用四位八段数码管显示瞬时速度。
在单片机系统中,各种数字经常是用LED数码显示器显示。
八段LED显示屏是由8个发光二极管按照一定的位置排列组成的。
八段和七段本质是一样的,只是八段在“8”的字形上右下角多了一个小数点,可以显示带有小数的数字,功能更强大一点。
一般来说LED显示器可分为两种:
一种是共阳极LED,顾名思义就是将发光二极管的所有阳极都连在一起,阴极都是由I\O口来控制;另一种是共阴极LED,同理就是将发光二极管的所有阴极都连在一起,阳极都是
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