基于单片机的自行车测速系统设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的自行车测速系统设计毕业设计论文
基于单片机的自行车测速系统设计
摘要
随着居民生活水平的不断提高,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。
因此爱好自行车运动的人十分需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,以达到最佳运动的效果。
本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车速度里程表的设计。
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入显示。
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。
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.Thereforehobbycyclingpeoplecanspeeddevices,inordertoknowtheirmovement.Andaccordingtotheexternalconditions,suchastemperature,windspeedproperadjustment,hasreachedthebestmovementeffect.Inthispaper,thebicyclemileage/speeddesignbasedontheHallelementiselaborated.ByAT89C52askernel,usingA44EHallelementtomeasurerevolution,themeasureandstatisticareachieved.Therangeinformationissavedby24C02whenthepowerisoff,thebicyclespeedcanbedisplayedonLED.Inthisarticle,thehardwarecircuitandsoftwaredesignofbicyclemileage/speedinstrumentareintroducedindetail.Aboutthehardware,thepulsenumberistransmittedofonecycleofthebicycleintoSingleChipMicrocomputersystem.ThenthesignalprocessedbySingleChipMicrocomputersystemissenttodisplayscream.Aboutthesoftware,inassemblelanguage;theprogramisdesignedinthemodeofmodules.Thesystemhassimplehardware,commonsub-program,andmeetsthedemandofdesign.
Keyword:
Mileage/speed,Hallelement,Singlechipmicrocomputer,LED
第1章引言
众所周知,自行车被发明及使用到现在已有两百多年的历史,这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中,将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车,自行车发展的目的也从最早的交通代步的工具转换成休闲娱乐运动的选择。
早在1890年,荷兰就修建了世界上第一条自行车专用车道,被世界上公认为自行车王国。
目前中国是世界上使用自行车人数最多的国家,也是使用范围最广的国家。
拥有1亿辆以上的自行车,约占世界自行车总量的1/4。
在目前私人汽车尚未大范围普及的情况下,自行车仍然是我国大多数百姓首选的代步工具,正由于自行车在我国以及整个世界的广泛使用,使得这一制造行业发展迅捷,产品也不断更新换代。
而在我们国家的城市里,主要使用这两大类自行车:
第一类是传统式自行车,主要特征是弯曲着的手柄;第二类是山地(仿山地)式自行车,主要特征是一字式的手柄。
另外,年长者多用第一类自行车,而年轻者则大多喜欢用第二类自行车了。
自行车在中国普遍作为代步工具。
而在国外,自行车却是一项十分受欢迎的健身运动。
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。
此外,由于能源的枯竭以及现今社会的不断发展人们素质的慢慢提升,汽车等耗能产品将会达到一个饱和,这就给自行车的进一步普及带来机会,同时也响应了国务院节能减排的号召!
因此,此设计很有必要,使大家对使用自行车更有兴趣。
本设计采用了MCS-52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。
要知道当前速度,测速装置则必不可少。
测速装置在控制系统中占据重要地位,能够精确的掌握电机的运转速度,才能更好更安全的进行调速控制。
对自行车车速的测量有很多种方法,按照测速原理可分为机械式与电子式两大类。
这两类都能很好的实现对自行车的速度的测量。
具体来说:
机械式的就是利用机械计数器,轮子转一圈就触发计数器加一个数字。
这个装置不需要电源,在目前自行车上应用最多。
电子式的就必须用到单片机与一个电磁感应器用来计算行进中车轮所转动的圈数。
输入车轮的外径,计算单位时间内车轮所转圈数即得。
此设计是一种基于霍尔传感器的速度测量仪器,不仅成本低,精度高,可用于测量电机转速,实现汽车超速报警等,而且稍加改动便可实现磁场测量等拓展功能。
霍尔式传感器结构简单,体积小,坚固,频率响应宽,动态范围(输出电势的变化)大,无触点,使用寿命长,可靠性高,易微型化和集成电路化,因此在测量技术、自动控制、电磁测量、计算装置以及现代军事技术等领域中得到广泛应用。
第2章系统总方案分析与设计
2.1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单片机的外围电路以及LED显示电路等。
软件设计包括:
芯片的初始化程序、定时中断采样子程序、显示子程序等,软件采用汇编语言编写,软件设计的思想主要是自顶向下,模块化设计,各个子模块逐一设计。
2.2任务分析与实现
本设计的任务是:
以通用MCS-52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MCS-52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3章硬件电路设计
3.1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分,它包括信号的捕获、放大、整形,单片机的计算处理,数码管的实时显示和单片机外围基本电路的设计,两大主要器件就是传感器和单片机。
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。
本次设计的系统的原理框图如图3.1所示。
图3.1系统的原理框图
3.2传感器概述
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感原件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并将探知的信息传递给其他装置或器官。
它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种设备不可缺少的信息采集工具。
磁传感器是一种将磁学量信号转变为电信号的器件或装置。
随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等等的飞速发展和计算机应用的普及,需要大量的传感器将需进行测量和控制的非电量,转换成可以与计算机兼容的信号,作为他们的输入信号,这就给磁传感器的快速发展提供了机会,形成了相当可观的磁传感器产业。
其中最具代表的磁传感器就是霍尔传感器。
在自动检测系统中,霍尔传感器是一种基本的测量工具。
3.2.1传感器的选择
测速,首先要解决是采样的问题。
使用单片机进行测速,可以使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,即可获得转速的信息。
常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:
使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、利用干簧管传感器测量里程。
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;光敏电阻对环境的要求相当高,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准确测量;而编码器必须安装在车轴上,安装较为复杂;霍尔元件或干簧管不但不受天气的影响,即使被泥沙或灰尘覆盖也不会有影响,而且安装方便。
所以本设计采用霍尔元件对里程与速度进行测量,既简单易行,又经济适用。
3.2.2传感器及其测量系统
本次设计信号的捕获采用的是霍尔传感器。
霍尔器件具有许多优点,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、不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。
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、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。
取用各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。
按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,用这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、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。
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。
如果在齿轮盘上粘上多粒磁钢,可以实现旋转一周,获得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意,霍尔传感器对磁场方向敏感,安装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。
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件,常用于信号采集的有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,使用非常方便。
A44E的外形如图3.2所示。
1-
2-GND3-OUT
图3..2A44E外形图
3.2.3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场传感器。
在置于磁场中的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的方向上会出现一个电势差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、抗干扰能力强以及体积小、使用寿命长等一系列特点,因此被广泛应用于测量、自动控制及信息处理等领域。
3.2.4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五个基本部分组成。
它的三个引线分别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端,根据霍尔效应原理,当霍尔片处在磁场中时,在垂直于磁场的方向通以电流,则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(相对于低电位),使三极管导通,此时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。
这样两次电压变换,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,这也就是集成霍尔开关传感器优良特性之一。
传感器主要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,测量时,在1、2两端加5V直流电压,在输出端3与1之间接一个2k的负载电阻,如图3.3所示。
图3.3集成霍尔开关接线图
3.3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;
3.3.1AT89C52单片机简介
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3.4所示。
图3.4单片机内部结构示意图
3.3.2单片机的引脚功能介绍
图3.5AT89C52引脚图
AT89C52提供以下标准功能:
8K字节Flash闪烁存储器,256字节内部RAM,32个I/O口线,3个16位定时/计数器,6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3.5所示。
AT89C52为8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/VPD(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义。
P0口
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能驱动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。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口
P1是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。
参见下表1。
Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
表1P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2;时钟输出
P1.1
T2EX(定时/计数器2)
P2口
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能。
此外,P3口还接收一些用于Flash闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。
RST
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
PSEN
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须要求该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2
振荡器反相放大器的输出端。
如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话,则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。
P3的8条口线都有定义第二功能,如表2所示。
对于内部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。
表2P3口引脚与第二功能
引脚
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2
外部中断0请求
P3
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