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摘 要 隨著居民生活水平的不斷提高，人們對于生活質(zhì)量的要求也日益增加，尤其是對健身的要求。自行車不再僅僅是普通的運輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。自行車的速度里程表能夠滿足人們最基本的需求，讓人們能清楚地知道當前的速度、里程等物理量。而對于自行車運動員來說，最為關(guān)心的莫過于一段時間內(nèi)的訓練效果。因為教練要根據(jù)一段時間內(nèi)運動員的訓練效果進行評估，從而進行適當?shù)恼{(diào)整已使運動員達到最佳的狀態(tài)。因此愛好自行車運動的人十分學要一款能測速的裝置，以知道自己的運動情況。并根據(jù)外界條件，如溫度，風速等進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，已達到最佳運動的效果。 關(guān)鍵詞：單片機、LED顯示、里程/速度、霍爾元件 第一章系統(tǒng)總方案分析與設(shè)計 1.1 課題主要任務(wù)及內(nèi)容 本課題主要任務(wù)是利用霍爾元件、單片機等部件設(shè)計一個可用LED數(shù)碼管實時顯示里程和速度的自行車的速度里程表。本文主要介紹了自行車的速度里程表的設(shè)計思想、電路原理、方案論證以及元件的選擇等內(nèi)容，整體上分為硬件部分設(shè)計和軟件部分設(shè)計。 本文首先扼要對該課題的任務(wù)進行方案論證，包括硬件方案和軟件方案的設(shè)計；繼而具體介紹了自行車的速度里程表的硬件設(shè)計，包括傳感器的選擇、單片機的選擇、顯示電路的設(shè)計；然后闡述了該自行車的速度里程表的軟件設(shè)計，包括數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計、顯示子程序的設(shè)計；最后對本次設(shè)計進行了系統(tǒng)的總結(jié)。 具體的硬件電路包括AT89C52單片機、霍爾元件以及LED顯示電路等。 軟件設(shè)計包括：中斷子程序設(shè)計，里程計算子程序設(shè)計，顯示子程序設(shè)計。軟件采用匯編語言編寫，軟件設(shè)計的思想主要是自頂向下，模塊化設(shè)計，各個子模塊逐一設(shè)計。 1.2 任務(wù)分析與實現(xiàn) 本設(shè)計的任務(wù)是：以通用AT89C52單片機為處理核心，用傳感器將車輪的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為電脈沖，進行處理后送入單片機。里程及速度的測量，是經(jīng)過AT89C52的定時/計數(shù)器測出總的脈沖數(shù)和每轉(zhuǎn)一圈的時間，再經(jīng)過單片機的計算得出，其結(jié)果通過LED顯示器顯示出來。 本系統(tǒng)總體思路如下：假定輪圈的周長為L，在輪圈上安裝m個永久磁鐵，則測得的里程值最大誤差為L/m。經(jīng)綜合分析，本設(shè)計中取m=1。當輪子每轉(zhuǎn)一圈，通過開關(guān)型霍爾元件傳感器采集到一個脈沖信號，并從引腳P3.2中斷0端輸入，傳感器每獲取一個脈沖信號即對系統(tǒng)提供一次計數(shù)中斷。每次中斷代表車輪轉(zhuǎn)動一圈，中斷數(shù)n和周長L的乘積為里程值。計數(shù)器T1計算每轉(zhuǎn)一圈所用的時間t，就可以計算出即時速度v。當里程鍵按下時，里程指示燈亮，LED切換顯示當前里程;當速度鍵按下時，速度指示燈亮，LED切換顯示當前速度。 要求達到的各項指標及實現(xiàn)方法如下： 1. 利用霍爾傳感器產(chǎn)生里程數(shù)的脈沖信號。 2. 對脈沖信號進行計數(shù)。 實現(xiàn)：利用單片機自帶的計數(shù)器T1對霍爾傳感器脈沖信號進行計數(shù)。 3. 對數(shù)據(jù)進行處理，要求用LED顯示里程總數(shù)和即時速度。 實現(xiàn)：利用軟件編程，對數(shù)據(jù)進行處理得到需要的數(shù)值。 最終實現(xiàn)目標：自行車的速度里程表具有里程、速度測試與顯示功能，采用單片機作控制，顯示電路可顯示里程及速度。 第二章系統(tǒng)主要單元模塊和速度算法概述 2.1 傳感器選型 方案一、光電傳感器。 光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本原理就是當發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖2-1所示，當不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關(guān)管關(guān)斷，否則打開。為此可以制作一個遮光葉片如圖2-2所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當扇葉經(jīng)過時，產(chǎn)生脈沖信號。當葉片數(shù)較多時，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個脈沖信號。 圖2-1 光電傳感器的原理圖 圖2-2 遮光葉片 將光敏電阻安裝在自行車前又的一側(cè)，在同等高度的另一側(cè)安上一個高亮度的發(fā)光二極管。在同等高度的輻條上貼上一圈黑色材料，并在黑色材料上打上等間距的小孔，這樣當小孔經(jīng)過光敏電阻時，光敏電阻根據(jù)光電流的變化發(fā)出脈沖， 從而測量里程。 方案二、光電編碼器 光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉(zhuǎn)軸相連，就能獲得多種輸出信號。它廣泛應用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。 將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在車軸上，這樣每當車輪轉(zhuǎn)過一定的距離編碼器就會發(fā)出一個脈沖。利用脈沖數(shù)對里程進行測量。 方案三、霍爾傳感器 霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號采集的有CS3020、CS3040、A04E等，這種傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。 圖2-3 霍爾元件和磁鋼實際圖 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出, 單片機根據(jù)脈沖數(shù)來計算里程?；魻栐痛配撊鐖D2-3所示。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛。 光敏電阻對光特別敏感，當白天行駛時，外界光敏電阻對光特別敏感，當白天行駛時，外界光源導致光敏電阻發(fā)出錯誤信號；光敏電阻對環(huán)境的要求相當高，如果光敏電阻或發(fā)光二極管被泥沙或灰塵所覆蓋，光敏電阻就不能再進行測量；在霧天和雨天光敏電阻的測量的效果也不好。而編碼器必須安裝在車軸上，這樣安裝就會給用戶帶來很多不便。霍爾元件不受天氣的影響，即便被泥沙或灰塵覆蓋對測量也不會有任何影響。由霍爾元件加整形電路構(gòu)成的霍爾開關(guān)系統(tǒng)，具有輸出響應快，數(shù)字脈沖性能好，安裝方便，性能可靠，不受光線、泥水等因素影響，價格便宜的優(yōu)點。所以本設(shè)計采用方案三霍爾傳感器。 2.2 單片機選型 本設(shè)計用89C52單片機設(shè)計自行車里程/速度計。AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。 一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 　　AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本 2.3 顯示模塊選型 單片機系統(tǒng)中常用的顯示器有：發(fā)光二極管LED顯示器、液晶LCD顯示器等。在這里由于單片機測速系統(tǒng)比較簡單，所以只考慮LED顯示器和LCD顯示器。LED顯示器工作方式有兩種靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。 方案一 LED靜態(tài)顯示器：靜態(tài)顯示的特點是每個數(shù)碼管的段選必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示字形碼。當送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制。缺點是硬件電路比較復雜，成本較高。LED動態(tài)顯示器：動態(tài)顯示的特點是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應略小于靜態(tài)顯示電路中的。 方案二 用液晶顯示器LCD顯示信息。 LCD顯示器工作原理就是利用液晶的物理特性；通電時排列變得有序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過，說簡單點就是讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。 LCD的好處有：與CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點主要包括零輻射、低功耗、散熱小、體積小、圖像還原精確、字符顯示銳利等。 LED背光源技術(shù)能夠大幅度提升電視畫面的對比度和色彩表現(xiàn)力，同時具有節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，勢必成為未來電子顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢。LED技術(shù)具有非常明顯的三大優(yōu)勢。第一，它顯示的色彩更加豐富，色彩數(shù)量可超過目前傳統(tǒng)CCFL冷陰極熒光管背光燈的1倍以上；第二，LED背光源亮度可以隨著畫面亮度進行主動調(diào)節(jié)，可節(jié)能30%以上；第三，LED背光源不含鉛和汞等有毒有害物質(zhì)，是真正的綠色環(huán)保光源。本課題選用LED動態(tài)顯示器。 2.4 算法概述 假定輪圈的周長為L，在輪圈上安裝m個永久磁鐵，則測得的里程值最大誤差為L/m。經(jīng)綜合分析，本設(shè)計中取m=1。當輪子每轉(zhuǎn)一圈，通過開關(guān)型霍爾元件傳感器采集到一個脈沖信號，并從引腳P3.2中斷0端輸入，傳感器每獲取一個脈沖信號即對系統(tǒng)提供一次計數(shù)中斷。每次中斷代表車輪轉(zhuǎn)動一圈，中斷數(shù)n和周長L的乘積為里程值。計數(shù)器T1計算每轉(zhuǎn)一圈所用的時間t，就可以計算出即時速度v。 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 單片機主控電路 3.1.1 單片機概述 單片機就是在一塊半導體硅片上集成了微處理器（CPU），存儲器（RAM,ROM,EPROM）和各種輸入、輸出接口（定時器 /計數(shù)器，并行I/O口，串行口，A/D轉(zhuǎn)換器以及脈寬調(diào)制器PWM等），這樣一塊集成電路芯片具有一臺計算機的屬性，因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。 單片機是本次設(shè)計的核心部件，它是信號從采集到輸出的橋梁，而且包括計算、定時、信息處理等功能。目前，單片機被廣泛的應用于測控系統(tǒng)、工業(yè)自動化、智能儀表、集成智能傳感器、機電一體化產(chǎn)品、家用電器領(lǐng)域、辦公自動化領(lǐng)域、汽車電子與航空航天器電子系統(tǒng)以及單片機的多機系統(tǒng)等領(lǐng)域。在設(shè)計中選用的是AT89C52單片機。 單片機由于將CPU、內(nèi)存和一些必要的接口集成到一個芯片上，并且面向控制功能將結(jié)構(gòu)作了一定的優(yōu)化，所以它有一般芯片不具有的特點： 1. 體積小、重量輕； 2. 電源單一、功耗低； 3. 功能強、價格低； 4. 全部集成在一塊芯片上，布線短、合理； 本設(shè)計用89C52單片機設(shè)計自行車里程/速度計。AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的。 一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 (背景色) 　　AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 　　AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。 本設(shè)計選用AT89C52單片機，AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，可與工業(yè)AT89C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。 主要功能特性 1、兼容MCS51指令系統(tǒng) 　 2、8k可反復擦寫(大于1000次）Flash ROM； 　　 3、32個雙向I/O口； 　　 4、256x8bit內(nèi)部RAM； 　　 5、3個16位可編程定時/計數(shù)器； 　　 6、時鐘頻率0-24MHz； 　 7、2個串行中斷，可編程UART串行通道； 　　 8、2個外部中斷源，共5個中斷源； 　　 9、2個讀寫中斷口線，3級加密位； 　　 10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能； 　　 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-1所示。 定時/計數(shù)器 中斷系統(tǒng) CPU 存儲器 并行I/O口 串口I/O口 TXD TXD RXD T INT P0-P3 圖3-1 3.1.2 單片機的引腳功能介紹 AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8K Bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和256 字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大，AT89C52單片機適合于許多較為復雜控制場合應用。 圖3-2 AT89C52引腳圖 AT89C52提供以下標準功能：8K字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，5個中斷源，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)具有振蕩器及時鐘電路。AT89C52管腳圖如圖2.3所示。 AT89C2051芯片的20個引腳功能為： 1. Vcc：電源電壓。 2. P1口：P1口是一8位雙向I/O口。P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(AIN0)和反相輸入（AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動LED顯示。當P1口引腳寫入“1”時,其可用作輸入端。當引腳P1.2～P1.7用作輸入并被外部拉低時,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流(IIL)。 P1口還在閃速編程和程序校驗期間接收代碼數(shù)據(jù)。 3. P3口：P3口的P3.0～P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個雙向I/0引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3口緩沖器可吸收20mA電流。用作輸入時,被外部拉低P3口引腳將用上拉電阻而流出電流(IIL)。 P3口還用于實現(xiàn)AT89C2051的各種功能,如下表3-3所示。P3口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 4. RST：復位輸入。RST一旦變成高電平,所有的I/O引腳就復位到“1”。當振蕩器正在運行時,持續(xù)給出RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復位。每一個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。 5. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 6. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 表3-3 P3口的功能 P3口引腳 功能 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 RXD(串行輸入端口) TXD(串行輸出端口) INT0(外中斷0) INT1(外中斷1) TO(定時器0外部輸入) T1(定時器1外部輸入) 3.1.3 單片機中斷系統(tǒng)介紹 中斷是指當計算機執(zhí)行正常程序時，系統(tǒng)中出現(xiàn)某些急需處理的事件，CPU暫時中止當前的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行服務(wù)程序，以對發(fā)生的更緊迫的事件進行處理，待處理結(jié)束后，CPU自動返回原來的程序執(zhí)行AT89C52系列單片機的系統(tǒng)有5個中斷源，2個優(yōu)先級，可實現(xiàn)二級中斷服務(wù)嵌套。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器IE控制CPU是否響應中斷請求；由中斷優(yōu)先級寄存器IP安排各優(yōu)中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內(nèi)各終端同時提出中斷請求時，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應次序。 采用的外部中斷方式包括外部中斷0和外部中斷1，它們的中斷請求信號分別由單片機引腳/P3.2和/P3.3輸入。 外部中斷請求有兩種信號方式：電平觸發(fā)方式和脈沖觸發(fā)方式。電平觸發(fā)方式的中斷請求是低電平有效。只要在和引腳上出現(xiàn)有效低電平時，就激活外部中斷方式。脈沖觸發(fā)方式的中斷請求則是脈沖的負跳變有效。在這種方式下，在兩個相鄰機器周期內(nèi)，和 引腳電平發(fā)生變化，即在第一個機器周期內(nèi)為高電平，第二個機器周期內(nèi)為低電平，就激活外部中斷。由此可見，在脈沖方式下，中斷請求信號的高電平和低電平狀態(tài)都應至少維持一個機器周期，以使CPU采樣到電平狀態(tài)的變化，本次設(shè)計所采用的觸發(fā)方式為脈沖觸發(fā)方式。 3.1.4 單片機定時器/計數(shù)器功能介紹 AT89C52單片機定時器/計數(shù)器的工作由兩個特殊功能寄存器控制。TMOD用于設(shè)置其工作方式；TCON用于控制其啟動和中斷請求。 1.工作方式寄存器TMOD 工作方式寄存器TMOD用于設(shè)置定時/計數(shù)器的工作方式。 GATE：門控制。GATE=0時，只要用軟件使TCON中的TR0或TR1為1，就可以啟動定時/計數(shù)器工作；GATE=1時，要用軟件TR0或TR1為1，同時外部中斷引腳或也為高電平時，才能啟動定時/計數(shù)器工作。 C/：定時/計數(shù)模式選擇位。C/=0為定時模式；C/=1時為計數(shù)模式。 M1M2：工作方式設(shè)置位。定時/計數(shù)器有4種工作方式，由M1M2進行設(shè)置。 本次設(shè)計TMOD為90H，即選通定時/計數(shù)器為1、定時功能、工作方式1.工作方式為16位定時/計數(shù)器。 2.控制寄存器TCON TF1（TCON.7）定時/計數(shù)器T1溢出中斷請求標志位。定時/計數(shù)器T1計數(shù)溢出時由硬件自動置TF1為1。CPU響應中斷后TF1由硬件自動清零。T1工作時，CPU可隨時查詢TF的狀態(tài)。所以，TF1可用作查詢測試的標志。TF1也可以用軟件置1或清零，同硬件置1或清零的效果一樣。 TR1（TCON.6）定時/計數(shù)器T1運行控制位。TR1置1時，定時/計數(shù)器T1開始工作；TR1置0時，定時/計數(shù)器T1停止工作。TR1由軟件置1或清0。 TF0（TCON.5）定時/計數(shù)器T0溢出中斷請求標志位。 TR0（TCON.4）定時/計數(shù)器T0運行控制位。 3.2 霍爾傳感器的測溫原理 在信號脈沖發(fā)生源上，本系統(tǒng)采用的是開關(guān)型霍爾傳感器。 以磁場作為媒介，利用霍爾傳感器可以檢測多種物理量，如位移、振動、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電流、電功率等。它不僅可以實現(xiàn)非接觸測量，并且采用永久磁鐵產(chǎn)生磁場，不需附加能源。另外霍爾傳感器尺寸小、價格便宜、應用電路簡單、性能可靠，因而獲得極為廣泛的應用。除了直接利用霍爾傳感器外，還利用它開發(fā)出各種派生的傳感器。 金屬或半導體薄片的兩個端面通以控制電流Ic，并在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電勢Uh，稱為霍爾電勢或霍爾電壓(如圖l所示)?；魻栯妱軺h=KhIcB(其中Kh為霍爾元件靈敏度，它與所用的材料及幾何尺寸有關(guān))。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，而用這種效應制成的元件稱為霍爾元件。由于霍爾元件輸出的電壓信號較小，并且有一定溫度誤差，目前已較少直接使用霍爾元件作傳感器?；魻杺鞲衅髟韴D如圖3-4所示。 圖3-4 霍爾傳感器磁場效應 本系統(tǒng)采用開關(guān)型霍爾傳感器A04E。開關(guān)型霍爾傳感器是一種集成傳感器，它內(nèi)部含有霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓電源、帶一定滯后特性的比較器及集電極開路輸出部分等，如圖3-5所示。 圖3-5 開關(guān)型霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 開關(guān)型霍爾傳感器的工作特性如圖3-6 所示。 圖3-6 開關(guān)型霍爾傳感器工作特性 當外加的磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，但磁感應強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRE時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。Bop與Bre之間的滯后(或稱為回差)使開關(guān)動作更為可靠。 圖3-7 霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)速示意圖 霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)速示意圖3-7如下。在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉(zhuǎn)動一圈霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機測量產(chǎn)生脈沖的頻率，就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。同樣道理，根據(jù)圓盤(車輪)的轉(zhuǎn)速，再結(jié)合圓盤的周長就是計算出物體的位移。如果要增加測量位移精度，可以在圓盤(車輪)上多增加幾個磁鋼。 由于傳感器內(nèi)部為集電極開路輸出，所以需外接一個上拉電阻，其阻值與電源電壓大小有關(guān)，一般取1～2k，如圖3-8所示。 圖3-8 傳感器輸出電路 3.3 存儲器電路 AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是內(nèi)含2568位存儲空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點。 AT24C02的1、2、3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。在AT89C2051試驗開發(fā)板上它們都接地，第8腳和第4腳分別為正、負電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過這條雙向I2C總線串行傳送，在AT89C2051試驗開發(fā)板上和單片機的P3.5連接。第6腳SCL為串行時鐘輸入線，在AT89C2051試驗開發(fā)板上和單片機的P3.6連接。SDA和SCL都需要和正電源間各接一個5.1K的電阻上拉。第7腳需要接地。 AT24C02中帶有片內(nèi)地址寄存器。每寫入或讀出一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實現(xiàn)對下一個存儲單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時間，一次操作可寫入多達8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。 AT24C02是CMOS2048位串行E2PROM，在內(nèi)部的組織成2568位。AT24C02的特點是具有允許在簡單的二線總線上工作的串行接口和軟件協(xié)議。在本設(shè)計中用芯片AT24C02的SDA端與單片機的P3.7口相連，SCL端與單片機的P3.5口相連。因為在這個I2C總線上只有一個器件，所以把AT24C02的地址設(shè)為000，即把A0、A2、A3都接地。單片機計算出來的里程數(shù)據(jù)通過SDA、SCL向AT24C02輸送數(shù)據(jù)。單片機首先向AT24C02發(fā)送寫信號，當確認后從單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)儲存單元提取數(shù)據(jù)然后向AT24C02的內(nèi)部地址傳送數(shù)據(jù)。當顯示里程時，單片機首先向AT24C02發(fā)送讀信號，然后確認后，單片機從AT24C02內(nèi)部的地址向單片機的讀出單元字節(jié)讀出數(shù)據(jù)，供顯示所用。與單片機的接口如圖3-9所示。 圖3-9 AT24CO2與單片機的接口電路 3.4 74LS74芯片 本次設(shè)計中的采用驅(qū)動數(shù)碼管的芯片為74LS244，74LS244為三態(tài)輸出的八位緩沖器和線驅(qū)動器，若單片機輸出口直接接顯示部分電路，則電流太小，會導致顯示部分不能正常工作。所以在單片機輸出口先接入驅(qū)動芯片74LS244，增大電流，使LED能夠正常工作。其邏輯圖如圖3-10所示，可以看出74LS244由2組組成、每組由四路輸入、輸出構(gòu)成。每組有一個控制端高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開。 圖3-10 74LS244邏輯圖 74LS74是D觸發(fā)器的一種,它是一個具有記憶功能的二進制信息存儲器件，是構(gòu)成多種時序電路的最基本邏輯單元。觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即“0”和“1”，在一定的外界信號作用下，可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。由于其狀態(tài)的更新發(fā)生在CP脈沖的邊沿故又稱之為上升沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器，D觸發(fā)器的狀態(tài)只取決于時針到來前D端的狀態(tài)。引腳圖如圖3-11所示。 圖3-11 74LS74引腳圖 在本題目中74LS74芯片起分頻的作用。當車輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個低電平脈沖，通過74LS74進行二分頻后，定時器T1的開啟時間為車輪轉(zhuǎn)1圈的時間，這樣就可以算出自行車的速度。分頻前后對比圖如圖3-12所示。 t t 0 0 v v 霍爾輸出圈脈沖 二分頻后的波形 圖3-12 分頻前后對比圖 由圖可見，二分頻后的波形的高或地電平的時間正好是霍爾傳感器開關(guān)的一個周期，霍爾傳感器輸出脈沖到，即P3.2口接收到對圈數(shù)計數(shù)的脈沖。經(jīng)74LS74二分頻后的信號輸入到，內(nèi)部定時計數(shù)器測得每轉(zhuǎn)一圈所用的時間，通過計算即可得里程值和即時速度。 3.5 時鐘電路的設(shè)計 時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AT89C52片內(nèi)由一個反相放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時鐘。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。本設(shè)計采用前者。 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機內(nèi)部時鐘方式的振蕩電路如圖3-13所示。 圖3-13單片機片內(nèi)振蕩電路 電路中的電容C1和C2常選擇為30PF左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。而外接晶體的振蕩頻率的大小，主要取決于單片機的工作頻率范圍，每一種單片機都有自己的最大工作頻率，外接的晶體振蕩頻率不大于單片機的最大工作頻率即可。此外，如果單片機有串行通信，則應該選擇振蕩頻率除以串行通信頻率可以除盡的晶體。本設(shè)計晶振采用12MHz，故計數(shù)周期為1us。 3.6 復位電路的設(shè)計 AT89C52單片機的復位輸入引腳RET為AT89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在89C52的時鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平時，單片機內(nèi)部則初始復位。只要RET保持高電平，則89C52循環(huán)復位。只有當RET由高電平變成低電平以后，89C52才從0000H地址開始執(zhí)行程序。 本系統(tǒng)的復位電路是采用按鍵復位的電路，如圖3-14所示，是常用復位電路之一。單片機復位通過按動按鈕產(chǎn)生高電平復位稱手動復位。上電時，剛接通電源，電容C相當于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使89C52全機自動復位，這就是上電復位；若運行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RET/VPD端從而復位稱為手動復位。復位后，P0到P3并行I/O口全為高電平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器狀態(tài)不確定。 圖3-14 按鍵復位電路 工作原理：通電瞬間，RC電路充電，RST引腳出現(xiàn)高電平，只要RST端保持24ms以上高電平，就能使單片機有效地復位。 3.7 顯示電路的設(shè)計 本設(shè)計中采用LED數(shù)碼管顯示。在單片機系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼顯示器來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。八段LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成。其中7個發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個筆畫段，另一個小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。如圖3-15所示。本次設(shè)計采用共陰極接法。 LED顯示方式有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方式。本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示接口電路，動態(tài)顯示接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM各自獨立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于COM端。也就是說我們可以采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。 圖3-15 七(八)段LED顯示器 本設(shè)計P2.0、P2.1、P2.2、P2.3信號一起組成位選通的位選信號，P0.0～P0.7信號一起組成段碼選通的段選信號，通過軟件編程，先把所要顯示的數(shù)據(jù)放入存儲單元，然后把數(shù)據(jù)送入段選通對應的地址，再選通某一個LED，逐步完成四個LED的顯示。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 概述 在硬件設(shè)計完畢之后，接下來就是設(shè)計中最核心和最為主要的軟件部分設(shè)計。所謂軟件設(shè)計就是把軟件需求變換成軟件的具體設(shè)計方案（即模塊結(jié)構(gòu)）的過程。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計即是根據(jù)要求和硬件設(shè)計的結(jié)構(gòu)，將整個系統(tǒng)的功能分成許多小的功能模塊，再根據(jù)這些小的功能模塊進行程序編寫的過程。這樣的設(shè)計方法，使得系統(tǒng)的整個功能和各部分的功能趨于明朗化。當系統(tǒng)出現(xiàn)問題，就可以根據(jù)功能設(shè)置找出問題的根源，從而更快地解決問題。所以說，在整個設(shè)計過程中，軟件設(shè)計必須與硬件設(shè)計緊密地結(jié)合在一起。 基于霍爾傳感器自行車的速度里程表的軟件設(shè)計包括中斷子程序、里程調(diào)用子程序、LED顯示子程序等幾大部分。由于要實現(xiàn)很多功能，所以采用模塊化設(shè)計，下面就其主要部分分別加以分析。 4.2 總體程序設(shè)計 在主程序模塊中，需要完成對各接口芯片的初始化、自行車里程和速度的初始化、中斷向量的設(shè)計以及開中斷、循環(huán)等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設(shè)置啟動/清除標志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，并對它們進行初始化。然后主程序?qū)⒏鶕?jù)各標志寄存器的內(nèi)容，分別完成啟動、清除、計程和計速等不同的操作。 P1.0和P1.1口分別用于顯示里程狀態(tài)和速度狀態(tài)。P1.2、P1.3、P1.6和P1.7口分別用于設(shè)置輪圈的大小，低電平有效。P3.0是用于里程和速度切換的，低電平為顯示速度，高電平為顯示里程。中斷0是對輪子圈數(shù)的計數(shù)輸入，輪子每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個低電平脈沖。將根據(jù)里程寄存器中的內(nèi)容計算和判斷出行駛里程數(shù)。中斷1用于控制定時器T1的啟/停，當輸入為0時關(guān)閉定時器。此控制信號是將輪子圈數(shù)的計數(shù)經(jīng)二分頻后形成。這樣，每次定時器T1的開啟時間剛好為轉(zhuǎn)一圈的時間，根據(jù)輪子的周長就可以計算出自行車的速度。其程序流程如圖4-1所示。 開始 初始化 P1.2=1? N P1.3=1? P1.6=1? P1.7=1? 出錯提示 將車圈周長調(diào)入21H 開中斷，啟動定時器 P3.0=1? 調(diào)用里程處理子程序 調(diào)用速度處理子程序 N N N Y Y Y Y N Y 圖4-1 主程序流程圖 系統(tǒng)程序設(shè)計如下： $INCLUDE (REG52.INC) DISPBUFEQU59H ;顯示緩沖區(qū)從5AH開始 SecCounEQU58H SpCounEQU56H;速度計時器單元57H和58H，高位在前（57H單 元中） CountEQU55H;顯示時的計數(shù)器 SpCalcbit00h;要求計算速度的標志，該位為1則主程序進行 速度計算，然后清該位 HiddenEQU16;消隱碼 ORG0000H AJMPSTART ORG1BH JMPTIMER1;定時中斷1入口 ORG30H START:MOVSP,#5FH;設(shè)置堆棧 MOVP1,#0FFH MOVP0,#0FFH MOVP2,#0FF H;初始化，所有顯示器、LED滅 MOVTMOD,#00010101B;定時器T1工作于方式1，定時器0工作方式1， 計數(shù)器 MOVTH1,#HIGH(65536-3686) MOVTL1,#LOW(65536-3686) SETBTR1 SETBET1;開定時器1中斷 SETBEA LOOP:JNBSpCalc,LOOP;如果未要求計算，轉(zhuǎn)本身循環(huán) ;標號： ＭＵＬＤ 功能：雙字節(jié)二進制無符號數(shù)乘法 ;入口條件：被乘數(shù)在R2、R3中，乘數(shù)在R6、R7中。 ;出口信息：乘積在R2、R3、R4、R5中。 ;影響資源：PSW、A、B、R2～R7 堆棧需求： ２字節(jié) MOVR2,SpCoun MOVR3,SpCoun+1 MOVR6,#0 MOVR7,#5;測得的數(shù)值是每秒計數(shù)值，轉(zhuǎn)為分（每一轉(zhuǎn)測 12次，故乘5而非60） CALLMULD SEND:MOVSBUF,R2 SLP1:JBCTI,SN1;是否送完？ AJMPSLP1 SN1:MOVSBUF,R3 SLP2:JBCTI,SN2 AJMPSLP2 SN2:MOVSBUF,R4 SLP3:JBCTI,SN3 AJMPSLP3 SN3:MOVSBUF,R5 SLP4:JBCTI,SN4 AJMPSLP4 SN4: ;標號： ＨＢ２ 功能：雙字節(jié)十六進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)ＢＣＤ碼整數(shù) ;入口條件：待轉(zhuǎn)換的雙字節(jié)十六進制整數(shù)在R6、R7中。 ;出口信息：轉(zhuǎn)換后的三字節(jié)ＢＣＤ碼整數(shù)在R3、R4、R5中。 ;影響資源：PSW、A、R2～R7 堆棧需求： ２字節(jié) MOVA,R4 MOVR6,A MOVA,R5 MOVR7,A;將乘得的結(jié)果送R6R7準備轉(zhuǎn)換，這里結(jié)果不可能超過2 字節(jié) CALLHB2 MOVDISPBUF,R3;最高位 MOVA,R4; ANLA,#0F0H;去掉低4位 SWAPA;將高4位切換到低4位 MOVDISPBUF+1,A MOVA,R4 ANLA,#0FH MOVDISPBUF+2,A MOVA,R5 ANLA,#0F0H SWAPA MOVDISPBUF+3,A MOVA,R5 ANLA,#0FH MOVDISPBUF+4,A CLRSpCalc;清計算標志 JMPLOOP 4.3 中斷子程序設(shè)計 定時中斷是為滿足定時或計數(shù)的需要而設(shè)置的。在單片機內(nèi)部有兩個定時/計數(shù)器，以對其中的計數(shù)結(jié)構(gòu)進行計數(shù)的方法，來實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。當結(jié)構(gòu)發(fā)生計數(shù)溢出時，即表明定時時間或計數(shù)值已滿，這時就以計數(shù)溢出信號作為中斷請求，去置位一個溢出標志，作為單片機接受中斷請求的標志。這種中斷請求是在單片機芯片內(nèi)部發(fā)生的，因此無須在芯片上設(shè)置引入端。 定時/計數(shù)器控制寄存器TCON是8位寄存器，地址為88H，可以位尋址。其高4位用于定時/計數(shù)器中斷控制，低4位借給外部中斷，用做中斷標志和觸發(fā)方式選擇位。本設(shè)計采用定時中斷，對自行車的里程和速度進行計數(shù)。中斷子程序流程圖如圖4-2所示。 關(guān)中斷 開始 現(xiàn)場保護 開中斷 中斷處理 關(guān)中斷 現(xiàn)場恢復 開中斷 中斷返回 圖4-2中斷子程序流程圖 4.4 里程計算子程序 外部中斷0服務(wù)程序用于對單片機P3.2口輸入的圈數(shù)脈沖進行計數(shù)，為十六進制計數(shù)器。60H為低位，62H為高位。每次計數(shù)一次后，對里程數(shù)據(jù)進行一次存儲操作。當車輪每轉(zhuǎn)一圈，通過霍爾元件將脈沖數(shù)輸入單片機內(nèi)，通過計數(shù)器計出脈沖數(shù)，再用乘法子程序算出里程數(shù)。里程處理子程序流程圖如圖4-3所示。 開始 點亮里程指示 將車圈數(shù)轉(zhuǎn)換成里程 顯示里程值 返回 圖4-3 里程處理子程序流程圖 4.5 顯示子程序的設(shè)計 采用動態(tài)掃描顯示接口電路，動態(tài)顯示接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM各自獨立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于COM端?？梢圆捎梅謺r的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。 本設(shè)計P2.0、P2.1、P2.2、P2.3信號一起組成位選通的位選信號，P0.0～P0.7信號一起組成段碼選通的段選信號，通過軟件編程，先把所要顯示的數(shù)據(jù)放入存儲單元，然后把數(shù)據(jù)送入段選通對應的地址，再選通某一個LED，逐步完成四個LED的顯示。顯示子程序流程圖如圖4-4所示。 開始 顯示單元首址 取顯示數(shù)據(jù) 送段碼到P0口 取段碼表首址 調(diào)用延時 送位選到P2口 4位顯示結(jié)束 返回 Y N 修改顯示單元地址 求下一位位選碼 圖4-4 顯示子程序流程圖 總結(jié)與展望 本設(shè)計以AT89C2051為核心，利用單片機的運算和控制功能，并采用系統(tǒng)化LED顯示模塊實時顯示所測速度的設(shè)計方案，以及串口數(shù)據(jù)存儲電路和系統(tǒng)軟件。本設(shè)計主要分為硬件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的簡單性，故盡可能簡化硬件電路，節(jié)省線路板的空間，達到硬件電路最優(yōu)化設(shè)計。軟件采用匯編語言編寫，采用模塊化設(shè)計思想，程序可讀性強。通過實驗驗證了系統(tǒng)的可行性，能滿足設(shè)計要求，達到設(shè)計的指標，實現(xiàn)對自行車里程/速度的計算功能，并用LED顯示， 當車輪轉(zhuǎn)動，小磁片滑過霍爾元件時，霍爾元件輸出一脈沖，可根據(jù)車輪周長計算里程，選擇不同的車輪周長，里程數(shù)的變化有所不同；當按下開關(guān)，顯示速度時，LED會根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同顯示不同的數(shù)字。 論文主要是在參考各種資料和相關(guān)的專業(yè)文獻的基礎(chǔ)上完成的，所參考的專業(yè)文獻在論文中已經(jīng)列單出來，但還有部分來源資料參差不齊不能在論文中詳細列出，在這里也說明一下。論文的整個制作過程的確不容易，現(xiàn)在回想一下那段時日，有艱辛的一面，亦有喜悅的一面，但整個過程總結(jié)來說還是蠻充實的，畢竟在整個設(shè)計的過程中，自己又對已經(jīng)學過的專業(yè)課知識梳理了一下，而且對于實際的應用和需求也參考了各個方面的資料，所以整個設(shè)計過程下來，自己整體的專業(yè)知識水平又進行了一次升華。