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基于单片机的多功能自行车里程表的设计 大庆师范学院本科毕业论文（设计） 摘 要 本文设计了一种基于霍尔元件的自行车的速度和里程测量系统。以AT89C52单片机为核心，A44E霍尔传感器测转数，从而实现对自行车里程、速度的测量统计，采用AT24C02实现在系统掉电的时候保存里程信息，并可以将自行车的里程和速度的物理量用LED显示出来。硬件部分是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往显示装置；软件部分用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。 关键词：速度；里程；霍尔元件；AT89C52单片机 Abstract I am based on the design of a Holzer element to the bicycle's speed and mileage measurement system in this thesis. The main content is take AT89C52 single chip as the core, A44E Holzer sensor in measuring speed, thus realizing the bicycle mileage and speed measurement statistics, the use of AT24C02 realize in save mileage information when the system power off, and can be displaying the bicycle mileage and speed of the physical quantity in the LED. The hardware part of the Holzer element will take the pulse number of every turn to bike transfer to SCM system, then SCM system will signal is processed to display device; use the assembly language programming in the software part, 啊pplication the idea of modularization. Keywords: Speed; course; Holzerelement; AT89C52 SCM 目 录 １第一章 前言 １1.1 课题背景 １1.2 课题设计的任务和 １1.3 课题设计的内容 2第二章 自行车里程表的总体#设计# 22.1 霍尔传感器 22.2 设计思路 22.3 硬件设计 32.4 软件设计 5第三章 自行车里程表的电路设计 53.1 测量系统 63.2 数据处理系统 83.3 时钟电路的设计 83.4 显示电路设计 9第四章 软件部分设计 94.1 系统总程序设计 94.2 数据处理程序设计 11第五章 总结 12参考文献 13附 表 第一章 前言 1.1 课题背景 自行车是一种普遍的交通工具。而随着社会的发展，交通日益拥挤，能源也开始变得紧张，人们的视线开始向自行车转移，自行车也加入到了健身器材的行列。但自行车有它设计的局限性，不能将速度、里程的数据直观的显示给人们。本文的设计是对自行车的一些完善，可以通过设备将速度、里程清晰直观的显示给人们，让人们能够清楚的了解到自行车的时速、行程。 1.2 课题设计的任务和要求 研究测量自行车速度和里程的方案，并设计出电路，以实现对自行车的速度和里程两个物理量的测量和显示。 1.3 课题设计的内容 本文是介绍的是以霍尔元件和单片机为基础设计的出的电路，原理是先在单片机中设定自行车的车轮周长tc，通过霍尔元件测量自行车车轮转动一周的时间t，然后将数据传输给单片机，其中时速V=tc/t，而里程L=tc*T/t，T为行驶总时间。数据是通过外部电路经由霍尔元件传给单片机，单片机将数据处理过之后再经过外部电路转输给LED，将数据显示具体化，从而使人们可以直观的看到自行车的速度和行驶里程。 第二章 自行车里程表的总体设计方案 2.1 霍尔传感器 霍尔传感器是一种能够实现磁电转换的传感器，它可以出磁场的变化。霍尔传感器具有很多优点：体积小、寿命长、、功耗低、耐振动、结构坚固、抗污染和腐蚀能力较强。 霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为L，宽度为B，厚度为D，当他被置于磁场强度为B的磁场中时，如果在其相对两边通入控制电流I，且电流方向与磁场方向成正交，则在半导体的另外相对两边产生一个大小为控制电流I与磁场强度B乘积成正比的电势Uh，即Uh=KhIB，其中Kh为霍尔元件的灵敏度系数，该电势就称为霍尔电势。 2.2 设计思路 本文设计思路为：假定车轮的周长为L，在车轮上安装1个永久磁铁，当车轮每转一周，通过开关霍尔元件可以采集到一个脉冲信号，并从引脚P3.2中断O端输入，霍尔元件每获取一个脉冲信号就对系统提供一次计数中断，每次中断则表示车轮转动一周，所以自行车的里程为中断数n和车轮周长L的乘积；通过计数器T1计算出车轮每转一周所用的时间t，就可以计算出速度v。当测量里程按键被按下时，里程指示灯亮，LED显示为里程数；当测量速度按键被按下时，速度指示灯亮，LED显示为速度值。 2.3 硬件设计 测速首先要解决的问题是采样，使用单片机进行测量，可以可以使用脉冲计数法，车轮每转一周可以产生数量固定的脉冲，并送入单片机中进行计算，就可以获得速度的信息。因霍尔传感器不受天气、光线等影响，也不会受到灰尘的影响，所以本文采用霍尔传感器。霍尔传感器机械结构较为简单，可以在转轴齿轮上粘几粒永久磁钢，霍尔传感器固定在前叉上面。当车轮转动时，霍尔传感器接触到永久磁钢时就会有信号输出，当车轮不停转动时就会有连续信号输出。粘磁钢的时候要注意，霍尔传感器对磁场的方向十分敏感，粘上磁钢后如果没有信号输出，则可以换个方向试试。霍尔传感器是磁敏元件，常用的采集信号的有A44E，该传感器与三极管很相似，有三个管脚，只要接上电源和地就可以工作，工作电压较宽，其外形如图2-1所示。 1-VCC 2-GND 3-OUT 图2-1 A44E外形图 本文的设计是以单片机为核心，主要是因为单片机将CPU、内存和一些主要的接口集中在了一个芯片上面，而且它功耗低、功能强、体积小、重量轻、运行速度快等特点，所以我的设计是以单片机为核心。本文中的设计用的单片机是AT89C52单片机，系统原理图如图2-2所示。 图2-2 系统原理图 2.4 软件设计 程序的设计要考虑合理性和可读性，循环模块设计的原则是采用自顶向下的方法，模块化设计可以使程序的可读性良好，修改方便。软件设计包括主程序、行车途中速度和里程计算子程序、延时子程序、中断服务子程序、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O，将经过74LS74分频后的信号接入外部中断1，利用中断和定时器对分别对里程进行累加、车轮每转一周的时间进行测量；数据处理子程序是将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间形成对应关系，经过软件的编程显示所需要的值。显示子程序是将数据处理后的结果送往显示装置，通过LED显示出来。系统软件总体如图2-3所示，其中A为系统判断条件，即测量速度或者里程，现实中用按键实现此项功能。 图2-3 软件系统流程图 第三章 自行车里程表的电路设计 3.1 测量系统 测量系统的作用就是捕捉信号，将捕捉到的信号通过电路传送走。测量系统所应用的器件就是霍尔传感器，本次设计所利用的就是霍尔传感器磁敏的特性：置于磁场中的导体或者半导体通入与磁场方向垂直的电流，就会产生一个与磁场和电流都垂直的电势。如图3-1所示，利用霍尔效应制成的元件就成为霍尔元件。霍尔元件的灵敏性很高，符合本次设计的要求，所以测量系统选择霍尔传感器。 图3-1 霍尔效应原理图 根据设计的要求，我们选择霍尔传感器中的霍尔开关器件。A44E就是霍尔开关器件，如图3-2（a）所示，其中A为稳压器，B为霍尔电势发生器，C为差分放大器，D为施密特触发器，E为OC门输入，图中的（1）、（2）、（3）为三个引出端。在电源端加电压Vcc，经由稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，由于霍尔元件的特性，会产生一个电势差，该电势差经过放大器的放大后送往施密特触发器，由施密特触发器对信号进行整形形成方波，然后送往OC门输出。当施加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压，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，这样随着磁场变化霍尔开关就完成了一次开关动作。工作点与释放点的差值就是磁滞，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，由测量数据作出的输出特性曲线如图3-2(b)所示，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3-2 霍尔开关传感器 图3-3 霍尔开关接线图 3.2 数据处理系统 74LS74是D触发器的一种，本次设计中74LS74所起到的作用就是分频，车轮每转动一周，霍尔传感器就发出一个低电平脉冲，通过74LS74进行二分频后，定时器T1开启的时间为车轮转动一周的时间，这样就可以算出自行车的速度了。分频前后对比图如图3-4所示。由图可知二分频后波形时间正好是霍尔传感器开关的时间。 图3-4 分频前后对比图 为了能够是CPU采样到电平的变化，本次的设计采用的中断方式为脉冲触发方式。用INT0和INT1引脚来实现中断。 存储器AT24C02是一个2K为串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，一个16字节写缓冲器，该器件通过I2C总线口进行操作有一个专门的写保护功能，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以将最多达8个AT24C02器件连接到总线上面。AT24C20管脚如图3-5所示。 图3-5 AT24C02管脚图 SCL为串行时钟，用于产生器件所有的数据发送或接收的时钟。 SDA为串行数据/地址，用于器件所有数据的发送或接收，是一个开漏输出管脚，可与其它开漏输出或集电极开路输出进行连线。 WP是写保护，如果WP管脚连接到Vcc，则所有的内容就只能读不能写；当WP管脚连接到Vss或悬空，则可以允许器件进行正常的读/写操作。 本次设计采用的AT24C02是为了防止掉电时里程数据的丢失，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传输数据，所以只用两根线SCL和SDA与单片机传输数据。在软件编程时采用E2PROM程序包来控制AT24C02发送或接收数据。 74LS244的作用是驱动数码管，将单片机的输出口直接接显示电路的话，电流太小无法显示，所以要通过驱动芯片74LS244来放大电流，使LED可以正常工作。图3-6为74LS244的逻辑图。 图3-6 74LS244逻辑图 3.3 时钟电路的设计 单片机的各项功能运行都是通过时钟频率为基准的，此次设计所采用的为内部时钟。AT89C52单片机内部的高增益反向放大器的输入引脚XTAL1和输出引脚XTAL2跨接石英晶体振荡器和电容，就构成一个稳定的自激振荡器。单片机内部时钟方式的振荡电路如图3-7所示。电路中的电容C1和C2常选择为30P左右，外接电容的值虽然没有严格要求，但电容大小会影响振荡器的高低、稳定性、起振的快速性和温度的稳定性，而外接晶体振荡频率的大小，主要取决于单片机工作频率范围，每一种单片机都有自己最大工作频率，外接晶体振荡频率不大于单片机最大工作频率即可。此外，如果单片机有串行通信，则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶体。此次设计晶振采用12MHz，则计数周期为 S （2-1） 图3-7 单片机内振荡电路 3.4 显示电路设计 本次设计中显示部分是由LED显示。八段LED显示器由7个发光二极管构成8字的笔画，还有小数点为dp发光二极管。此次设计所用LED显示器是采用公阴极连接方法，动态显示方法。就是把所有显示器中a-h同名端连接在一起，而公共极COM各自独立接受I/O线控制，当CPU向字段输出口送字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，究竟哪个显示取决于COM端，采用分时方法，可以使显示器轮流点亮，由于每个显示器点亮时间及其短暂，人类有视觉延迟，所以不会有闪烁感。 第四章 软件部分设计 4.1 系统总程序设计 在主程序模块中，需要完成对各接口芯片的初始化、自行车里程和速度的初始化、中断向量的设计以及开中断、循环等待等工作。另外，在主程序模块中还需要设置启动/清除标志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，并对它们进行初始化。然后主程序将根据各标志寄存器的内容，分别完成启动、清除、计程和计速等不同的操作。P1.0和P1.1口分别用于显示里程状态和速度状态。P1.2、P1.3、P1.6和P1.7口分别用于设置轮圈的大小，低电平有效。P3.0是用于里程和速度切换的，高电平为显示里程，低电平为显示速度。中断0用于对轮子圈数的计数输入，轮子每转一圈，霍尔传感器输出一个低电平脉冲。将根据里程寄存器中的内容计算和判断出行驶里程数。中断1用于控制定时器T1的启动/停止，当输入为0时关闭定时器。此控制信号是将轮子圈数的计数经二分频后形成。这样，每次定时器T1的开启时间刚好为转一圈的时间，根据轮子的周长就可以计算出自行车的速度。其程序流程如图附表1所示。 4.2 数据处理程序设计 通过外中断0服务程序用于对单片机P3.2口输入的圈脉冲进行计数，为十六进制计数器。60H为低位，62H为高位。每次计数一次后，对里程数据进行一次存储操作。当车轮每转一圈，通过霍尔元件将脉冲数输入单片机内，通过计数器计出脉冲数，再用乘法子程序算出里程数。里程处理子程序流程图如图4-1所示。 图4-1 里程处理子程序 通过外中断1服务程序用于处理轮子转动一圈后的计时数据。当标志位（00H）为1时，计数溢出，放入最大时间值（为#0FFH）；当标志位为0时，将计数单元（TL1、TH1、6CH、6DH）的值放入68H～6BH单元。定时器计出每转一圈所用的时间，用自行车车轮的周长除以时间就得出自行车的速度。程序流程图如图4-2所示。 图4-2 速度处理子程序 显示子程序是通过P2.0、P2.1、P2.2、P2.3信号一起组成位选通的位选信号，P0.0～P0.7信号一起组成段码选通的段选信号，通过软件编程，先把所要显示的数据放入存储单元，然后把数据送入段选通对应的地址，再选通某一个LED，逐步完成四个LED的显示。程序流程图见附表2。 第五章 总结 本文的设计使用AT89C52单片机为处理中心，应用霍尔传感器A44E来获取信息，经由外部电路将信息传输给触发器74LS74，信息经过触发器74LS74的处理后经由外部电路传输给处理中心AT89C52单片机，由于已在单片机内设定程序，信息经过单片机的计算处理后输出，通过驱动器74LS244放大信号，利用LED将信号显示出来。由于此次设计所有的器件体积小，质量轻，成本低，而且该系统对测量场地无要求，对外界不利因素如：温度、灰尘等有很高的抗性，所以应用范围广阔。系统的主要核心为单片机，实际操作比较简单，还可以进行二次编程，再度开发空间大。 [参考文献] [1] 楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例.北京航空航天大学出版社,2006 [2] 张洪润,张亚凡.传感器技术与应用教程.清华大学出版社,2005． [3] 张毅刚,刘杰.MCS-51单片机原理及应用.哈尔滨工业大学出版社,2004 [4] 何希才.传感器及其应用.国防工业出版社,2001 [5] 陈雪丽.单片机原理及接口技术.化学工业出版社,2005． [6] 曲家骇，王季秩.伺服控制系统中的传感器[M].机械工业出版社,1998 [7] 张友德，赵志英，涂时亮.单片机微机原理，应用与实验[M].上海：复旦大学出版社，2003 [8] 张福学.传感器使用电路150例.中国技术出版社,1992年 [9] 黄河,郭纪林.单片机原理及应用.大连理工大学出版社,2006 [10] 刁文兴.自行车电子里程表的初步设计.南京工业职业技术学院学报,2004,6:25-28 附 表 附表1 附表1 主程序流程图 附表2 附表2 显示子程序流程图 附表3 附表3 自行车里程表硬件电路图 AT89C52单片机 外部存储器 霍尔传感器 外部信号 里程显示 速度显示 报警部分 初始化 P3.0=1? 计算里程 显示里程 计算速度 显示速度 A 开始 二分频后的波形 霍尔输出圈脉冲 v v 0 0 t t 报警 计算速度 开速度指示灯 开始 返回 显示里程值 将车圈数转换成里程 开始 点亮里程指示灯 显示速度 A Y 是否超速？ 返回 N Y Y Y Y N N Y N 调用速度处理子程序 调用里程处理子程序 P3.0=1? 开中断，启动定时器 将车圈周长调入21H 出错提示 P1.7=1? P1.6=1? P1.3=1? N P1.2=1? 初始化 开始 求下一位位选码 修改显示单元地址 N Y 返回 4位显示结束 送位选到P2口 调用延时 取段码表首址 送段码到P0口 取显示数据 显示单元首址 开始 PAGE 15 _1275766375.vsd D A B C E VCC (1) (2) GND OUT (3) (a) 0 5 10 15 20 3 6 9 12 VO/V B/mT 释放点 (OFF) 工作点 (ON) (V) (b) _1275766447.vsd X Y Z B I L Uh b d _1303135796.unknown _1274985161.vsd � � � A44E � 1� 2� 3�