【正文】 工具轉(zhuǎn)換成休閑娛樂運(yùn)動的用途。 隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運(yùn)輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。因此，人們希望自行車的功用更強(qiáng)大，能給人們帶來更多的方便。自行車?yán)锍趟俣缺碜鳛樽孕熊嚨囊淮筝o助工 具也正是隨著這個要求而迅速發(fā)展的，其功能也逐漸從單一的里程顯示發(fā)展到速度、時間顯示，甚至有的還具有測量騎車人的心跳、顯示騎車人熱量消耗等功能。本設(shè)計采用了 MCS51 系列單片機(jī)設(shè)計一種體積小、操作簡單的便攜式自行車的速度里程表，它能自動地顯示當(dāng)前自行車行走的距離及運(yùn)行的速度。 單片機(jī)發(fā)展趨勢 現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從 8 位、 16位到 32位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的 應(yīng)用提供廣闊的天地?？v觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢，大致有： CMOS 化 MCS51系列的 8031 推出時的功耗達(dá) 630mW， 2 而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在 100mW 左右，隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機(jī)制造商基本都采用了 CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )和CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )。 CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些 特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。 (CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲 (RAM)、只讀程序存儲器 (ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量 身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小。現(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中 SMD(表面封裝 )越來越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 ，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS 公司的產(chǎn)品， ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的 Winbond 系列單片機(jī)。所以 C8051 為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江 1山。而 Microchip 公司的 PIC精簡指令集 (RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的 HOLTEK公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機(jī)。 3 在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成，共同發(fā)展的道路 課題的主要任務(wù)及內(nèi)容 本課題主要任務(wù)是利用霍爾元件、單片機(jī)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(jìn)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(jī)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；最后針對仿真過程 遇到的問題進(jìn)行了具體說明與分析，對本次設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié) 。 具體的硬件電路包括 ： AT89C52 單片機(jī)的外圍電路以及 LED 顯示電路等。 軟件設(shè)計包括：芯片的初始 化程序、定時中斷采樣子程序、顯示子程序等，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 。 4 第二章 系統(tǒng) 總體方案設(shè)計 設(shè)計總體思想 方案一： 本 設(shè)計的任務(wù)是：以通用 MCS51 單片機(jī)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(jìn)行處理后送入單片機(jī)。里程及速度的測量，是經(jīng)過 MCS51 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(jī)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(dāng)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 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輪圈的周長為 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(dāng)里程鍵按下時，里程指示燈亮， LED 切換顯示當(dāng)前里程，與當(dāng)速度鍵按下時，速度指示燈亮， LED 切換顯示當(dāng)前速度，若自行車超速，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，指示燈閃爍。 要求達(dá)到的各項指標(biāo)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(jìn)行計數(shù)。 實現(xiàn)：利用單片機(jī)自帶的計數(shù)器 T1 對霍爾傳感器脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。 3. 對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行處理得到需要的數(shù)值。 5 最終實現(xiàn)目標(biāo)：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(jī)作控制，顯示電路可顯示里程及速度。 方案二： 設(shè)計采用了 ST1101 紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測。當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時，傳感器將會輸出一個低電平，而當(dāng)沒有 物體擋在中間時則輸出為高電平，從而形成一個脈沖。 該系統(tǒng)在自行車后輪的軸處保持著與輪子旋轉(zhuǎn)切面平行的方向延伸附加一個鋁盤，在這個鋁盤的邊沿處挖出若干個圓形過孔，把傳感器的檢測部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)鋁盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時候，傳感器將向外輸出若干個脈沖。把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機(jī)可以識別的 TTL 電平，即可算出輪子即時的轉(zhuǎn)速。 鋁盤的圓孔的個數(shù)決定了測量的精度，個數(shù)越多，精度越高。這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大，而車子正好在過孔之間或者 是在下個過孔之前停止了，造成較大的誤差。 本設(shè)計在鋁盤過孔的設(shè)計上采用 11個過孔，從而留下了 10 個同等的間距。這樣在以后的軟件設(shè)計中能夠較為方便的計算出速度里程。系統(tǒng)的信號預(yù)處理電路由二級電路構(gòu)成，第一級是由開關(guān)三極管組成的零偏置放大器，采用開關(guān)三極管可以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。當(dāng)輸入信號為零或負(fù)電壓時，三極管截止，電路輸出高電平；而當(dāng)輸入信號為正電壓時，三極管導(dǎo)通，此時輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降，這使得速度里程表既可以測量任意方波信號的頻率，也可以測量正弦波信號的頻率。由于放大器的放大功能 降低了對待測信號的幅度要 6 求，因此，系統(tǒng)能對任意大于 的正弦波和脈沖信號進(jìn)行測量。預(yù)處理電路的第二級采用帶施密特觸發(fā)器的反相器 DM74LS14 來把放大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成與 COMS 電平相兼容的方波信號 。 從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當(dāng)傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變壞；當(dāng)傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當(dāng)其他脈沖信號通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況 ，都可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的 VT+和 VT設(shè)置得合適，均能受到滿意的整形效果。 通過比較論證方案一的硬件容易實現(xiàn)，且理論較為簡單容易實現(xiàn)。方案二在測量中會存在較大的誤差，故選擇方案一。 硬件方案設(shè)計 測速，首先要解決是采樣的問題。使用單片機(jī)進(jìn)行測速，可以使用簡單的脈沖計數(shù)法。只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個或固定的多個脈沖，將脈沖送入單片機(jī)中進(jìn)行計算，即可獲得轉(zhuǎn)速的信息。常用的測速元件有霍爾傳感器、光電傳感器和光電編碼器。 里程測量傳感器的選擇也有以下幾 種方案：使用光敏電阻對里程進(jìn)行測量、利用編碼器對車輪的圈數(shù)進(jìn)行測量、利用霍爾傳感器對里程進(jìn)行測量、利用干簧管型傳感器測量里程。 光敏電阻對光特別敏感，當(dāng)白天行駛時，外界光源將導(dǎo)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(dāng)高，如果光敏或發(fā)光二極管被泥沙或灰塵所覆蓋，光敏電阻就不能再進(jìn)行準(zhǔn)確測量；而編碼器必須安 7 裝在車軸上，安裝較為復(fù)雜；霍爾元件或干簧管不但不受天氣的影響，即使被泥沙或灰塵覆蓋也不會有影響，而且安裝方便。所以本設(shè)計采用霍爾元件對里程與速度進(jìn)行測量，既簡單易行，又經(jīng)濟(jì)適用。 使用霍爾傳感器獲得脈 沖信號，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的齒輪盤上粘上一粒磁鋼，霍爾元件固定在前叉上，當(dāng)車子轉(zhuǎn)動時霍爾元件靠近磁鋼，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。如果在齒輪盤上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出。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(yīng)用廣泛。 霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于信號采集的有 A44E，該傳感器是一個 3端器件，外形與三極管相似，只要接 上電源、地，即可工作，工作電壓范圍寬，使用非常方便。 A44E 的外形如圖 21所示。 A44E1 2 3 1Vcc 2GND 3OUT 圖 21 A44E外形圖 單片機(jī)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(diǎn)： 1. 體積小、重量輕； 2. 電源單一、功耗低； 8 3. 功能強(qiáng)、價格低； 4. 全部集成在一塊芯片上，布線短、合理； 5. 數(shù)據(jù)大部分在單片機(jī)內(nèi)傳送，運(yùn)行速度快、抗干擾能力 強(qiáng)、可靠性高。 目前，單片機(jī)被廣泛的應(yīng)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(jī)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(jī)的多機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域。在設(shè)計中選用的是 AT89C52 單片機(jī)。 圖 22 系統(tǒng)的原理框圖 軟件方案設(shè)計 通過軟件控制單片機(jī)的功能是單片機(jī)的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，程序的設(shè)計要考慮合理性和可讀性 ， 遵循模塊化設(shè)計的原則，采用自頂向下的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計使程序的可讀性好、修改及完善方便。 軟件 設(shè)計包括主程序、行車過程中里程和速度計算子程序、延時子程序、中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等等。 中斷子程序是將傳感器產(chǎn)生的信號接入外部中斷 0，將經(jīng)過 74LS74分頻后的信號接入外部中斷 1，利用中斷和定時器對分別對里程進(jìn)行累外部信號 霍爾傳感器 外部存儲器 AT89C52單片機(jī) 里程顯示 速度顯示 報警部分 9 加、每轉(zhuǎn)一周的時間進(jìn)行測量。 數(shù)據(jù)處理子程序是將進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號與實際要顯示值之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過軟件編程顯示所需要的值。 顯示子程序是將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果送顯示器顯示。 系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖 23所示 。 圖 23軟件總體流程圖 初始化 =1? 計算里程 顯示里程 計算速度 顯示速度 N 開始 10 第三章 硬件電路設(shè)計 概述 自行車的速度里程表的硬件電路設(shè)計是基礎(chǔ)部分，它包括信號的捕獲、放大、整形，單片機(jī)的計算處理，數(shù)碼管的實時顯示和單片機(jī)外圍基本電路的設(shè)計 ， 兩大主要器件就是傳感器和單片機(jī)。 傳感器是獲取自然或生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的關(guān)鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種設(shè)備不可缺少的信息采集工具。磁傳感器是一種將磁學(xué)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷蜓b置。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器等的飛速發(fā)展和計算機(jī)應(yīng)用的普及，需要大量的傳感器將被測或被控的