【正文】 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(jì)采用了 MCS51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)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。 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(jì)一個可用 LED 數(shù)碼管實(shí)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(jì)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(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。 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(jì)；繼而具體介紹 了自行車的速度里程表的硬件設(shè)計(jì)，包括傳感器的選擇、單片機(jī)的選擇、顯示電路的設(shè)計(jì)；然后闡述了該自行車的速度里程表的軟件設(shè)計(jì) ，包括數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)、顯示子程序的設(shè)計(jì)；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(jì)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(jì)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(jì)的思想主要是自頂向下，模塊化設(shè)計(jì)，各個子模塊逐一設(shè)計(jì) 。 2 2 自行車的速度里程表總體方案設(shè)計(jì) 任務(wù)分析與實(shí)現(xiàn) 本 設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)數(shù)器 T1 計(jì)算每轉(zhuǎn)一圈所用的時間 t，就可以計(jì)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(xiàng)指標(biāo)及實(shí)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(jì)數(shù)。 實(shí)現(xiàn)：利用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器 T1 對霍爾傳感器脈沖信號進(jìn)行計(jì)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(shí)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。 最終實(shí)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。 自行車的速度里程表硬件方案設(shè)計(jì) 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(jì)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(jì)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2 自行車的速度里程表 總體方案 設(shè)計(jì) 3 阻就不能再進(jìn)行準(zhǔn)確測量；而編碼器必須安裝在車軸上，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(jì)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(shí)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 所示。 A44E1 2 3 1Vcc 2GND 3OUT 圖 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； 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(jì)中選用的是 AT89C52 單片機(jī)。 圖 系統(tǒng)的原理框圖 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 4 自行車的速度里程表軟件方案設(shè)計(jì) 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(jì)要考慮合理性和可讀性 ， 遵循模塊化設(shè)計(jì)的原則，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)使程序的可讀性好、修改及完善方便。 軟件設(shè)計(jì)包括主程序、行車過程中里程和速度計(jì)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(shí)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 所示 。 圖 軟件總體流程圖 初始化 =1? 計(jì)算里程 顯示里程 計(jì)算速度 顯示速度 N 開始 3 自行車的速度里程表硬件電路設(shè)計(jì) 5 3 自行車的速度里程表硬件電路設(shè)計(jì) 概述 自行車的速度里程表的硬件電路設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)部分，它包括信號的捕獲、放大、整形，單片機(jī)的計(jì)算處理，數(shù)碼管的實(shí)時顯示和單片機(jī)外圍基本電路的設(shè)計(jì) ， 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(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，需要大量的傳感器將被測或被控的非電信號轉(zhuǎn)換成可與計(jì)算機(jī)兼容的電信號。作為輸入信號，這就給磁傳感器的快速發(fā)展提供了機(jī)遇，形成了磁傳感器的產(chǎn)業(yè)。其中最具代表的磁傳感器就是霍爾傳感器，在自動檢測系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器測轉(zhuǎn)數(shù)是一種最基本的測量工作。 單片機(jī)是本次設(shè)計(jì)的核心部件，它是信號從采集到輸出的橋梁，而且 包括 計(jì)算、定時、信息處理等功能。 傳感器及其測量系統(tǒng) 本次設(shè)計(jì)信號的捕獲采用的是霍爾傳感器。 霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達(dá) 1MHz）、耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高。取用各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件工作溫度范圍寬，可達(dá)－ 55℃ ～ 150℃ 。按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件，前者輸出模擬量，后 者輸出數(shù)字量。 按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體。通過它，將許多非電、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、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。 霍爾傳感器的測量原理 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁敏傳感器。在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體通入電流 I，若電流垂直磁場 B，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差 Uh，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件。因?yàn)樗? 具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)以及體積小、使用壽命長等一系列特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于測量、自動控制及信息處理等領(lǐng)域。霍爾效應(yīng)原理圖如圖 所示。 XYZBILU hbd 圖 霍爾效應(yīng)原理圖 集成開關(guān)型霍爾傳感器 A44E 集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器 A、霍爾電勢發(fā)生器 (即硅霍爾片 )B、差分放大器 C、施密特觸發(fā)器 D 和 OC 門輸出 E 五個基本部分組成，如圖 （ a）所示。 (1)、 (2)、(3)代表集成霍爾開關(guān)的三個引出端點(diǎn)。在電源端加電壓 Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾電勢發(fā)生器的兩端，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處在磁場中時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會產(chǎn)生霍爾電勢差 VH 輸出，該 VH 信號經(jīng)放大器放大后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到 OC 門輸出。當(dāng)施加的磁場達(dá)到工作點(diǎn)時，觸發(fā)器輸出高電壓 (相對于地電位 )，使三極管導(dǎo)通，此時 OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為開 。當(dāng)施加的磁場達(dá)到釋放點(diǎn)時 ，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使 OC 門輸出高電壓，這種狀態(tài)為關(guān) 。這樣兩次電壓變換，使霍爾開關(guān)完成了一次開關(guān)動作。工作點(diǎn)與釋放點(diǎn)的差值一定，此差值稱為磁滯，在此差值內(nèi)， V0 保持不變，因而使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集電成霍爾開關(guān)傳感器優(yōu)良特性之一。傳感器主要特性是它的輸出特性，即輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 與輸出電壓 V0 之間的關(guān)系。 A44E 集成霍爾開關(guān)是單穩(wěn)態(tài)型，由測量數(shù)據(jù)作出的輸出特性曲線如圖 (b)所示。測量時 ， 在 2 兩端加 5V 直流電壓 ,在輸出端 3 與 1 之間接一個 2k? 的負(fù)載電阻，如圖 所示。 3 自行車的速度