【正文】 ............................................ 22 目 錄 V 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計 ............................................. 22 顯示子程序的設(shè)計 ................................................. 24 5 系統(tǒng)調(diào)試與分析 ....................................................... 26 系統(tǒng)仿真調(diào)試 ..................................................... 26 調(diào)試故障及原因分析 ............................................... 26 6 結(jié)論與展望 ........................................................... 28 結(jié)論 .............................................................. 28 展望 ............................................................. 28 致 謝 ................................................................. 29 參考文獻(xiàn) ............................................................... 30 附 錄 .................................................................. 31 1 緒 言 1 1 緒 言 課題 背景 自行車被發(fā)明及使用到現(xiàn)在已有兩百多年的歷史，這兩百年間人類在不斷的嘗試與研發(fā)過程中，將玩具式的木馬車轉(zhuǎn)換到今日各式新穎休閑運(yùn)動自行車，自行車發(fā)展的目的也從最早的交通代步的工具轉(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。 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。 2 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 。 2 自行車的速度里程表 總體方案 設(shè)計 3 2 自行車的速度里程表總體方案設(shè)計 任務(wù)分析與實現(xiàn) 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。 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。 4 自行車的速度里程表硬件方案設(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 所示。 A44E1 2 3 1Vcc 2GND 3OUT 圖 A44E 外形圖 2 自行車的速度里程表 總體方案 設(shè)計 5 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)計中選用的是 AT89C52 單片機(jī)。 圖 系統(tǒng)的原理框圖 自行車的速度里程表軟件方案設(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)行累加、每轉(zhuǎn)一周的時間進(jìn)行測量。 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 6 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 所示 。 圖 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 4 自行車的速度里程表軟件程序設(shè)計 7 3 自行車的速度里程表硬件電路設(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非電信號轉(zhuǎn)換成可與計算機(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。 傳感器及其測量系統(tǒng) 本次設(shè)計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?；魻柧€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