【正文】 1 目 錄 第 1 章 緒論 ..................................................... 3 課題產(chǎn)生的背景 .............................................. 3 課題的主要任務(wù)及內(nèi)容 ........................................ 3 第 2 章 自行車?yán)锍瘫砜傮w方案設(shè)計 ................................... 5 任務(wù)分析與實現(xiàn) .............................................. 5 自行車?yán)锍瘫碛布桨冈O(shè)計 .................................... 5 自行車?yán)锍瘫碥浖桨冈O(shè)計 .................................... 9 第 3 章 自行車?yán)锍瘫碛布娐吩O(shè)計 .................................. 10 概述 ....................................................... 10 傳感器及其測量系統(tǒng) ......................................... 10 芯片簡介 ................................................... 12 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計 ....................................... 18 第 4 章 自行車?yán)锍瘫碥浖绦蛟O(shè)計 .................................. 27 概述 ....................................................... 27 自行車?yán)锍瘫砜傮w程序設(shè)計 ................................... 27 中斷子程序的設(shè)計 ........................................... 27 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計 ....................................... 28 顯示子程序的設(shè)計 ........................................... 30 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試與分析 ........................................... 32 自行車?yán)锍瘫硐到y(tǒng)調(diào)試 ....................................... 32 調(diào)試故障及原因分析 ..........................錯誤 !未定義書簽。 結(jié)論 .......................................................... 34 參考文獻(xiàn) ....................................................... 35 附錄 Ⅰ 自行車?yán)锍瘫碛布到y(tǒng)原理圖 ................................ 37 2 3 第 1 章 緒論 課題產(chǎn)生的背景 自世界上第一輛自行車問世至今已有 200 多年的歷史了。 18 世紀(jì)末，法國人西夫拉克發(fā)明了最早的自行車。這輛最早的自行車是木制的，其結(jié)構(gòu)比較簡單。世界上第一批真正實用型的自行車出現(xiàn) 于 19 世紀(jì)初。在 20 世紀(jì) ,自行車在 中國獲得了前所未有的普及和發(fā)展。從某種意義上來說，中國是一個自行車的王國。每天清晨和落日時分，滾滾車流在中國的城市中碾動，這是最為壯觀的一道風(fēng)景，這是一條現(xiàn)代中國流動的長城。 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)锍瘫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?yán)锍?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 。 單片微型計算機(jī)自 1976 年問世以來發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已成為微型計算機(jī)一個很重要的分支，在現(xiàn)實生活中應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)對人類產(chǎn)生了巨大的影響，尤其是美國 Intel 公司的 MCS—51 系列單片機(jī)，由于其集成度高、處理功能強(qiáng)、性能價格比高、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以靈活的與其他芯片組成眾多的測量電路用于速度、溫度、深度、高度、濕度、光強(qiáng)等方面的測 量和研究等特點，在我國現(xiàn)代化生活、生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如在工業(yè)檢測控制、儀器儀表、電子工業(yè)、機(jī)電一體化等眾多領(lǐng)域取得了令人矚目的成果。本設(shè)計利用MCS—51 系列單片機(jī)擴(kuò)展方便、可靠性能高、處理功能強(qiáng)、速度高等特點，實現(xiàn)對自行車?yán)锍毯退俣鹊臏y量。 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 LCD 液晶 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 里程表的設(shè)計思 4 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 AT89S52 單片機(jī)的外圍電路以及 LCD 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 C 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。 5 第 2 章 自行車?yán)锍?表 總體方案設(shè)計 任務(wù)分析與實現(xiàn) 本次畢業(yè)設(shè)計的題目是：自行車?yán)锍?表設(shè)計 其設(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)過一系列的計算得出的，其結(jié)果通過顯示器顯示出來。 本系統(tǒng)總體思路如下：里程及速度傳感器采用霍爾元件，用一個霍爾芯片、二 個小磁鐵，霍爾芯片緊貼齒輪，磁鐵放在芯片后面。齒輪轉(zhuǎn)動一周霍爾元件與小磁鐵靠近一次，這樣可以改變通過霍爾芯片的磁通量，霍爾芯片可以輸出類似正弦的波形，用運(yùn)放放大波形，后面接一級比較器，把正弦波轉(zhuǎn)換為方波，方波的頻率和齒輪的轉(zhuǎn)速成正比。自行車?yán)锍痰臏y量是通過霍爾元件輸出端的電壓發(fā)生變化產(chǎn)生脈沖，通過計數(shù)器，根據(jù)脈沖數(shù)計算里程。自行車速度的測量是通過定時器測出車輪轉(zhuǎn)一周所用的時間 t，車輪周長 L 除以時間 t 就是自行車的速度。 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 T0 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 LCD 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?yán)锍?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， 可以通過按鍵設(shè)定報警速度， 若自行車超速，系統(tǒng)發(fā)出報警提示。 整個設(shè)計過程包括硬件電路的搭建，軟件的編程，系統(tǒng)的調(diào)試，調(diào)試通過后，固化程序，脫離開發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行。 自行車?yán)锍?表 硬件方案設(shè)計 自從 1971年微型計算機(jī)問世以來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，微型機(jī)主要向兩個方向發(fā)展： 一個向高速度，高性能的高檔微型計算機(jī)方向發(fā)展。一個向穩(wěn)定可靠，小而廉價的單片機(jī)方向發(fā)展。所謂的單片機(jī)，就是把中央處理 6 器 CPU、只讀存儲器 ROM、定時 /計數(shù)器以及 I/O 接口電路等集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機(jī)。從組成和功能上看，它具有微型計算機(jī)的含義。 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： 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。 里程 /速度測量傳感器的設(shè)計 1. 速度傳感器的設(shè)計 測速是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題，學(xué)會使用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計測速儀表具有很重要的意義。要測速，首先要解決是采樣的問題。在使用模擬技術(shù)制作測速表時，常用測速發(fā)電機(jī)的方法，即將測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測軸 相連，測速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。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。 (1) 霍爾傳感器 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、 CS30CS3040 等，這 類 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，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。A44e 的外形如圖 所示 。 將有字面對準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是 電源、地 、 輸 出。 A 4 4 E1 2 3 1Vcc 2GND 3OUT 7 圖 A44e 外形圖 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。 (2) 光電傳感器 光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以透射式為例，如圖 所示，當(dāng)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 導(dǎo)通 。為此，可以制作一個遮光葉片 ， 如圖 所示，安裝在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)扇葉經(jīng)過時，產(chǎn)生脈沖信號。當(dāng)葉片數(shù)較多時，旋轉(zhuǎn)一周可以獲得多個脈沖信號。 圖 光電傳感器的原理圖 圖 遮光葉片 (3) 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(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。某光電編碼器的外形 如圖 所示 。 8 圖 成品光電編碼器 2. 里程測量傳感器的設(shè)計 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。這幾種方案都是通過自行車車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖數(shù)，然后根據(jù)脈沖數(shù)計算里程。 方案的確定 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。 本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖 所示 圖 系統(tǒng)的原理框圖 霍爾元件 單片機(jī) 存儲器 報警 LCD 顯示 9 自行車?yán)锍?表 軟件方案設(shè)計 硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。通過軟件控制單片機(jī)的功能是單片機(jī)的主要特點和優(yōu)點，程序的設(shè)計要考慮合理性和可讀性。程序遵循模塊化設(shè)計的原則，采用自頂向下的設(shè)計方法。即先考慮整體目標(biāo)，明確整體任務(wù)，然后把整體任務(wù)分成一個個子任務(wù)，子任務(wù)再分成子子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，同時分析層次間的關(guān)系與同一層次各任務(wù)間的關(guān)系，最后擬訂出各任務(wù)的細(xì)節(jié)。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、 T0、T