【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 強(qiáng)等工作特點(diǎn)。 考慮到自行車工作環(huán)境的惡劣以及其他環(huán)境因素所造成的干擾，采用霍爾傳感器作為測(cè)速傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)脈沖的采集，在某種意義上能夠很好的完成數(shù)據(jù)采集，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算及顯示所需要實(shí)現(xiàn)的功能 [10]。 自行車?yán)锍瘫淼脑O(shè)計(jì) 7 第三章 自行車?yán)锍瘫淼挠布O(shè)計(jì) 具體硬 件電路及工作原理 工作原理 ： 此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于我們能夠隨時(shí)隨地的讀出速度與里程數(shù) ，主要是將 輸?shù)絾纹瑱C(jī)中的傳感器信號(hào) 的頻率實(shí)時(shí)地測(cè)出來(lái)， 但是因?yàn)?信號(hào)的衰減 性 、干擾等 的 影響， 在單片機(jī)接受信號(hào)以前要對(duì)信號(hào)放大并矯形 ，然后 再經(jīng) 過(guò)單片機(jī) 可以得到 速度和里程， 最好把這些 數(shù)據(jù) 儲(chǔ)存 到 相應(yīng) 存儲(chǔ)器，并由 數(shù)碼管 顯示 出 所測(cè) 出的 速度與里程 [11]。 設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合的思考測(cè)量的準(zhǔn)確度與系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。在本設(shè)計(jì)中速度是通過(guò)測(cè)脈沖頻率而算出來(lái)的，所以有比較高的準(zhǔn)確度。在計(jì)算里程的時(shí)候我們往往要假設(shè)自行車是處于理想狀態(tài)當(dāng)中的。而實(shí)際中，誤 差往往不會(huì)超過(guò)數(shù)米，而整個(gè)里程往往都有幾千米，所以誤差很小。但是為了能隨時(shí)的讀出數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的所有模塊都運(yùn)用了快捷的算法。另外，還要力所能及的讓其他的子模塊在編程時(shí)具有通用性以及高效性。本設(shè)計(jì)的所有數(shù)據(jù)都用 4位數(shù)碼管顯示 [12]。 硬件設(shè)計(jì) —— 霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù) 如圖 38所示，在非磁性材料的車輪邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)。 圖 38 霍爾傳感器測(cè)速 按照車輪的周長(zhǎng)大小，乘以運(yùn)行時(shí)間 內(nèi)測(cè)到的轉(zhuǎn)數(shù)，其乘積就是單程的行程。 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 其他外圍硬件電路 電源電路 如圖 39所示。電源提供用 4組干電池提供電源，給霍爾傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)供電。 圖 39 電源電路原理圖 由于電流可達(dá)數(shù)值較高 ,且允許時(shí)間較長(zhǎng)，所以三極管選用功率高的。二極管用于控制電流大小，避免電流過(guò)大燒壞元件。 當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中為了簡(jiǎn)便，我們用到了干電池。直接用 4個(gè) 78M05穩(wěn)壓后得到 +5V電壓給單片機(jī)系統(tǒng)和霍爾傳感器穩(wěn)定供電。 位串行靜態(tài)顯示電路 當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí)，可設(shè)置其工作于同 步移位寄存器方式 0，以輸出顯示信息，實(shí)現(xiàn) 4位數(shù)碼管的靜態(tài)顯示。系統(tǒng)中， 4個(gè)共陽(yáng)極的 LED數(shù)碼管位數(shù)字顯示電路，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。該方式無(wú)須 CPU做不停的掃描，頻繁地為顯示服務(wù)，節(jié)省了 CPU的時(shí)間，軟件世界也比較簡(jiǎn)單。顯示電路如圖 310所示。 圖 310 4 位串行靜態(tài)顯示電路原理圖 自行車?yán)锍瘫淼脑O(shè)計(jì) 9 圖 311 切換次序圖 1）結(jié)構(gòu)框圖： 圖 312 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)由霍爾傳感器、按鍵切換模塊、系統(tǒng)化 LED顯示顯 示模塊、供電模塊和單片機(jī)構(gòu)成。由按鍵切換模塊選擇顯示模式后，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集、處理后顯示。 2）具體硬件電路及工作原理： 里程、速度等都是由霍爾傳感器測(cè)量。已知自行車輪胎的直徑 D，輪子每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，安裝在車輪輻條上的磁鋼 接近干簧管一次，干簧管閉合，送一個(gè)下降沿信號(hào)給單片機(jī)的外部中斷 0，產(chǎn)生一次中斷，圈數(shù) n加 1。兩個(gè)相鄰的下降沿脈沖信號(hào)的時(shí)間由單片機(jī)定時(shí)器 1計(jì)算（設(shè)為 t），那么計(jì)算單程累計(jì)里程 S和當(dāng)前速度 V的公式為： S=D*π*n V=D*π /t （ 32） AT89C52 單片機(jī) 數(shù)碼管顯示 四個(gè) AA 電池組 按鍵功能選擇 霍爾傳感器 S V 0000km/h T 00(h).00(min) S: 當(dāng)前行駛累計(jì)里程（單位固定） .前為 km 數(shù)， .后為 m 數(shù) V：當(dāng)前的行駛速度 T：每次行車的總時(shí)間 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 10 處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)計(jì)算刷新并顯示數(shù)據(jù)。 單片機(jī)定時(shí)器 0定時(shí)時(shí)間為 50ms，每 20次刷新系統(tǒng)時(shí)鐘及計(jì)算累計(jì)行駛時(shí)間。 圖 313 系統(tǒng)硬件電路圖 圖 31 儀表總體原理框圖 整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)作為核心，由數(shù)碼管顯示、按鍵切換、電源、霍爾傳感器等器件組成。從霍爾傳感器得到脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的處理，轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠接受到的信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算和控制，就可實(shí)現(xiàn)車速和里程的顯示。按鍵選擇在這里實(shí)現(xiàn)的是顯示界面的切換，對(duì)數(shù)碼管顯示的內(nèi)容選擇，以實(shí)現(xiàn)車 速、里程、時(shí)間的直觀顯示 [13]。 霍爾傳感器 按鍵選擇 顯示 電源 穩(wěn)壓器 A T89C52 單 片 機(jī) 自行車?yán)锍瘫淼脑O(shè)計(jì) 11 單片機(jī)的選用 單片機(jī)的選用 鑒于本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理上速度的要求，單片機(jī)采用美國(guó) ATMEL 公司所生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)。該芯片不但具有 ，而且片內(nèi)集成有 8K字節(jié)的電擦除只讀程序存儲(chǔ)器。它價(jià)格低、引腳功能全，是目前性價(jià)比較高的單片機(jī)芯片之一。它用 ATMEL的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的 CPLl和 Flash存儲(chǔ)器，使 AT89C52 成為了適用性強(qiáng)的微型計(jì)算機(jī)。它 為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活度和成本低的解決辦法。 AT89C52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 1）芯片概述： AT89C52是一個(gè)低電壓、低功耗和高性能的 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含有 8k Bytes能重復(fù)進(jìn)行編寫一千次次的只讀程序 FLASH存儲(chǔ)器和 256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件由 atmel公司生產(chǎn)的具有密度高、不容易丟失的存儲(chǔ)技術(shù)所制造，兼容了標(biāo)準(zhǔn)型mcs51指令系統(tǒng)以及 80C51的引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了可以兼用的中央處理器（ 8位）和flash的存儲(chǔ)單元，多功能的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C52能 為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89C52包含了 20對(duì) 引腳， 16對(duì) 外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口， 并且里面還有 2個(gè)外 部 中斷 接 口， 16位 的 可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 有 3個(gè)， 2個(gè)全雙工串行通信口， 2個(gè)讀寫口線， AT89C52能常規(guī)的進(jìn)行編寫程序 ， 同時(shí)也能 在線編程。 圖 32 AT89C52引腳圖 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 12 2）主要功 能介紹： AT89C52為 40腳雙列直插封裝的 8位通用微處理器 ， 引腳分布參照 單片機(jī)引腳表 33： 表 33 單片機(jī)引腳功能 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 8K可重復(fù)編寫 Flash ROM 16對(duì) 雙向 I/O口 256*8bit里部 RAM 3個(gè) 16位能編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率 024MHz 2個(gè)串行中斷 可編程 uart串行通道 低消耗閑置和掉電模式 軟件設(shè)置沉睡和喚醒功能 AT89C52也可以為很多的嵌入式控制應(yīng)用提供高度靈活而且價(jià)格低廉的方案，特別適合小 系統(tǒng)。本系統(tǒng)用到單片機(jī)的 32個(gè) I/O口，選用 AT89C52單片機(jī)做主系統(tǒng) [14]。 傳感器的選用 傳感器的選用原則 傳感器是各式各樣的，即便是 對(duì)相同種類的測(cè)量也可以采用不同工作原理的傳感器，因此根據(jù)需要來(lái)選用最合適的傳感器。 現(xiàn)在的傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上有著很大的區(qū)別，根據(jù)需要來(lái)恰當(dāng)?shù)倪x擇用什么傳感器，這是在對(duì)某個(gè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)首先要考慮的。當(dāng)傳感器確定之后，怎樣去測(cè)量和如何去選擇測(cè)量所需要的裝備也就能定下來(lái)了。怎樣去選擇傳感器對(duì)最后測(cè)量的準(zhǔn)確度有著至關(guān)重要的作用。 1) 根據(jù)測(cè)量什么以及測(cè) 量在什么情況下進(jìn)行測(cè)量來(lái)確定的傳感器類型 根據(jù)所要進(jìn)行的測(cè)量對(duì)象，考慮采用哪種原理的傳感器，本設(shè)計(jì)需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)以及傳感器的使用條件考慮選用何種類型的傳感器，然后再來(lái)考慮傳感器詳細(xì)的各項(xiàng)指標(biāo)。 2) 頻率響應(yīng)特性 被測(cè)量對(duì)象的頻率范圍是由傳感器的頻率響應(yīng)特性決定的，頻率響應(yīng)越高，測(cè)量對(duì)象的信號(hào)的頻率范圍越寬。在對(duì)運(yùn)動(dòng)中的對(duì)象進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了不產(chǎn)生較大的誤差，就自行車?yán)锍瘫淼脑O(shè)計(jì) 13 要對(duì)被測(cè)量對(duì)象的信號(hào)特點(diǎn)來(lái)確定所需要的傳感器的頻率響應(yīng)特性。 3) 靈敏度的選擇 在一定的線性范圍以內(nèi)，傳感器的靈敏度越高則處理信號(hào)則越簡(jiǎn)單。因?yàn)楫?dāng) 靈敏度比較高時(shí)．與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才會(huì)比較大，有利于信號(hào)的處理。同時(shí)又要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比；如果被測(cè)量是個(gè)多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 4) 穩(wěn)定性 要使傳感器具有較好的穩(wěn)定性，則傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器前，應(yīng)對(duì)傳感器的使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境來(lái)選擇合適的傳感器[25]。 5) 線性范圍 傳感器的線性范圍指的是輸入和輸出在正相關(guān)的范圍以內(nèi)。傳感器的量程和其線性范圍也是成正比的，且線性范圍越大則測(cè)量出來(lái)的結(jié)果越準(zhǔn)確。特別是在選擇傳感器的時(shí) 候要看看他的量程是不是符合要求。 6) 精度 精度是傳感器的一個(gè)重要性能指標(biāo)．它關(guān)系到了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，傳感器的精度只要能滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以了，同時(shí)要考慮性價(jià)比與適用性，不要選得過(guò)高 [15]。 傳感器的選用 本系統(tǒng)的傳感器是安裝在車輛的轉(zhuǎn)軸上的，當(dāng)車輛行駛時(shí)傳感器隨著車輪的旋轉(zhuǎn)從而來(lái)采集信號(hào)，將采集到的信號(hào)又轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再送入單片機(jī)計(jì)算出車的轉(zhuǎn)速?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，所以一直被廣泛的應(yīng)用于車輛的自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中，所以本設(shè)計(jì) 選用了霍爾傳感器 [16]。 霍爾傳感器介紹 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體往往具有霍爾效應(yīng)，而此傳感器就是根據(jù)半導(dǎo)體的這種特性所制成的霍爾器件所制成的。 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 14 1） 霍爾效應(yīng) 如圖 34所示， 在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為 U的霍爾電壓 ，其等式是 UH=kIB/d （ 31） 圖 34 霍爾效應(yīng)圖 式 中 d為厚度， k稱為霍爾系數(shù)，霍爾系數(shù)的大小與半導(dǎo)體的材料有關(guān)系。 B為磁場(chǎng)強(qiáng)度， I為電流。 2）霍爾元件 根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾器件是用半導(dǎo)體材料所制造的。其對(duì)磁場(chǎng)有很強(qiáng)的敏感度、構(gòu)造簡(jiǎn)易、個(gè)頭小、頻率響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)，因此，在很多領(lǐng)域都有用途。 3）霍爾傳感器 因?yàn)榛魻柶骷a(chǎn)生的電勢(shì)差比較小，所以霍爾傳感器往往由放大器電路、霍爾器件、補(bǔ)償溫度的電路及穩(wěn)壓電源電路組成。 圖 35 霍爾傳感器外形 霍爾傳感器也可稱為霍爾集成電路，它外形較小，如圖 35所示，是其中一種型號(hào)的外觀。 自行車?yán)锍瘫淼脑O(shè)計(jì) 15 4）霍爾傳感器的 特性 （一 ）線性型霍爾傳感器的特性 圖 36 線性型霍爾傳感器的特性 輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖 36所示，可見，在 B1～ B2的強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，如果其強(qiáng)度超出了這個(gè)范圍則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。 （二）開關(guān)型霍爾傳感器的特性 如圖 37所示，其中 BOP是打開工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度， BRP為釋放點(diǎn)“閉”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 圖 37 開關(guān)型霍爾傳感器的特性 當(dāng)作用于傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于點(diǎn) Bop時(shí)，輸出的電平則較低，當(dāng)磁感應(yīng)的強(qiáng)度不到 Bop時(shí)，則其輸出的電平就不會(huì)發(fā)生改變，但是當(dāng)下降到釋放點(diǎn) BRP時(shí)，傳感器輸 出的電平從低躍變成高電平。 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 16 系統(tǒng)概述 1）功能描述： 以 AT89C52型單片機(jī)為核心，實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示自行車行駛過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，包括當(dāng)前行駛時(shí)間、當(dāng)前行駛里程、當(dāng)前實(shí)時(shí)速度等，各參數(shù)分屏顯示。本設(shè)計(jì)在車輪運(yùn)行時(shí)才進(jìn)行時(shí)間計(jì)算，具有行駛時(shí)間準(zhǔn)確性，且實(shí)用性高。 2）操作說(shuō)明： （ 1）接通電源顯示畫面；（ 2）按鍵選擇所需要的界面；（ 3）接通電源，里程表就開始工作 [17]。 小結(jié) 本方案的確定以性能可靠，價(jià)格便宜，使用及安裝方便為主要依據(jù)。設(shè)計(jì)中利用霍爾效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量自行車行駛的里程和速度，在車輪上布 置磁鋼，在自行車上安裝霍爾效應(yīng)集成元件，當(dāng)磁鋼隨車輪通過(guò)霍爾元件時(shí)，由霍爾元件檢測(cè)并發(fā)出脈沖給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)記錄的脈沖數(shù)和車輪型號(hào)大小計(jì)算速度、里程數(shù)等。 自行車?yán)锍瘫淼脑O(shè)計(jì) 17 第四章 自行車?yán)锍瘫淼能浖O(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 良好的設(shè)計(jì)方案可以減少軟件設(shè)計(jì)的工作量和提高軟件的通用性，以及提高擴(kuò)展性和可讀性。本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如下： 圖 41 軟件設(shè)計(jì)程序流程圖 界面顯示 按鍵中斷 處理行車時(shí)間 刷新并顯示行駛時(shí)間 按鍵中斷 處理速度 顯示實(shí)時(shí)速度 按鍵中斷 處理里程數(shù) 顯示里程 開始 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 18 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和步驟 ： 1） 在進(jìn)行模塊劃分時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)的需要以及功能要求來(lái)進(jìn)行。 2）