【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 所采用的觸發(fā)方式為脈沖觸發(fā)方式。 傳感器及其測(cè)量系統(tǒng) 本次設(shè)計(jì)信號(hào)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(zhǎng)、安裝方便、功耗小 、頻率高（可達(dá) 1MHz）、基于單片機(jī)自行車(chē)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 30 頁(yè) 耐震動(dòng)、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(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)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(kāi)關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測(cè)對(duì)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(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信 息的載體。通過(guò)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(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。 霍爾傳感器的測(cè)溫原理 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(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體通入電流 I，若電流垂直磁場(chǎng) B，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差 Uh，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱(chēng)為霍爾元件。因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)以及體積小、使用壽命長(zhǎng)等一系列特點(diǎn) ，因此被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、自動(dòng)控制及信息處理等領(lǐng)域?；魻栃?yīng)原理圖如圖 所示。 XYZBILU hbd 圖 霍爾效應(yīng)原理圖 集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器 基于單片機(jī)自行車(chē)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 30 頁(yè) A44E 集成霍爾開(kāi)關(guān)由穩(wěn)壓器 A、霍爾電勢(shì)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(mén)輸出 E五個(gè)基本部分組成，如圖 （ a）所示。(1)、 (2)、 (3)代表集成霍爾開(kāi)關(guān)的三個(gè)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(shì)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(chǎng)中時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)的 方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差 VH 輸出，該 VH信號(hào)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(mén)輸出。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到工作點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓 (相對(duì)于地電位 )，使三極管導(dǎo)通，此時(shí) OC 門(mén)輸出端輸出低電壓，通常稱(chēng)這種狀態(tài)為開(kāi) 。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到釋放點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使 OC 門(mén)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(kāi)關(guān)完成了一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作。工作點(diǎn)與釋放點(diǎn)的差值一定，此差值稱(chēng)為磁滯，在此差值內(nèi)， V0 保持不變，因而使開(kāi)關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集電成 霍爾開(kāi)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(kāi)關(guān)是單穩(wěn)態(tài)型，由測(cè)量數(shù)據(jù)作出的輸出特性曲線如圖 (b)所示。測(cè)量時(shí)，在 2兩端加 5V直流電壓 ,在輸出端 3 與 1 之間接一個(gè) 2k? 的負(fù)載電阻，如圖 。 DABCEVC C( 1 )( 2 )G N DO U T( 3 )( a )0 5 1 01 5 2 03691 2VO/ VB / m T釋 放 點(diǎn)( O F F )工 作 點(diǎn)( O N )( V )( b )圖 集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器 基于單片機(jī)自行車(chē)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 30 頁(yè) 圖 集成霍爾開(kāi)關(guān)接線圖 其它器件的介紹 儲(chǔ)存器的介紹 AT24C02 是一個(gè) 2K 位串行 CMOSE2PROM。內(nèi)部含有 256 個(gè) 8 位字節(jié)， ATMEL公司的先進(jìn) CMOS 技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。 AT24C02 有一個(gè) 16 字節(jié)頁(yè)寫(xiě)緩沖器，該器件通過(guò) I2C 總線接口進(jìn)行操作有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寫(xiě)保護(hù)功能。 AT24C02 支持 I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控制的。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，通過(guò)器件地址輸入端 A0、 A1 和 A2 可以實(shí)現(xiàn)將最多 8個(gè) 24C02 器件連接到總線上。管腳圖如 所示。 圖 24C02管腳圖 SCL 串行時(shí)鐘： AT24C02 串行時(shí)鐘輸入管腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘。 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址： CAT24WC02 雙向串行數(shù)據(jù) /地址管腳用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，是一個(gè)開(kāi)漏輸出管腳可與其它開(kāi)漏輸出或集電極開(kāi)路輸出進(jìn)行線或（ wireOR）。 基于單片機(jī)自行車(chē)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 30 頁(yè) WP 寫(xiě)保護(hù)：如果 WP 管腳連接到 Vcc 所有的內(nèi)容都被寫(xiě)保護(hù)，只能讀。當(dāng) WP管腳連接到 Vss 或懸空，允許器件進(jìn)行正常的讀 /寫(xiě)操作。 本次設(shè)計(jì)采用的 24C02 是為了防止掉電時(shí)里程數(shù)據(jù)的丟失，由于 24C02 的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳輸數(shù)據(jù)，所以只用兩 根線 SCL 和 SDA與單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。在軟件編程時(shí)采用 2EPROM 程序包來(lái)控制 24C02 發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。 74LS74 芯片的介紹 74LS74 是 D觸發(fā)器的一種 ,它是一個(gè)具有記憶功能的二進(jìn)制信息存儲(chǔ)器件，是構(gòu)成多種時(shí)序電路的最基本邏輯單元。觸發(fā)器具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即 “0” 和“1” ，在一定的外界信號(hào)作用下，可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。由于其狀態(tài)的更新發(fā)生在 CP脈沖的邊沿故又稱(chēng)之為上升沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器， D觸發(fā)器的狀態(tài)只取決于時(shí)針到來(lái)前 D端的狀態(tài)。引腳圖如圖 所示。 圖 74LS74引腳圖 在本題目中 74LS74 芯片起分頻的作用。當(dāng)車(chē)輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個(gè)低電平脈沖，通過(guò) 74LS74 進(jìn)行二分頻后，定時(shí)器 T1 的開(kāi)啟時(shí)間為車(chē)輪轉(zhuǎn) 1圈的時(shí)間，這樣就可以算出自行車(chē)的速度。分頻前后對(duì)比圖如圖 所示。 圖 分頻前后對(duì)比圖 t t 0 0 v v 霍爾輸出圈脈沖 二分頻后的波形 基于單片機(jī)自行車(chē)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 30 頁(yè) 由圖可見(jiàn)，二分頻后的波形的高或地電平的時(shí)間正好是霍爾傳感器開(kāi)關(guān)的一個(gè)周期，霍爾傳感器輸出脈沖到 0INT ，即 口接收到對(duì)圈數(shù)計(jì)數(shù)的脈沖。經(jīng)74LS74 二分頻后的信號(hào)輸入到 1INT ，內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器測(cè)得每轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間，通過(guò)計(jì)算即可得里程值和即時(shí)速度。 74LS244 芯片的介紹 本次設(shè)計(jì)中的采用驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的芯片為 74LS244， 74LS244 為三態(tài)輸出的八位緩沖器和線驅(qū)動(dòng)器，若單片機(jī)輸出口直接接顯示部分電路，則電流太小，會(huì)導(dǎo)致顯示部分不能正常工作。所以在單片機(jī)輸出口先接入驅(qū)動(dòng)芯片 74LS244，增大電流，使 LED 能夠正常工作。其邏輯圖如圖 所示，可以看出 74LS244 由 2組組成、每組由四路輸入、輸出構(gòu)成。每組有一個(gè)控制端高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開(kāi)。 圖 74LS244邏輯圖 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 AT89C52 片內(nèi)由一個(gè)反相放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時(shí)鐘。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用前者。 單 片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大基于單片機(jī)自行車(chē)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 17