【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 感，當(dāng)白天行駛時(shí)，外界光源將導(dǎo)致光敏電阻發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)；光敏電阻對(duì)環(huán)境的要求相當(dāng)高，如果光 敏西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 電阻 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(cè)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(huì)有影響，而且安裝方便。所以本設(shè)計(jì)采用霍爾元件對(duì)里程與速度進(jìn)行測(cè)量，既簡(jiǎn)單易行，又經(jīng)濟(jì)適用。 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)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(dòng)時(shí)霍爾元件靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)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(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先 手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。 目前，單片機(jī)被廣泛的應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)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(dòng)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)。 硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 所示 。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 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。 AT89C52 單片機(jī) 霍爾傳感器模塊（接收外部信號(hào)產(chǎn)生脈沖信號(hào)） 按鍵模塊（用來切換顯示和復(fù)位） 外部存儲(chǔ)模塊（儲(chǔ)存產(chǎn)生的數(shù)據(jù)） 外部信號(hào) 顯示模塊（顯示即時(shí)里程數(shù)或者是即時(shí)速度） 報(bào)警模塊（提供超速報(bào)警） 電源模塊（為單片機(jī)提供電源） 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 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(shí)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(hào)接入外部中斷 0，將經(jīng)過 74LS74 分頻后的信號(hào)接入外部中斷 1，利用中斷和定時(shí)器對(duì)分別對(duì)里程進(jìn)行累加、每轉(zhuǎn)一周的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。 數(shù)據(jù)處理子程序是將進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號(hào)與實(shí)際要顯示值之間有一定的對(duì)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) 6 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(hào)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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件或裝置。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)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(cè)或被控的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與計(jì)算機(jī)兼容的電信號(hào)。作為輸入信號(hào)，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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)是一種最基本的測(cè)量工作。 單片機(jī)是本次設(shè)計(jì)的核心部件，它是信號(hào)從采集到輸出的橋梁，而且包括計(jì)算、定時(shí)、信息處理等功能。 霍爾傳感器模塊 檢測(cè)傳感器的選用及測(cè)量原理 本次設(shè)計(jì)信號(hào)的捕獲采用的是霍爾傳感器， 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁敏傳感器。按照霍爾傳感器元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(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)來作被檢測(cè)的信息的載體。通過它，將許多非電、非磁的物理量轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。 集成開關(guān)霍爾傳感器 A44E 集成霍爾開關(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)于西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 地電位 ） ，使三極管導(dǎo)通，此時(shí) 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(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) 的 動(dòng)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(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 所示 。 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 集成開關(guān)型霍爾傳感器 圖 集成霍爾開關(guān)接線圖 在本次設(shè)計(jì)中，霍爾傳感器起采集信號(hào)的作用。當(dāng)電源加電壓 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，產(chǎn)生電勢(shì)差 VH，VH 信號(hào)經(jīng)放大器后送到施密特觸發(fā)整形，使其成為方波送到 OC 門 輸出 ， 其與74LS74 芯片相連，將整形后的方波送到 74LS74 芯片中處理后送入單片機(jī)。接線圖如圖 所示 。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 霍爾集成開 關(guān)接線原理圖 74LS74 芯片 的運(yùn)用 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)針到來前 D 端的狀態(tài)。引腳圖如圖 所示。 圖 74LS74 引腳圖 74LS74 芯片起分頻的作用， 當(dāng)車輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個(gè)低電平脈沖，通 過 74LS74 進(jìn)行二分頻 ， 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，通過計(jì)算即可得里程值和即時(shí)速度。 二分頻前后波形如圖 所示。 在本次設(shè)計(jì)中 74LS74 與霍爾傳感器相連，接受方波，然后進(jìn)行分頻，二分頻后波形的高低電平時(shí)間正好，定時(shí)器 T1 的開啟時(shí)間為車輪轉(zhuǎn)一周的時(shí) 間，這西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 樣可以計(jì)算出自行車的速度。接線 原理 圖如圖 所示。 圖 分頻前后對(duì)比圖 圖 74LS74 接線原理圖 單片機(jī)模塊 單片機(jī)原理簡(jiǎn)介 單片機(jī)是指集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)，也就是把組成微型計(jì)算機(jī)的各種功能部件，包括 CPU(Central Processing Unit)、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM(Random Access Memory)、只讀存儲(chǔ)器 ROM(Readonly Memory)、基本輸入 /輸出 (Input/Output)接口電路。定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等部件都制作在一塊集成芯片上， 就 構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)從而實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)的基本功能。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 t t 0 0 v v 霍爾輸出圈脈 沖 二分頻后的波形 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 單片機(jī)的引腳功能介紹 AT89C52 是高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8K Bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器 (EPROM)和 256 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，器件采用ATMEL 公司的高密度、非 易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大，AT89C52 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制場(chǎng)合應(yīng)用。 引腳圖如圖 所示。 圖 AT89C52 引腳圖 AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash閃速存儲(chǔ)器， 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線， 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 5 個(gè)中斷源，一個(gè)全雙工串行通信口， 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 中斷系統(tǒng) CPU 存儲(chǔ)器 并行 I/O口 串口 I/O口 TXD TXD RXD T INT P0P3 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 片內(nèi)具有振蕩器及時(shí)鐘電路。 AT89C52 管腳圖如圖 所示。 AT89C52 的主要管腳功能如下 。 PSEN ： 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部 ROM 時(shí)， PSEN 有效 （ 低電平 ） ，以實(shí)現(xiàn)外部 ROM 單元的讀操作。 EA ： 訪問程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng) EA 信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng) EA 信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作是從內(nèi)部 程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。 RST：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 XTALl 和 XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 VSS：地線。 VCC： +5V 電源。 如果把前述的信號(hào)定義為引腳第一功能的話，則根據(jù)需要再定義的信號(hào)就是它的第二功能。 P3 的 8 條口線都定義有第二功能，如表 所示 。 對(duì)于有內(nèi)部 EPROM 的單片機(jī)芯片 （ 例如 87C51） ， 為寫入程序須提供專門的編程脈沖和編程電源。它們也由引腳以第二功能的形式提供的，即： 編程脈沖： 30 腳 (ALE/ PROG ) 編程電壓 (25V)： 31 腳 (EA /VPP) ～ ： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也是地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 ～ ： P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 ～ ： P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 ～ ： P3 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 ALE：地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)， ALE 用于控制把 P0 口輸出的低8 位地址鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。此外，由于 ALE 是以晶振 1/6 的固定頻率輸出的正脈沖，因此，可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。 PSEN ： 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部 ROM 時(shí)， PSEN 有效 （ 低電平 ） ，以實(shí)現(xiàn) 外部 ROM 單元的讀操作。 EA ： 訪問程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng) EA 信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng) EA 信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。 RST：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 XTALl 和 XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。P3 口引腳及其第二功能 如表 所示。 表 P3口引腳與第二功能 引腳 第二功能 信號(hào)名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)接收 0INT 1INT T0 T1 WR RD 外部中斷 0