【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 C51 單片機(jī)的升級(jí)產(chǎn)品 AT89S51 單片機(jī)。當(dāng)電源正常供電時(shí)給電容器充電，電源掉電時(shí)，利用電容器電流將單片機(jī)中的數(shù)據(jù)寫入 EEPROM 中。超速報(bào)警部分本作品采用了簡(jiǎn)單的軟件設(shè)計(jì)，由程序產(chǎn)生，鈴聲是為了達(dá)到提示的目的，因此，選用了一個(gè)簡(jiǎn)單的蜂鳴器，通過軟件定時(shí)產(chǎn)生的嘀嘀聲作為提示音，并且接一個(gè)紅色的發(fā)光二極管，使報(bào)警效果更加理想。 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)程序主要包括里程設(shè)計(jì)模塊；存儲(chǔ)歷史里程數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)模塊；里程的顯示 設(shè)計(jì)模塊；里程公里數(shù)的累計(jì)設(shè)計(jì)模塊；里程公里數(shù)的清 0 設(shè)計(jì)模塊。里程計(jì)數(shù)時(shí)有一盞指示燈閃爍；用存儲(chǔ)器進(jìn)行對(duì)歷史里程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；用共陰 7 段動(dòng)態(tài)顯示的數(shù)碼管進(jìn)行顯示公里數(shù)；用個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)里程公里數(shù)的清 0 功能；用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)里程車輪圈數(shù)的累計(jì)功能。原理圖如 11 所示。 傳 感 器 接 受的 脈 沖 信 號(hào)A T 8 9 S 5 1 單 片 機(jī)L E D 顯 示 屏超 速報(bào) 警鍵 盤輸 入E E P R O M 存儲(chǔ) 器 11 里程設(shè)計(jì)原理圖 其設(shè)計(jì)的具體功能要求 ： （ 1） 實(shí)現(xiàn)速度的測(cè)量（單位：米 /秒）； （ 2） 能測(cè)量行程（單位：米）； （ 3） 超速報(bào)警功能； （ 4） LED 的顯示。 此設(shè)計(jì) 的難點(diǎn)： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ 1） 用霍爾元件數(shù)據(jù)采集的具體安裝及實(shí)現(xiàn)； （ 2） 單片機(jī)對(duì)里程和速度的計(jì)算，液晶輸出的中斷與數(shù)據(jù)采集造成的誤差； （ 3） 液晶顯示的輸入輸出處理。 主要內(nèi)容 該系統(tǒng)原理圖傳感器檢測(cè)原理圖如圖 12所示。 A T 8 9 S 5 1 單 片 機(jī)P 3 . 4 /I N T 0霍 爾傳 感 器小 磁 鐵車 輪 12 系統(tǒng)原理圖 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 2 章 硬件的設(shè)計(jì) 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)就是一塊半導(dǎo)體硅片集成了微處理器（ CPU），存儲(chǔ)器（ RAM,ROM,EPROM)和各種輸入、輸出接口 （定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，并行 I/O 口，串行口， A/D 轉(zhuǎn)換器以及脈寬調(diào)制器 PWM等），它具有計(jì)算機(jī)的屬性。如圖 21所示。 圖 21 單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu) 單片機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。 單片機(jī)體積小、成本低，嵌入到工業(yè)控制單元、機(jī)器人、智能儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、家用電器、辦公自動(dòng)化設(shè)備、金融電子系統(tǒng)、玩具、個(gè)人信息終端及通訊產(chǎn)品中。 單片機(jī)的引腳結(jié)構(gòu)如圖 2— 2 所示。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 22 AT89S51 單片機(jī)的 引腳 主要性能參數(shù)： 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器； 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）； 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口； 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、 2 層中斷嵌套中斷； 6 個(gè)中斷源； 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 2 個(gè)全雙工串行通信口； 看門狗（ WDT）電路； 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； 與 MCS51 兼容； 1全靜態(tài)工作： 0Hz33MHz； 1三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定； 1可編程串行通道； 1低功耗的閑置和掉電模式。 單片機(jī)與一般的非單片型微型機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)： 具有較強(qiáng)的通用性又有相當(dāng)?shù)膶Ｓ眯?，尤其適合于各種控制系統(tǒng)。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 片內(nèi)帶有定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 片內(nèi)設(shè)有多個(gè) I/O 接口，便于系統(tǒng)擴(kuò)展及信息交換。 使用匯編語言，指令系統(tǒng)的指令字節(jié)數(shù)較少，程序執(zhí)行速度快，節(jié)省存貯器。 多品種，多系列 。 單片機(jī)的發(fā)展 隨著單片機(jī)的對(duì)于生產(chǎn)逐漸的重要，單片機(jī)的發(fā)展逐漸向大容量、高性能化，外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。 1. CPU 的發(fā)展 （ 1）采用雙 CPU 結(jié)構(gòu)，以提高處理能力； （ 2）增加數(shù)據(jù)總線寬度； （ 3)串行總線結(jié)構(gòu)。 2. 存儲(chǔ)器的發(fā)展 （ 1）加大存儲(chǔ)容量； （ 2）片內(nèi) EPROM 采用 E2PROM 或閃爍（ Flash）存儲(chǔ)器； （ 3）程序保密化。 3. 片內(nèi) I/O 的改進(jìn) （ 1）增加并行口的驅(qū)動(dòng)能力； （ 2）增加 I/O 口的邏輯控制功能； （ 3）有些單片機(jī)設(shè)置了一些特殊的串行接口功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供了方便條件。 4. 外圍電路內(nèi)裝化 5. 低功耗化 具體功能 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 各引腳的功能 XTAL1： 片內(nèi) 振蕩器 反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端 ； XTAL2： 片內(nèi) 振蕩器 反相放大 器的輸出端 ； VCC：電源電壓輸入端 ； GND： 電源地； RST：復(fù)位輸入端，高電平有效 。 ； ALE/PROG： 地址鎖存 允許 /編程 脈沖信號(hào)端 。 PSEN： 外部 外部存儲(chǔ)器 的選通信號(hào)，低電平有效 。 EA/VPP： 外部 程序存儲(chǔ)器 訪問允許。 。 P0口： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流 。 。 P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P2口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口 。 P3口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口 。 P3口還可提供第二功能。具體功能如表 21所示。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 表 21 P3口的第二功能 P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些 控制信號(hào)； I/O 口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口 鎖存器 的內(nèi)容讀入到 內(nèi)部總線 ，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口 鎖存器 。只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到 內(nèi)部總線 。 89C51的 P0、P P P3口作為輸入時(shí)都是 準(zhǔn)雙向口 。除了 P1口外 P0、 P P3口都還有其他的功能。 AT89S51 的極限參數(shù)： 操作溫度： 0℃ to +70℃ 或 — 40℃ to +85℃ 儲(chǔ)藏溫度： — 65℃ to +150℃ EA/Vpp 腳相對(duì)于 Vss 的電壓： 0V to +13V 其他任何腳相對(duì)于 Vss 的電壓： — to + 每個(gè) I/O 腳的最大 IOL： 15MA 功率損耗指器件表面的發(fā)熱而非器件的功耗： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 傳感器的介紹 轉(zhuǎn)速是指每分鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。機(jī)械式轉(zhuǎn)速儀和電模擬式測(cè)速儀已經(jīng)無法滿足自動(dòng)化程序日益提高的需要，它們只能測(cè)量精度不高的轉(zhuǎn)速，而且輸出不能直接供計(jì)算機(jī)使用，因此，光電傳感器和霍爾傳感器等就越來越廣泛地得到應(yīng)用。 霍爾傳感器的特點(diǎn) 霍耳效應(yīng)： 1879年 . 霍爾發(fā)現(xiàn)，如果對(duì)位于磁場(chǎng) (B)中的導(dǎo)體 (d)施加一個(gè)電壓 (v)，該磁場(chǎng)的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場(chǎng)垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓 (UH)，人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。如圖 23所示。 23 霍爾效應(yīng)原理圖 霍爾傳感器是一種能實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的傳感器，用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化?；魻杺鞲衅骶哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污 及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻栭_關(guān)器件具有無觸點(diǎn)、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、位置重復(fù)精度高等優(yōu)點(diǎn)。 霍爾爾傳感器，直流和交流電流都可以測(cè)量，普通電流互感器只能測(cè)量交流電流，普通電流互感器，使用時(shí)，二次側(cè)不能開路，霍爾電流傳感器可以開路?；魻栯娭貞c郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 流傳感器輸出電壓與流過一次側(cè)電流大小成正比 ,一次側(cè)電流方向改變輸出極性也改變，所以可以測(cè)量交流電和直流電，對(duì)波形也沒有特別的要求 。適用頻率范圍也較寬。一般應(yīng)用在電子電路 ,如變頻器上。交流互感器只能夠測(cè)量交流 ,而且頻率必須是額定頻率 ,如 50Hz 互感器測(cè)量 60Hz 誤差比較大 ,輸出信號(hào)不能夠直接進(jìn)電子檢測(cè)電路。 總結(jié)優(yōu)點(diǎn)： ：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于 1%，該精度適合于任何波形的測(cè)量。而普通互感器一般精度為 3%至 5%且適合 50Hz正弦波形。 ：響應(yīng)時(shí)間小于 1μs 跟蹤速度 di/dt 高于 50A/μs ，霍爾傳感器模塊這種優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。與此相比普通的互感器響應(yīng)時(shí)間為 1012ms，它已不能適應(yīng)工作控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。 ：在 0100kHz頻率范圍內(nèi)精度為 1%。在 05kHz頻率范圍內(nèi)精度為 %。 ：霍爾傳感器模塊為系統(tǒng)產(chǎn)品，電流測(cè)量可達(dá) 50KA，電壓測(cè)量可達(dá) 6400V。 ：當(dāng)原邊電流超負(fù)荷，模塊達(dá)到飽和，可自動(dòng)保護(hù)，即使過載電流是額定值的 20倍時(shí)，模塊也不會(huì)損壞。 此外，霍爾傳感器還具有體積小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。這使得霍爾傳感器在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越多，市場(chǎng)空間逐步增大 。 ：優(yōu)于 %線 光電傳感器的特點(diǎn) 光電傳感器采用無接觸測(cè)量，不增加被測(cè)物旋轉(zhuǎn)力矩，測(cè)量小里矩的旋轉(zhuǎn)物能獲得很高的精度；光 電傳感器是利用光波作為媒介來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的，抗電磁干擾能力強(qiáng)，如果采用調(diào)制光源或調(diào)制型發(fā)光器件，傳感器還可具有抗外界雜光干擾能力；傳感器利用光電效應(yīng)方便地將轉(zhuǎn)速換成電量信號(hào)。故此類傳感器測(cè)量范圍寬、非接觸檢測(cè)距離遠(yuǎn)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，使光電檢測(cè)技術(shù)獲得了新發(fā)展，能達(dá)到超遠(yuǎn)距離的測(cè)量；光電傳感器易受環(huán)境霧塵，粉塵、油塵、水霧及雜光的影響。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 傳感器的選擇 由此，知道光電傳感器對(duì)周圍的環(huán)境要求比較高，容易受到周圍其他光源和空氣清晰度還有粉塵的影響，降低了檢測(cè)精度；同時(shí)做實(shí)驗(yàn)室利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為速 度檢測(cè)操作復(fù)雜。由于霍爾元件具有在靜止?fàn)顟B(tài)下感受磁場(chǎng)的能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形小體輕，頻帶寬 (可從直流到微波 )，動(dòng)態(tài)特性好、動(dòng)態(tài)范圍大，壽命長(zhǎng)和可進(jìn)行非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，故在檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和信息處理等方面得到日益廣泛應(yīng)用，所以本設(shè)計(jì)選擇霍爾傳感器。 霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾于 1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢 測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。 存儲(chǔ)模塊的選擇 此部分是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，它的工作情況直接決定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全保存的可靠性。 EEPROM 是電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。在平常情況下， EEPROM 與 EPROM 一樣是只讀的，需要寫入時(shí)，在指定的引腳加上一個(gè)高電壓即可寫入或擦除，而且其擦除的速度極快。 經(jīng)過翻閱大量的文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)使用串行 EEPROM 芯片作為本系統(tǒng) 的外部存儲(chǔ)器，是比較常用的一種方法，而且在做電路板時(shí)布線簡(jiǎn)單，單片機(jī)編程時(shí)也穩(wěn)定可靠，當(dāng)失電時(shí)數(shù)據(jù)能得以安全的保存，因而采用了串行 EEPROM 芯片 24C16。 本系統(tǒng)所用的 24C16 是美國(guó) ATMEL 公司的低功耗 CMOS 串行 EEPROM，它是內(nèi)含 2K 8 位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬（ ）、擦寫次數(shù)多（大于 10000 次）、寫入速度快（小于 10ms）等特點(diǎn)。 24C16 的 3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。在 AT89S51 試驗(yàn)開發(fā)板上它們都接地，第 8腳和第 4 腳分別為正、負(fù)電源。第 5腳 SDA 為串行數(shù)據(jù)輸入 /輸出，數(shù)據(jù)通過這條重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 雙向 I2C 總線串行傳送，在 AT89S51 試驗(yàn)開發(fā)板上和單片機(jī)的 連接。第 6 腳 SCL 為串行時(shí)鐘輸入線，在 AT89S51 試驗(yàn)開發(fā)板上和單片機(jī)的 連接。 SDA 和 SCL 都需要和正電源間各接一個(gè) 10K 的電阻上拉。第 7 腳需要接地。 24C02 中帶有片內(nèi)地址寄存器。每寫入或讀出一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加 1，以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一個(gè)存儲(chǔ)單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時(shí)間，一次操作可寫入多達(dá) 8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 顯示模塊 LED 數(shù)碼管