【正文】 LED..In this article, the hardware circuit and software design of bicycle mileage/speed instrument are introduced in detail. About the hardware, the pulse number is transmitted of one cycle of the bicycle into Single Chip Microputer system. Then the signal processed Microputer system is sent to display scream. About the software, in assemble language。 Hall element。 LED 2 1 引 言 課題背景 自行車被發(fā)明及使用到現(xiàn)在已有兩百多年的歷史，這兩百年間人類在不斷的嘗試與研發(fā)過(guò)程中，將玩具式的木馬車轉(zhuǎn)換到今日各式新穎休閑運(yùn)動(dòng)自行車，自行車發(fā)展的目的也從最早的交通代步的工具轉(zhuǎn)換成休閑娛樂(lè)運(yùn)動(dòng) 的用途。因此，人們希望自行車的功用更強(qiáng)大，能給人們帶來(lái)更多的方便。本設(shè)計(jì)采用了 MCS51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種體積小、操作簡(jiǎn)單的便攜式自行車的速度里程表，它能自動(dòng)地顯示當(dāng)前自行車行走的距離及運(yùn)行的速度。本文主要介紹了自行車的速度里程表的設(shè)計(jì)思想、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(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。 具體的硬件電路包括 AT89C52單片機(jī)的外圍電路以及 LED顯示電路等。 3 2 自行車的 里程 /速度計(jì) 總體方案設(shè)計(jì) 任務(wù)分析與實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)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)。 本系統(tǒng)總體思路如下：假定輪圈的周長(zhǎng)為 L，在輪圈上安裝 m個(gè)永久磁鐵，則測(cè)得的里程值最大誤差為 L/m。當(dāng)輪子每轉(zhuǎn)一圈，通過(guò)開(kāi)關(guān)型霍爾元件傳感器采集到一個(gè)脈沖信號(hào)，并從引腳 0端輸入，傳感器每獲取一個(gè)脈沖信號(hào)即對(duì)系統(tǒng)提供一次計(jì)數(shù)中斷。計(jì)數(shù)器 T1計(jì)算每轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出即時(shí)速度 v。此外 若自行車超速，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，指示燈閃爍。 2. 對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 3. 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，要求用 LED顯示里程總數(shù)和即時(shí)速度。 最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：自行車的速度里程表具有里程、速度測(cè)試 、行駛時(shí)間記錄與顯示 、超速報(bào)警 功能，采用單片機(jī)作控制，顯示電路可顯示 里程、 速度 、行駛時(shí)間 。使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，可以使用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)法。常用的測(cè)速元件有霍爾傳感器、光電傳感器和光電編碼器。 光敏電阻對(duì)光特別敏感，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 4 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。 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(pán)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。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(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。 霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于信號(hào)采集的有 A44E，該傳感器是一個(gè) 3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，工作電壓范圍寬，使用非常方便。 A44E1 2 3 1Vcc 2GND 3OUT 圖 21 A44E外形圖 單片機(jī)由于將 CPU、內(nèi)存和一些必要的接口集成到一個(gè)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(diǎn) ： 1. 體積小、重量輕； 2. 電源單一、功耗低； 3. 功能強(qiáng)、價(jià)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。在設(shè) 計(jì)中選用的是 AT89C52單片機(jī)。模塊化設(shè)計(jì)使程序的可讀性好、修改及完善方便。 中斷子程序是將傳感器產(chǎn)生的信號(hào)接入外部中斷 0，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。 顯示子程序是將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果送顯示器顯示。 外部中斷：記錄一個(gè)脈沖時(shí)間 time；計(jì)算一個(gè)脈沖時(shí)間的速度，五個(gè)速度作為一個(gè)數(shù)組，高低速判斷；開(kāi)啟 T0，記脈沖數(shù)為 n。 v=*pi*r/time s=*pi*r*n 顯示程序：用三位數(shù)顯示速度，四位數(shù)顯示路程。 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）、耐震動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。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。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。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)象稱為霍爾效應(yīng)。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。 XYZBILU hbd 圖 31 霍爾效應(yīng)原理圖 集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器 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 7 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 32（ a）所示。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) 。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(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。 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 32(b)所示。 圖 32 集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器 圖 33 集成霍爾開(kāi)關(guān)接線圖 單片機(jī) 最小系統(tǒng) 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 8 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。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 34所示。 單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘方式的振蕩電路如圖 38所示。 9 圖 39 按鍵復(fù)位電路 工作原理：通電瞬間， RC電路充電， RST引腳出現(xiàn)高電平，只要 RST端保持 10ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。如下圖 36器件的輸入是和標(biāo)準(zhǔn) CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻，他們能和 LS/ALSTTL 輸出兼容。當(dāng)鎖存使能變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存。 圖 36 SL74HC573管腳功能 表 31 74HC573功能表 輸入 輸出 輸出使能 鎖存使能 D Q L H H H L H L L L L X 不變 H X X Z 10 顯示和報(bào)警電路的 設(shè)計(jì) 顯示電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用 LED數(shù)碼管顯示。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。其中 7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字型 “ 8” 的各個(gè)筆畫(huà)段，另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為 dp發(fā)光二極管。 圖 310 LED數(shù)碼管 顯示 結(jié)構(gòu) OC門(mén)驅(qū)動(dòng)器用 573， 573 即 TTL 集電極開(kāi)路六正相高壓驅(qū)動(dòng)器 .當(dāng) 573 輸出低電平時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò) LED，當(dāng) 573 輸出為開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，電流經(jīng) 100? 限流電阻流入 LED 顯示器，每個(gè)七段 LED 的公共端都接一個(gè) 573 驅(qū)動(dòng)器 。 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 本次報(bào)警電路采用蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)即時(shí)速度超過(guò)預(yù)定值是蜂鳴器響，指示燈閃爍，提示應(yīng)該減速。 圖 311 報(bào)警電路圖 11 4 自行車的里程 /速度計(jì)軟件程序 設(shè)計(jì) 自行車的里程 /速度計(jì)總體程序設(shè)計(jì) 基于霍爾傳感器