电动自行车速度里程表设计论文

精品文档 I欢迎下载I欢迎下载 摘 要 随着居民生活水平的不断提高 自行车不再仅仅是普通的运输 代步的工具 而 是成为人们娱乐 休闲 锻炼的首选 自行车的速度里程表能够满足人们最基本的需 求 让人们能清楚地知道当前的速度 里程等物理量 本论文主要阐述一种基于霍尔 元件的自行车的速度里程表的设计 以 AT89C52 单片机为核心 A44E 霍尔传感器测 转数 实现对自行车里程 速度的测量统计 采用 24C02 实现在系统掉电的时候保存 里程信息 并能将自行车的里程数及速度用 LED 实时显示 文章详细介绍了自行车的 速度里程表的硬件电路和软件设计 硬件部分利用霍尔元件将自行车每转一圈的脉冲 数传入单片机系统 然后单片机系统将信号经过处理送显示 软件部分用汇编语言进 行编程 采用模块化设计思想 该系统硬件电路简单 子程序具有通用性 完全符合 设计要求 关键词 关键词 里程 速度 霍尔元件 单片机 LED 显示 II ABSTRACT With the developing of people s life the bicycle is not only the universal tool of transportation and substitute for walking but becomes the first choice of entertainment and exercising The bicycle mileage speed can fulfill the basic need of people s life so that they can learn the speed and the mileage of the bicycle In this paper the bicycle mileage speed design based on the Hall element is elaborated By AT89C52 as kernel using A44E Hall element to measure revolution the measure and statistic are achieved The range information is saved by 24C02 when the power is off the bicycle speed can be displayed on 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 Microcomputer system Then the signal processed by Single Chip Microcomputer system is sent to display scream About the software in assemble language the program is designed in the mode of modules The system has simple hardware common sub program and meets the demand of design KEYKEY WORDS WORDS Mileage speed Hall element Single chip microcomputer LED 精品文档 III欢迎下载 目 录 1 绪 言 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题的主要任务及内容 1 2 自行车的速度里程表总体方案设计 2 2 1 任务分析与实现 2 2 2 自行车的速度里程表硬件方案设计 2 2 3 自行车的速度里程表软件方案设计 4 3 自行车的速度里程表硬件电路设计 5 3 1 概述 5 3 2 传感器及其测量系统 5 3 2 1 霍尔传感器的测量原理 5 3 2 2 集成开关型霍尔传感器 6 3 3 单片机的原理及应用 7 3 3 1 单片机原理简介 7 3 3 2 单片机的引脚功能介绍 8 3 3 3 单片机中断系统介绍 10 3 3 4 单片机定时 计数功能介绍 11 3 4 其他器件的介绍 12 3 4 1 存储器的介绍 12 3 4 2 74LS74 芯片的介绍 13 IV 3 4 3 74LS244 芯片的介绍 14 3 5 单片机外围电路的设计 14 3 5 1 时钟电路的设计 14 3 5 2 复位电路的设计 15 3 5 3 显示电路的设计 16 3 5 4 报警电路的设计 17 4 自行车的速度里程表软件程序设计 18 4 1 概述 18 4 2 自行车的速度里程表总体程序设计 18 4 3 中断子程序的设计 20 4 4 数据处理子程序的设计 20 4 5 显示子程序的设计 22 5 系统调试与分析 24 5 1 系统仿真调试 24 5 2 调试故障及原因分析 24 6 结论与展望 26 6 1 结论 26 6 2 展望 26 致 谢 27 参考文献 28 附 录 29 精品文档 V欢迎下载 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 1 绪 言 1 1 课题背景 自行车被发明及使用到现在已有两百多年的历史 这两百年间人类在不断的尝试 与研发过程中 将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车 自行车发展 的目的也从最早的交通代步的工具转换成休闲娱乐运动的用途 随着居民生活水平的不断提高 自行车不再仅仅是普通的运输 代步的工具 而 是成为人们娱乐 休闲 锻炼的首选 因此 人们希望自行车的功用更强大 能给人 们带来更多的方便 自行车里程速度表作为自行车的一大辅助工具也正是随着这个要 求而迅速发展的 其功能也逐渐从单一的里程显示发展到速度 时间显示 甚至有的 还具有测量骑车人的心跳 显示骑车人热量消耗等功能 本设计采用了 MCS 51 系列 单片机设计一种体积小 操作简单的便携式自行车的速度里程表 它能自动地显示当 前自行车行走的距离及运行的速度 1 2 课题的主要任务及内容 本课题主要任务是利用霍尔元件 单片机等部件设计一个可用 LED 数码管实时显 示里程和速度的自行车的速度里程表 本文主要介绍了自行车的速度里程表的设计思 想 电路原理 方案论证以及元件的选择等内容 整体上分为硬件部分设计和软件部 分设计 本文首先扼要对该课题的任务进行方案论证 包括硬件方案和软件方案的设计 继而具体介绍了自行车的速度里程表的硬件设计 包括传感器的选择 单片机的选择 显示电路的设计 然后阐述了该自行车的速度里程表的软件设计 包括数据处理子程 序的设计 显示子程序的设计 最后针对仿真过程遇到的问题进行了具体说明与分析 对本次设计进行了系统的总结 具体的硬件电路包括 AT89C52 单片机的外围电路以及 LED 显示电路等 软件设计包括 芯片的初始化程序 定时中断采样子程序 显示子程序等 软件 采用汇编语言编写 软件设计的思想主要是自顶向下 模块化设计 各个子模块逐一 设计 2 2 自行车的速度里程表总体方案设计 2 1 任务分析与实现 本设计的任务是 以通用 MCS 51 单片机为处理核心 用传感器将车轮的转数转 换为电脉冲 进行处理后送入单片机 里程及速度的测量 是经过 MCS 51 的定时 计 数器测出总的脉冲数和每转一圈的时间 再经过单片机的计算得出 其结果通过 LED 显示器显示出来 本系统总体思路如下 假定轮圈的周长为 L 在轮圈上安装 m 个永久磁铁 则测 得的里程值最大误差为 L m 经综合分析 本设计中取 m 1 当轮子每转一圈 通过 开关型霍尔元件传感器采集到一个脉冲信号 并从引脚 P3 2 中断 0 端输入 传感器 每获取一个脉冲信号即对系统提供一次计数中断 每次中断代表车轮转动一圈 中断 数 n 轮圈的周长为 L 的乘积为里程值 计数器 T1 计算每转一圈所用的时间 t 就可以 计算出即时速度 v 当里程键按下时 里程指示灯亮 LED 切换显示当前里程 与当 速度键按下时 速度指示灯亮 LED 切换显示当前速度 若自行车超速 系统发出报 警信号 指示灯闪烁 要求达到的各项指标及实现方法如下 1 利用霍尔传感器产生里程数的脉冲信号 2 对脉冲信号进行计数 实现 利用单片机自带的计数器 T1 对霍尔传感器脉冲信号进行计数 3 对数据进行处理 要求用 LED 显示里程总数和即时速度 实现 利用软件编程 对数据进行处理得到需要的数值 最终实现目标 自行车的速度里程表具有里程 速度测试与显示功能 采用单片 机作控制 显示电路可显示里程及速度 2 2 自行车的速度里程表硬件方案设计 测速 首先要解决是采样的问题 使用单片机进行测速 可以使用简单的脉冲计 数法 只要转轴每旋转一周 产生一个或固定的多个脉冲 将脉冲送入单片机中进行 计算 即可获得转速的信息 常用的测速元件有霍尔传感器 光电传感器和光电编码 器 里程测量传感器的选择也有以下几种方案 使用光敏电阻对里程进行测量 利用 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 编码器对车轮的圈数进行测量 利用霍尔传感器对里程进行测量 利用干簧管型传感 器测量里程 光敏电阻对光特别敏感 当白天行驶时 外界光源将导致光敏电阻发出错误信号 光敏电阻对环境的要求相当高 如果光敏或发光二极管被泥沙或灰尘所覆盖 光敏电 阻就不能再进行准确测量 而编码器必须安装在车轴上 安装较为复杂 霍尔元件或 干簧管不但不受天气的影响 即使被泥沙或灰尘覆盖也不会有影响 而且安装方便 所以本设计采用霍尔元件对里程与速度进行测量 既简单易行 又经济适用 使用霍尔传感器获得脉冲信号 其机械结构也可以做得较为简单 只要在转轴的 齿轮盘上粘上一粒磁钢 霍尔元件固定在前叉上 当车子转动时霍尔元件靠近磁钢 就有信号输出 转轴旋转时 就会不断地产生脉冲信号输出 如果在齿轮盘上粘上多 粒磁钢 可以实现旋转一周 获得多个脉冲输出 在粘磁钢时要注意 霍尔传感器对 磁场方向敏感 粘之前可以先手动接近一下传感器 如果没有信号输出 可以换一个 方向再试 这种传感器不怕灰尘 油污 在工业现场应用广泛 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件 常用于信号采集的有 A44E 该传感器是一个 3 端器件 外形与三极管相似 只要接上电源 地 即可工作 工作电压范围宽 使 用非常方便 A44E 的外形如图 2 1 所示 A44E 123 1 Vcc 2 GND 3 OUT 图 2 1 A44E 外形图 单片机由于将 CPU 内存和一些必要的接口集成到一个芯片上 并且面向控制功 能将结构作了一定的优化 所以它有一般芯片不具有的特点 1 体积小 重量轻 2 电源单一 功耗低 3 功能强 价格低 4 全部集成在一块芯片上 布线短 合理 5 数据大部分在单片机内传送 运行速度快 抗干扰能力强 可靠性高 4 目前 单片机被广泛的应用于测控系统 工业自动化 智能仪表 集成智能传感 器 机电一体化产品 家用电器领域 办公自动化领域 汽车电子与航空航天器电子 系统以及单片机的多机系统等领域 在设计中选用的是 AT89C52 单片机 图 2 2 系统的原理框图 2 3 自行车的速度里程表软件方案设计 通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点 程序的设计要考虑合理 性和可读性 遵循模块化设计的原则 采用自顶向下的设计方法 模块化设计使程序 的可读性好 修改及完善方便 软件设计包括主程序 行车过程中里程和速度计算子程序 延时子程序 中断服 务子程序 显示子程序等等 中断子程序是将传感器产生的信号接入外部中断 0 将经过 74LS74 分频后的信号 接入外部中断 1 利用中断和定时器对分别对里程进行累加 每转一周的时间进行测 量 数据处理子程序是将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有一定的对应关 系 经过软件编程显示所需要的值 显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示 系统软件总体流程图如图 2 3 所示 图 2 3 软件总体流程图 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 3 自行车的速度里程表硬件电路设计 3 1 概述 自行车的速度里程表的硬件电路设计是基础部分 它包括信号的捕获 放大 整 形 单片机的计算处理 数码管的实时显示和单片机外围基本电路的设计 两大主要 器件就是传感器和单片机 传感器是获取自然或生产领域中信息的关键器件 是现代信息系统和各种设备不 可缺少的信息采集工具 磁传感器是一种将磁学量信号转变为电信号的器件或装置 随着信息产业 工业自动化 医疗仪器等的飞速发展和计算机应用的普及 需要大量 的传感器将被测或被控的非电信号转换成可与计算机兼容的电信号 作为输入信号 这就给磁传感器的快速发展提供了机遇 形成了磁传感器的产业 其中最具代表的磁 传感器就是霍尔传感器 在自动检测系统中 利用霍尔传感器测转数是一种最基本的 测量工作 单片机是本次设计的核心部件 它是信号从采集到输出的桥梁 而且包括计算 定时 信息处理等功能 3 2 传感器及其测量系统 本次设计信号的捕获采用的是霍尔传感器 霍尔器件具有许多优点 它们的结 构牢固 体积小 重量轻 寿命长 安装方便 功耗小 频率高 可达 1MHz 耐震 动 不怕灰尘 油污 水汽及烟雾等的污染或腐蚀 霍尔线性器件的精度高 线性度 好 霍尔开关器件无触点 无磨损 输出波形清晰 无抖动 无回跳 位置重复精度 高 取用各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度范围宽 可达 55 150 按 照霍尔器件的功能可将它们分为 霍尔线性器件和霍尔开关器件 前者输出模拟量 后者输出数字量 按被检测对象的性质可将它们的应用分为 直接应用和间接应用 前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性 后者是检测受检对象上人为设置 的磁场 用这个磁场来作被检测的信息的载体 通过它 将许多非电 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 转数 转速以及工作状 态发生变化的时间等 转变成电量来进行检测和控制 6 3 2 1 霍尔传感器的测量原理 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁敏传感器 在置于磁场中的导体或半导 体通入电流 I 若电流垂直磁场 B 则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电 势差 Uh 这种现象称为霍尔效应 利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件 因为它具 有结构简单 频率响应宽 灵敏度高 测量线性范围大 抗干扰能力强以及体积小 使用寿命长等一系列特点 因此被广泛应用于测量 自动控制及信息处理等领域 霍 尔效应原理图如图 3 1 所示 X Y Z B I L Uh b d 图 3 1 霍尔效应原理图 3 2 2 集成开关型霍尔传感器 A44E 集成霍尔开关由稳压器 A 霍尔电势发生器 即硅霍尔片 B 差分放大器 C 施密特触发器 D 和 OC 门输出 E 五个基本部分组成 如图 3 2 a 所示 1 2 3 代表集成霍尔开关的三个引出端点 在电源端加电压 Vcc 经稳压器稳压后加在霍 尔电势发生器的两端 根据霍尔效应原理 当霍尔片处在磁场中时 在垂直于磁场的 方向通以电流 则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差 VH 输出 该 VH 信号 经放大器放大后送至施密特触发器整形 使其成为方波输送到 OC 门输出 当施加的 磁场达到工作点时 触发器输出高电压 相对于地电位 使三极管导通 此时 OC 门 输出端输出低电压 通常称这种状态为开 当施加的磁场达到释放点时 触发器输 出低电压 三极管截止 使 OC 门输出高电压 这种状态为关 这样两次电压变换 使霍尔开关完成了一次开关动作 工作点与释放点的差值一定 此差值称为磁滞 在 此差值内 V0 保持不变 因而使开关输出稳定可靠 这也就是集电成霍尔开关传感器 优良特性之一 传感器主要特性是它的输出特性 即输入磁感应强度 B 与输出电压 V0 之间的关系 A44E 集成霍尔开关是单稳态型 由测量数据作出的输出特性曲线如图 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 3 2 b 所示 测量时 在 1 2 两端加 5V 直流电压 在输出端 3 与 1 之间接一个 2k 的负载电阻 如图 3 3 所示 D A B C E VCC 1 2 GND OUT 3 a 05101520 3 6 9 12 VO V B mT 释放点 OFF 工作点 ON V b 图 3 2 集成开关型霍尔传感器 图 3 3 集成霍尔开关接线图 3 3 单片机的原理及应用 3 3 1 单片机原理简介 单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机 也就是把组成微型计算机的各种功 能部件 包括 CPU Central Processing Unit 随机存储器 RAM Random Access Memory 只读存储器 ROM Read only Memory 基本输入 输出 Input Output 接口 电路 定时器 计数器等部件都制作在一块集成芯片上 构成一个完整的微型计算机 从而实现微型计算机的基本功能 单片机内部结构示意图如图 3 4 所示 图 3 4 单片机内部结构示意图 1 中央处理器 CPU 8 中央处理器是单片机最核心的部分 主要完成运算和控制功能 2 内部存储器 内部存储器包括内部数据存储器 内部 RAM 和内部程序存储器 存储器是由大 量的寄存器所组成 其中每一个寄存器就称为一个存储单元 3 定时 计数器 单片机的定时器和计数器是同一结构 只是计数器记录的是单片机外部发生的事 件 由单片机的外部电路提供计数信号 而定时器是由单片机内部提供一个非常稳定 的计数信号 4 中断系统 中断系统在计算机中起着十分重要的作用 是现代计算机系统中广泛采用的一种 实时控制技术 能对突发事件进行及时处理 从而大大提高系统的实时性能 5 串行 I O 接口 串行 I O 口的数据各位按顺序传输 其特点是需要一对传输线 成本低 但速度 慢 效率低 适合静态显示 6 并行 I O 接口 并行 I O 接口的数据所有位同时传送 其特点是传输速度快 效率高 但传送多 少位就需要多少根传输线 因此传送成本高 适合动态显示 3 3 2 单片机的引脚功能介绍 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8K Bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 EPROM 和 256 字节的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 与标准 MCS 51 指 令系统及 8052 产品引脚兼容 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制场合应用 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 图 3 5 AT89C52 引脚图 AT89C52 提供以下标准功能 8K 字节 Flash 闪速存储器 256 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 3 个 16 位定时 计数器 5 个中断源 一个全双工串行通信口 片内具 有振荡器及时钟电路 AT89C52 管脚图如图 3 5 所示 AT89C52 的主要管脚功能如下 P0 0 P0 7 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也是地址 数据总线复用 口 P1 0 P1 7 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 0 P2 7 P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 0 P3 7 P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 ALE 地址锁存控制信号 在系统扩展时 ALE 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地 址锁存起来 以实现低位地址和数据的分时传送 此外 由于 ALE 是以晶振 1 6 的 固定频率输出的正脉冲 因此 可作为外部时钟或外部定时脉冲使用 外部程序存储器读选通信号 在读外部 ROM 时 有效 低电平 以PSENPSEN 实现外部 ROM 单元的读操作 访问程序存储控制信号 当信号为低电平时 对 ROM 的读操作限定在外EAEA 部程序存储器 当信号为高电平时 对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始 EA 并可延至外部程序存储器 10 RST 复位信号 当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效 用以完成单片机的复位初始化操作 XTALl 和 XTAL2 外接晶体引线端 当使用芯片内部时钟时 此二引线端用于外 接石英晶体和微调电容 当使用外部时钟时 用于接外部时钟脉冲信号 VSS 地线 VCC 5V 电源 如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话 则根据需要再定义的信号就是它的 第二功能 P3 的 8 条口线都定义有第二功能 如表 3 1 所示 对于有内部 EPROM 的单片机芯片 例如 87C51 为写入程序须提供专门的编程脉 冲和编程电源 它们也由引脚以第二功能的形式提供的 即 编程脉冲 30 脚 ALE PROG 编程电压 25V 31 脚 EA VPP 表 3 1 P3 口引脚与第二功能 引脚第二功能信号名称 P3 0RXD 串行数据接收 P3 1TXD 串行数据接收 P3 2 0INT外部中断 0 申请 P3 3 1INT外部中断 1 申请 P3 4T0 定时 计数器 0 的外部输入 P3 5T1 定时 计数器 1 的外部输入 P3 6 WR外部 RAM 写选通 P3 7RD 外部 RAM 读选通 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 3 3 3 单片机中断系统介绍 中断是指当计算机执行正常程序时 系统中出现某些急需处理的事件 CPU 暂时 中止当前的程序 转去执行服务程序 以对发生的更紧迫的事件进行处理 待处理结 束后 CPU 自动返回原来的程序执行 AT89C52 系列单片机的系统有 5 个中断源 2 个 优先级 可实现二级中断服务嵌套 由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器 IE 控制 CPU 是否响应中断请求 由中断优先级寄存器 IP 安排各优中断源的优先级 同 一优先级内各终端同时提出中断请求时 由内部的查询逻辑确定其响应次序 采用的外部中断方式包括外部中断 0 和外部中断 1 它们的中断请求信号分别由 单片机引脚 P3 2 和 P3 3 输入 0INT1INT 外部中断请求有两种信号方式 电平触发方式和脉冲触发方式 电平触发方式的 中断请求是低电平有效 只要在和引脚上出现有效低电平时 就激活外部中0INT1INT 断方式 脉冲触发方式的中断请求则是脉冲的负跳变有效 在这种方式下 在两个相 邻机器周期内 和 引脚电平发生变化 即在第一个机器周期内为高电平 0INT1INT 第二个机器周期内为低电平 就激活外部中断 由此可见 在脉冲方式下 中断请求 信号的高电平和低电平状态都应至少维持一个机器周期 以使 CPU 采样到电平状态的 变化 本次设计所采用的触发方式为脉冲触发方式 1 中断允许控制 CPU 对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器 IE 控 制的 IE 的状态可通过程序由软件设定 某位设定为 1 相应的中断源中断允许 某 位设定为 0 相应的中断源中断屏蔽 CPU 复位时 IE 各位为 0 禁止所有中断 IE 寄存器各位的定义如下 EX0 IE 0 外部中断允许位 0INT ET0 IE 1 定时 计数器 T0 中断允许位 EX1 IE 2 外部中断允许位 1INT ET1 IE 3 定时 计数器 T1 中断允许位 ES IE 4 串行口中断允许位 EA IE 7 CPU 中断允许位 2 中断优先级控制 12 AT89C52 单片机有两个中断优先级 即可实现二级中断服务嵌套 每个中断源的 中断优先级都是由中断优先级寄存器 IP 中的相应的状态来规定的 IP 的状态由软件 设定 某位设定为 1 则相应的中断源为高优先级中断 某位设定为 0 则相应的中断 源为低优先级中断 单片机复位时 IP 各位清 0 各中断源同为低优先级中断 IP 寄 存器各位的定义如下 PX0 IP 0 外部中断优先级设定位 0INT PT0 IP 1 定时 计数器 T0 中断优先级设定位 PX1 IP 2 外部中断中断优先级设定位 1INT PT1 IP 3 定时 计数器 T1 中断优先级设定位 PS IP 4 串行口中断优先级设定位 3 3 4 单片机定时 计数功能介绍 AT89C52 单片机定时 计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制 TMOD 用于设置 其工作方式 TCON 用于控制其启动和中断请求 1 工作方式寄存器 TMOD 工作方式寄存器 TMOD 用于设置定时 计数器的工作方式 GATE 门控位 GATE 0 时 只要用软件使 TCON 中的 TR0 或 TR1 为 1 就可以启 动定时 计数器工作 GATE 1 时 要用软件 TR0 或 TR1 为 1 同时外部中断引脚 或也为高电平时 才能启动定时 计数器工作 0INT1INT 定时 计数模式选择位 0 为定时模式 1 为计数模式 C T C T C T M1M2 工作方式设置位 定时 计数器有 4 种工作方式 由 M1M2 进行设置 本次设计 TMOD 为 90H 即选通定时 计数器 1 定时功能 工作方式 1 工作方式 16 位定时 计数器 2 控制寄存器 TCON TF1 TCON 7 定时 计数器 T1 溢出中断请求标志位 定时 计数器 T1 计数溢出 时由硬件自动置 TF1 为 1 CPU 响应中断后 TF1 由硬件自动清零 T1 工作时 CPU 可 随时查询 TF 的状态 所以 TF1 可用作查询测试的标志 TF1 也可以用软件置 1 或清 零 同硬件置 1 或清零的效果一样 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 TR1 TCON 6 定时 计数器 T1 运行控制位 TR1 置 1 时时 定时 计数器 T1 开 始工作 TR1 置 0 时 定时 计数器 T1 停止工作 TR1 由软件置 1 或清 0 TF0 TCON 5 定时 计数器 T0 溢出中断请求标志位 TR0 TCON 4 定时 计数器 T0 运行控制位 3 4 其他器件的介绍 3 4 1 存储器的介绍 AT24C02 是一个 2K 位串行 CMOSE2PROM 内部含有 256 个 8 位字节 ATMEL 公司 的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的功耗 AT24C02 有一个 16 字节页写缓冲器 该 器件通过 I2C 总线接口进行操作有一个专门的写保护功能 AT24C02 支持 I2C 总线数 据传送协议 数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的 主器 件和从器件都可以作为发送器或接收器 但由主器件控制传送数据 发送或接收 的 模式 通过器件地址输入端 A0 A1 和 A2 可以实现将最多 8 个 24C02 器件连接到总线 上 管脚图如 3 6 所示 图 3 6 24C02 管脚图 SCL 串行时钟 AT24C02 串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的 时钟 SDA 串行数据 地址 CAT24WC02 双向串行数据 地址管脚用于器件所有数据的发 送或接收 是一个开漏输出管脚可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或 wire OR WP 写保护 如果 WP 管脚连接到 Vcc 所有的内容都被写保护 只能读 当 WP 管脚 连接到 Vss 或悬空 允许器件进行正常的读 写操作 本次设计采用的 24C02 是为了防止掉电时里程数据的丢失 由于 24C02 的数据线 和地址线是复用的 采用串口的方式传输数据 所以只用两根线 SCL 和 SDA 与单片机 传输数据 在软件编程时采用程序包来控制 24C02 发送或接受数据 2 E PROM 14 3 4 2 74LS74 芯片的介绍 74LS74 是 D 触发器的一种 它是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件 是构 成多种时序电路的最基本逻辑单元 触发器具有两个稳定状态 即 0 和 1 在一定 的外界信号作用下 可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态 由于其状态的更新 发生在 CP 脉冲的边沿故又称之为上升沿触发的边沿触发器 D 触发器的状态只取决于 时针到来前 D 端的状态 引脚图如图 3 7 所示 图 3 7 74LS74 引脚图 在本题目中 74LS74 芯片起分频的作用 当车轮每转一圈 霍尔传感器输出一个 低电平脉冲 通过 74LS74 进行二分频后 定时器 T1 的开启时间为车轮转 1 圈的时间 这样就可以算出自行车的速度 分频前后对比图如图 3 8 所示 图 3 8 分频前后对比图 由图可见 二分频后的波形的高或地电平的时间正好是霍尔传感器开关的一个周 期 霍尔传感器输出脉冲到 即 P3 2 口接收到对圈数计数的脉冲 经 74LS74 二0INT 分频后的信号输入到 内部定时计数器测得每转一圈所用的时间 通过计算即可1INT 得里程值和即时速度 3 4 3 74LS244 芯片的介绍 本次设计中的采用驱动数码管的芯片为 74LS244 74LS244 为三态输出的八位缓 冲器和线驱动器 若单片机输出口直接接显示部分电路 则电流太小 会导致显示部 分不能正常工作 所以在单片机输出口先接入驱动芯片 74LS244 增大电流 使 LED 能够正常工作 其逻辑图如图 3 9 所示 可以看出 74LS244 由 2 组组成 每组由四路 输入 输出构成 每组有一个控制端高或低电平决定该组数据被接通还是断开 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 图 3 9 74LS244 逻辑图 3 5 单片机外围电路的设计 3 5 1 时钟电路的设计 时钟是单片机的心脏 单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准 有条不 紊地一拍一拍地工作 因此 时钟频率直接影响单片机的速度 时钟电路的质量也直 接影响单片机系统的稳定性 AT89C52 片内由一个反相放大器构成振荡器 可以由它 产生时钟 常用的时钟电路有两种方式 一种是内部时钟方式 另一种为外部时钟方 式 本设计采用前者 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 该高增益反相放大器的 输入为芯片引脚 XTAL1 输出端为引脚 XTAL2 这两个引脚跨接石英晶体振荡器和电 容 就构成一个稳定的自激振荡器 单片机内部时钟方式的振荡电路如图 3 10 所示 图 3 10 单片机片内振荡电路 16 电路中的电容 C1 和 C2 常选择为 30P 左右 对外接电容的值虽然没有严格的要求 但电容的大小会影响振荡器的高低 振荡器的稳定性 起振的快速性和温度的稳定性 而外接晶体的振荡频率的大小 主要取决于单片机的工作频率范围 每一种单片机都 有自己的最大工作频率 外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率即可 此 外 如果单片机有串行通信 则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶体 本设计晶振采用 12MHz 则计数周期为 S 6 1 1 12 10112 T Hz 3 5 2 复位电路的设计 AT89C52 单片机的复位输入引脚 RET 为 AT89C52 提供了初始化的手段 有了它可 以使程序从指定处开始执行 即从程序存储器中的 0000H 地址单元开始执行程序 在 89C52 的时钟电路工作后 只要在 RET 引脚上出现两个机器周期以上的高电平时 单 片机内部则初始复位 只要 RET 保持高电平 则 89C52 循环复位 只有当 RET 由高电 平变成低电平以后 89C52 才从 0000H 地址开始执行程序 本系统的复位电路是采用按键复位的电路 如图 3 11 所示 是常用复位电路之 一 单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位 上电时 刚接通电源 电 容 C 相当于瞬间短路 5V 立即加到 RET VPD 端 该高电平使 89C52 全机自动复位 这就是上电复位 若运行过程中需要程序从头执行 只需按动按钮即可 按下按钮 则直接把 5V 加到了 RET VPD 端从而复位称为手动复位 复位后 P0 到 P3 并行 I O 口全为高电平 其它寄存器全部清零 只有 SBUF 寄存器状态不确定 图 3 11 按键复位电路 工作原理 通电瞬间 RC 电路充电 RST 引脚出现高电平 只要 RST 端保持 10ms 以上高电平 就能使单片机有效地复位 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 3 5 3 显示电路的设计 本设计中采用 LED 数码管显示 在单片机系统中 通常用 LED 数码显示器来显示 各种数字或符号 由于它具有显示清晰 亮度高 使用电压低 寿命长的特点 因此 使用非常广泛 八段 LED 显示器由 8 个发光二极管组成 其中 7 个发光二极管构成字 型 8 的各个笔画段 另一个小数点为 dp 发光二极管 LED 显示器有两种不同的形式 一种是发光二极管的阳极都连在一起的 称之为共阳极 LED 显示器 另一种是发光二 极管的阴极都连在一起的 称之为共阴极 LED 显示器 如图 3 12 所示 本次设计采 用共阴极接法 LED 显示方式有动态显示和静态显示两种方式 本系统采用动态扫描显示接口电 路 动态显示接口电路是把所有显示器的 8 个笔划段 a h 同名端连在一起 而每一个 显示器的公共极 COM 各自独立地受 I O 线控制 CPU 向字段输出口送出字型码时 所 有显示器接收到相同的字型码 但究竟是哪个显示器亮 则取决于 COM 端 也就是说 我们可以采用分时的方法 轮流控制各个显示器的 COM 端 使各个显示器轮流点亮 在轮流点亮扫描过程中 每位显示器的点亮时间是极为短暂的 约 1ms 由于人的视 觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管实际上各位显示器并非同时点亮 但只要 扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 图 3 12 七 八 段 LED 显示器 本设计 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 信号一起组成位选通的位选信号 P0 0 P0 7 信号一起组成段码选通的段选信号 通过软件编程 先把所要显示的数据放入存储单 元 然后把数据送入段选通对应的地址 再选通某一个 LED 逐步完成四个 LED 的显 示 3 5 4 报警电路的设计 本次报警电路采用蜂鸣器报警 当即时速度超过预定值是蜂鸣器响 指示灯闪烁 提示应该减速 报警电路图如图 3 13 所示 18 图 3 13 报警电路图 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 4 自行车的速度里程表软件程序设计 4 1 概述 在硬件设计完毕之后 接下来就是设计中最核心和最为主要的软件部分设计 所 谓软件设计就是把软件需求变换成软件的具体设计方案 即模块结构 的过程 模块 化结构设计即是根据要求和硬件设计的结构 将整个系统的功能分成许多小的功能模 块 再根据这些小的功能模块进行程序编写的过程 这样的设计方法 使得系统的整 个功能和各部分的功能趋于明朗化 当系统出现问题 就可以根据功能设置找出问题 的根源 从而更快地解决问题 所以说 在整个设计过程中 软件设计必须与硬件设 计紧密地结合在一起 基于霍尔传感器自行车的速度里程表的软件设计包括上电初始化程序 中断子程 序 速度调用子程序 里程调用子程序 LED 显示子程序 延时子程序等几大部分 由于要实现很多功能 所以采用模块化设计 下面就其主要部分分别加以分析 4 2 自行车的速度里程表总体程序设计 在主程序模块中 需要完成对各接口芯片的初始化 自行车里程和速度的初始化 中断向量的设计以及开中断 循环等待等工作 另外 在主程序模块中还需要设置启 动 清除标志寄存器 里程寄存器 速度寄存器 并对它们进行初始化 然后主程序 将根据各标志寄存器的内容 分别完成启动 清除 计程和计速等不同的操作 P1 0 和 P1 1 口分别用于显示里程状态和速度状态 P1 2 P1 3 P1 6 和 P1 7 口分别用于设置轮圈的大小 低电平有效 P3 0 是用于里程和速度切换的 低电平为 显示速度 高电平为显示里程 中断 0 用于对轮子圈数的计数输入 轮子每转一圈 霍尔传感器输出一个低电平脉冲 将根据里程寄存器中的内容计算和判断出行驶里程 数 中断 1 用于控制定时器 T1 的启 停 当输入为 0 时关闭定时器 此控制信号是将 轮子圈数的计数经二分频后形成 这样 每次定时器 T1 的开启时间刚好为转一圈的 时间 根据轮子的周长就可以计算出自行车的速度 其程序流程如图 4 1 所示 图 4 1 主程序流程图 20 4 3 中断子程序的设计 定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的 在单片机内部有两个定时 计数 器 以对其中的计数结构进行计数的方法 来实现定时或计数功能 当结构发生计数 溢出时 即表明定时时间或计数值已满 这时就以计数溢出信号作为中断请求 去置 位一个溢出标志 作为单片机接受中断请求的标志 这种中断请求是在单片机芯片内 部发生的 因此无须在芯片上设置引入端 定时 计数器控制寄存器 TCON 是 8 位寄存器 地址为 88H 可以位寻址 其高 4 位用于定时 计数器中断控制 低 4 位借给外部中断 用做中断标志和触发方式选择 位 本设计采用定时中断 对自行车的里程和速度进行计数 中断子程序流程图如图 4 2 所示 图 4 2 中断子程序流程图 4 4 数据处理子程序的设计 1 里程计算子程序 外中断 0 服务程序用于对单片机 P3 2 口输入的圈脉冲进行计数 为十六进制计 数器 60H 为低位 62H 为高位 每次计数一次后 对里程数据进行一次存储操作 当车轮每转一圈 通过霍尔元件将脉冲数输入单片机内 通过计数器计出脉冲数 再 用乘法子程序算出里程数 里程处理子程序流程图如图 4 3 所示 图 4 3 里程处理子程序流程图 2 速度计算子程序 外中断 1 服务程序用于处理轮子转动一圈后的计时数据 当标志位 00H 为 1 时 计数溢出 放入最大时间值 为 0FFH 当标志位为 0 时 将计数单元 TL1 TH1 6CH 6DH 的值放入 68H 6BH 单元 定时器计出每转一圈所用的时间 用自行车车轮的周长除以时间就得出自行车的速度 图 4 4 速度处理子程序流程图 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 4 5 显示子程序的设计 采用动态扫描显示接口电路 动态显示接口电路是把所有显示器的 8 个笔划段 a h 同名端连在一起 而每一个显示器的公共极 COM 各自独立地受 I O 线控制 CPU 向 字段输出口送出字型码时 所有显示器接收到相同的字型码 但究竟是哪个显示器亮 则取决于 COM 端 可以采用分时的方法 轮流控制各个显示器的 COM 端 使各个显示 器轮流点亮 在轮流点亮扫描过程中 每位显示器的点亮时间是极为短暂的 约 1ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管实际上各位显示器并非同时点 亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 本设计 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 信号一起组成位选通的位选信号 P0 0 P0 7 信号一起组成段码选通的段选信号 通过软件编程 先把所要显示的数据放入存储单 元 然后把数据送入段选通对应的地址 再选通某一个 LED 逐步完成四个 LED 的显 示 图 4 5 显示子程序流程图 22 5 系统调试与分析 5 1 系统仿真调试 PROTEUS 系统仿真平台与开发平台是由英国 Labcenter 公司开发的 是目前世界 上最完整的系统设计与仿真平台之一 PROTEUS 可以实现数字电路 模拟电路及微控 制系统与外设的混合电路系统的电路仿真 系统协同仿真和 PCB 设计等全部功能 PROTEUS 软件能够对各种处理器进行实时仿真 调试与测试的 EDA 工具 真正实现了 在没有目标原形时就可以对系统进行调试与验证 在构思好电路原理图和编好程序之后就要对其进行系统仿真 原理图的具体设计 流程如图 5 1 所示 当完成原理图布线后 利用 PROTEUS ISIS 编辑环境所提供的电器规则检查命令 对设计进行检查 并根据系统提供的错误检查报告修改原理图 直到通过电器规则检 查为止 单片机系统的仿真是 PROTEUS VSM 的一大特色 同时 本仿真系统将源代码的编 辑和编译整合到同一设计环境中 这样使得用户可以在设计中直接编辑代码 并且很 容易地查看到用户对源程序修改后对仿真结果的影响 源代码通过编译无误后 就可以进行仿真 在仿真过程中不断完善电路和程序的 功能最后达到本次设计的目的 5 2 调试故障及原因分析 在软件仿真过程中遇到了一些问题 具体故障和解决方法如下 1 数码管不显示 本次设计的电路数码管采用共阴极接法 在仿真时错用共阳极数码管 导致数码 管不显示 2 P0 口显示高阻态 正常情况下 P0 口输出应为高 红色 低 蓝色 互换 但在实际情况下 P0 口出 现了高阻态 灰色 经翻阅资料查得 P0 口做 I O 口是应接上拉电阻 在加上上拉电 阻后 P0 口输出正常 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载 图 5 1 原理图设计流程图 24 6 结论与展望 6 1 结论 该课题的主要任务是开发一个以 MCS 51 单片机为核心的自行车的速度里程表 本设计主要分为硬件部分和软件部分 硬件部分着重考虑硬件电路的简单性 故尽可 能简化硬件电路 节省线路板的空间 达到硬件电路最优化设计 软件采用汇编语言 编写 采用模块化设计思想 程序可读性强 通过仿真 实验验证了系统的可行 能 满足设计要求 达到设计的指标 实现对自行车里程 速度的计算功能 并用 LED 显 示 里程与速度分别根据以下公式求得 里程 脉冲总数 车轮周长 速度 车轮周长 车轮转一圈所用的时间 根据此公式将最终显示出里程和速度 当车轮转动 小磁片滑过霍尔元件时 霍 尔元件输出一脉冲 可根据车轮周长计算里程 选择不同的车轮周长 里程数的变化 有所不同 当按下开关 显示速度时 LED 会根据转速的