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1、最新 精品 Word 歡迎下載 可修改 泰 山 學(xué) 院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 電子里程器的設(shè)計 **2022080001 專 業(yè) 名 稱 電子信息科學(xué)與技術(shù) 申請學(xué)士學(xué)位所屬學(xué)科 理科 指導(dǎo)教師姓名、職稱 ** 2022年 05 月 摘 要 隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運(yùn)輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。自行車的速度里程表能夠滿足人們最基本

2、的需求，讓人們能清楚地知道當(dāng)前的速度、里程等物理量。本論文主要闡述一種基于霍爾元件的自行車的速度里程表的設(shè)計。以 AT89C52 單片機(jī)為核心，A44E 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)數(shù)，實現(xiàn)對自行車?yán)锍?速度的測量統(tǒng)計，采用 24C02 實現(xiàn)在系統(tǒng)掉電的時候保存里程信息，并能將自行車的里程數(shù)及速度用LED實時顯示。文章詳細(xì)介紹了自行車的速度里程表的硬件電路和軟件設(shè)計。硬件部分利用霍爾元件將自行車每轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)傳入單片機(jī)系統(tǒng)，然后單片機(jī)系統(tǒng)將信號經(jīng)過處理送顯示。軟件部分用匯編語言進(jìn)行編程，采用模塊化設(shè)計思想。該系統(tǒng)硬件電路簡單，子程序具有通用性，完全符合設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：里程/速度；霍爾元件；單片機(jī)

3、；LED顯示 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 tha

4、t 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 whe

5、n 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

6、. 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. KEY WORDS: Mileage / speed; Hall

7、 element; Single chip microcomputer; LED 目 錄 1 引 言 1 1.1 課題背景 1 1.2 課題的主要任務(wù)及內(nèi)容 1 2總體方案設(shè)計 2 2.1 任務(wù)分析與實現(xiàn) 2 2.2 硬件方案設(shè)計 2 2.3 軟件方案設(shè)計 4 3 硬件電路設(shè)計 6 3.1 概述 6 3.2 傳感器及其測量系統(tǒng) 6 7 7 3.3 單片機(jī)的原理及應(yīng)用 8 8 9 10 3.4 其他器件的介紹 10 10 11 12 3.5 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計 13 13 14 14

8、 15 4 軟件程序設(shè)計 16 4.1 概述 16 4.2 總體程序設(shè)計 16 4.3 中斷子程序的設(shè)計 19 4.4 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計 20 4.5 顯示子程序的設(shè)計 21 5 系統(tǒng)調(diào)試與分析 23 5.1 系統(tǒng)仿真調(diào)試 23 5.2 調(diào)試故障及原因分析 23 6 結(jié)論與展望 25 6.1結(jié)論 25 6.2 展望 25 致 謝 26 參考文獻(xiàn) 27 1 引 言 1.1 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

9、史，這兩百年間人類在不斷的嘗試與研發(fā)過程中，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)換成休閑娛樂運(yùn)動的用途。 隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運(yùn)輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。因此，人們希望自行車的功用更強(qiáng)大，能給人們帶來更多的方便。自行車?yán)锍趟俣缺碜鳛樽孕熊嚨囊淮筝o助工具也正是隨著這個要求而迅速發(fā)展的，其功能也逐漸從單一的里程顯示發(fā)展到速度、時間顯示，甚至有的還具有測量騎車人的心跳、顯示騎車人熱量消耗等功能。本設(shè)計采用了MCS-51系列單片機(jī)設(shè)計一種體積小、操作簡單的便攜式自行車的速度里程表，它能自動

10、地顯示當(dāng)前自行車行走的距離及運(yùn)行的速度。 1.2 課題的主要任務(wù)及內(nèi)容 本課題主要任務(wù)是利用霍爾元件、單片機(jī)等部件設(shè)計一個可用LED數(shù)碼管實時顯示里程和速度的自行車的速度里程表。本文主要介紹了自行車的速度里程表的設(shè)計思想、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)計和軟件部分設(shè)計。 本文首先扼要對該課題的任務(wù)進(jìn)行方案論證，包括硬件方案和軟件方案的設(shè)計；繼而具體介紹了自行車的速度里程表的硬件設(shè)計，包括傳感器的選擇、單片機(jī)的選擇、顯示電路的設(shè)計；然后闡述了該自行車的速度里程表的軟件設(shè)計，包括數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計、顯示子程序的設(shè)計；最后針對仿真過程遇到的問題進(jìn)行了具體說明與

11、分析，對本次設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。 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。 軟件設(shè)計包括：芯片的初始化程序、定時中斷采樣子程序、顯示子程序等，軟件采用匯編語言編寫，軟件設(shè)計的思想主要是自頂向下，模塊化設(shè)計，各個子模塊逐一設(shè)計。 2 總體方案設(shè)計 2.1 任務(wù)分析與實現(xiàn) 本設(shè)計的任務(wù)是：以通用MCS-51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)。里程及速度的測量，是經(jīng)過MCS-51的定時/計數(shù)器測出總的脈沖數(shù)和每轉(zhuǎn)一圈的時間，再經(jīng)過單片機(jī)的計算得出，其結(jié)果通過LED顯示器顯示出來。 本系統(tǒng)總體思路如下：假定輪圈的

12、周長為L，在輪圈上安裝m個永久磁鐵，則測得的里程值最大誤差為L/m。經(jīng)綜合分析，本設(shè)計中取m=1。當(dāng)輪子每轉(zhuǎn)一圈，通過開關(guān)型霍爾元件傳感器采集到一個脈沖信號，并從引腳P3.2中斷0端輸入，傳感器每獲取一個脈沖信號即對系統(tǒng)提供一次計數(shù)中斷。每次中斷代表車輪轉(zhuǎn)動一圈，中斷數(shù)n輪圈的周長為L的乘積為里程值。計數(shù)器T1計算每轉(zhuǎn)一圈所用的時間t，就可以計算出即時速度v。當(dāng)里程鍵按下時，里程指示燈亮，LED切換顯示當(dāng)前里程，與當(dāng)速度鍵按下時，速度指示燈亮，LED切換顯示當(dāng)前速度，若自行車超速，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，指示燈閃爍。 要求達(dá)到的各項指標(biāo)及實現(xiàn)方法如下： 1. 利用霍爾傳感器產(chǎn)生里程數(shù)的脈沖信號。

13、 2. 對脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。 實現(xiàn)：利用單片機(jī)自帶的計數(shù)器T1對霍爾傳感器脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。 3. 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，要求用LED顯示里程總數(shù)和即時速度。 實現(xiàn)：利用軟件編程，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到需要的數(shù)值。 最終實現(xiàn)目標(biāo)：自行車的速度里程表具有里程、速度測試與顯示功能，采用單片機(jī)作控制，顯示電路可顯示里程及速度。 2.2 硬件方案設(shè)計 測速，首先要解決是采樣的問題。使用單片機(jī)進(jìn)行測速，可以使用簡單的脈沖計數(shù)法。只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個或固定的多個脈沖，將脈沖送入單片機(jī)中進(jìn)行計算，即可獲得轉(zhuǎn)速的信息。常用的測速元件有霍爾傳感器、光電傳感器和光電編碼器。里程測量傳感器的選擇也有以

14、下幾種方案：使用光敏電阻對里程進(jìn)行測量、利用編碼器對車輪的圈數(shù)進(jìn)行測量、利用霍爾傳感器對里程進(jìn)行測量、利用干簧管型傳感器測量里程。 光敏電阻對光特別敏感，當(dāng)白天行駛時，外界光源將導(dǎo)致光敏電阻發(fā)出錯誤信號；光敏電阻對環(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有影響，而且安裝方便。所以本設(shè)計采用霍爾元件對里程與速度進(jìn)行測量，既簡單易行，又經(jīng)濟(jì)適用。 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的齒輪盤上粘上一粒磁鋼，霍爾元件

15、固定在前叉上，當(dāng)車子轉(zhuǎn)動時霍爾元件靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。如果在齒輪盤上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。 霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于信號采集的有A44E，該傳感器是一個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。A44E的外形如圖2.1所示。 1-Vcc 2-GND 3-OUT 圖2.1 A44E外形圖 單片機(jī)

16、由于將CPU、內(nèi)存和一些必要的接口集成到一個芯片上，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： 1. 體積小、重量輕； 2. 電源單一、功耗低； 3. 功能強(qiáng)、價格低； 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。 目前，單片機(jī)被廣泛的應(yīng)用于測控系統(tǒng)、工業(yè)自動化、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)計中選用的是AT89C52單片機(jī)。 外部信號 霍爾傳感器 外部存儲器 AT89C52單片機(jī)

17、 里程顯示 速度顯示 報警部分 圖2.2 系統(tǒng)的原理框圖 2.3 軟件方案設(shè)計 通過軟件控制單片機(jī)的功能是單片機(jī)的主要特點和優(yōu)點，程序的設(shè)計要考慮合理性和可讀性，遵循模塊化設(shè)計的原則，采用自頂向下的設(shè)計方法。模塊化設(shè)計使程序的可讀性好、修改及完善方便。 軟件設(shè)計包括主程序、行車過程中里程和速度計算子程序、延時子程序、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)生的信號接入外部中斷0，將經(jīng)過74LS74分頻后的信號接入外部中斷1，利用中斷和定時器對分別對里程進(jìn)行累加、每轉(zhuǎn)一周的時間進(jìn)行測量。 數(shù)據(jù)處理子程序是將進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號與實際要顯示值之間有一定的對應(yīng)關(guān)

18、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2.3所示。 初始化 P3.0=1? 計算里程 顯示里程 計算速度 顯示速度 N 開始 圖 2.3 軟件總體流程圖 3 硬件電路設(shè)計 3.1 概述 自行車的速度里程表的硬件電路設(shè)計是基礎(chǔ)部分，它包括信號的捕獲、放大、整形，單片機(jī)的計算處理，數(shù)碼管的實時顯示和單片機(jī)外圍基本電路的設(shè)計，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

19、工具。磁傳感器是一種將磁學(xué)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷蜓b置。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器等的飛速發(fā)展和計算機(jī)應(yīng)用的普及，需要大量的傳感器將被測或被控的非電信號轉(zhuǎn)換成可與計算機(jī)兼容的電信號。作為輸入信號，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，在自動檢測系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器測轉(zhuǎn)數(shù)是一種最基本的測量工作。 單片機(jī)是本次設(shè)計的核心部件，它是信號從采集到輸出的橋梁，而且包括計算、定時、信息處理等功能。 3.2 傳感器及其測量系統(tǒng) 本次設(shè)計信號的捕獲采用的是霍爾傳感器?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方

20、便、功耗小、頻率高（可達(dá)1MHz）、耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、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關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體。通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、位置、位移、速度、加速

21、度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁敏傳感器。在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體通入電流I，若電流垂直磁場B，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差Uh，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件。因為它具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)以及體積小、使用壽命長等一系列特點，因此被廣泛應(yīng)用于測量、自動控制及信息處理等領(lǐng)域?；魻栃?yīng)原理圖如圖3.1所示。 圖3.1 霍爾效應(yīng)原理圖 A44E集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢發(fā)生器(即硅霍爾片)B、差分

22、放大器 C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個基本部分組成，如圖3.2（a）所示。(1)、(2)、(3)代表集成霍爾開關(guān)的三個引出端點。在電源端加電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾電勢發(fā)生器的兩端，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處在磁場中時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會產(chǎn)生霍爾電勢差VH輸出，該VH信號經(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)施加的磁場達(dá)到工作點時，觸發(fā)器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導(dǎo)通，此時OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為開 。當(dāng)施加的磁場達(dá)到釋放點時，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)

23、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)動作。工作點與釋放點的差值一定，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，由測量數(shù)據(jù)作出的輸出特性曲線如圖 3.2(b)所示。測量時，在1、2兩端加5V直流電壓,在輸出端3與1之間接一個2kW的負(fù)載電阻，如圖3.3所示。 圖3.2 集成開關(guān)型霍爾傳感器 圖3.3 集成霍爾開關(guān)接線圖 3.3 單片機(jī)選用方案 原理簡介 單片機(jī)是指集成在一個芯片上的微型計算機(jī)，也

24、就是把組成微型計算機(jī)的各種功能部件，包括CPU(Central Processing Unit)、隨機(jī)存儲器RAM(Random Access Memory)、只讀存儲器ROM(Read-only Memory)、基本輸入/輸出(Input/Output)接口電路。定時器/計數(shù)器等部件都制作在一塊集成芯片上，構(gòu)成一個完整的微型計算機(jī)從而實現(xiàn)微型計算機(jī)的基本功能。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.4所示。 定時/計數(shù)器 中斷系統(tǒng) CPU 存儲器 并行I/O口 串口I/O口 TXD TXD RXD T INT P

25、0-P3 圖3.4 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，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器（EPROM）和256 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51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)雜控制場合應(yīng)用。 圖3.5 AT89C52引腳圖 AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I

26、/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，5個中斷源，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)具有振蕩器及時鐘電路。AT89C52管腳圖如圖3.5所示。 中斷是指當(dāng)計算機(jī)執(zhí)行正常程序時，系統(tǒng)中出現(xiàn)某些急需處理的事件，CPU暫時中止當(dāng)前的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行服務(wù)程序，以對發(fā)生的更緊迫的事件進(jìn)行處理，待處理結(jié)束后，CPU自動返回原來的程序執(zhí)行AT89C52系列單片機(jī)的系統(tǒng)有5個中斷源，2個優(yōu)先級，可實現(xiàn)二級中斷服務(wù)嵌套。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器IE控制CPU是否響應(yīng)中斷請求；由中斷優(yōu)先級寄存器IP安排各優(yōu)中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內(nèi)各終端同時提出中斷請求時，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應(yīng)次序。 采用的外部中

27、斷方式包括外部中斷0和外部中斷1，它們的中斷請求信號分別由單片機(jī)引腳/P3.2和/P3.3輸入。 外部中斷請求有兩種信號方式：電平觸發(fā)方式和脈沖觸發(fā)方式。電平觸發(fā)方式的中斷請求是低電平有效。只要在和引腳上出現(xiàn)有效低電平時，就激活外部中斷方式。脈沖觸發(fā)方式的中斷請求則是脈沖的負(fù)跳變有效。在這種方式下，在兩個相鄰機(jī)器周期內(nèi)，和 引腳電平發(fā)生變化，即在第一個機(jī)器周期內(nèi)為高電平，第二個機(jī)器周期內(nèi)為低電平，就激活外部中斷。由此可見，在脈沖方式下，中斷請求信號的高電平和低電平狀態(tài)都應(yīng)至少維持一個機(jī)器周期，以使CPU采樣到電平狀態(tài)的變化，本次設(shè)計所采用的觸發(fā)方式為脈沖觸發(fā)方式。 3.4 其他器件的介紹

28、 AT24C02是一個2K位串行CMOSE2PROM。內(nèi)部含有256個8 位字節(jié)，ATMEL公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02有一個16 字節(jié)頁寫緩沖器，該器件通過I2C總線接口進(jìn)行操作有一個專門的寫保護(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)生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的。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，通過器件地址輸入端 A0、A1和A2可以實現(xiàn)將最多8個24C02器件連接到總線上。管腳圖如3.6所示。 圖3.6 24C02管腳圖 SCL串行時鐘

29、：AT24C02串行時鐘輸入管腳用于產(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，是一個開漏輸出管腳可與其它開漏輸出或集電極開路輸出進(jìn)行線或（wire-OR）。 WP寫保護(hù)：如果WP管腳連接到Vcc所有的內(nèi)容都被寫保護(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/寫操作。 本次設(shè)計采用的24C02是為了防止掉電時里程數(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)。在軟件編程時采用程序包來控制24C02發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。

30、 74LS74是D觸發(fā)器的一種,它是一個具有記憶功能的二進(jìn)制信息存儲器件，是構(gòu)成多種時序電路的最基本邏輯單元。觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即“0”和“1”，在一定的外界信號作用下，可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(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)只取決于時針到來前D端的狀態(tài)。引腳圖如圖3.7所示。 圖3.7 74LS74引腳圖 在本題目中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低電平脈沖，通過74LS74進(jìn)行二分頻后，定時器T1的開啟時間為車輪轉(zhuǎn)1圈的時間，這樣就可以算出自行車的速度。分頻前后對比圖如圖3.8

31、所示。 t t 0 0 v v 霍爾輸出圈脈沖 二分頻后的波形 圖3.8 分頻前后對比圖 由圖可見，二分頻后的波形的高或地電平的時間正好是霍爾傳感器開關(guān)的一個周期，霍爾傳感器輸出脈沖到，即P3.2口接收到對圈數(shù)計數(shù)的脈沖。經(jīng)74LS74二分頻后的信號輸入到，內(nèi)部定時計數(shù)器測得每轉(zhuǎn)一圈所用的時間，通過計算即可得里程值和即時速度。 本次設(shè)計中的采用驅(qū)動數(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)動器，若單片機(jī)輸出口直接接顯示部分電路，則電流太小，會導(dǎo)致顯示部分不能正常工作。所以在單片機(jī)輸出口先

32、接入驅(qū)動芯片74LS244，增大電流，使LED能夠正常工作。其邏輯圖如圖3.9所示，可以看出74LS244由2組組成、每組由四路輸入、輸出構(gòu)成。每組有一個控制端高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開。 圖3.9 74LS244邏輯圖 3.5 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計 時鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AT89C52片內(nèi)由一個反相放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時鐘。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。本設(shè)計采用前者。 單

33、片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機(jī)內(nèi)部時鐘方式的振蕩電路如圖3.10所示。 圖3.10 單片機(jī)片內(nèi)振蕩電路 電路中的電容C1和C2常選擇為30P左右。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。而外接晶體的振蕩頻率的大小，主要取決于單片機(jī)的工作頻率范圍，每一種單片機(jī)都有自己的最大工作頻率，外接的晶體振蕩頻率不大于單片機(jī)的最大工作頻率即可。此外，如果單片機(jī)有串行通信，則應(yīng)

34、該選擇振蕩頻率除以串行通信頻率可以除盡的晶體。本設(shè)計晶振采用12MHz，則計數(shù)周期為 S AT89C52單片機(jī)的復(fù)位輸入引腳RET為AT89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在89C52的時鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)內(nèi)部則初始復(fù)位。只要RET保持高電平，則89C52循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RET由高電平變成低電平以后，89C52才從0000H地址開始執(zhí)行程序。 本系統(tǒng)的復(fù)位電路是采用按鍵復(fù)位的電路，如圖3.11所示，是常用復(fù)位電路之一。單片機(jī)復(fù)位通過按動按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱

35、手動復(fù)位。上電時，剛接通電源，電容C相當(dāng)于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使89C52全機(jī)自動復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運(yùn)行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RET/VPD端從而復(fù)位稱為手動復(fù)位。復(fù)位后，P0到P3并行I/O口全為高電平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器狀態(tài)不確定。 圖3.11 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。 本設(shè)計中采用LED數(shù)碼管顯示。在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼顯示器來顯示各種數(shù)字或符號。由于它具

36、有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。八段LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成。其中7個發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個筆畫段，另一個小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。如圖3.12所示。本次設(shè)計采用共陰極接法。 LED顯示方式有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種方式。本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示接口電路，動態(tài)顯示接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM各自獨立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字型

37、碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于COM端。也就是說我們可以采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms），由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。 圖3.12 七(八)段LED顯示器 本設(shè)計P2.0、P2.1、P2.2、P2.3信號一起組成位選通的位選信號，P0.0～P0.7信號一起組成段碼選通的段選信號，通過軟件編程，先把所要顯示的數(shù)據(jù)放入存儲單元，然后把

38、數(shù)據(jù)送入段選通對應(yīng)的地址，再選通某一個LED，逐步完成四個LED的顯示。 本次報警電路采用蜂鳴器報警，當(dāng)即時速度超過預(yù)定值是蜂鳴器響，指示燈閃爍，提示應(yīng)該減速。報警電路圖如圖3.13所示。 圖3.13 報警電路圖 4 軟件程序設(shè)計 4.1 概述 在硬件設(shè)計完畢之后，接下來就是設(shè)計中最核心和最為主要的軟件部分設(shè)計。所謂軟件設(shè)計就是把軟件需求變換成軟件的具體設(shè)計方案（即模塊結(jié)構(gòu)）的過程。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計即是根據(jù)要求和硬件設(shè)計的結(jié)構(gòu)，將整個系統(tǒng)的功能分成許多小的功能模塊，再根據(jù)這些小的功能模塊進(jìn)行程序編寫的過程。這樣的設(shè)計方法，使得系統(tǒng)的整個功能和各部分的功能趨于明朗化。當(dāng)系

39、統(tǒng)出現(xiàn)問題，就可以根據(jù)功能設(shè)置找出問題的根源，從而更快地解決問題。所以說，在整個設(shè)計過程中，軟件設(shè)計必須與硬件設(shè)計緊密地結(jié)合在一起。 基于霍爾傳感器自行車的速度里程表的軟件設(shè)計包括上電初始化程序、中斷子程序、速度調(diào)用子程序、里程調(diào)用子程序、LED顯示子程序、延時子程序等幾大部分。由于要實現(xiàn)很多功能，所以采用模塊化設(shè)計，下面就其主要部分分別加以分析。 4.2 總體程序設(shè)計 在主程序模塊中，需要完成對各接口芯片的初始化、自行車?yán)锍毯退俣鹊某跏蓟?、中斷向量的設(shè)計以及開中斷、循環(huán)等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設(shè)置啟動/清除標(biāo)志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，并對它們進(jìn)行初始化。然

40、后主程序?qū)⒏鶕?jù)各標(biāo)志寄存器的內(nèi)容，分別完成啟動、清除、計程和計速等不同的操作。 開始 初始化 P1.2=1? N P1.3=1? P1.6=1? P1.7=1? 出錯提示 將車圈周長調(diào)入21H 開中斷，啟動定時器 P3.0=1? 調(diào)用里程處理子程序 調(diào)用速度處理子程序 N N N Y Y Y Y N Y 圖4.1 主程序流程圖 4.3 中斷子程序的設(shè)計 定時中斷是為滿足定時或計數(shù)的需要而設(shè)置的。在單片機(jī)內(nèi)部有兩個定時/計數(shù)器，以對其中的計數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計數(shù)的方法，來實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生計數(shù)溢出時，即表明定時時間或計數(shù)值已滿

41、，這時就以計數(shù)溢出信號作為中斷請求，去置位一個溢出標(biāo)志，作為單片機(jī)接受中斷請求的標(biāo)志。這種中斷請求是在單片機(jī)芯片內(nèi)部發(fā)生的，因此無須在芯片上設(shè)置引入端。 關(guān)中斷 開始 現(xiàn)場保護(hù) 開中斷 中斷處理 關(guān)中斷 現(xiàn)場恢復(fù) 開中斷 中斷返回 圖4.2中斷子程序流程圖 定時/計數(shù)器控制寄存器TCON是8位寄存器，地址為88H，可以位尋址。其高4位用于定時/計數(shù)器中斷控制，低4位借給外部中斷，用做中斷標(biāo)志和觸發(fā)方式選擇位。本設(shè)計采用定時中斷，對自行車的里程和速度進(jìn)行計數(shù)。中斷子程序流程圖如圖4.2所示。 4.4 數(shù)據(jù)處理子程序的

42、設(shè)計 1. 里程計算子程序 外中斷0服務(wù)程序用于對單片機(jī)P3.2口輸入的圈脈沖進(jìn)行計數(shù)，為十六進(jìn)制計數(shù)器。60H為低位，62H為高位。每次計數(shù)一次后，對里程數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲操作。當(dāng)車輪每轉(zhuǎn)一圈，通過霍爾元件將脈沖數(shù)輸入單片機(jī)內(nèi)，通過計數(shù)器計出脈沖數(shù)，再用乘法子程序算出里程數(shù)。里程處理子程序流程圖如圖4.3所示。 點亮里程指示燈 開始 將車圈數(shù)轉(zhuǎn)換成里程 顯示里程值 返回 圖4.3 里程處理子程序流程圖 2.速度計算子程序 外中斷1服務(wù)程序用于處理輪子轉(zhuǎn)動一圈后的計時數(shù)據(jù)。當(dāng)標(biāo)志位（00H）為1時，計數(shù)溢出，放入最大時

43、間值（為#0FFH）；當(dāng)標(biāo)志位為0時，將計數(shù)單元（TL1、TH1、6CH、6DH）的值放入68H～6BH單元。定時器計出每轉(zhuǎn)一圈所用的時間，用自行車車輪的周長除以時間就得出自行車的速度。 開始 開速度指示燈 計算速度 報警 顯示速度 N Y 返回 12P3.01?22 P3.0=1?22速？ 圖4.4 速度處理子程序流程圖 4.5 顯示子程序的設(shè)計 采用動態(tài)掃描顯示接口電路，動態(tài)顯示接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM各自獨立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型

44、碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于COM端。可以采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms），由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。 本設(shè)計P2.0、P2.1、P2.2、P2.3信號一起組成位選通的位選信號，P0.0～P0.7信號一起組成段碼選通的段選信號，通過軟件編程，先把所要顯示的數(shù)據(jù)放入存儲單元，然后把數(shù)據(jù)送入段選通對應(yīng)的地址，再選通某一個LED，逐步完成四個LED的顯示。

45、 開始 顯示單元首址 取顯示數(shù)據(jù) 送段碼到P0口 取段碼表首址 調(diào)用延時 送位選到P2口 4位顯示結(jié)束 返回 Y N 修改顯示單元地址 求下一位位選碼 圖4.5 顯示子程序流程圖 5 系統(tǒng)調(diào)試與分析 5.1 系統(tǒng)仿真調(diào)試 PROTEUS系統(tǒng)仿真平臺與開發(fā)平臺是由英國Labcenter公司開發(fā)的，是目前世界上最完整的系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺之一。PROTEUS可以實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和PCB設(shè)計等全部功能。PROTEUS軟件能夠?qū)Ω鞣N處理器進(jìn)行實時仿真、調(diào)

46、試與測試的EDA工具，真正實現(xiàn)了在沒有目標(biāo)原形時就可以對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與驗證。 在構(gòu)思好電路原理圖和編好程序之后就要對其進(jìn)行系統(tǒng)仿真，原理圖的具體設(shè)計流程如圖5.1所示。 當(dāng)完成原理圖布線后，利用PROTEUS ISIS編輯環(huán)境所提供的電器規(guī)則檢查命令對設(shè)計進(jìn)行檢查，并根據(jù)系統(tǒng)提供的錯誤檢查報告修改原理圖。直到通過電器規(guī)則檢查為止。 單片機(jī)系統(tǒng)的仿真是PROTEUS VSM的一大特色，同時，本仿真系統(tǒng)將源代碼的編輯和編譯整合到同一設(shè)計環(huán)境中，這樣使得用戶可以在設(shè)計中直接編輯代碼，并且很容易地查看到用戶對源程序修改后對仿真結(jié)果的影響。 源代碼通過編譯無誤后，就可以進(jìn)行仿真，在仿真過程中不斷

47、完善電路和程序的功能最后達(dá)到本次設(shè)計的目的。 5.2 調(diào)試故障及原因分析 在軟件仿真過程中遇到了一些問題，具體故障和解決方法如下： 1、數(shù)碼管不顯示 本次設(shè)計的電路數(shù)碼管采用共陰極接法，在仿真時錯用共陽極數(shù)碼管，導(dǎo)致數(shù)碼管不顯示。 2、P0口顯示高阻態(tài) 正常情況下P0口輸出應(yīng)為高（紅色）低（藍(lán)色）互換，但在實際情況下P0口出現(xiàn)了高阻態(tài)（灰色），經(jīng)翻閱資料查得P0口做I/O口是應(yīng)接上拉電阻。在加上上拉電阻后，P0口輸出正常。 新建設(shè)計文檔 設(shè)置編輯環(huán)境 原理圖布線 放置元器件 電器檢查 建立網(wǎng)絡(luò)表 是否合格？ 結(jié)束 Y 存盤、報表輸出 調(diào)整 N 開

48、始 圖5.1 原理圖設(shè)計流程圖 6 結(jié)論與展望 6.1結(jié)論 該課題的主要任務(wù)是開發(fā)一個以MCS-51單片機(jī)為核心的自行車的速度里程表。本設(shè)計主要分為硬件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的簡單性，故盡可能簡化硬件電路，節(jié)省線路板的空間，達(dá)到硬件電路最優(yōu)化設(shè)計。軟件采用匯編語言編寫，采用模塊化設(shè)計思想，程序可讀性強(qiáng)。通過仿真、實驗驗證了系統(tǒng)的可行，能滿足設(shè)計要求，達(dá)到設(shè)計的指標(biāo)，實現(xiàn)對自行車?yán)锍?速度的計算功能，并用LED顯示，里程與速度分別根據(jù)以下公式求得： 里程=脈沖總數(shù)車輪周長 速度=車輪周長車輪

49、轉(zhuǎn)一圈所用的時間 根據(jù)此公式將最終顯示出里程和速度。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動，小磁片滑過霍爾元件時，霍爾元件輸出一脈沖，可根據(jù)車輪周長計算里程，選擇不同的車輪周長，里程數(shù)的變化有所不同；當(dāng)按下開關(guān)，顯示速度時，LED會根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同顯示不同的數(shù)字，當(dāng)速度超過一定速度時，將啟動報警系統(tǒng)。 通過仿真證明本次設(shè)計符合設(shè)計的要求，能實現(xiàn)對里程、速度的顯示，功能性較強(qiáng)，具有一定的實踐意義，將會在許多場合應(yīng)用。但也有一些不足存在，當(dāng)顯示速度時，若自行車轉(zhuǎn)動太快，顯示器會顯示過快，應(yīng)該將速度定時顯示，使人們能夠清楚地看出速度。 6.2 展望 本系統(tǒng)操作簡單，易于實現(xiàn)。硬件部分采用的器件應(yīng)用較廣泛，且價格低廉，如A

50、T89C52單片機(jī)、D觸發(fā)器74LS74、存儲器24C02、驅(qū)動器74LS244等。這就意味著所有的器件功能比較強(qiáng)大、穩(wěn)定。尤其是本次設(shè)計的核心元件AT89C52單片機(jī)，軟件技術(shù)成熟，并具有種類齊全的支持芯片。這類微處理器既可用作控制器又適合于做數(shù)據(jù)處理，而且成本也甚是低廉。軟件采用模塊化設(shè)計，可讀性強(qiáng)，方便二次開發(fā)。 本次設(shè)計電路簡單、低成本，而且能夠滿足人們對高性能、多功能自行車的要求，可在很多里程/速度測量場合使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。 致 謝 在本次畢業(yè)設(shè)計過程中我獲益匪淺，同時也遇到了許多困難，在看到我的畢業(yè)設(shè)計題目時，我的感性認(rèn)識讓我感覺題目挺簡單，但在理性分析和實際操作過

51、程中卻處處碰壁，這都是由于基礎(chǔ)知識不牢造成的，最后在老師的耐心指導(dǎo)下，我對題目有了一定程度的認(rèn)識和理解，對具體的細(xì)節(jié)有了清晰的認(rèn)識。 在這里我要感謝我的指導(dǎo)老師，是他的耐心教導(dǎo)，和不厭其煩地講解，使我順利地完成了畢業(yè)設(shè)計。也要感謝我的同學(xué)們，在我遇到困難時主動幫我解決，使我很快地攻克了一個又一個難關(guān)。還要感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和關(guān)懷。 畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，但是它卻給我留下了美好的回憶，在做畢業(yè)設(shè)計的過程中加深了師生的感情和同學(xué)之間的友誼，覺得每一天都是那么的充實和愉快。 參考文獻(xiàn)

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