AT89C单片机毕业设计Word文档下载推荐.docx
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DC/DCconverter；
voicealarm
引言
本设计为电动自行车速度检测仪设计。
如今电动自行车已成为方便人们出行，节能无污染的首选交通工具。
但是它本身并不具备测速功能，这个问题使骑行电动车的人不清楚当前车速多快盲目加速引起安全隐患。
这时一个自行车测速仪的出现变得尤为必要。
它让人们清楚直观的知道当前的车速路程为多少，还具备超速报警等功能。
本次设计核心为单片机，单片机发展速度之快有目共睹。
现在的家用电器基本上都通过单片机来实现控制，种类繁多，随处可见。
单片机拥有功耗低、控制功能强、体积小、使用方便等优点，故在仪器仪表中得到广泛应用；
形式多样的数据采集系统、控制系统均可以由单片机构成。
比如电梯智能化控制、工厂流水线的智能化管理、种类不同的报警系统，与计算机联网组成的二级控制系统等。
单片机通过通信接口可以与计算机通信，因此当今的通信设备大都采用单片机，从楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、小型程控交换机、再到日常生活及工作中到处可以见到的移动电话，无线电对讲机，集群移动通信等；
单片机应用在医用设备中亦十分广泛，比如监护仪，医用呼吸机，超声诊断设备，各种分析仪及病房的呼叫系统等等。
本文将会详细说明本次单片机的使用。
霍尔传感器也是本次设计重要器件，本设计中电动自行车的速度便是依靠霍尔传感器测量自行车的车轮运转情况而实现的。
根据其工作特性，霍尔元件同样被广泛的应用在科学技术的诸多其他领域。
本文将系统的阐述霍尔效应及其在本设计的应用。
1总体设计方案
本设计速度里程表由系统软件、AT89C2051单片机、检测元件、信号预处理电路、数码管显示电路、语音芯片和串口数据存储电路组成。
内部定时器T0的控制是通过单片机的设置来实现的,这样可以精确地测出脉冲信号周期；
使用E2PROM进行存储,显示部分采用数码管显示。
本设计可以实时显示所测的速度以及累计总里程数。
该装置可以测出传感器给出的脉冲,传送至单片机,单片机计算出速度及里程，最后储存数据并显示出所测的速度。
避免其他因素对精度的影响，在把数据输入单片机之前应放大整形处理。
里程的计算可通过每秒钟速度的累加来得到。
最后把数据存储在E2PROM之中,通过两个不同按钮分别显示速度与里程。
为了简化计算,可以使用BCD码来转换,再把压缩BCD码变换成8段码,最后通过串口送到显示模块来显示数据。
为提高测速的精度，本设计计算速度是通过测量脉冲频率来实现。
为了系统的实时性得到保证应采取快速算法。
采用2位来显示本设计的里程值和速度值。
如图1所示系统的方框图。
图1系统方框图
2测速仪系统单元模块概述
2.1测速仪单片机选型
本设计采用AT89C2051型号的单片机，下面介绍一下该单片机，其主要机构有128B的RAM、2kB闪存、2个16位定时计数器、15根I/O口线、1个全双工串行口和5个向量二级中断结构,而且还拥有二级程序存储器加锁在加密阵列上的功能[1]。
介绍完其结构功能，本设计使用了AT89C2051的INT0引脚和T0、T1定时器,外加P1端口上的6个口线。
单片机和89C51的兼容使本设计更加方便。
但要注意:
所有的分支转移指令和跳转都需限制在2KB范围内。
再者，设计时要考虑到它不支持外部存储器操作。
AT89C2051还有比如可以通过命令处于低功耗模式等其它特点。
2.2测速仪传感器设计
霍尔传感器是一种对磁敏感的传感元件，一般有CS3040、A04E、CS3020等被用于开关信号的采集，该传感器一旦接上电源、地，便可工作。
它性能稳定，并且具有较宽工作电压范围，非常便捷。
如图2：
图2霍尔元件和磁钢图
通过霍尔效应采集信号，可将一个磁钢固定到电动车前轮上。
而将霍尔开关固定在安装轮子的车架上。
磁钢随着车轮一圈圈转动不断接近和远离霍尔开关，使之不断发出脉冲信号。
单片机的计算便是根据该脉冲进行的，若安装多个等距磁钢，可一圈得到多个信号提高精度。
霍尔元件不受温度、水污或灰尘的影响。
具有数字脉冲性能好，响应快，性能稳定，安装简易，价格低廉的优点。
2.3测速仪显示模块选型
液晶LCD显示器、发光二极管LED显示器等是单片机系统常用的显示器。
本实验考虑到测速系统比较简单，故只考虑LCD显示器和LED静态、动态显示器。
动态显示方式和静态显示方式是LED显示器的两种工作方式。
LED技术有三大非常明显的优势。
第一，LED背光源不含汞和铅等有害有毒物质，是绿色环保的光源[2]；
第二，它可以比传统显示屏显示更加丰富的色彩；
第三，其背光源亮度可以随着环境亮度改变而改变，达到节能的目的。
不仅如此，在屏幕刷新频率方面LED比LCD更优秀。
LED分为静态动态两种，电动和速度不可能一直不变。
所以显示模块采用动态LED。
2.4速度算法概述
工控系统经常要计算速度，采用脉冲测某根轴的转速再换算成线速度，这种方法较为常见。
测频率法（M法）及测周期（T法）是脉冲测速最典型的方法。
测量高速通常采用测频率法，测频法是单位时间内脉冲数转换成频率。
速度低时测到的数据变少，误差也就变大了。
测量高速采用测周期法，两个脉冲时间所用时间为一个周期。
速度快时测到周期小，误差变大。
车速不是一定处于高速或者低速的，因此无论采用M法、T法都不能准确测量数据。
后来人们将两种方法综合：
高速测频率、低速测周期。
得到的新方法称为多倍周期法
速度常用以下几种方法计算：
方法一，周期法；
方法二，多倍周期法；
方法三，频率法。
在分析总结原有方法基础上，我们采取一种既能保证精度又能满足实时性的方法：
精度自适应法。
这种全新方法理想地克服了传统方法存在的局限性[3]。
综上，精度自适应法对本设计再合适不过。
电动车轮速计算公式（2-1）：
V=（2
/z）
f（2-1）
r—电动车车轮半径；
z—磁片的数量；
f—脉冲的频率。
相对于不同的系统2
／z的值不一定相同，但同一系统该值是一定值，考虑到电动车车速计算的误差，故本设计采用转速输出脉冲频率误差分析来转换。
为确保精度，T法用于测量转速低频，而M法用于测量转速高频。
两种方法优势互补就是多倍周期法。
需对转速脉冲信号分频，转速脉冲的频率通过使周期倍乘来计算：
（2-2）
—实际转速脉冲信号周期；
—周期倍乘数；
T—
分频脉冲周期。
本设计中默认
，替换到上面方程中有：
（2-3）
本设计中转速脉冲周期与
比值即为N1，这么计算的原因是采取了转速周期倍乘的措施。
值得注意，磁片在电动车车轮圆周边缘的分布不均产生有正负之分的
，因此转速周期平均值比单个周期精度更高，存在误差更小。
本设计使用的多倍周期法测量精度较高，本设计加长了低频转速计算上的时间间隔以满足对测速仪实时性的要求。
其原理如图3所示。
图3多倍周期法测量原理图
传统多倍周期法计算速度低实时性差，其中的主要原因是
的值不固定，但精度自适应既能保证计算精度又能保证实时性，很好的克服了多倍周期法的缺点，两者区别在于
的取值。
首先，从保证时性角度出发，取
为最大周期，可求
上限值：
（2-4）
求完上限值，接下来求其下限值。
从保证高精度角度出发，可求
下限值。
结合方程（2-3），可求：
（2-5）
由上方程可知，测量误差有两点：
一是常值误差
一般
精度保证在
以下，因此本设计对该误差忽略不计；
第二点是误差
/N，本设计中dN=士1。
综上所述，误差来源主要是时标信号脉冲计数误差
/N，公式可表达为：
（2-6）
如果精度用百分数表达：
（2-7）
可求
，合并（2-4）及（2-8）得:
（2-8）
本设计中，为计算到
值下限，用
作为试算脉冲，完毕之后，计算出
值上限，该测试周期之内的转速脉冲分颓值只需在两值之间取一整数。
本设计中需要固定转速计算精度，
值随转速升高而变大。
这样一来，计算精度和低速检测实时性[4]都得到了保障。
由（2-4）可知，
的上限值与
的值有关。
利用本设计单片机中的定时器／计数器，可求
的值即为引脚上转速脉冲宽度的两倍。
的下限值也可以利用
求出。
然后确定当前测试周期内的分频值，方法为在上限和下限之间取一整数。
确定后，按照多倍周期法的转速计算公式，利用本设计采用的单片机的定时器／计数器，对时标脉冲进行计数，通过此方法求出车速。
2.5测速仪报警电路选择
本设计提前在系统中录入人声报警的语音，该语音让驾驶员最直接接受报警信息，WTV040语音芯片是报警电路的核心。
该款芯片具有录入语音功能且价格实惠，在本实验使用再合适不过了。
3测速仪系统硬件设计
3.1测速仪单片机主控电路
3.1.1单片机概述
AT89C2051是一个高性能的CMOS8位单片机，其功耗低，与MCS－51系列指令集和引脚兼容，有128bytes内部RAM，2Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器，15根I／O线，2个16位定时／计数器，5个两级中断源，1个全双工串行口，一个片内精密模拟比较器和片内振荡器。
其特点如下：
（1）耐久性：
1,000写／擦除周期
（2）2K字节可重编程闪速存储器
（3）和MCS-51产品的兼容
（4）2.7V～6V的操作范围
（5）15根可编程I/O引线
（6）两级加密程序存储器
（7）直接LED驱动输出
（8）全静态操作：
0Hz～24MHz
（9）低功耗空载和掉电方式
（10）片内模拟比较器
（11）128×
8位内部随机数据存储器
如图4所示AT89C2051有20个引脚，该芯片比8051缺少P0、P22两个对外端口。
其引脚减少就意味着尺寸相应也减小[5]。
图4AT89C2051引脚图
3.1.2测速仪复位电路设计
复位电路通常用按钮复位及上电自动复位两种方式。
图580C2051复位电路
由图5所示，为按键手动复位电路。
当Vcc的上升时间小于1ms时,自动上电复位就可实现。
时钟频率用6MHZ时C取22µ
F,R取1KΩ[6]。
有时还要靠按键手动复位。
上电复位并不适用所有情况，该设计便是按键手动复位。
时钟频率为6MHZ时，相应的C取值为22µ
F,Rs取值为200Ω，RK取值为1KΩ。
3.1.3测速仪晶振电路设计
如图6所示为晶振电路连接图。
图6晶振电路连接
晶振电路包括晶振和两个负载电容。
调试时应注意把PC串口波特率设定为1200。
，为最大限度保证频率值的误差，需根据晶振厂家规定晶振选值决定两个电容的大小。
两个电容取在二十、三十pF之间的相同两个值，若没有两个相同大小的电容，近似大小的替代也可行，不然会引发停振或不起振[7]。
3.2测速仪信号处理电路设计
由二级电路构成，其中第一级的偏置可以确保放大器有较好的高频响应，其本身是开关三极管。
输入信号为正电压的时候，三极管导通，输出电压与输入电压成反比。
这时，本装置可任意测量方波和正弦波频率；
而输入信号是零或负电压时，则三极管截止，输出高电平。
预处理电路第二级把与COMS电平兼容方波信号转换成放大器生成的单相脉冲，并且把输出信号加在单片机的P3.4口上[8]。
若触发器状态转换中的正反馈信号变化缓慢，可以用矩形信号代替。
值得注意的是，若要在输出端获得同等频率的矩形脉冲信号需满足信号幅度大于VT+。
发生如下问题可通过施密反相触发器整形得到理想的矩形脉冲波形。
1、波形畸变；
2、振荡现象；
3、波形的上升沿变坏。
如图7所示为信号预处理电路。
图7信号预处理电路图
3.3测速仪传感器电路设计
本设计关于传感器的应用，在信号脉冲发生源上我选择的是开关型霍尔传感器。
可以把磁场当做媒介通过霍尔传感器检测多种物理量，如加速度、转速、位移、电功率、电流等。
它不仅能够非接触测量，并且无需附加其他能源。
霍尔传感器凭借感器尺寸小、性能可靠、应用电路简单、价格便宜等优点获得广泛的应用。
除了直接利用它外，还可以用它开发出许多派生的传感器[9]。
霍尔元件原理图如图8所示。
图8霍尔传感器磁场效应
经考虑研究后采用开关型霍尔传感器A04，其结构如图9所示。
图9开关型霍尔传感器内部结构图
该传感器是集成传感器的一种，其内部包括霍尔元件、稳压电源及放大器、集电极开路输出部分等。
如图10所示为开关型霍尔传感器工作特性。
图10开关型霍尔传感器工作特性
不同类型电平输出：
1、低电平，磁感应强度超过动作点BOP；
2、高电平，磁感应强度降到释放点BRE的；
3、电平不变，磁感应强度降到Bop以下的时候。
Bre和Bop之间的回差使开关动作可靠性更加高。
图11霍尔传感器检测转速示意图
图11为霍尔传感器检测转速示意图。
将磁钢粘贴在非磁材料的电动车轮边上，在电动车轮外缘附近固定霍尔传感器。
安装完毕，车轮每转动一圈霍尔传感器输出一个脉冲。
电动车轮转速可以通过单片机测量产生脉冲的频率而得出。
与之同理，根据车轮转速，然后结合圆盘的周长便可使物体的位移计算出来。
因为传感器内部输出是集电极开路输出，为解决此问题，可以外接一个上拉电阻，电路结构如图12所示。
图12传感器输出电路
3.4测速仪变换电路设计
电动车电瓶电源为24V，而与单片机电压为5V。
所以要使用降压变换电源降压，经考虑本设计采用MC34063降压变换电源。
该降压变换电源是DC/DC变换集成电路，在本实验起降压作用。
其内部结构如图13所示：
图13MC34063引脚图及原理框图
MC34063是单片双极型线性的集成电路。
其特点有以下几点:
特点一、输入电压3.0-40V；
特点二、输出电压振荡频率从100HZ至100KHZ；
特点三、输出1.5A电流；
特点四、低静态电流。
电路如图14所示：
图14降压变换电源
当VI=24V,Io=500mA的时候，该降压电源具有如下三个特点：
特点一、线性调整率为12mV±
0.12％；
特点二、负载调整率为3mV±
0.03％；
特点三、纹波电压为120mV。
3.5测速仪存储器电路设计
3.5.1概述
I2C总线是二线制总线，其作用是与IC器件相连接。
它接到总线上来传送器件之间的信息，并且可以通过地址把诸如单片机、LCD驱动器等每个器件识别出来。
采取I2C总线的单片机或者是IC部件，其片选是通过软件寻址来实现的，通过这种方法减少了线的连接。
某个功能单元的电路摘离总线或挂靠可通过CPU指令实现，单元的工作状况还通过此方法检测，来实现对硬件的扩展和控制[10]。
4.5.2测速仪存储器电路设计
AT24C02是串行EEPROM，是ATMEL公司的生产的。
有写入速度快、擦写次数多、工作电压宽等特点。
芯片的硬件地址由AT24C02的1、2、3脚用来确定。
它们在单片机试验开发板上接地，第4脚为负电源。
第5脚为串行数据的输入/输出，数据在其试验开发板上与单片机的P3.5连接，通过这条双向I2C总线串行来传送的。
第6脚SCL是串行时钟输入线，与单片机的P3.6连接。
第7脚要接地。
第8脚为正电源。
本设计使用该芯片SCL端和单片机的P3.5口连接，用芯片SDA端和单片机的P3.7口连接。
AT24C02在内部组织成256×
8位，其具有在二线总线上工作的串行接口和软件协议。
考虑到本设计总线只有一个元件，所以把接口A0、接口A2、接口A3全部接地，也就是设AT24C02地址为000。
图15AT24CO2与单片机的接口电路
如图15所示为单片机的接口。
电动车测速仪显示里程时，单片机发送读信号，经过确认后，读出数据，用来显示使用。
其中，单片机计算得出的里程数据通过SDA、SCL两端输送向AT24C02。
3.6测速仪显示电路设计
经考显示效果、适应性等多方面虑后，本设计采用74HC164驱动数码管。
下面简单介绍下该数码管，它是8位边沿触发式的移位寄存器。
数据通过输入端DSA输入，也可以通过DSB输入，输入方式为串行输入。
也就是可以通过DSA、DSB任意一个控制另一输入端数据输入。
但要注意，两个输入端不要悬空，实现方式是，它们要连接在一起或者把不用的输入端接高电平。
如图16所示为74HC164的引脚。
图1674HC164的引脚
数据随着时钟的由低变高而向右移动，然后输入到输入端的逻辑与Q0，它将上升时钟沿之前维持一个建立时间长度。
值得注意一点，主复位输入端上的一个低电平会强制全部的输出都是低电平[11]。
也就是该低电平使其它输入端失效，并让寄存器清空。
3.7测速仪报警电路设计
电动车行使超速时语音报警的电路应用讲述，WTV040语音芯片是语音报警电路的核心。
WTV040语音芯片语音可由自己自由设定、适应性强且经济实惠。
下面我们将了解下WTV040语音芯片，再依据语音芯片各项功能，规划一下超速报警器的工作框图，最后详细设计电动车报警仪。
3.7.1测速仪语音芯片概述
本设计采用WTV040语音芯片，其功能完全能够满足本设计要求，该语音芯片工作电压是DC2.5～3.5V，其输出是PWM模式和DAC模式。
一些芯片插入静音也需要占用空间，而该芯片并不占用语音空间且可任意静音。
拥WTV040语音芯片有多种工作模式，这里不过多赘述。
该语音芯片工作时，BUSY脚可任意设定高低电平输出。
本芯片装有喇叭直推线路,十分方便，无需外加器件。
该款语音芯片还具有可编程功能，经过设计，可定制各种复杂的功能[12]。
按键模式下有十几种触发该语音芯片的方式。
可以由上位机软件随意对报警语音、触发方式和控制模式进行更改设定，该芯片可根据设计要求，在多种场合中应用。
如表1所示为WTV040语音芯片的语音段数：
表1WTV040语音芯片语音段数
封装
规格
播放
时长（秒）
语音芯片工作对应的最多语音段数
按键模式（段）
按键组合（段）
并口模式（段）
串口模式（段）
SSOP20
40
128
208
DIP16
7
8
3.7.2测速仪语音报警电路
电动车超速时，系统单片机会向外发出一个拉低I/O口P01的低电平，这个信号会触发语音报警。
电路中，测速器输出恒定的电压，一旦电动车超速，便会触发报警系统一直工作，车速降到限制速度以下停止报警。
本设计通过按键模式来控制语音芯片。
可直接通过按键让电动车报警语音芯片发声，单片机每个管脚对应特定的录音。
考虑到实际使用存在按键抖动问题，本设计采用15ms防按键抖动时间，这会有效避免按键抖动。
如表2所示为端口的分配。
表2按键控制模式端口分配
封装形式
管脚
T07
T06
T05
T04
T03
T02
T01
T00
--
K4
K3
K2
K1
SOP16
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