电动自行车速度里程表设计论文讲解Word文档格式.docx
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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。
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。
1-Vcc2-GND3-OUT
图2.1A44E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。
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。
报警部分
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。
开始
图2.3软件总体流程图
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。
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。
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。
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（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（Read-onlyMemory）、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。
P0-P3
图3.4单片机内部结构示意图
1.中央处理器（CPU）
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CMOS8位单片机，片内含8KBytes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。
图3.5AT89C52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的读操作限定在外部程序存储器；
信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。
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（
）
编程电压（25V）：
31脚（
表3.1P3口引脚与第二功能
引脚
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
T0
定时/计数器0的外部输入
P3.5
T1
定时/计数器1的外部输入
P3.6
外部RAM写选通
P3.7
外部RAM读选通
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
。
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，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；
ET0（IE.1）定时/计数器T0中断允许位；
EX1（IE.2）外部
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
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；
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；
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。
定时/计数模式选择位。
=0为定时模式；
=1为计数模式。
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。
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
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