基于某单片机的自行车里程表设计.doc
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1、word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。自行车里程表能够满足人们最根本的需求,让人们能清楚地知道当前的速度、里程等物理量。主要阐述一种基于霍尔元件的自行车里程表的设计。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与速度用LED实时显示。文章详细介绍了自行车里程表的硬件电路和软件设计。硬件局部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。软件局部用汇编语言进展
2、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:里程/速度;霍尔元件;单片机;LED显示AbstractWith the developing of peoples life, the bicycle is not only the universal tool of transportation and substitute for walking, but bees the first choice of entertainmenting and exercising. The bicycle mileage/speed can fulfill t
3、he basic need of peoples life, so that they can learn the speed and the mileage of the bicycle. In these 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 r
4、ange informations are 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 bicyc
5、le into Single Chip Microputer system. Then the signal processed by Single Chip Microputer 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, mon sub-program, and meet the demand of design.Keywor
6、ds:Mileage / speed;Hall element; Single Chip Microputer; LED 目 录第1章绪论41.1 课题产生的背景41.2 课题的主要任务与容4第2章自行车里程表总体方案设计62.1 任务分析与实现62.2 自行车里程表硬件方案设计62.3 自行车里程表软件方案设计10第3章自行车里程表硬件电路设计123.1 概述123.2 传感器与其测量系统123.3 芯片简介143.4 单片机外围电路的设计20第4章自行车里程表软件程序设计254.1 概述254.2 自行车里程表总体程序设计254.3 中断子程序的设计274.4 数据处理子程序的设计274.
7、5 显示子程序的设计30第5章系统调试与分析325.1 自行车里程表系统调试325.2 调试故障与原因分析33结论34参考文献35致谢36附录自行车里程表硬件系统原理图37第1章 绪论1.1 课题产生的背景自世界上第一辆自行车问世至今已有200多年的历史了。18世纪末,法国人西夫拉克发明了最早的自行车。这辆最早的自行车是木制的,其结构比拟简单。世界上第一批真正实用型的自行车出现于19世纪初。在20世纪,自行车在中国获得了前所未有的普与和开展。从某种意义上来说,中国是一个自行车的王国。每天清晨和落日时分,滚滚车流在中国的城市中碾动,这是最为壮观的一道风景,这是一条现代中国流动的长城。随着居民生活
8、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开展的,其功能也逐渐从单一的里程显示开展到速度、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里程表,它能自动地显示当前自行车行走的距离与运行的速度。 单片微型计算机自1976年问世以来开展非常迅速,现在已成为微型计算机一个很重要的分支,在现实生活中应用越来越广泛,已经对人类产生了巨大的影响,尤
9、其是美国Intel公司的MCS51系列单片机,由于其集成度高、处理功能强、性能价格比高、可靠性高、系统结构简单,可以灵活的与其他芯片组成众多的测量电路用于速度、温度、深度、高度、湿度、光强等方面的测量和研究等特点,在我国现代化生活、生产中已经得到了广泛的应用,如在工业检测控制、仪器仪表、电子工业、机电一体化等众多领域取得了令人瞩目的成果。本设计利用MCS51系列单片机扩展方便、可靠性能高、处理功能强、速度高等特点,实现对自行车里程和速度的测量。1.2 课题的主要任务与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
10、里程表的设计思想、电路原理、方案论证以与元件的选择等容,整体上分为硬件局部设计和软件局部设计。本文首先扼要对该课题的任务进展方案论证,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展了具体说明与分析,对本次设计进展了系统的总结。 具体的硬件电路包括AT89C52单片机的外围电路以与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
11、顶向下,模块化设计,各个子模块逐一设计。 第2章 自行车里程表总体方案设计任务分析与实现本次毕业设计的题目是:自行车里程表设计其设计的任务是: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,进展处理后送入单片机。里程与速度的测量,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,再经过一系列的计算得出的,其结果通过显示器显示出来。本系统总体思路如下:里程与速度传感器采用霍尔元件,用一个霍尔芯片、一个小磁铁,霍尔芯片紧贴齿轮,磁铁放在芯片后面。齿轮转动一周霍尔元件与小磁铁靠近一次,这样可以改变通过霍尔芯片的磁通量,霍尔芯片可以输出类似正弦的波形,用运放放大波形
12、,后面接一级比拟器,把正弦波转换为方波,方波的频率和齿轮的转速成正比。自行车里程的测量是通过霍尔元件输出端的电压发生变化产生脉冲,通过计数器,根据脉冲数计算里程。自行车速度的测量是通过定时器测出车轮转一周所用的时间t,车轮周长L除以时间t就是自行车的速度。要求达到的各项指标与实现方法如下:1. 利用霍尔传感器产生里程数的脉冲信号。2. 对脉冲信号进展计数。实现:利用单片机自带的计数器T0对霍尔传感器脉冲信号进展计数。3. 对数据进展处理,要求用LED显示里程总数和即时速度。实现:利用软件编程,对数据进展处理得到需要的数值。最终实现目标:自行车里程表具有里程、速度测试与显示功能,采用单片机作控制
13、,可根据车圈的不同设置常用的四种尺寸,显示电路可显示里程与速度,当开关S打开时,LED切换显示当前里程;当开关S闭合时,LED切换显示当前速度v;假如自行车超速,系统发出报警提示。整个设计过程包括硬件电路的搭建,软件的编程,系统的调试,调试通过后,固化程序,脱离开发系统运行。自行车里程表硬件方案设计自从1971年微型计算机问世以来,随着大规模集成电路技术的不断进步,微型机主要向两个方向开展:一个向高速度,高性能的高档微型计算机方向开展。一个向稳定可靠,小而廉价的单片机方向开展。所谓的单片机,就是把中央处理器CPU、只读存储器ROM、定时/计数器以与I/O 接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微
14、型计算机。从组成和功能上看,它具有微型计算机的含义。单片机由于将CPU、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. 数据大局部在单片机传送,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与单片机的多机系统等领域。里程/速度测量传感器的设计1. 速度传感器的设计测速是工农业生产中经常
15、遇到的问题,学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。要测速,首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时,常用测速发电机的方法,即将测速发电机的转轴与待测轴相连,测速发电机的电压上下反映了转速的上下。使用单片机进展测速,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展计算,即可获得转速的信息。(1) 霍尔传感器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、CS3020、CS3040等,这类传感器是一个3端器件,外形与三极管相似,只要接上电源、地,即可工作,通常是集电极开路OC门输出,工作电压围宽,使用非常方便。A44e的
16、外形如下列图。将有字面对准自己,三根引脚从左向右分别是电源、地、输出。1-Vcc 2-GND 3-OUT图2.1 A44e外形图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。(2) 光电传感器光电传感器是应用非常广泛的一种器
17、件,有各种各样的形式,如透射式、反射式等,根本的原理就是当发射管光照射到接收管时,接收管导通,反之关断。以透射式为例,如图2.2所示,当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时,开关管关断,否如此导通。为此,可以制作一个遮光叶片,如图2.3所示,安装在转轴上,当扇叶经过时,产生脉冲信号。当叶片数较多时,旋转一周可以获得多个脉冲信号。图 光电传感器的原理图图2.3 遮光叶片(3) 光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样,不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体,只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连,就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事
18、目标测定等需要检测角度的装置和设备中。某光电编码器的外形如下列图。图2.4 成品光电编码器2. 里程测量传感器的设计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展测量、利用编码器对车轮的圈数进展测量、利用霍尔传感器对里程进展测量、利用干簧管型传感器测量里程。这几种方案都是通过自行车车轮转动产生脉冲数,然后根据脉冲数计算里程。2.2.2 方案确实定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展准确测量;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
19、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展测量,既简单易行,又经济适用。本系统的硬件系统框图如下列图LED显示报警存储器单片机波形整形信号波形变换放大器图 系统的原理框图2.3 自行车里程表软件方案设计硬件是根底,软件是灵魂。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。程序遵循模块化设计的原如此,采用自顶向下的设计方法。即先考虑整体目标,明确整体任务,然后把整体任务分成一个个子任务,子任务再分成子子任务,这样逐层细分,同时分析层次间的关系与同一层次各任务间的关系,最后拟订出各任务的细节。模块化设计使程序的
20、可读性好、修改与完善方便。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、T0、T1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计数器的T0口,然后计数器开始计数,当计数到一定数目后,计数器就产生溢出中断。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。本系统软件总体流程图如下列图。初始化P3.0=1?计算速度计算里程显示里程显示速度开始YN图2.6 软件总体流程图第3章 自行车里程表硬件电路设计3.1 概述传感器在人们研究自然现象、规律以与生产实践活动中,起着
21、非常重要的作用。特别是在当今,科学技术的开展使人类进入了一个信息时代,在利用信息的过程中,首先要解决的就是获取准确可靠的信息。传感器是获取自然或生产领域息的关键器件,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、医疗仪器等的飞速开展和计算机应用的普与,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开展提供了机遇,形成了磁传感器的产业。自从磁传感器作为一种独立产品进入应用领域,从10-14T的人体磁场到高达25T以上的强磁场,都可以找到相应的磁传感器进展检测。而
22、这巨大的应用前景也使微机电系统技术在磁传感器有可为。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根本的测量工作,它的特性是霍尔传感器输出的脉冲信号的个数比拟直接反映所测量转数的数目。3.2 传感器与其测量系统霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场与其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作根底。霍尔器件具有许多优点,它们的结构结实、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、水汽与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
23、跳、位置重复精度高可达m级。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度围宽,可达55150。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、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以与工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进展检测和控制。 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
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