自行车测速仪的设计毕业论文.doc

武汉工程大学邮电与信息工程学院武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 自行车测速仪的设计自行车测速仪的设计 Design of the Bicycle Speedometer 学生姓名 * 学 号 * 专业班级 * 指导教师 * 2013 年年 5 月月 作者声明作者声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术 道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。 毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。 特此声明。 作者专业： 作者学号： 作者签名： 年 月 日 摘摘 要要 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。自行车测速仪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、时间、温度等物理量。本论文主要 阐述一种基于霍尔元件的自行车测速仪的设计。 本文以STC89C54RD+单片机为核心，霍尔传感器测转数，实现对自行车里 程、速度、时间、温度的测量统计，能将自行车的里程及速度用LCD实时显示。 文章详细介绍了自行车测速仪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 LCD显示。软件部分用C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，已达到设计目标。 关键词关键词：速度；温度；霍尔元件；单片机 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论1 1.1 国内外自行车测速仪的发展现状及趋势1 1.2 本论文的研究内容2 第第 2 章章 自行车测速仪的总体设计方案自行车测速仪的总体设计方案4 2.1 单片机选型4 2.1.1 单片机介绍.4 2.1.2 单片机性能比较.4 2.1.3 最终方案.5 2.2 测速传感器选型5 2.2.1 测速传感器的介绍.5 2.2.2 测速传感器的比较.6 2.2.3 最终结论.6 2.3 温度传感器选型7 2.3.1 温度传感器介绍.7 2.3.2 温度传感器性能比较.8 2.3.3 最终方案.9 2.4 显示器选型9 2.4.1 显示器介绍.10 2.4.2 显示器性能.10 2.4.3 最终方案.11 2.5 时钟芯片的选型12 第第 3 章章 硬件设计硬件设计13 3.1 单片机外围电路13 3.1.1 单片机的介绍.13 3.1.2 单片机外围电路图.15 3.2 速度模块的设计15 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 3.2.1 霍尔元件的介绍.16 3.2.2 霍尔传感器硬件电路图.17 3.3 温度模块的设计18 3.3.1 温度传感器的介绍.18 3.3.2 DS18B20 硬件电路图.21 3.4 时钟模块的设计22 3.4.1 时钟芯片的介绍22 3.4.2 DS1302 硬件电路图25 3.5 显示模块的设计25 3.5.1 LCD 芯片介绍.26 3.5.2 LCD 硬件电路图.27 第第 4 章章 软件设计软件设计28 4.1 主程序设计28 4.2 计算速度里程程序设计29 4.3 温度显示程序设计30 4.4 时钟芯片程序设计30 4.5 LCD1602 软件设计32 4.5.1 LCD1602 时序介绍.32 4.5.2 LCD1602 具体软件设计.33 第第 5 章章 测试测试35 5.1 Proteus 及 Keil 软件简介.35 5.1.1 Proteus 软件.35 5.1.2 Keil 软件35 5.2 应用 Keil 软件进行程序调试.36 5.3 Proteus 软件仿真36 5.4 硬件软件联合调试37 5.4.1 联调步骤.37 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 5.4.2 硬件静态调试.38 第第 6 章章 结论与展望结论与展望40 致谢致谢41 参考文献参考文献42 附录附录 1 Protreus 仿真图仿真图43 附录附录 2 源程序源程序.44 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 第第 1 章章 绪论绪论 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 STC89C54RD+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。 1.1 国内外自行车测速仪的发展现状及趋势国内外自行车测速仪的发展现状及趋势 随着微型计算机可靠性提高和价格下降，用单片机测量电机转速技术已经成 熟，但是这种技术目前主要还是用于工业生产方面，测速装置用于生活中还是少 之又少。欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中 采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。转速的测量 方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有 M 法（测频法） 、T 法 （测周期法）和 MPT 法（频率周期法） 。 由于需要采用霍尔传感器的应用领域，如汽车、电机、手机和电脑都已经采 用了该器件，而且这些市场在未来几年的增长较为稳定，而其他一些新的应用市 场又不足以与上述几个市场相比，因此霍尔传感器在全球总的市场份额是较为稳 定的，每年的增长率基本上保持在 5%到 10%之间。因为各种应用电机的部件、 节气门位置的检测、各种阀体位置的检测、或者电磁感应的位置都会用到霍尔传 感器。而且，在中国市场中，国外厂商为了降低成本，陆续将零部件拿到中国进 行设计和生产，这也进一步提升了中国市场霍尔传感器的使用量。随着它在电子 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 消费市场上的应用越来越广，如何控制功耗和成本将是厂商面临的挑战。而且， 它还面临生产测试技术方面的挑战。 国内外现在已经有生产销售类似的自行车测速仪里程表，有些简单的产品功 能比较单一，就是单单只有测速或里程的功能，然而一些复杂的产品除了测速和 里程功能外，还集成了 GPS 全球定位、单次行车里程、平均速度、时钟、行车时 间、车轮转数。未来的发展趋势可能还将加入 MP3 和短信收发、新闻播报、通 讯功能等，使得自行车测速仪更加的人性化、现代化、生活化。相信未来的测速 仪会受到更多人的青睐，也将成为人类社会生活中的必需品。 1.2 本论文的研究内容本论文的研究内容 本课题主要是利用霍尔元件、单片机等部件设计一个可用 LCD 液晶显示器 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 STC89C54RD+单片机的外围电路以及 LCD 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。控制系统的方案设计框图如图 1.1 所示。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 速度传感器 单片机 显示器 按键 时钟芯片 温度传感器 图图 1.1 系统框图系统框图 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 第第 2 章章 自行车测速仪的总体设计方案自行车测速仪的总体设计方案 自行车测速仪是基于单片机的测速系统，该系统包括转速测量模块，温度测 试模块，显示模块和电源模块。 2.1 单片机选型单片机选型 单片机是自行车测速仪的核心部分，是决定各项设计指标的关键因素，不同 的单片机有着不同的优势及其各自的缺点，我们要通过分析论证来选取相对于该 设计来讲相对较优的方案。 2.1.1 单片机介绍单片机介绍 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。 STC89C54RD+是由深圳宏晶科技生产的低功耗，高性价比的单片机。采用 8051 的内核，与其他大部分单片机兼容，并且功能比普通的单片机强大，存储器 （包括数据存储器和程序存储器）容量比普通的 51 单片机更大，程序存储器主 要采用 flash 存储器，可方便的擦写程序，同时还带一个 8 位的 A/D 转换器，最 主要的是它采用 ISP 在线编程，配备了专门的程序下载软件，可直接通过串口将 程序下载大单片机的 flash 程序存储区，并且掉电后不会丢失，用途非常广泛。 2.1.2 单片机性能比较单片机性能比较 AT89C52 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。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） STC89C54RD+具有 16K 在系统可编程 Flash 存储器和 1280B 的随机存取数 据存储器。片内程序存储器内含 16KB 的 Flash 程序存储器，片内数据存储器内 含 1280 字节的 RAM，具有 3 个可编程定时器，具有 32 根可编程 I/O 口线，串行 口是具有一个全双工的可编程串行通信口，中断系统是具有 8 个中断源、4 个级 优先权的中断结构，具有一个数据指针 DPTR，低功耗工作模式有空闲模式和掉 电模式，具有可编程的 3 级程序锁定位，STC89C54RD+工作电源电压典型值为 5V，STC89C54RD+工作频率为 080MHz。 1 2.1.3 最终方案最终方案 就兼容性来讲，两种单片机都兼容 51 单片机，从存储容量来讲 STC89C54RD+具有更大的存储容量，可以存储更多的数据，换句话来说，自行 车可以行驶更远的距离。就价格和功耗来说，STC89C54RD+具有低功耗，正好 满足现在的低碳理念，STC89C54RD+是国产的，而 AT89C52 是美国进口的，故 STC89C54RD+更加便宜，选 STC89C54RD+可以降低系统的成本。所以本文选用 STC89C54RD+单片机作为本系统的控制核心。 2.2 测速传感器选型测速传感器选型 测速传感器是自行车重要的硬件部分，它对被测物的运行速度进行测量并转 化成可输出信号的传感器。测速传感器包括测量线速度传感器和测量转速度传感 器。而测量转速的方式很多，常见的有：霍尔传感器（例如你提到的那一种） 、 光电传感器（还分反射式与透射式） 、以旋转编码器等等。 2.2.1 测速传感器的介绍测速传感器的介绍 LG-916 传感器，由投光部、受光部及放大器组成的一体构造，从传感器发出 光（红外线），照到旋转轴上产生反射光,再检测这个反射光的非接触式转速传感 器。 霍尔传感器 44E 系列是 Allegro MicroSystems 公司生产的宽温、开关型霍尔 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 效应传感器，其工作温度范围可达-40150。它由电压调整电路、反相电源 保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和 OC 门输 出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入 CMOS 逻辑电路。在测量、自动 化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 2 2.2.2 测速传感器的比较测速传感器的比较 用 LG-916 传感器，从传感器发出光（红外线），照到旋转轴上产生反射光, 再检测这个反射光的非接触式转速传感器。在旋转轴上通常要贴反射标签，LG- 916 是在其尖端部使用玻璃纤维束，其玻璃纤维束发出红外线光，同时接受反射 回来的光。传感器内装小型放大器，对波形整形为矩形波输出。经过信号处理后 输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。最大测量距离 20mm （使用 12mm 见方专用反射标签）。 霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴 旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时， 受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉 冲信号的周期与电机的转速有式1.1关系： 3 V=NL （ 1.1） 式中：V 为自行车车速；N 为车轮单位时间内的脉冲数；L 车轮的周长。根 据上式即可计算出自行车当前的速度。 2.2.3 最终结论最终结论 综上所述，LG-916 传感器要用玻璃纤维束发出红外线光，玻璃纤维束比较脆， 很容易坏，不便长期使用，而且最大测量距离 20mm （使用 12mm 见方专用反射标 签） ，测量距离太短，再加上反射标签面积较小，易脱落，不利于固定，不能长期使 用；而霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结对磁场敏感、结构简单、 体积小、频率响应宽、输出电压变化大、结构牢固、重量轻、寿命长、安装方便 等优点，故本文采用霍尔传感器检测脉冲信号。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 2.3 温度传感器选型温度传感器选型 温度传感器是自行车测速仪体格拓展功能的重要硬件，温度传感器是利用物 质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。由于品种繁多， 所以在工业应用中温度传感器分类的方式方法有很多种。 2.3.1 温度传感器介绍温度传感器介绍 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型 智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，能够直接读出被测温度并且可根据实 际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。DS18B20 数字温度传感 器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不 锈钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877，LTM8874 等等。主要根据应用场合 的不同而改变其外观。封装后的 DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循环测温， 锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温 度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设 备数字测温和控制领域。 AD590 是 AD 公司利用 PN 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端 温度传感器。适用于150C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应 用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用 的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、 电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、 与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。AD590可以裸片 形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。 2.3.2 温度传感器性能比较温度传感器性能比较 DS18B20 可以分别在 93.75 ms 和 750 ms 内完成 9 位和 12 位的数字量，并且 从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）读 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电， 而无需额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。在 测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 DS1820 有了很大的改进，给 用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 其主要特点如下： （1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。 （2）多个DS18B20可以并联在惟一的总线上，实现多点组网功能。 （3）可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V。 （4）测温范围55+125，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之 前是错误的）0.5。 （5）零待机功耗。 （6）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。 （7）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正 常工作。 AD590 在 4V 至 30 V 电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节 器，调节系数为 1A/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器 件在 298.2K (25C)时输出 298.2 A 电流。适用于 150C 以下、目前采用传统电 气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的 特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用 AD590 时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量 外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、 液位检测以及风速测定等。AD590 可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合 电路和快速温度测量。AD590 具有如下特征： （1）流过器件的电流(A) 等于器件所处环境的热力学温度(开尔文) 度数如 下式 1.2： Ir/T=1 （1.2） 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 式中，Ir流过器件(AD590) 的电流，单位为 A；T热力学温度，单位为 K； （2）AD590 的测温范围为- 55+150； （3）AD590 的电源电压范围为 430 V，可以承受 44 V 正向电压和 20 V 反 向电压，因而器件即使反接也不会被损坏； （4）输出电阻为 710 m； （5）精度高，AD590 在- 55+-150范围内，非线性误差仅为0.3。 2.3.3 最终方案最终方案 从电路的构造上来讲，AD590 需要模拟转数字电路，电路繁多，而 DS18B20 只需要一个元件，电路简单；从测量精度和测温点数上来说，AD590 测量精确度 较差，测温点数量少，而 DS18B20 采用单总线的构造，可同时连接多个温点； 从信号线的长度来讲，AD590 对线阻有要求，不适合长距离传输，而 DS18B20 信号线距离远，适合长距离传输；从成本的角度来说，DS18B20 比 AD590 便宜， 用 DS18B20 可以减少成本，虽然 DS18B20 温度范围只能在55+125之间， 但是用来测量自行车行驶时的环境温度已经足够了。总体来说 DS18B20 的优点 都是弥补 AD590 的缺点的，故本文采用 DS18B20 温度传感器为本设计的测温芯 片。 2.4 显示器选型显示器选型 显示器是自行车测速仪的重要组成部分，没有显示器，系统测出的参数，将 无法显示，供使用者得知，显示器的性能不行，显示的位数不够，将无法达到测 量精度，所以显示器的选取至关重要。 2.4.1 显示器介绍显示器介绍 深圳市晶美光电科技有限公司是一家集研发、设计、生产、销售于一体，专 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 业研制生产数码管，LED 数码管。led 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形 构成的，加上小数点就是 8 个。这些段分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。当数码 管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。 主要用于楼体墙面，广告招牌、高档的 DISCO、酒吧、夜总会、会所的门头广告 牌等。特别适合应用于广告牌背景、立交桥、河、湖护栏、建筑物轮廓等大型动 感光带之中，可产生彩虹般绚丽的效果。 用护栏管装饰建筑物的轮廓，可以起 到突出美彩亮化建筑物的效果。 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号 等的点阵型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵 字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔， 起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自 定义 CGRAM，显示效果也不好） 。1602LCD 是指显示的内容为 16X2,即可以显示 两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字） 。市面上字符液晶大多数是基 于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 写的控制 程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶 2.4.2 显示器性能显示器性能 LED 数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有 0.5 寸、1 寸等不同的尺寸。 小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或 多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为 1.8V 左右，电 流不超过 30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码 管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用 LED 数码管显示的数字和字符是 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。性能：防水，防尘，防 紫外线，耐压，耐破裂，耐高低温，耐燃，超强抗冲击老化；防护等级：IP65 级； 工作电压范围：24V220V；工作功率：812W；工作环境：-40 度+75 度。正常 寿命：80,000 小时。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 图图 2.1 LED 外形图外形图 图图 2.2 LCD1602 外形图外形图 1602 采用标准的 16 脚接口，其中：第 1 脚：VSS 为电源地。第 2 脚：VCC 接 5V 电源正极。第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最 弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度） 。第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄 存器、低电平 0 时选择指令寄存器。第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平(1)时进 行读操作，低电平(0)时进行写操作。第 6 脚：E(或 EN)端为使能(enable)端,高电 平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据 端。第 1516 脚：空脚或背灯电源。15 脚背光正极，16 脚背光负极。3.3V 或 5V 工作电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令,如：清屏、字符 闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，有 80 字节显示数据存储器 DDRAM， 内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM，8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM，微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用 在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。 2.4.3 最终方案最终方案 完全用数码管做显示，该方案要求至少 2 排 6 位数码管，占空间，不适合便 携式设备，耗费资源多；而 1602 一般只用于显示字母、数字和符号能显示 162 个字符，具有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示 等等，显示效果简单，价格低廉。由于考虑到设计中不需汉字显示且显示字符足 够。因此，系统采用 1602 液晶显示。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 2.5 时钟芯片的选型时钟芯片的选型 时钟芯片是自行车测速仪的重要器件，整个系统能否正常运行取决于时钟芯 片的时钟设置，要让系统按照单片机上的程序运作，首先要设置好时钟，下面就 来介绍本系统时钟芯片的选取。 时钟芯片种类非常多，有内置晶振及充电电池类型，还有外置晶振类型，如 现在流行的 DS1302、 DS1307、PCF8485、SB2068 等等。由于 DS1302 时钟芯片 的电路接口简单，价格低廉、使用方便，被广泛地采用。在系统中采用了 DS1302 时钟芯片，该实时时钟电路是 DALLAS 公司的一种具有涓细电流充电能 力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电 功能，并且可以关闭充电功能，采用普通 32.768kHz 晶振。 4 DS1302 时钟芯片是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具 有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。DS1302 内部有一个 318 的用于临时 性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容， 但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电 的能力。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 第第 3 章章 硬件设计硬件设计 系统主要分成四个模块，分别是速度模块、温度模块、时钟模块、显示模块。 温度及速度模块通过外部传感器对相应参数进行测量，将物理信号转换为电信号 输入单片机，单片机对输入的电信号进行处理，最后通过显示器输出显示 3.1 单片机外围电路单片机外围电路 单片机部分是本设计的核心部分，单片机部分设计的好坏将直接影响整个设 机的工作情况，所以单片机的选择和电路的设计非常重要。本节将从单片机的介 绍和单片机外围电路的设计两个部分进行介绍。 3.1.1 单片机的介绍单片机的介绍 STC89C54RD+具有 16K 在系统可编程 Flash 存储器和 1280B 的随机存取数 据存储器。 （1）片内程序存储器内含 16KB 的 Flash 程序存储器； （2） 片内数据存储器内含 1280 字节的 RAM； （3） 具有 3 个可编程定时器； （4） 具有 32 根可编程 I/O 口线； （5） 串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口； （6） 中断系统是具有 8 个中断源、4 个级优先权的中断结构； （7） 具有一个数据指针 DPTR； （8） 低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式； （9） 具有可编程的 3 级程序锁定位； （10） STC89C54RD+工作电源电压典型值为 5V； （11） STC89C54RD+工作频率为 080MHz。 STC89C54RD+单片机为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器，如图 3.1 所示，按其引脚功能分为四部分,下面对其进行简单的介绍。 5 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） （1） 主电源引脚 VCC 和 VSS； （2） 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2； （3） 控制或与其它电源复用引脚 RST、ALE、PSEN 和 EA/VPP； （4） 输入/输出（I/O）引脚 P0、P1、P2、P3（共 32 根） 。 P0 口是双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与地址总线的低 8 位及数据 总线复用，能以吸收电流的方式驱动 8 个 LS 型的 TTL 负载，故在使用 P0 口作 为输入/输出口时需在外界接入上拉电阻。P1 口是准双向 8 位 I/O 口。由于这种接 口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向 I/O 口。P1 口能驱动 （吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负载。P1.0 引脚的第二功能为 T2 定时/计 数器的外部输入，P1.1 引脚的第二功能为 T2 捕捉、重装触发，即 T2 外部控制端。 对 Flash 编程和程序验证时，它接收低 8 位地址。 P2 口是准双向 8 位 I/O 口。在 访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 Flash 编程和程序验证期间，它接收高 8 位地址。P2 可以驱动（吸收或输出电流） 4 个 LS 型的 TTL 负载。P3 口是准双向 8 位 I/O 口，在 MCS-51 中，这 8 个引脚 还有其第二功能，是复用双功能口。P3 能驱动 4 个 LS 型的 TTL 负载。 6 图图 3.1 STC89C54RD+引脚图引脚图 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 3.1.2 单片机外围电路单片机外围电路图图 单片机外围电路图如图 3.2 所示。由于设计采用 STC 单片机，此系列单片机 具有掉电自动复位的功能，所以在单片机中并未设计复位电路。且在仿真中，单 片机晶振在其属性中可调，即在仿真电路中没有晶振电路。但是在实际的硬件电 路中晶振必须要接入。因此，系统采用 12MHz 的晶振。图中的两个按键是调节 时钟芯片的时间。由于在仿真图中并没有霍尔元件可功模拟，即在 P3.2 接入数字 激励源，代替了实际的电路中的霍尔传感器。 7 图图 3.2 单片机外围电路图单片机外围电路图 3.2 速度模块的设计速度模块的设计 速度模块是本设计不可缺少的部分，速度模块设计的好坏直接将影响本设计 的测试结果，所以测速芯片及电路的选择尤为重要。本节将从两个方面进行讲解， 分别为：霍尔元件的介绍和霍尔元件的硬件电路电路。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 3.2.1 霍尔元件的介绍霍尔元件的介绍 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。该芯片具有尺寸 小、稳定性好、灵敏度高等特点。A3144E 系列单极高温霍尔效应集成传感器是 由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的 磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。它是一种单磁 极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。可应用于汽车工业和军事 工程中。霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图 3.3 所示。 a 霍尔元件和磁钢霍尔元件和磁钢 b 管脚图管脚图 图图 3.3 霍尔传感器的外形图霍尔传感器的外形图 磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。霍尔传感器测量原 理及转速测量方法如下： 1. 霍尔传感器测量原理 测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信 号，从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢 固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲 信号，其基本的测量原理如图 3.4 所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生 对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进 行转速的测量。 8 图图 3.4 霍尔传感器测量原理霍尔传感器测量原理 2. 转速测量方法 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有 M 法（测 频法）、T 法（测周期法）和 MPT 法（频率周期法）。系统采用了第一种方法 （测频法）。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律 的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在自行车的轮毂上，随着 自行车轮子的转动，磁钢也随着轮子同步转动，在自行车车体上安装一个霍尔传 感器，当车轮转动时，受磁钢的影响霍尔传感器会输出脉冲信号，其频率和转速 成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有试(1.1)关系： V=NL （ 1.1） 式中：V 为自行车车速；N 为车轮单位时间内的脉冲数；L 车轮的周长。根 据上式即可计算出自行车当前的速度。 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场 B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧 面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于 其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速 度领域得到了广泛应用。 9 3.2.2 霍尔传感器硬件电路图霍尔传感器硬件电路图 霍尔传感器的的硬件电路图如图 3.5 所示，可测量外界磁信号。车轮每转一 圈，则霍尔传感器能感应到固定在车轮上磁钢发出的信号。其中 out 引脚为霍尔 传感器的脉冲输出引脚，且必须接入上拉电阻。 图图 3.5 霍尔传感器的电路图霍尔传感器的电路图 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 3.3 温度模块的设计温度模块的设计 温度模块是本设计的拓展部分，但同样也是重要的部分，本节将从温度传感 器的介绍以及 DS18B20 的硬件电路图两个部分进行阐述。 3.3.1 温度传感器的介绍温度传感器的介绍 DS18B20引脚如图3.6所示。 DQ 2 GND 1 VCC 3 图图 3.6 DS18B20 DS18B20引脚定义如下： （1） DQ 为数字信号输入/输出端； （2） GND 为电源地； （3） VCC 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） 。 DS18B20 数据部件： （1） 光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是 DS18B20的地址序列码。 （2） DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，如表3.1所示，以 0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 表表 3.1 DS18B20 温度值格式表温度值格式表 bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0LS Byte262524232221202-1 bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8MS ByteSSSSSSSS 这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 将测到的数值乘以 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测 到的数值需要取反加 1 再乘以 0.0625 即可得到实际温度。 例如+125的数字输 出为 07D0H，-25.0625的数字输出为 FF6FH。表 3.2 为 DS18B20 温度对照表。 表表 3.2 DS18B20 温度对照表温度对照表 TEMPERATURE DIGITAL OUTPUT (Binary) DIGITAL OUTPUT (Hex) +85.50000 0000 1010 101000AAh +25.00000 0000 0011 00100032h +0.50000 0000 0000 00010001h 00000 0000 0000 00000000h -0.51111 1111 1111 1111FFFFh -25.01111 1111 1100 1110FFCEh -55.01111 1111 1001 0010FF92h DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性 的可电擦除的 EEPROM，后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和结构寄存器。 高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他 8 个字节组成，其分配如图 3.7 所 示。其中温度信息（第 1，2 字节） 、TH 和 TL 值（第 3，4 字节） 、第 68 字节 未用，表现为全逻辑 1；第 9 字节读出的是前面所有 8 个字节的 CRC 码，可用来 保证通信正确。 10 温度灵敏元件 低温触发器 TL 高温触发器 TH 配置寄存器 存储器和控制器 8 位 CRC 生成器 高速缓存储存 器 64 位 ROM 和单 线接 口 电 源 检 测 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 图图3.7 DS18B20内部储存器结构图内部储存器结构图 根据 DS18B20 的通讯协议，主机（单片机）控制 DS18B20 完成温度转换必 须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后 发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操 作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放，当 DS18B20 收到信号 后等待 1660 微秒左右，后发出 60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信 号表示复位成功。后面还要具体讲述复位、读和写的时序。ROM 指令表明了主 机寻址一个或者多个 DS18B20 中的某个或某几个，或者读取某个 DS18B20 的 64 位地址。RAM 指令用于主机对 DS18B20 内部 RAM 的操作。指令集如表 3.3 和 表 3.4 所示。 表表 3.3 RAM 指令表指令表 指令约定代码100 功能 温度转换44H 启动 DS18B20 进行温度转换，12 位转换 时最长为 750ms（9 位为 93.75ms）。结 果存入内部 9 字节 ROM 中。 读暂存器0BEH读内部 RAM 9 字节内容。 写暂存器4EH 发出向内部 RAM 的 3、4 字节写上、下限 温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送 两字节数据。 复制暂存器48H 将 RAM 的第 3、4 字节的内容复制到 EEPROM 中。 重读 EEPROM 0B8H 将 EEPROM 中的内容复制到 RAM 中的 第 3、4 字节。 读供电方式0B4H 读 DS18B20 的供电模式，寄生供电时 DS18B20 发送“0”，外接电源供电 DS18B20 发送“1”。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 表表 3.4 ROM 指令表指令表 指令代码操作说明 温度转换44H开始启动 DS18B20 温度转换 读 ROM33H读 ROM 内容 匹配 ROM55H对指定器件操作 跳过CCH跳过器件识别 读暂存器BEH读暂存器内容 写暂存器4EH将数据写入暂存器的 TH、TL 字节 复制暂存器48H把暂存器的 TH、TL 字节写到 ROM 重写调用 RAMB8H 把 RAM 中的 TH、TL 字节写到暂存器 TH、TL 字节 3.3.2 DS18B20 硬件电路图硬件电路图 DS18B20 的电路图如图 3.8 所示，是测量外界环境温度的模块。通过串行通 信将数据送至单片机处理并显示，其中 DQ 是串行数据输出口，必须加入一上拉 电阻。VCC 和 GND 分别接入的是电源和接地。电路连接简单，但由于数据输出 口只有一个，所以编程比较复杂。 图图 3.8 DS18B20 电路电路图图 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 3.4 时钟模块的设计时钟模块的设计 时钟模块式本设计运作的非常重要的部分，本设计各个部分的工作的先后顺 序，各个部分的配合都需要时钟模块的统一调配，时钟模块在本设计中有着不可 取代的地位。本结将从时钟芯片 DS1302 的介绍和 DS1302 硬件电路两个方面进 行介绍。 3.4.1 时钟芯片的介绍时钟芯片的介绍 DS1302 的引脚排列，其中 VCC1 为主电源，VCC2 为后备电源。在主电源关 闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302 由 VCC1 或 VCC2 两者中的较 大者供电。X1 和 X2 是振荡源，外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/片选线，通 过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST 输入有两种功能：首先， RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST 提供终止 单字节或多字节数据的传送手段。当 RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化， 允许对 DS1302 进行操作。如果 RST 置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。上电运行时，在 VCC2.0V 之前，RST 必须保持低电平。只有 在 SCLK 为低电平时，才能将 RST 置为高电平。I/O 为串行数据输入输出端，后 面有详细说明，SCLK 为时钟输入端。DS1302 的引脚功能图如图 3.9 所示。 图图 3.9 DS1302 引脚图引脚图 DS1302 控制字如表 3.5 所示。 表表 3.5 DS1302 控制字控制字 76543210 RAMRD 1 CK A4A3A2A1A0 WR 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） （1） 控制字的最高有效位位 7：必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据 写入到 DS1302 中； （2） 位 6：如果为 0，则表示存取日历时钟数据，为 1 表示存取 RAM 数据； （3） 位 5 至位 1（A4A0）：指示操作单元的地址； （4） 位 0（最低有效位）：如为 0，表示要进行写操作，为 1 表示进行读 操作。 控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个 SCLK 时钟的 上升沿时，数据被写入 DS1302，数据输入从最低位（0 位）开始。同样，在紧跟 8 位的控制字指令后的下一个 SCLK 脉冲的下降沿，读出 DS1302 的数据，读出 的数据也是从最低位到最高位。 DS1302 有关日历、时间的寄存器如表 3.6 所示。 表表 3.6 DS1302 日历、时间寄存器日历、时间寄存器 RWBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0RANGE 81h80hCH10SecondsSeconds00-59 83h82h10MinutesMinutes00-59 10 85h84h12/240AM/ PM HourHour1-12/0-23 87h86h0010DateDate1-31 89h88h00010MonMon1-12 8Bh8Ah00000Day1-7 8Dh8Ch10YearYear00-99 8Fh8EhWP0000000 91h90hTCSTCSTCSTCSDSDSRSRS 表 3.6 是 DS1302 内部的 7 个与时间、日期有关的寄存器图和一个写保护寄 存器，我们要做的就是将初始设置的时间数据写入这几个寄存器，然后再不断地 读取这几个寄存器来获取实时时间。这几个寄存器的说明如下： 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） （1） 秒寄存器（81h、80h）的位 7 定义为时钟暂停标志（CH） 。当初始上 电时该位置为 1