毕业设计（论文）-自行车里程监测仪的嵌入式（全套设计）.doc

自行车里程监测仪的嵌入式设计与实现XX大学2016届毕业论文题目:自行车里程监测仪的嵌入式设计与实现Embedded design and implementation of bicycle mileage monitor姓名:X X X 学号:10214521 学院:不知道 专业:不知道 导师:不知道 时间:2016.4.12 完成时间:2016年4月6日摘 要随着时代的发展,我们可以看到,我国的自行车数量越来越多,其原因就在于,自行车既可以用于娱乐,又可以短途代步,同时也是人们户外郊游的上佳选择。因为自行车的方便，简单易学等特点，如今，基本上所有的人多可以骑自行车了。而人们对于骑车时的一些数据，例如骑行的速度，骑行的距离等。多还是靠人的长期知识进行粗略的估计，这对科学锻炼来说是不合适的。所以本设计就旨在设计一款基于C51单片机的自行车里程监测仪，实现对自行车车速和里程的监测，从而可以让人们清楚的知道自己现在的骑车状态，对于锻炼的人来说，有了这个系统，锻炼可以更加的科学合理。对于普通的游玩骑行的人来说，这个系统也可以帮助人们实时的了解自己的行进距离从而合理的安排出游的时间和目的地。全套设计，加153893706本设计主要实现了：利用C51单片机对自行车的速度和里程进行实时的采集和显示，同时对骑行速度进行预警提示，设计中包含电路电源设计，程序设计，系统组合，软件仿真等分部设计。进过前期的学习和设计最终利用STC89C51单片机作为核心控制器件，利用AH3503开关型霍尔传感器进行数据采集，利用LCD1602作为显示器件，LED和蜂鸣器作为提示元素，独立按键作为复位清除按键。完成了本次设计。经过前期的仿真和后期的实物检验可以得知本设计是完整可靠的系统。进过实际的测试可以得知本设计不但具有研究意义，同时具有市场推广的潜力，如果能进行后续的功能改进和提升，用于市场推广是完全可行的。关键词：C51；单片机；AH3503；霍尔元件- I -Abstract With the development of the times, we can see, growing number of bicycles in our country, and the reason is, the bicycle can be used for entertainment, and walking a short distance, and is also one of the outdoor picnic is an excellent choice. Because the bicycle is convenient, easy to learn and so on, now, basically all the people can ride a bicycle. And some of the data, for example, when people ride a bike, such as the speed of riding, riding distance, etc. More than a rough estimate of the long-term knowledge of people, which is not suitable for scientific exercise. So this design aims to design a based on C51 microcontroller bicycle mileage monitoring, monitoring of bicycle speed and mileage, so that people can clearly know her ride now, for people who exercise. With this system, the exercise can be more scientific and reasonable. For ordinary people who play riding, this system can also help people to understand their own travel distance in real time and thus reasonable arrangements for travel time and destination.This design mainly realizes the C51 microcontroller on the bicycle speed and mileage of real-time acquisition and display, at the same time, the riding speed warn, design includes power supply circuit design, program design, system composition, software simulation design division.Study and design of pre eventually use STC89C51 microcontroller as the core control device, using AH3503 linear Hall sensor data collection, using the LCD1602 display the, led and buzzer as the prompt element, independent keys as a reset to remove the keys. Completed the design. After the physical test and simulation during late prophase can this system design is complete and reliable.The actual test can get Chihpen design not only has the significance of the research, also has the potential for market promotion, if we can improve and upgrade the following function for market promotion is feasible.Key words: C51; single chip microcomputer; AH3503; Holzer element目 录第1章 绪 论11.1 设计的目的11.2 国内外研究现状11.3 设计的任务和内容2第2章 系统的总体设计方案32.1 主要任务以及思路32.2 系统的总体组成32.3 系统的硬件组成42.4 系统的软件组成5第3章 控制器件选择63.1 单片机的组成和特点6运算器6控制器6主要寄存器73.2 STC89C51单片机介绍83.2.1 STC89C51单片机特点93.3 STC89C51单片机资源介绍103.4 STC89C51单片机定时器介绍123.5 STC89C51单片机外部中断介绍12第4章 数据采集器选择144.1 可用传感器的介绍和对比144.2 霍尔传感器介绍154.2.1 霍尔传感器原理154.2.2 霍尔传感器分类154.3 AH3503集成线性型霍尔传感器介绍164.4 AH3503霍尔传感器的检测原理17第5章 系统电路设计185.1 STC89C51单片机系统电路195.1.1复位电路的设计195.1.2 STC89C51单片机的晶振电路205.2 霍尔传感器电路215.3 系统电路的设计215.4 液晶显示电路的设计225.4.1 LCD1602的特点225.4.2 LCD1602的功能参数表245.4.3 LCD1602引脚介绍255.5 蜂鸣器和LED报警电路的设计25第6章 单片机软件设计276.1 系统软件设计所使用的编程环境介绍276.2 主程序模块设计276.3 定时中断函数的设计286.4 计算函数设计286.5 显示函数程序流程296.6 蜂鸣器和LED预警流程图296.7 数据采集流程图306.7 按键清除流程图30第7章 系统仿真327.1 仿真软件介绍327.2 本次设计的仿真图设计33主要参考文献34附 录 一 设计电路图35附 录 二 仿真电路图35附 录 三 系统源程序36致 谢45自行车里程监测仪的嵌入式设计与实现第1章 绪 论人们总是对和自己相关的物理数据有着极高的求知欲望，例如步行数步行速度等都希望可以实时的了解，因此产生了很多的计步软件，特别是现在大量出现的的手环。但是对于人们使用了多年的自行车，目前还没有很多的产品可以做到实时的显示骑行者的速度和骑行的总里程，这对现在的社会发来来说是不相符合的。因此本设计就着眼于此，开发了一套可以实时监测自行车里程和测速的系统。本设计中采用了宏晶科技有限公司生产的STC89C51单片机作为系统的控制器件，利用AH3503开关型霍尔传感器作为车轮的圈数采集器件。在单片机采集到车轮的圈数之后，根据车轮的直径计算出实时车速，同时对行驶的总里程进行累加记录。在得出数据之后，通过通用性LCD1602液晶显示器进行数据的显示。在显示之后还要对计数的数据进行一个判断，如果判断到速度过大了，也就是人的骑行速度过快的时候，就启动蜂鸣器和LED进行提示，避免骑行者在不经意间速度过快而导致危险情况的发生。1.1 设计的目的对于自行车的实时车速和骑行的总里程进行实时的监测，这对于人们实时的了解自己相关事务的数据是有必要的作用的，很多人在自己骑行的时候，都是靠着以往的经验来进行判断，比如车速，有时候我们就不能很好的判断出目前自己的车速是多少，就可能在疲惫的情况下发生超速的情况。一旦速度过快，作为非机动的一方，在骑行的时候就很危险。同时了解我们的骑行距离也对我们规划出行时间和目的地是有重要的作用的。我们可以通过实时的里程数来确认自己和目的地的距离以及和回去的目的地距离。1.2 国内外研究现状目前国内外也有一些自行车码表出现，其大概分类有三种：有线方式码表、无线方式码表、踏频检测方式码表。有线码表通过安装的磁体传感器获取人的骑行数据，然后通过有线的方式传输到单片机进行显示；无线码表在获取数据的时候和有线码表采用的相同方式，只不过传输数据采用的是无线发送的方式进行；踏频码表在获取数据的时候则是通过人对自行车踏板的踩踏来实现数据的采集，因为目前很多车都是可变速的，所以单独采集踏频还不够，还需要得到洗轮比，这种设计方式显得复杂，而且效果不是很好。目前国内外生成自行车码表的主要有：国外品牌德国的西格玛，日本的猫眼码表。柏奥BOAO码表。国内品牌因为质量和国外有较大差距，所以产量和使用量都不大1.3 设计的任务和内容在本次设计中采用了深圳宏晶科技有限公司生产的STC89C51单片机作为系统控制芯片，利用AH3503开关型霍尔传感器来获取车轮的圈数，在单机获得数据进行计算后，利用LCD1602进行实时的显示，同时在综合判断目前的车速后，与设定的预警车速进行比较，如果超过了预定的车速，那就使用蜂鸣器和LED进行提醒，直到恢复了正常的骑行速度。设计中使用了STC89C51单片机，AH3503线性传感器，LCD1602液晶显示器，蜂鸣器，LED灯，电源稳压芯片，独立按键，以及电路必须的基本元器件。设计主要包括了：整个系统的完整设计，电路的设计，仿真电路的设计，程序软件的设计。这几个部分是完成本次设计的几个必须步骤和内容。13第2章 系统的总体设计方案2.1 主要任务以及思路本设计主要任务为：采用宏晶科技生产的STC89C51单片机作为系统的大脑，利用AH3503开关型霍尔传感器来获取车轮的圈数，在霍尔传感器输出脉冲数据之后将数据送到单片机的外部中断口进行数据的采集，在单机获得数据进行计算后，利用LCD1602进行实时的显示，同时在综合判断目前的车速后，与设定的预警车速进行比较，如果超过了预定的车速，那就使用蜂鸣器和LED进行提醒，直到恢复了正常的骑行速度。本设计的主体思路如下：首先从理论上分析，我们要计算出自行车的速度和行车里程，我们就需要知道车轮的周长，以及在我们的采集时间内，车轮转过的圈数。我们可以令车轮的直径为D，通过圆周率公式：L=*D，就可以计算出车轮的周长。我们再假设转过的圈数为N，那么行驶的速度V=S/T就有：V=N*D/T；总的里程就为S+=V*T；经过分析后我们可以得知，我们只需要采集到N就可以知道所有的数据了，因为车的直径是已经知道的。采集时间也是我们可以控制的。所以只需要使用霍尔传感器获得脉冲，然后利用单片机的外部中断0的下降沿触发功能进行计数就可以达到目的。得到数据之后，就只需要计算和显示了，然后进行预设值比较进行报警和提示就可以了。经过上面的理论分析，我们可以把设计总结为这样几个部分：1. 使用3503霍尔传感器获得脉冲数据。2. 单片机利用中断得到脉冲数。3. 单片机对数据进行计算然后显示。4. 蜂鸣器和LED根据情况进行提示和闪烁提示。进过这样几个部分，我们的主要设计目的就可以得到实现，至于对数据的清除复位，我们就只需要额外增加一个按键就可以实现了。2.2 系统的总体组成在前面的理论分析中已经可以看出本设计的总体框图应该是怎么样的了。其中应该包括核心的控制器件单片机，脉冲的转换器件霍尔传感器，数据的清除和复位功能所用到的独立按键，用于速度和里程显示的LCD1602液晶显示，作为提示和预警的蜂鸣器和LED是本设计的几大组成部分，但是我们还要考虑到系统的供电问题，所以供电设计也应该是系统整体框架设计的一个部分，经过前期的设计和思考，我认为本设计的系统框图应该如下面所示：数据获取数据显示实时提示电源电路单片机完整系统图2-1 系统的总体组成框图2.3 系统的硬件组成设计中使用了大量的电子器件，每个器件的选择和有机组合而形成本设计功能执行的物理元素，只有我们合理的安排和设计好每个元器件，我们才能获得系统有效和正确工作的前提。进过大量的分析和设计，我认为不系统的硬件组成图应该如下所示：单片机电源电路霍尔传感器液晶显示蜂鸣器和LED图2-2 系统的硬件组成框图2.4 系统的软件组成通过和硬件相结合考虑，我们能知道本次设计中的软件应该有哪些部分：获得脉冲的外部中断函数，软件启动的初始化函数，按键清除函数，数据计算函数，定时中断函数，数据显示函数，报警函数。很明显，本系统的软件组成框图应该如下所示：系统初始化定时采集函数外部中断计数计算显示提示和预警图2-3 系统的软件组成框图第3章 控制器件选择要完成本次设计的任务，我们有很多可以选择的器件。例如单片机，DSP，FPGA，PLC等等。但是我们在选择器件的时候要考虑到器件的成本，开发难度，可靠性，封装类型等等方面。进过大量的资料查询和实际测试，本设计最后采用了单片机作为核心的控制器件。单片机也可以称单片微控制器,它和片上系统不一样,单片机不但可以进行运算处理,还可以做逻辑控制,其包括了输入输出端,片上CPU有的还有专用的乘法器,独有的存储单元和DSP运算单元。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。目前单片机的发展已经十分成熟，单片的处理位数从4位到8位，16和32位都有。单片的运行速度也冲以前的几M到现在的高端单片机可以运行到上百M。3.1 单片机的组成和特点目前主流单片机主要由以下几个部分组成：运算器运算器由运算部件算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、算术累加器和结果寄存器等组成。算术逻辑单元ALU的作用是将传入算术逻辑单元的数据根据需求进行数据的运算,这个运算可以是常见的加减乘除算术操作，也可以是单片机里面所有的移位和循环操作，也可以是数据的比较例如大小比较。相等比较等。这个运算器和我们常规理解的运算器不是一个概念。运算器有两个功能：(1) 执行各种算术运算。(2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。单片机当中运算器的全部操作都是由单片机的控制器CPU发出的控制信号来进行指挥的。控制信号可以是运算控制，也可以是判决控制。控制器控制器包括了：指令寄存器、程序计数器、指令译码器、操作控制器和时序发生器等部分，控制器是单片机当中发布命令的机构，负责整个单片机系统的所有操作控制，不管是运算还是决策，都是由控制进行的。其主要功能有：(1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。(2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。(3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。单片机当中有三种总线：控制总线，数据总线和地址总线。这三个总线通过内部特有的线路和微处理器相互连接起来，其中，微处理器可以通过三个总线和外部接口相互连接起来，还可以实现微处理对各个算术器和存储器的信息交流。主要寄存器（1）累加器A单片机当中的累加器是一个高频使用的寄存器，其主要是负责临时的数据存储，包括运算前的存储和运算完成之后的结果都可以保存在这个寄存器当中。（2）数据寄存器DR数据寄存器器，从名字上就可以知道，此寄存器主要是数据暂时存储的寄存器，但是数据寄存器不但有数据的缓存功能，还可以是指令的暂时存储，在翻译出来的指令在送往处理的时候，可以放在这个寄存器中进行暂时存储。（3）指令寄存器IR和指令译码器ID指令包括操作码和操作数。单片机要执行程序给定的指令。就必须要知道这条指令对应的操作码，所以单片机中有了指令译码器和指令操作寄存器。其中指令翻译由指令译码器进行，在翻译完成之后就将数据交给指令寄存器进行存储，然后通过数据控制总线将操作指令送到相应的执行机构当中。这个操作是一条一条进行的。（4）程序计数器PC单片机运行的程序需要使用一个单独的计数器进行存储，这样才可以保证单片机的运行有序的进行。在单片机复位的时候就将这个存储器复位从0开始，逐步进行加一。在每一个指令操作结束之后，这个计数器就自动加1，然后到指令存储器中去取对应的下一步操作就可以了，所以程序计数器保证了单片机的有序运行。（5）地址寄存器AR地址再单片机中是很重要的一个概念，不但是每个存储器有地址，每个数据有地址，甚至每个外部接口都是有对应的地址的，在我们使用汇编进行程序设计的时候，我们就需要查手册了解每个有效资源的地址，所以在我们进行操作的时候，地址寄存器是很有必要的。通过这个寄存器就可以将需要的地址数据发送到对应的存储器中。上面提到的数据储存和计数器还有地址寄存器都是为了给单片机当中很重要的一个器件CPU提供服务的，CPU作为中央控制器，需要各个外设对其进行服务，因为CPU是一个独立的运算器，本身是不具有和外部资源交互的能力的。下图就是单片机的内部结构和单片机主要资源：图3-1 单片机的片上资源框图3.2 STC89C51单片机介绍STC89C51是一种使用兼容8051核的ISP（In System Programming）在系统可编程芯片，其可以工作的时钟频率在几MHz到几十MHz内，其内部的FLASH存储器是专用的程序存储器，大小根据不同的系列是有所不同的，器件完全兼容标准的MCS-51指令系统及C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，在使用专用的单片机程序下载程序通过TTL电平方式就可以将程序下载到单片机中，8051单片机的时钟周期有12T和6T现在新型的还有1T的。但是时钟周期并不影响单片机的算术和逻辑兼容性。只是处理器的单周期时间不一样而已。STC89C51单片机的实物如下图所示：图3-2 STC89C51的DIP40封装实物图3.2.1 STC89C51单片机特点(1)增强型1T 流水线/精简指令集结构8051 CPU(2)（5V单片机）/ 2.0V-3.8V （3V 单片机(3)，相当于普通8051 的0420MHz.实际工作频率可达48MHz.(4)用户应用程序空间12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K字节(5)片上集成512 字节RAM(6)通用I/O 口（27/23个），复位后为：准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口）单片机的通用IO口有成四种模式可以选择分别为：弱上拉，强上拉， 高阻，开漏这些标准输入输出口状态。每个通用I/O 口驱动能力在单独使用的时候都可达到20mA，但是对于51系列单片机来说整个芯片的最大输入输出电流不应该超过55mA(7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片(8)EEPROM功能(9)看门狗(10)内部集成MAX810 专用复位电路（外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路）(11)时钟源：普通的8051单片机的外部时钟源可以是使用外部晶振，也可以是外部的时钟芯片提供（也可以是信号发生器提供），在外部时钟信号通过单片的XTAL1引脚送入单片机之后，单片机内部的反向放大器可以对信号进行放大整定。从而提供给单片的内部时钟需求使用。(12)有2个16 位定时器/ 计数器(13)外部中断2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒(14)PWM( 4 路）/ P C A（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可支持)(15)STC89Cc516AD具有ADC功能。10 位精度ADC，共8 路(16)通用异步串行口(UART)(17)SPI同步通信口，主模式/ 从模式(18)工作温度范围：0 -75/ -40 -+85(19)封装：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20(超小封装，定货)3.3 STC89C51单片机资源介绍本设计中使用的是STC89C51的DIP40封装，也就是常见的双列直插式封装，具体的引脚资源图如下图所示： 图3-3 STC89C51单片机引脚资源图在上图中各个引脚的功能如下：VCC：单片机的供电正电压接口。GND：单片机的供电地接口。P0口：P0口为双向漏级开路的8位双向I/O数据口，其中每个引脚可以承受8TTL的门电流。在P0口引脚写1时，对应的引脚就被被定义为高阻输入。在常规的使用过程中P0口应该配合外部的上拉或者下拉电阻进行使用，这样才能提供正确的TTL电平的逻辑电压。P1口：除了P0不提供内部的上拉电阻之外，51系列单片机的其余几个数据口都是提供了内部上拉电阻的。在设计的时候，就可以省去外部的上拉或者下来电阻了。同意，P1也是双向8位数据口。P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P2口：和P1口一样。P2口也是内部提供上拉电阻的双向8位I/O口，P2口可以接收和输出4个TTL门电流，P2和P1一样，在程序写入1的时候，对应的引脚都是进入可检测状态，既可以作为输出电压，同时也可以被外部的电压拉低，例如我们常用的按键功能就是这一个功能的体现。同时在作为FLASH检测的时候，P2和P1稍有不同，一个是作为控制线，一个数作为数据的检测线。P3口：P3同样是一组内部提供上拉电阻的，双向8位数据输入输出口。其各个引脚同样可以承受输入和输出4个TTL门电流。其普通功能和P2 一样，在希尔高电平1之后都是可以作为输出和检测的。在实际使用中，基础功能都是一样的，同时P3不作为FLASH编程的控制或者数据引脚但是P3是编程的指示引脚，在进行FLASH编程的时候进行LED闪烁提示和校验。同时P3口还提供了一些特殊的第二功能。STC89C51单片机的P3口一些特殊功能，如下表所示：表3.1 P3口引脚的特殊功能引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据接收P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时/计数器0的外部输入P3.5T1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REST：单片机的复位输入引脚。当振荡器复位单片机的同时，需要保持REST引脚至少两个机器周期的高电平时间。ALE：地址锁存允许控制端。当需要访问单片机外部存储器时，该引脚用于输出控制信号，从而控制外部的存储器。达到选择和控制的目的。同时，该引脚在未被禁止使用的情况下是在不断输出脉冲的，脉冲的频率根据外部振荡器的不同而不同。本身不具有频率调节的功能。这个频率是外部振荡器频率的六分之一频率。是稳定跟随的。PSEN：外部程序访问信号端，通俗的解释就是在我们使用外部的存储器的时候们在外部存储器进行数据访问的时候，该引脚就会输出对应的有效信号。在访问完毕之后就会停止信号的输出，值得注意的是，这个信号和常规的一对一信号不同。该引脚的信号是一次产生双倍的有用信号，也就是说，如果一次有效访问，在访问期间会输出两个脉冲信号。EA：外部允许端口。低电平使能。上电为若下拉，所以我们在不需要访问外部的存储器的时候需要将这个引脚外接为高电平。不然就会默认进入外部访问的功能，但是如果没有外部存储器，单片机就会进入悬空状态。X1：单片机内部放大器的输入端。X2：单片机内部放大器的输出端。X1和X2分别为反向放大器的输入引脚和输出引脚。该反向放大器可以配置为片内振荡。外部振荡，其中使用外部振荡的时候，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。同时如果采用的是外部时钟信号输入单片机，例如使用信号源驱动单片机，这个时候，单片机的X1脚就应该接信号，而X2就只需要悬空就行了，因为不需要输出驱动外部晶体了。3.4 STC89C51单片机定时器介绍STC89C51单片机定时器的工作由两个特殊功能寄存器控制。TMOD寄存器用于设置定时器的工作方式；TCON寄存器用于控制定时器的启动和中断请求。通过一定的组合就可以得到我们需要的工作方式了，下面是51系列单片机的4中定时器工作方式介绍：方式0是13位计数方式，由寄存器TL0的低5位和寄存器TH0的全部8位组成。寄存器TL0的低5位溢出时向寄存器TH0进位，寄存器TH0溢出时，置位寄存器TCON中的TF0标志位，中断向CPU发出申请中断请求。方式1是16位计数方式，由寄存器TL0作为低8位、寄存器TH0作为高8位，组成了16位加1计数器 。方式2为自动重装初值的8位计数方式。 工作方式2特别适合于用作较精确的脉冲信号发生器，同时要注意这里高低位的数据是一样的。方式3只适用于定时器寄存器T0，定时器T1处于方式3时相当于TR1=0，停止计数。 工作方式3将寄存器T0分成为两个独立的8位计数器寄存器TL0和寄存器TH0 。3.5 STC89C51单片机外部中断介绍STC89C51单片机拥有两个外部中断触发引脚，分别为外部中断0在P3.2引脚，和外部中断1在P3.3引脚。单片机的外部中断申请方式有两种方式可以选择：电平触发方式申请和边沿触发方式申请。选择电平触发方式时，单片机在每个机器周期检查中断源口线，检测到外部中断接口的引脚电平为低电平时，即置位中断请求标志，向CPU请求中断。选择边沿触发方式时，单片机是利用两个周期的状态来确定申请的，具体来说就是：单片机在一个周期检测到外部中断引脚的电平为高电平，下一个机器周期检测到外部中断引脚的电平为低电平时，即置位中断标志，请求中断。所以这里所说的电平方式为低电平触发方式，边沿触发为下降沿触发方式。这和很多目前单片机支持的高低电平和下降沿及上升沿触发方式是不同的。虽然触发方式不是很全面，但是在其所在的应用环境中是完全够用的。自行车里程监测仪的嵌入式设计与实现第4章 数据采集器选择在很多应用中，我们为了获得自然的物理属性，例如常见的声光力热等信息，我们就会借助对应的传感器进行数据采集和转换，因为们所用的处理器都是数字型的，所能处理和识别的信号只能是数字信号，在本次设计中，为了获得骑行的速度这一个物理量，我们同样需要对应的传感器。进过前期的资料整理，可以知道，为了完成本设计中数据的获取，我们有很多的选择，例如光电门，增量式编码器，陀螺仪，霍尔传感器。下面对这几种可用的方法进行一个简单的对比，从而说明本设计采用霍尔传感器的原因。4.1 可用传感器的介绍和对比在前面说的几种传感器中，光电门和增量式编码器的基本原理是一样的。都是在一个对射的光电管中间有阻挡光线的物体出现时，就输出一个脉冲信号。这种方式速度高，精度一般，但是传感器容易受到外界的干扰和影响。在灰尘和光线的干扰比较大的时候，传感器就不能正常的工作。陀螺仪，作为一种比较新的传感器，采集的是加速度，通过对加速度的换算，就可以解算出实际的角度和距离，这种方式可以区分正反，同时精度高。但是对单片机的运算速度提出了很高的要求。霍尔传感器是一种利用磁场进行数据脉冲采集的器件。抗外界干扰比较强，同时使用起来也比较简单，对单片机的额运算性能也没有特别的要求。而且安装方便，灵活。从上面的对比中，我们可以看出使用霍尔传感器的原因。使用灵活，简单，便捷。光电编码器作为一个出现了多年的传感器，使用范围很广泛，在很多需要检测转速和开关量的时候都会使用到，但是光电编码器的价格比较贵，而且在本次设计中使用不是很方便，因为安装的位置和外接接触很多，比如灰尘多，会接触到雨水，还有阳光的强烈干扰等。陀螺仪是种新型的传感器，在使用的地方一般是一些比较高端的应用场所，例如手机中的陀螺仪可以作为手机的高精度传感器使用，检测出手机的状态，从而可以进行手机控制等游戏的操作。霍尔传感器使用的是霍尔效应的传感器，在抗干扰方面比光电编码器要好，在使用和开发难度上比陀螺仪要低。对单片机的资源和按照条件的优势是本次设计选用霍尔传感器的最大两个原因。4.2 霍尔传感器介绍霍尔传感器是利用霍尔效应进行数据监测的一种传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，霍尔效应是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。进过多年的发展，霍尔传感器在很多方面都得到了较大的发展。利用霍尔效应进行数据监测，抗干扰能力比较好，监测的效果也和传统的监测方式不相上下。所以说霍尔传感器是一种十分合适的传感器选择。4.2.1 霍尔传感器原理磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。霍尔效应传感器。1-霍尔半导体元件 2-永久磁铁 3-挡隔磁力线的叶片图4-1 霍尔传感器原理图4.2.2 霍尔传感器分类霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。（一）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。（二）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。线性型霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。线性型霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。.4.3 AH3503集成线性型霍尔传感器介绍AH3503系列线性霍尔电路由电压调整器，霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器组成，其输入是磁感应强度，输出是和输入量成正比的电压。如图4-2所示为直插型AH3503的内部结构图，其中第一脚为供电电源引脚，AH3503具有宽电压输入，最高可以承受直流8V电压。第二脚为电源地引脚。第三脚为电压输出引脚，AH3503的输出电压为线性电压。图4-2 AH3503的内部结构图图4-3 AH3503霍尔传感器的输出电压特性曲线4.4 AH3503霍尔传感器的检测原理本设计选用了线性霍尔传感器，这在单片机的应用中看似是不合理的一种选择方式。但是我们经过实际的分析就可以知道，选用线性霍尔传感器有着开关型霍尔传感器无法比拟的优势。首先我们从上面的图4-3可以看到该传感器的输出电压特性曲线。在磁感应强度在0mT之后输出电压都是在3.6V以上。而对于TTL电平的单片机来说，这就是高电压了。而我们选用的检测方式是下降沿触发，在电压下降到跃迁点的时候，就会检测到数据了。而开关型霍尔传感器在这种范围之内就容易发生误判。导致数据发生错误。我们将AH3503霍尔传感器的输出引脚接在单片机的外部中断引脚。P3.2引脚上，当出现上面提到的情况，发生下降沿的时候。就会采集到数据。我们前面的理论中说的圈数N就能被测量出来。我们在根据公式就可以计算出车的骑行距离和实时的速度了。同时，本设计的误差就来自于检测空白期，例如我们在计算的时候，又发生了数据的变化。第二种是没有测到，例如还没有到达跃迁点。那么就会少测一圈。但是这个误差在我们的实际骑行中，一圈的误差对于上公里的距离来说，这个误差是很小的，可以是忽略不计的误差。AH3503传感器检测原理如图4-4所示：单片机外部中断P3.2霍尔传感器车轮铁圈图4-4 AH3503传感器检测原理第5章 系统电路设计在本次设计中，我们需要采集数据，处理数据，同时显示和预警。这一切的工作将由三大方面组成，第一是：物理器件、第二是：电路系统、第三：软件设计。只有这三个方面都选择正确，设计完整，我们设计的系统才可能正常的按照我们的预想设计进行工作。在前面一章我们介绍了物理器件的选择。在这一章中，我们将对系统的电路设计进行一个完整的介绍。在系统的电路设计中，我们可以将整个系统规划为以下几个部分：电源电源转换电路，单片机供电电路，单片机复位电路，单片机晶振电路，LCD1602液晶显示电路，声光提示电路，按键清除复位电路。下面将各个分电路进行逐个的介绍。5.1 STC89C51单片机系统电路5.1.1复位电路的设计STC89C51单片机的REST引脚为高电平复位使能端，在复位功能的设计中，我们主要考虑两个点：第一，在单片机上电的时候，单片机应该是可以自己复位的这样程序才会从地址0点开始进行运行，第二，在单片机的运行过程中，我们应该是可以通过手动的方式对单片机进行复位，因为单片机可能会在运行的过程中因为电源的不稳定或者是其他一些原因而出现错误，导致单片机无法在正常的状态下工作了。因此我们设计了两种方式对单片机进行复位操作，复位电路的设计如图5-1所示，其中 S1是手动复位按键。上电复位的原理是：在系统上电的瞬间，电容因为不能电压突变。所以电容的两端就相当于短路状态，这个时候RST引脚就为高电平，单片机处于一直在复位的状态。经过一段时间的电源对电容C3充电后，RST引脚的电压慢慢下降，电平开是变为低电平，这个时候单片机就开始正常的工作；按键复位的原理是：当S2被人手动按下之后，电容C3因为电压不能突变，所以会迅速的放电,这就会使RST引脚电平变为高电平，从而实现复位的目的。当S1松开之后，电源通过接地的10K的电阻R2对电容放电放电，REST引脚的电平重新回到低电平，复位过程结束，单片机又开始正常的工作状态。具体的设计电路如下所示：图5-1 STC89C51单片的复位电路 5.1.2 STC89C51单片机的晶振电路单片机的晶振电路，在STC89C51的内部有一个振荡器的高增益反相放大器，由两个引脚完成和外部电路的联系。引脚19X1和引脚18 X2分别是该反相放大器的输入端和输出端，用于和外部的晶体振荡器相互连接，Y1是频率为11.0592MHz的晶体振荡器，选择频率为11.0592MHZ是为了在计算单片机运行周期时更加的方便，Y1两端的瓷片无极电容 C4和C5 接在放大器的外部反馈回路中从而可以构成并联振荡电路。电容C4和C5的电容容量（值的大小）的大小会对振荡器的频率以及振荡器的稳定性有一点的影响。同时不同大大小还对晶振的起振的难度和温飘抑制有一定的影响。如果的是石英晶体，那按照官方的手册来说推荐的电容值范围是在30pF士l0pF之间。根据本次设计中选择的晶振，我们可以得到本次设计中单片机的机器运行周期时间的计算方式如公式5.1所示： 公式5.1本次设计的单片机复位电路如下图所示：图5-2 STC89C51单片机的晶振电路5.2 霍尔传感器电路本次设计采用的是集成的三脚直插封装的AH3503线性霍尔传感器，在设计上去除了不必要的电压变化和转换电路，而采用了对集成传感器进行直接的供电，然后采集的方式。具体的设计电路如下所示： 图5-3 AH3503霍尔传感器电路上图中P1为霍尔传感器的直插封装插座。使用了5V直流电源供电。然后将输出脚直接和单片机的外部中断0脚P3.2相连接。当霍尔传感器的输出电压发生下降沿，并且电平进入TTL电平的高低转换时，单片机就会接受到霍尔传感器的一次有效的下降沿信号，从而实现单片机对骑行圈数的采集过程。5.3 系统电路的设计本次设计中所使用的STC89C51单片机的电压要求为：直流5V电压。液晶显示屏LCD1620的要求电压和霍尔传感器则是要求3.3V到5.5V直流输入，所以我们为了使得设计取向简单和可靠，我们都是用5V直流电源进行供电，在前端的电压供应中我们使用USB和充电宝或者任何可以提供USB接口的地方相连接。为了系统电源的稳定，在电压接入之后，我们还要采用专用的开光型电源稳压芯片LM7805.这个芯片的稳压为5V直流输出，满足我的需求。同时我们还要采用电容对本机系统和外部系统的电压进行隔离，所以使用了C1和C2两个电容。一个是稳压隔离，一个是滤波隔离。其中电源开关处使用的是带开关功能的USB接口，这可以让我们轻松的控制电压的接入和断开。具体的设计电路如下图所示： 图5-4 系统的电源电路5.4 液晶显示电路的设计本次设计中采用了LCD1602液晶显示器作为显示器件，LCD1602液晶也叫LCD1602字符型液晶，它可以用来显示数字、字母、符号等的点阵型液晶显示模块。常见的模块由若干个5X7点阵或者5X11点阵字符位来组成，每个点阵字符位都是一个显示位用来显示一个需要显示的字符，并且每个显示位之间是有设计间隔的。这在显示的时候可以起到人的视觉分割的作用。所以这种模块只适合显示独立的字符。不适合显示画面。LCD1602模块的1602表示该模块可以显示16X2个字符,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上大多的字符液晶都是基于HD44780液晶控制芯片开发的，即便是不同的控制芯片，在控制原理上也是是完全相同的，因此操作LCD1602液晶显示模块的方式也是没有太大的差别的。5.4.1 LCD1602的特点1.3.3V或5V工作电压，对比度可调2.内含复位电路3.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4.有80字节显示数据存储器DDRAM5.内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM6.8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM7.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。5.4.2 LCD1602的功能参数表表5.1 LCD1602的控制指令表5.4.3 LCD1602引脚介绍LCD1602采用标准的14脚接口，其中：第1脚：GND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