基于霍尔元件的自行车的速度里程表的设计_毕业设计.doc

I 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 自行车的速度里程表能够满足人们最基 本的需求 让人们能清楚地知道当前的速度 里程等物理量 本论文主要阐述一 种基于霍尔元件的自行车的速度里程表的设计 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及速度用 LED 实时显示 文章详细介绍了自行车的速度里程表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 理送显示 软件部分用汇编语言进行编程 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 完全符合设计要求 关键词 关键词 里程 速度 霍尔元件 单片机 LED 显示 II ABSTRACT With the developing of people s life the bicycle is not only the universal tool of transportation and substitute for walking but becomes the first choice of entertainment and exercising The bicycle mileage speed can fulfill the basic need of people s life so that they can learn the speed and the mileage of the bicycle In this 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 range information is 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 bicycle into Single Chip Microcomputer system Then the signal processed by Single Chip Microcomputer 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 common sub program and meets the demand of design KEY WORDS Mileage speed Hall element Single chip microcomputer LED III 目 录 摘 要 I 第一章 绪 论 1 1 1 课题简介 1 1 2 单片机发展趋势 1 1 3 课题的主要任务及内容 3 第二章 系统总体方案设计 4 2 1 设计总体思想 4 2 2 硬件方案设计 6 2 3 软件方案设计 8 第三章 硬件电路设计 10 3 1 概述 10 3 2 传感器及其测量系统 10 3 2 1 霍尔传感器的测量原理 11 3 2 2 集成开关型霍尔传感器 12 3 3 单片机的原理及应用 13 3 3 1 单片机原理简介 13 3 3 2 单片机的引脚功能介绍 15 3 3 3 单片机中断系统介绍 18 3 3 4 单片机定时 计数功能介绍 20 3 4 其他元器件的选择 21 3 4 1 存储器的选择 21 3 4 2 触发器的选择 22 3 4 3 74LS244 芯片的介绍 24 3 5 单片机外围电路的设计 24 3 5 1 时钟电路的设计 24 3 5 2 复位电路的设计 26 3 5 3 显示电路的设计 27 3 6 本章小结 29 IV 第四章 软件程序设计 30 4 1 总体论述 30 4 2 总体程序设计 30 4 3 中断子程序的设计 33 4 4 数据处理子程序的设计 34 4 5 显示子程序的设计 35 第五章 系统调试与分析 38 5 1 系统仿真调试 38 5 2 调试故障及原因分析 39 5 3 设计总结 41 5 4 改进与创新 41 致 谢 43 参考文献 45 附 录 47 1 第一章 绪 论 1 1 课题简介 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 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 2 单片机发展趋势 现在可以说单片机是百花齐放 百家争鸣的时期 世界上各大芯片 制造公司都推出了自己的单片机 从 8 位 16 位到 32 位 数不胜数 应有尽有 有与主流 C51 系列兼容的 也有不兼容的 但它们各具特色 互成互补 为单片机的应用提供广阔的天地 纵观单片机的发展过程 可以预示单片机的发展趋势 大致有 1 低功耗 CMOS 化 MCS 51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW 而 2 现在的单片机普遍都在 100mW 左右 随着对单片机功耗要求越来越低 现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS 互补金属氧化物半导体工 艺 象 80C51 就采用了 HMOS 即高密度金属氧化物半导体工艺 和 CHMOS 互补高密度金属氧化物半导体工艺 CMOS 虽然功耗较低 但由 于其物理特征决定其工作速度不够高 而 CHMOS 则具备了高速和低功耗 的特点 这些特征 更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合 所 以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 2 微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器 CPU 随 机存取数据存储 RAM 只读程序存储器 ROM 并行和串行通信接口 中断系统 定时电路 时钟电路集成在一块单一的芯片上 增强型的单 片机集成了如 A D 转换器 PMW 脉宽调制电路 WDT 看门狗 有些单 片机将 LCD 液晶 驱动电路都集成在单一的芯片上 这样单片机包含的 单元电路就更多 功能就越强大 甚至单片机厂商还可以根据用户的要 求量身定做 制造出具有自己特色的单片机芯片 此外 现在的产品普 遍要求体积小 重量轻 这就要求单片机除了功能强和功耗低外 还要 求其体积要小 现在的许多单片机都具有多种封装形式 其中 SMD 表 面封装 越来越受欢迎 使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展 3 主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多 各具特色 但仍 以 80C51 为核心的单片机占主流 兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品 ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片机 所 以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江 1 山 而 Microchip 公司的 PIC 精简指令集 RISC 也有着强劲的发展势头 中国台湾的 HOLTEK 公司近 年的单片机产量与日俱增 与其低价质优的优势 占据一定的市场分额 此外还有 MOTOROLA 公司的产品 日本几大公司的专用单片机 3 在一定的时期内 这种情形将得以延续 将不存在某个单片机一统天下 的垄断局面 走的是依存互补 相辅相成 共同发展的道路 1 3 课题的主要任务及内容 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 4 第二章 系统总体方案设计 2 1 设计总体思想 方案一 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 5 实现 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 方案二 设计采用了 ST1101 红外光电传感器 进行非接触式检测 当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时 传 感器将会输出一个低电平 而当没有物体挡在中间时则输出为高电平 从而形成一个脉冲 该系统在自行车后轮的轴处保持着与轮子旋转切面平行的方向延 伸附加一个铝盘 在这个铝盘的边沿处挖出若干个圆形过孔 把传感器 的检测部分放在圆孔的圆心位置 每当铝盘随着后轮旋转的时候 传感 器将向外输出若干个脉冲 把这些脉冲通过一系列的波形整形成单片机 可以识别的 TTL 电平 即可算出轮子即时的转速 铝盘的圆孔的个数决定了测量的精度 个数越多 精度越高 这 样就可以在单位时间内尽可能多地得到脉冲数 从而避免了因为两个过 孔之间的距离过大 而车子正好在过孔之间或者是在下个过孔之前停止 了 造成较大的误差 本设计在铝盘过孔的设计上采用 11 个过孔 从而留下了 10 个同等 的间距 这样在以后的软件设计中能够较为方便的计算出速度里程 系 统的信号预处理电路由二级电路构成 第一级是由开关三极管组成的零 偏置放大器 采用开关三极管可以保证放大器具有良好的高频响应 当 输入信号为零或负电压时 三极管截止 电路输出高电平 而当输入信 号为正电压时 三极管导通 此时输出电压随着输入电压的上升而下降 这使得速度里程表既可以测量任意方波信号的频率 也可以测量正弦波 6 信号的频率 由于放大器的放大功能降低了对待测信号的幅度要求 因 此 系统能对任意大于 0 5V 的正弦波和脉冲信号进行测量 预处理电 路的第二级采用带施密特触发器的反相器 DM74LS14 来把放大器生成的 单相脉冲转换成与 COMS 电平相兼容的方波信号 从传感器得到的矩形 脉冲经传输后往往发生波形畸变 当传输线上的电容较大时 波形的上 升沿将明显变坏 当传输线较长 而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不 匹配时 在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象 当其他脉冲信号通 过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时 信号上将出 现附加的噪声 无论出现上述的那一种情况 都可以通过用施密特反相 触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形 只要施密特触发器的 VT 和 VT 设置得合适 均能受到满意的整形效果 通过比较论证方案一的硬件容易实现 且理论较为简单容易实现 方 案二在测量中会存在较大的误差 故选择方案一 2 2 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 7 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 A44E 123 1 Vcc 2 GND 3 OUT 图 2 1 A44E 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 8 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 外部信号 霍尔传感器 外部存储器 AT89C52 单片机 里程显示 速度显示 报警部分 图 2 2 系统的原理框图 2 3 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 9 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 初始化 P3 0 1 计算里程 显示里程 计算速度 显示速度 N 开始 图 2 3 软件总体流程图 10 第三章 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 11 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 12 X Y Z B I L Uh b d 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 13 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 D A B C E VCC 1 2 GND OUT 3 a 05101520 3 6 9 12 VO V B mT 释放点 OFF 工作点 ON V b 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 14 机的各种功能部件 包括 CPU Central Processing Unit 随机存储 器 RAM Random Access Memory 只读存储器 ROM Read only Memory 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 定时 计数器中断系统 CPU 存储器 并行 I O 口 串口 I O 口 TXD T XD RXD T INT 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 15 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 CMOS 8 位单 片机 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 16 图 3 5 AT89C52 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 17 外部程序存储器读选通信号 在读外部 ROM 时 有效PSENPSEN 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EAEA 作限定在外部程序存储器 当信号为高电平时 对 ROM 的读操作是EA 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 ALE PROG 编程电压 25V 31 脚 EA VPP 18 表 3 1 P3 口引脚与第二功能 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 20INT外部中断 0 申请 P3 31INT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 6WR外部 RAM 写选通 P3 7RD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 0INT1INT 19 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0INT1INT 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 0INT 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1INT 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 0INT ET0 IE 1 定时 计数器 T0 中断允许位 EX1 IE 2 外部中断允许位 1INT 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 20 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 0INT 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 1INT 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0INT1INT 器工作 定时 计数模式选择位 0 为定时模式 1 为计数模 C T C T C T 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 16 位定时 计数器 21 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 其他元器件的选择 3 4 1 存储器的选择 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 总线数据传送协议 数据传送是由产生 串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的 主器件和从器件都可以 作为发送器或接收器 但由主器件控制传送数据 发送或接收 的模式 通过器件地址输入端 A0 A1 和 A2 可以实现将最多 8 个 24C02 器件连接 到总线上 管脚图如 3 6 所示 22 图 3 6 24C02 管脚图 SCL 串行时钟 AT24C02 串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发 送或接收的时钟 SDA 串行数据 地址 CAT24WC02 双向串行数据 地址管脚用于器件所 有数据的发送或接收 是一个开漏输出管脚可与其它开漏输出或集电极 开路输出进行线或 wire OR WP 写保护 如果 WP 管脚连接到 Vcc 所有的内容都被写保护 只能读 当 WP 管脚连接到 Vss 或悬空 允许器件进行正常的读 写操作 本次设计采用的 24C02 是为了防止掉电时里程数据的丢失 由于 24C02 的数据线和地址线是复用的 采用串口的方式传输数据 所以只 用两根线 SCL 和 SDA 与单片机传输数据 在软件编程时采用程 2 E PROM 序包来控制 24C02 发送或接受数据 3 4 2 触发器的选择 74LS74 是 D 触发器的一种 它是一个具有记忆功能的二进制信息存储 器件 是构成多种时序电路的最基本逻辑单元 触发器具有两个稳定状 态 即 0 和 1 在一定的外界信号作用下 可以从一个稳定状态 翻转到另一个稳定状态 由于其状态的更新发生在 CP 脉冲的边沿故又 称之为上升沿触发的边沿触发器 D 触发器的状态只取决于时针到来前 D 端的状态 引脚图如图 3 7 所示 23 图 3 7 74LS74 引脚图 在本题目中 74LS74 芯片起分频的作用 当车轮每转一圈 霍尔传 感器输出一个低电平脉冲 通过 74LS74 进行二分频后 定时器 T1 的开 启时间为车轮转 1 圈的时间 这样就可以算出自行车的速度 分频前后 对比图如图 3 8 所示 t t 0 0 v v 霍尔输出圈脉冲 二分频后的波形 图 3 8 分频前后对比图 由图可见 二分频后的波形的高或地电平的时间正好是霍尔传感器 开关的一个周期 霍尔传感器输出脉冲到 即 P3 2 口接收到对圈0INT 数计数的脉冲 经 74LS74 二分频后的信号输入到 内部定时计数1INT 器测得每转一圈所用的时间 通过计算即可得里程值和即时速度 24 3 4 3 74LS244 芯片的介绍 本次设计中的采用驱动数码管的芯片为 74LS244 74LS244 为三态输 出的八位缓冲器和线驱动器 若单片机输出口直接接显示部分电路 则 电流太小 会导致显示部分不能正常工作 所以在单片机输出口先接入 驱动芯片 74LS244 增大电流 使 LED 能够正常工作 其逻辑图如图 3 9 所示 可以看出 74LS244 由 2 组组成 每组由四路输入 输出构成 每组有一个控制端高或低电平决定该组数据被接通还是断开 图 3 9 74LS244 逻辑图 3 5 单片机外围电路的设计 3 5 1 时钟电路的设计 时钟是单片机的心脏 单片机各功能部件的运行都是以时 钟频率为基准 有条不紊地一拍一拍地工作 因此 时钟频 率直接影响单片机的速度 时钟电路的质量也直接影响单片 机系统的稳定性 AT89C52 片内由一个反相放大器构成振荡器 25 可以由它产生时钟 常用的时钟电路有两种方式 一种是内部时钟方式 另一种为外部时钟方式 本设计采用前者 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 该高增益反 相放大器的输入为芯片引脚 XTAL1 输出端为引脚 XTAL2 这两个引脚 跨接石英晶体振荡器和电容 就构成一个稳定的自激振荡器 单片机内 部时钟方式的振荡电路如图 3 10 所示 图 3 10 单片机片内振荡电路 电路中的电容 C1 和 C2 常选择为 30P 左右 对外接电容的值虽然没 有严格的要求 但电容的大小会影响振荡器的高低 振荡器的稳定性 起振的快速性和温度的稳定性 而外接晶体的振荡频率的大小 主要取 决于单片机的工作频率范围 每一种单片机都有自己的最大工作频率 外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率即可 此外 如果单 片机有串行通信 则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶 体 本设计晶振采用 12MHz 则计数周期为 26 S 6 1 1 12 10112 T Hz 3 5 2 复位电路的设计 AT89C52 单片机的复位输入引脚 RET 为 AT89C52 提供了初始化的手段 有了它可以使程序从指定处开始执行 即从程序存储器中的 0000H 地址 单元开始执行程序 在 89C52 的时钟电路工作后 只要在 RET 引脚上出 现两个机器周期以上的高电平时 单片机内部则初始复位 只要 RET 保 持高电平 则 89C52 循环复位 只有当 RET 由高电平变成低电平以后 89C52 才从 0000H 地址开始执行程序 本系统的复位电路是采用按键复位的电路 如图 3 11 所示 是常用 复位电路之一 单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位 上电时 刚接通电源 电容 C 相当于瞬间短路 5V 立即加到 RET VPD 端 该高电平使 89C52 全机自动复位 这就是上电复位 若运行过程中 需要程序从头执行 只需按动按钮即可 按下按钮 则直接把 5V 加到 了 RET VPD 端从而复位称为手动复位 复位后 P0 到 P3 并行 I O 口全 为高电平 其它寄存器全部清零 只有 SBUF 寄存器状态不确定 图 3 11 按键复位电路 工作原理 通电瞬间 RC 电路充电 RST 引脚出现高电平 只要 RST 27 端保持 10ms 以上高电平 就能使单片机有效地复位 3 5 3 显示电路的设计 本设计中采用 LED 数码管显示 在单片机系统中 通常用 LED 数码 显示器来显示各种数字或符号 由于它具有显示清晰 亮度高 使用电 压低 寿命长的特点 因此使用非常广泛 八段 LED 显示器由 8 个发光 二极管组成 其中 7 个发光二极管构成字型 8 的各个笔画段 另一 个小数点为 dp 发光二极管 LED 显示器有两种不同的形式 一种是发 光二极管的阳极都连在一起的 称之为共阳极 LED 显示器 另一种是发 光二极管的阴极都连在一起的 称之为共阴极 LED 显示器 如图 3 12 所示 本次设计采用共阴极接法 LED 显示方式有动态显示和静态显示两种方式 本系统采用动态扫 描显示接口电路 动态显示接口电路是把所有显示器的 8 个笔划段 a h 同名端连在一起 而每一个显示器的公共极 COM 各自独立地受 I O 线控 制 CPU 向字段输出口送出字型码时 所有显示器接收到相同的字型码 但究竟是哪个显示器亮 则取决于 COM 端 也就是说我们可以采用分时 的方法 轮流控制各个显示器的 COM 端 使各个显示器轮流点亮 在轮 流点亮扫描过程中 每位显示器的点亮时间是极为短暂的 约 1ms 由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管实际上各位显示 器并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳定 的显示数据 不会有闪烁感 28 图 3 12 八段 LED 显示器 本设计 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 信号一起组成位选通的位选信号 P0 0 P0 7 信号一起组成段码选通的段选信号 通过软件编程 先把 所要显示的数据放入存储单元 然后把数据送入段选通对应的地址 再 选通某一个 LED 逐步完成四个 LED 的显示 3 5 4 报警电路的设计 本次报警电路采用蜂鸣器报警 当即时速度超过预定值是蜂鸣器响 指示灯闪烁 提示应该减速 报警电路图如图 3 13 所示 图 3 13 报警电路图 29 3 6 本章小结 本章介绍了自行车速度里程表硬件设计电路 硬件部分包括信号的 捕捉 信号的放大 信号的整形等 以 AT89C52 作为核心计算处理数据 传感器选择霍尔传感器 因其具有结构牢固 体积小 重量轻等诸多优 点 通过他将许多非电 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 AT24C02 是一个 2K 位的串行 CMOSE2PROM 采用它是为了防止掉电丢失数据 起到保护数据资源的作 用 驱动数码管采用了 74LS244 这款芯片 他是一个三态输出的八位缓 冲器和线驱动器 接入它可以增大电流 使 LED 能够正常稳定工作 时 钟电路运用内部时钟方式 AT89C52 内部有一个构成振荡器的高增益反 向放大器 输入引脚是 XTAL1 输出引脚是 XTAL2 复位电路是按键触 发方式 是最常见的方式之一 显示电路采用 LED 数码管显示 由于它 有显示清晰 亮度高 节能 寿命长等优点 其接入方式有共阴极和共 阳极两种 本设计采用共阴极 引入一个报警电路 使设计更加人性化 合理化 30 第四章 软件程序设计 4 1 总体论述 在硬件设计完毕之后 接下来就是设计中最核心和最为主要的软件部 分设计 所谓软件设计就是把软件需求变换成软件的具体设计方案 即 模块结构 的过程 模块化结构设计即是根据要求和硬件设计的结构 将整个系统的功能分成许多小的功能模块 再根据这些小的功能模块进 行程序编写的过程 这样的设计方法 使得系统的整个功能和各部分的 功能趋于明朗化 当系统出现问题 就可以根据功能设置找出问题的根 源 从而更快地解决问题 所以说 在整个设计过程中 软件设计必须 与硬件设计紧密地结合在一起 基于霍尔传感器自行车的速度里程表的软件设计包括上电初始化程序 中断子程序 速度调用子程序 里程调用子程序 LED 显示子程序 延 时子程序等几大部分 由于要实现很多功能 所以采用模块化设计 下 面就其主要部分分别加以分析 4 2 总体程序设计 在主程序模块中 需要完成对各接口芯片的初始化 自行车里程和速 度的初始化 中断向量的设计以及开中断 循环等待等工作 另外 在 主程序模块中还需要设置启动 清除标志寄存器 里程寄存器 速度寄 存器 并对它们进行初始化 然后主程序将根据各标志寄存器的内容 分别完成启动 清除 计程和计速等不同的操作 31 P1 0 和 P1 1 口分别用于显示里程状态和速度状态 P1 2 P1 3 P1 6 和 P1 7 口分别用于设置轮圈的大小 低电平有效 P3 0 是用于里程和 速度切换的 低电平为显示速度 高电平为显示里程 中断 0 用于对轮 子圈数的计数输入 轮子每转一圈 霍尔传感器输出一个低电平脉冲 将根据里程寄存器中的内容计算和判断出行驶里程数 中断 1 用于控制 定时器 T1 的启 停 当输入为 0 时关闭定时器 此控制信号是将轮子圈 数的计数经二分频后形成 这样 每次定时器 T1 的开启时间刚好为转 一圈的时间 根据轮子的周长就可以计算出自行车的速度 其程序流程 如图 4 1 所示 32 开始 初始化 P1 2 1 N P1 3 1 P1 6 1 P1 7 1 出错提示 将车圈周长调入 21H 开中断 启动定时器 P3 0 1 调用里程处理子程序调用速度处理子程序 N N N Y Y Y Y N Y 图 4 1 主程序流程图 33 4 3 中断子程序的设计 定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的 在单片机内部有两个 定时 计数器 以对其中的计数结构进行计数的方法 来实现定时或计 数功能 当结构发生计数溢出时 即表明定时时间或计数值已满 这时 就以计数溢出信号作为中断请求 去置位一个溢出标志 作为单片机接 受中断请求的标志 这种