基于单片机的自行车测速仪设计

毕毕业业设设计计说说明明书书 题题 目 目 基于单片机测速仪的设计 姓姓 名名 聂鹏 学学 号号 指指 导导 教教 师 师 段广云 专专 业业 年年 级 级 2008 级机械设计制造及其自动化专业 机械电子工程方向 所在学院和系 所在学院和系 机械工程学院 完完 成成 日日 期 期 2012 年 6 月 8 日 答答 辩辩 日日 期 期 2012 年 6 月 13 日 基于单片机测速仪的设计 摘 要 本设计主要阐述一种基于单片机与霍尔传感器等元件的测速仪设计 以 STC 单片机为核心 实现对自行车里程 速度 时间 温度等参数的测量 并能简单的将里程及速度用 LCD 实时显 示 说明书中详细介绍了测速仪的硬件电路和软件设计 硬件部分利用霍尔传感器将每秒内的 脉冲数传入单片机系统 然后经单片机系统计算处理并将过处理结果送 LCD 显示 软件的设计 采用模块化结构 使程序的逻辑关系更加简洁 使硬件在软件的控制下协调运作 仿真和实验 表明 所设计的硬件电路及软件程序是正确的 实际的硬件电路中也基本上能够满足设计要求 关键词 里程 速度 时间 温度 霍尔元件 单片机 LCD THE CIRCUIT DESIGN OF VELOCIMEETER BASED ON MCU Abstract This design mainly elaborated based on MCU and Hall element of speed instrument design Take STC MCU as the core Hall element speed realizes to the bicycle mileage speed time temperature measurement and a simple bicycle mileage and speed with the LCD real time display The hardware part using the Hall element will bike per second pulse number of incoming MCU system and then by the single chip microcomputer system calculation processing and processing result to the LCD display Program design in order to facilitate the expansion and the change the software design uses the modular structure make the logic relations more concise Make hardware tocoordinatethe operation under the software control Simulation experiments show that the designed hardware circuit and software program are correct practical hardware circuit also basically can satisfy the design requirement but due to the knowledge and the level is limited in practice there are still some problems in the hardware circuit Keywords Mileage speed time temperature Hall element MCU LCD 目录 1 绪论 1 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 2 课题的发展概况 1 1 3 研究的主要内容 2 2 系统总体方案设计 3 2 1 系统方案 3 2 2 单片机选择 3 2 3 时钟芯片选择 4 2 4 温度传感器选择 4 2 5 测速传感器选择 4 2 6 显示器选择 5 3 系统硬件设计 7 3 1 单片机外围电路设计 7 3 1 1 单片机介绍 7 3 1 2 单片机外围电路图 8 3 2 时钟模块设计 8 3 2 1 时钟芯片介绍 8 3 2 2 DS1302 硬件连接图 10 3 3 温度模块设计 11 3 3 1 温度传感器介绍 11 3 3 2 DS18B20 硬件连接图 13 3 4 速度模块设计 13 3 4 1 霍尔元件介绍 13 3 4 2 霍尔传感器硬件连接图 14 3 5 显示模块设计 14 3 5 1 LCD 芯片介绍 14 3 5 2 LCD 硬件连接图 15 3 6 主电路图 15 4 软件设计 17 4 1 主程序设计 17 4 2 计算速度里程程序设计 18 4 3 温度显示程序设计 19 4 4 时钟芯片程序设计 19 5 系统调试 21 5 1 Proteus 及 Keil 软件简介 21 5 1 1 Proteus 软件 21 5 1 2 Keil 软件 21 5 2 应用 Keil 软件进行程序调试 21 5 3 Proteus 软件仿真 22 5 4 硬软件联合调试 22 5 4 1 联调步骤 22 5 4 2 硬件调试 22 5 4 3 软件调试 23 5 5 实际电路调试 23 6 结论 25 参考文献 27 致谢 29 附录 31 1 绪论 机械工程学院 1 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 目前环保问题已经成为一个世界性的课题 保护环境也已经成为每个人的责任 汽车已经 不能够满足现在环境的要求 且在人口众多的中国 人们的经济水平与西方国家还存在着一定 的差距 人们使用的交通工具主要还是自行车 它轻巧便捷 使用简单 环保 深受大多数人 的喜爱 同时也可以作为休闲运动工具 是人们锻炼身体的一种重要的工具 但随着社会的发 展 人们追求的是集成更多功能于一体的自行车 它能显示当前车子行驶的速度 里程 行车 时间 最高行驶速度 甚至还有 GPS 全球定位系统 MP3 短信 新闻播报等娱乐功能 本文就 是以此为基础 设计一款简单低成本多功能的测速仪 旨在解决自行车驾驶者在行驶时能够了 解当前的行驶状态 并且根据周围环境 能够做出正确的判断和操作 提高了驾驶的安全性 另外自行车运动需一款测速装置 以了解运动情况 特别是对于运动员 他们需要一种能 对实时运动情况进行测量并记录的仪器 通过记录的数据 运动员可以分析自己的训练成绩及 训练过程 根据分析结果 可以调整自己的训练步骤 并根据外界环境如温度 风速等进行适 当调节运动方式 以达到最佳运动效果 测速装置是对运动中几个参数进行测定 现自行车测 速仪的设计种类繁多 但是多数的测速装置都是由机械式或模拟数字电路来实现的 都存在体 积大 精度低 不直观 功耗大 功能少等缺点 本文所述测速系统是以单片机为核心实现的 具有功能多 功耗小 直观准确以及可显示时间 总里程 温度 速度等优点 1 2 课题的发展概况 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 该系统采用了 M 法 测频法 转速检测方式采用霍尔脉冲法测量转速有两种简单的方式 本设计采用频率法 检测的是输入 脉冲数 这种方式又称频率法 它测出一定时间内外界所输入的脉冲的个数 在控制系统中占 有非常重要的地位 对测速装置的要求是分辨能力强 高精度和尽可能短的检测时间 所设计 的基于霍尔元件的脉冲发生器要求具有成本低 结构简单 使用方便 性能好等特点 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 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 2 机械工程学院 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 3 研究的主要内容 设计主要任务是利用单片机 时钟芯片 温度传感器等部件设计的一个可用 LCD 显示时间 温度 行驶里程及速度的自行车测速仪 本文主要介绍了自行车测速仪的设计思想 电路原理 方案以及元件的选择等内容 整体上分为硬件部分和软件部分设计 本文首先扼要的对测速仪 设计进行总体的介绍 继而具体介绍了自行车测速仪的硬件设计 包括传感器的选择 时钟芯 片的选择 单片机的选择 存储器的选择 显示电路的设计等 然后阐述了该自行车测速仪的 软件设计 包括主程序设计 子程序的设计 最后对本次设计进行了系统的总结 本设计的具体要求如下 1 对自行车进行实时速度的测量 显示出速度值 2 能够计算单次使用自行车的路程 3 能测量出当前环境的温度 以供使用者决定是否适宜进行运动 4 显示行车里程 实时时间 并且具有断电保护的功能 2 系统总体方案设计 机械工程学院 3 2 系统总体方案设计 2 1 系统方案 系统主要分成四个模块 分别是时钟模块 温度模块 速度模块 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 本设计中用到的主要元件包括单片机 时钟芯片 温度传 感器 速度传感器以及液晶显示器 1 控制系统的方案计框图如图 2 1 所示 速度传感器 单片机 显示器 按键 时钟芯片 温度传感器 图 2 1 系统框图 该方案是以单片机为核心 通过速度传感器将所感应到的速度传送到单片机当中 通过单片机 的处理计算并通过显示器将所计算的速度和里程显示出来 时间和温度的显示是通过时钟芯片和温 度传感器并以单片机为核心通过显示器显示而按键用于调整时间 2 2 单片机选择 单片机普遍认为是在一块硅片上集成了中央处理器 存储器和各种输入 输出接口 这样的一 块芯片具有一台计算机的功能 因而被称为单片微型计算机 系统所使用的是通用型单片机 它可 以把可开发资源全部提供给使用者 宏晶科技是新一代增强型 8 位单片微型计算机标准的制定者和领导厂商宏晶科技是新一代增强 型 8 位单片微型计算机标准的制定者和领导厂商 致力于提供满足中国市场需求的高性能单片机技 术 在业内处于领先地位 销售网络覆盖全国 STC 系列的单片机现在在中国的 51 单片机市场上 占有较大比例 其产品已通过国际权威认证机构 SGS 瑞士通用公证行 的多项认证 EFT 测试认 证和绿色环保认证 STC MCU 性能特点在于 89C 系列 最高工作频率 80M FLASH 程序储存 4K 64K RAM 数据储存 512B 1280B 内部集成 EEPROM 2K 16K 及看门狗和专用复位电路 带 A D 功能 STC 系列 单时钟 机器周期 超小封装 2 4 路 PWM 8 10 位高速 A D 转换 FLASH 程序储存 512B 12K RAM 数据储存 256B 512B 集成 1K 的 EEPROM 及硬件 WDT 产品都有为低功耗且有 ISP 和 IAP 功能 强抗干扰和降低 EMI 性能 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 4机械工程学院 2 3 时钟芯片选择 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 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 5V 5 5V DS1302 内部有一个 31 8 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 10 2 4 温度传感器选择 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 它是温度 测量仪表的核心部分 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 由 于 DS18B202 测试环境温度 数据直观 成本低廉 精度可达 0 1 所以在设计中采用了 DS18B20 温度传感器 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 9 12 位 的数字值读数方式 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 3 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 0 5 5 4 零待机功耗 5 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 6 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 2 5 测速传感器选择 测速传感器是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 设计中采用了霍尔传感器进行测速 它具有对磁场敏感 结构简单 体积小 频率响应宽 输 出电压变化大和使用寿命长等优点 因此 在测量 自动化 计算机和信息技术等领域得到广泛的 2 系统总体方案设计 机械工程学院 5 应用 霍尔传感器 44E 系列是 Allegro MicroSystems 公司生产的宽温 开关型霍尔效应传感器 其 工作温度范围可达 40 150 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 2 6 显示器选择 由于设计中的需显示英文字符 且显示的数据比较多 所以不宜采用数码管显示 而应该采用 液晶屏显示 现在液晶显示屏种类繁多 12864 1602 等都是常用的液晶显示屏 而 12864 顾名思 义像素是 128 64 能显示 8 4 个汉字 因型号不同 有的带汉字库 有的不带 能显示图像效果 功能比 1602 强大 1602 一般只用于显示字母 数字和符号能显示 16 2 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 3 系统硬件设计 机械工程学院 7 3 系统硬件设计 3 1 单片机外围电路设计 3 1 1 单片机介绍 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 0 80MHz 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 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 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 8机械工程学院 图 3 1 STC89C54RD 引脚图 3 1 2 单片机外围电路图 如图 3 2 所示为单片机外围电路连接图 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 图 3 2 单片机外围电路图 3 2 时钟模块设计 3 2 1 时钟芯片介绍 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 当 VCC2 大于 VCC1 0 2V 时 VCC2 给 DS1302 供电 当 VCC2 小于 VCC1 时 DS1302 由 VCC1 供电 X1 和 3 系统硬件设计 机械工程学院 9 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 如果在传送过程中 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 VCC 2 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 如图 3 3 所示为 DS1302 的引脚功能图 图 3 3 DS1302 引脚图 DS1302 控制字如表 3 1 所示 表 3 1 DS1302 控制字 76543210 RAMRD 1CKA4A3A2A1A0WR 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 A4 A0 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 2 所示 表 3 2 DS1302 日历 时间寄存器 RWBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0RANGE 81h80hCH10SecondsSeconds00 59 83h82h10MinutesMinutes00 59 10 85h84h12 240 AM PM HourHour 1 12 0 23 87h86h0010DateDate1 31 89h88h00010MonMon1 12 8Bh8Ah00000Day1 7 8Dh8Ch10YearYear00 99 8Fh8EhWP0000000 91h90hTCSTCSTCSTCSDSDSRSRS 这张表是 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 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 时钟 振荡器停止 DS1302处于低功耗状态 只有将秒寄存器的该位置改写为0时 时钟才能开始运行 2 小时寄存器 85h 84h 的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式 当 为高时 选择12小时模式 在12小时模式时 位5是为1时 表示PM 在24小时模式时 位5是第二 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 10机械工程学院 个小时十位 3 控制寄存器 8Fh 8Eh 的位7是写保护位 WP 其它7位均置为0 在对任何的时钟和 RAM的写操作之前 WP位必须为0 当WP位为1时 写保护位防止对任一寄存器的写操作 也就 是说在电路上电的初始态WP是1 这时是不能改写上面任何一个时间寄存器的 只有首先将WP改 写为0 才能进行其它寄存器的写操作 所谓突发模式是指一次传送多个字节的时钟信号和 RAM 数据 突发模式寄存器如表 3 3 所 示 表3 3 DS1302的工作模式寄存器 工作模式寄存器读寄存器写寄存器 时钟突发模式寄存器CLOCK BURSTBFhBEh RAM突发模式寄存器RAM BURSTFFhFEh DS1302 与微处理器进行数据交换时 首先由微处理器向电路发送命令字节 命令字节最高位 Write Protect D7 必须为逻辑 1 如果 D7 0 则禁止写 DS1302 即写保护 D6 0 指定时钟数 据 D6 1 指定 RAM 数据 D5 D1 指定输入或输出的特定寄存器 最低位 LSB D0 为逻辑 0 指定写操作 输入 D0 1 指定读操作 输出 在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时 DS1302必须首先发送命令字节 若进行单字节 传送 8位命令字节传送结束之后 在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节 或在下8个SCLK周 期的下降沿输出数据字节 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类 一类是单个RAM单元 共31个 每个单元组态为一个 8位的字节 其命令控制字为C0H FDH 其中奇数为读操作 偶数为写操作 再一类为突发方式 下的RAM寄存器 在此方式下可一次性读 写所有的RAM的31个字节 要特别说明的是备用电源B1 可以用电池或者超级电容器 0 1F以上 虽然DS1302在主电 源掉电后的耗电很小 但是 如果要长时间保证时钟正常 最好选用小型充电电池 可以用老式电 脑主板上的3 6V充电电池 如果断电时间较短时 就可以用漏电较小的普通电解电容器代替 100 F就可以保证1小时的正常走时 DS1302在第一次加电后 必须进行初始化操作 初始化后就可以 按正常方法调整时间 DS1302 存在时钟精度不高 易受环境影响 出现时钟混乱等缺点 3 2 2 DS1302硬件连接图 图 3 4 为 DS1302 电路连接图 是系统的时钟模块 可实时的显示时间 实际的 DS1302 引脚 图与仿真图中的引脚排列不同 但所仿真的功能基本一样 只是仿真图的排列方式更便于电路的连 接 图中 X1 引脚 2 与 X2 引脚 3 所接入的是晶振 晶振的振荡频率为 32768Hz 图中的 VCC1 引脚 1 和 VCC2 引脚 8 都是电源引脚 在实际电路中 VCC1 接入 5V 电 源 VCC2 接入电压为 3V 的纽扣电池 图 3 4 DS1302 电路连接图 3 系统硬件设计 机械工程学院 11 3 3 温度模块设计 3 3 1 温度传感器介绍 DS18B20引脚如图3 5所示 DQ 2 GND 1 VCC 3 图 3 5 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 64 位光刻ROM的排列是 开始8位 28H 是产品类型标号 接着的48位是该DS18B20自身的序列号 最后8位是前面56位的循环冗余校验码 2 DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量 如表3 4所示 以0 0625 LSB形式表达 其中S为符号位 表3 4 DS18B20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 0191H 25 0625 的数字输出为 FF6FH 55 的数字输出为 FC90H 表 3 5 为 DS18B20 温度对照表 表3 5 DS18B20温度对照表 TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT Binary DIGITAL OUTPUT Hex 85 5 0000 0000 1010 101000AAh 25 0 0000 0000 0011 00100032h 0 5 0000 0000 0000 00010001h 0 0000 0000 0000 00000000h 0 5 1111 1111 1111 1111FFFFh 25 0 1111 1111 1100 1110FFCEh 55 0 1111 1111 1001 0010FF92h DS18B20 温度传感器的内部存储器 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 6 所示 其中温度信息 第 1 2 字节 TH 和 TL 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 12机械工程学院 值 第 3 4 字节 第 6 8 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 温度 LSD 50h 温度 LSD 05h TH 用户字节 1 TH 用户字节 2 配置寄存器 保留位 FFh 保留位 0Ch 保留位 10h CRC TH 用户字节 1 TH 用户字节 2 配置寄存器 EEPROM 高速暂存器 上电状态 图3 6 DS18B20内部储存器结构图 DS18B20 控制流程 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 16 60 微秒左右 后发出 60 240 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 6 和表 3 7 所示 表 3 6 RAM 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 EEPROM0B8H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 表 3 7 ROM 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 系统硬件设计 机械工程学院 13 3 3 2 DS18B20 硬件连接图 图 3 7 是 DS18B20 的电路连接图 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 3 7 DS18B20 电路连接图 3 4 速度模块设计 3 4 1 霍尔元件介绍 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 8 所示 磁场由磁钢提供 所以霍尔传感器 和磁钢需要配对使用 5 a 霍尔元件和磁钢 b 管脚图 图 3 8 霍尔传感器的外形图 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 9 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 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 14机械工程学院 图 3 9 霍尔传感器测量原理 转速测量方法 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 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以下关系 V N L 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 3 4 2 霍尔传感器硬件连接图 图 3 10 为霍尔传感器的的硬件连接图 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 3 10 霍尔传感器的接线图 3 5 显示模块设计 3 5 1 LCD 芯片介绍 1602液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度 恒定发光 而不像阴极 射线管显示器 CRT 那样需要不断刷新新亮点 因此 液晶显示器画质高且不会闪烁 显示器都 是数字式的 单片机系统的接口更加简单可靠 操作更加方便 通过显示屏上的电极控制液晶分子 状态来达到显示的目的 在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多 功耗主要消耗在其内部 的电极和驱动 IC 上 因而耗电量比其它显示器要少得多 LCD 接口如表 3 8 所示 3 系统硬件设计 机械工程学院 15 1 显示容量 16 2 个字符 2 芯片工作电压 4 5 5 5V 3 工作电流 2 0mA 5 0V 4 模块最佳工作电压 5 0V 5 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 表 3 8 LCD 引脚及引脚说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2数据 2VDD电源正极10D3数据 3VL液晶显示偏压11D4数据 4RS数据 命令选择12D5数据 5R W读 写选择13D6数据 6E使能信号14D7数据 7D0数据15BLA背光源正极 8D1数据16BLK背光源负极 3 5 2 LCD 硬件连接图 图 3 11 lcd 电路连接图 图 3 11 中引脚 3 VEE 为液晶显示偏压 主要是用来调节显示屏的亮度 在仿真电路中不 需接入电位器 但是在实际的硬件电路连接图中必须要接入电位器来调节显示亮度 否则 LCD 无法 正常显示 在仿真图中 LCD1602 元件是只有 14 个引脚 而实际的 LCD1602 是 16 个引脚 仿真图中的 LCD 元件所缺少的是 BLA 第 15 引脚 与 BLK 第 16 引脚 而在实际电路中这两个引脚也是必须要分别 接到电源正极和电源负极上 否则 LCD 显示屏亮度不足以正常显示数据的 3 6 主电路图 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 16机械工程学院 图 3 12 主电路图 图 3 12 为主电路图 根据此图能够看出改系统分成四个模块 速度模块 显示模块 时钟模 块 温度模块 图中两个按钮可分别调节时间的 小时 与 分钟 4 软件设计 机械工程学院 17 4 软件设计 4 1 主程序设计 软件设计根据实际的工艺要求进行编写 要求是将 DS18B20 温度传感器 霍尔传感器 DS1302 参数值送到单片机中 再由它将温度值 时间 速度等参数送至 LCD 显示器中进行显示 主程序工作过程如图 4 1 所示 初始化 开中断 温度 时钟工作 计算速度里程 显示时间温度速度里程 开始 图 4 1 主程序流程图 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 18 机械工程学院 4 2 计算速度里程程序设计 当单片机获取霍尔到传感器所感应的脉冲个数时 不能立马算出自行车的速度和里程 要经过 数学计算后才能得出 系统中所默认车轮的直径为 2 2m 使用者是可以根据自己的自行车直径更 改程序里的数据 但是由于理论知识水平有限 没能成功设计有外界输入设定使用者的自行车车轮 的直径数 本设计根据单片机每秒钟接收的脉冲个数来计算自行车的速度 再将每秒的速度相加 就可得出自行车的里程 在 Proteus 上仿真得到的结果与计算结果完全相同 程序设计流程图如图 4 2 所示 读秒寄存器个位 判断是否一秒 读计数器 开计数器 是 否 子程序开始 子程序结束 开始计数 关计数器 计算速度里程 图 4 2 计算速度里程流程图 4 软件设计 机械工程学院 19 4 3 温度显示程序设计 温度传感器采用 DS18B20 进行温度测试 并通过 LCD1602 进行显示 由于 DS18B20 数据输 出线只有一条 所以必须采用一位读取 读取到的温度值分别存入高八位和低八位寄存器中 输出 显示时必须将十六进制数值转换成十进制并输出到 LCD 显示屏中 程序流程图如图 4 3 所示 准备 初始化 复位 写命令 读温度 显示 计算 图 4 3 温度显示流程图 4 4 时钟芯片程序设计 时钟芯片采用的是 DS1302 该时钟芯片内置年 月 日 星期 时 分 秒寄存器 可将时 间数据分别存储到各个寄存器中 有外置晶振作为芯片的时钟周期 外部晶振的频率为 32 768KHz 使其工作频率与时间对应 在读取时间时 可从各个时间寄存器当中读取数据 然后进行显示 调 时功能是通过脉冲检测 每当按键按下一次 该数据口电平为零 数据加一 由于按键按下去或者 松手是有颤抖现象的 需进行去抖和松手检测 统称去抖 一般进行去抖和松手检测有两种方法 一 硬件去抖 二 软件去抖 由于硬件去抖电路复杂繁琐 所以设计中采用了软件去抖法 该法 是通过软件延时的方法 软件去抖法是将颤抖时间用延时给掩盖 以近似的将颤抖现象去除 由于 设计时欠考虑 所以调时按键只设计了 2 个 分别为 小时 和 分钟 按键只能一直 加一 青海大学本科毕业设计 基于单片机的测速仪设计 20 机械工程学院 直至为 0 而未设计 减一 按键 后来在调试当中发现比较麻烦 未实现人性化的设计要求 时间显示和调试控制程序流程图如图 4 4 所示 准备 初始化 复位信号置 0 时钟脉冲信号置 0 数据读取 复位信号置 1 时钟脉冲信号置 1 显示 数据分离并转换 结束 准备 按键 数据读取 初始化 松手检测 数据加一 数据分离并转换 结束 显示 图 4 4 时间显示和调试控制程序流程图 5 系统调试 机械工程学院 21 5 系统调试 5 1 Proteus 及 Keil 软件简介 5 1 1 Proteus 软件 Proteus 软件是一种低投资的电子设计自动化软件 提供可仿真数字和模拟 交流和直流等数 千种元器件和多达 30 多个元件库 Proteus 软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表 此外 Proteus 还提供图形显示功能 可以将线路上变化的信号 以图形的方式实时地显示出来 这些虚 拟仪器仪表具有理想的参数指标 例如极高的输入阻抗 极低的输出阻抗 尽可能减少仪器对测量 结果的影响 Proteus 软件提供丰富的测试信号用于电路的测试 这些测试信号包括模拟信号和数 字信号 提供 Schematic Drawing SPICE 仿真与 PCB 设计功能 同时可以仿真单片机和周边设备 可以仿真 51 系列 AVR PIC 等常用的 MCU 并提供周边设备的仿真 例如 LED 示波器等 Proteus 提供了大量的元件库 有 RAM ROM 键盘 马达 LED LCD AD DA 部分 SPI 器件 部 分 IIC 器件 编译方面支持 Keil 和 MPLAB 等编译器 一台计算机 一套电子仿真软件 在加上一 本虚拟实验教程 就可相当于一个设备先进的实验室 以虚代实 以软代硬 就建立一个完善的虚 拟实验室 在计算机上学习电工基础 模拟电路 数字电路 单片机应用系统等课程 并进行电路 设计 仿真 调试等 8 5 1 2 Keil 软件 KeilC51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统 与汇编相 比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 用过汇编语言 后再使用 C 来开发 体会更加深刻 KeilC51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 Windows 界面 另外重要 的一点 只要看一下编译后生成的汇编代码 就能体会到 KeilC51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 Uvision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 For Dos 的集成开发环境 IDE 可以完成编辑 编