自行车测速系统设计毕业设计论文.doc
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1、目 录第一部分 设计任务与调研2第二部分 设计说明5第三部分 设计成果19第四部分 结束语22第五部分 致谢23第六部分 参考文献24第一部分 设计任务与调研1.设计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
2、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。2.设计的思路和方法本设计的任务是:以通用MCS-52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-52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:假定轮圈的周长为假定
3、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和周长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切换显示当前里程当速度键按下时,速度指示灯亮,LED切换显示当前速度。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T
4、1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。3.调研的目的和总结实现: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。23 第二部分 设计说明1.理论分析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。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
5、航空航天器电子系统以及单片机的多机系统。”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、感受外界的信号、物理条件如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并将探知的信息传递给其他装置或器官。它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、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用
6、电器、医疗仪器等等的飞速发展和计算机应用的普及,需要大量的传感器将需进行测量和控制的非电量,转换成可以与计算机兼容的信号,作为他们的输入信号,这就给磁传感器的快速发展提供了机会,形成了相当可观的磁传感器产业。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,霍尔传感器是一种基本的测量工具。2.设计方案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。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
7、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。本次设计的系统的原理框图如图2-1所示。里程测速单片机外部信号 霍尔传感器 速度显示外部储存器 图2-1 系统的原理框图2.1传感器的选择测速,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;光敏电阻的要求相当高,如果光
8、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。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、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
9、器件工作温度范围宽,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、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。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,
10、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,安装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。使用非常方便。2.2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场传感器。在置于磁场中的导体或半导体通入电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U
11、h,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。 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。它的三个引线分别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。3.1单片机最小系统设计 3.1.1 AT89c52单片机简介AT89C52是一个低电压,高性能CMOS
12、8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes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,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。主要功能特性:单片机内部结构示意图如图2-2所示。P0P3RXDTXD中断系统定时/计数器串行口串行口存储器C P U图2-2单片机内部结构示意图 (1)单片机管脚介绍AT89C52提供以下标准功能:8字节Flash闪烁存256字节内部RAM,32个I/O口线,3个16位定时/计数器,6个中断源,
13、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2-3所示。图2-3管脚图所示 (2)单片机引脚功能 表2-1 P1和P0的引脚功能引脚号功能特性P1.0T2:时钟输出P1.1T2 EX(定时/计数器2)表2-2 P3口引脚与第二功能引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据输入口P3.1TXD串行数据输出口P3.2INTO外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0定时/计数0的外部输入P3.5T1定时/计数1的外部输入P3.6WR外部数据存储器写选口P3.7RD外部数据存储器读选口(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
14、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6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安排各中断源的优先级;同一优先级内各中断源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0INT/P3.2和1INT/P3.3输入。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
15、是低电平有效。只要在0INT和1INT引脚上出现有效低电平时,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,0INT和1INT引脚电平发生变化,即在第一个机器13期内为高电平,第二个机器周期内为低电平,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。(4)单片机定时器/计数器功能介绍AT89C52单片机定时器/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
16、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:门控制。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 0INT或1INT也为高电平时,才能启动定时/计数器工作。C/T:定时/计数模式选择位。C/T=0时模式;C/T=1时为计数模式。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/计数器为1、定时功能、工作方式1.工作方式为16位定时/计数器。2.控制寄存器TCON TF1(TCON.7)定时/计数
17、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,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。3.1.2时钟电路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
18、一拍一拍地工作。因此,时钟频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,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2-4所示。 图2-4单片机振荡电路图电路中的电容C1和C2常选择为30PF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
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