基于單片機自行車測速儀設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 初始化后就可以按正常方法調整時間。 DS1302 存在時鐘精度不高，易受環境影響，出現時鐘混亂等缺點。 DS1302 硬件連接圖 圖 5 為 DS1302 電路連接圖，是系統的時鐘模塊，可實時的顯示時間。實際11 的 DS1302 引腳圖與仿真圖中的引腳排列不同。但所仿真的功能基本一樣，只是仿真圖的排列方式更便于電路的連接。圖中 X1(引腳 2)與 X2（引腳 3）所接入的是晶振，晶振的振蕩頻率為 32768Hz。 圖中的 VCC1（引腳 1）和 VCC2（引腳 8）都是 電源引腳，在實際電路中，VCC1 接入 5V 電源， VCC2 接入電壓為 3V的紐扣電池 圖 5 DS1302 電路 連接圖 溫度模塊設計 溫度傳感器介紹 DS18B20 引腳如圖 6 所示。 圖 6 DS18B20 DS18B20 引腳定義如下： (1) DQ 為數字信號輸入 /輸出端。 (2) GND 為電源地。 (3) VCC 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 DS18B20 數據部件： (1) 光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前 被光刻好的，它可以看作是DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（ 28H）是產品類型標號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，最后 8 位是前面 56 位的循環冗余校驗碼。 (2) DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，如表 4 所示，以DQ 2 GND 1 VCC 3 12 ℃ /LSB 形式表達，其中 S 為符號位。 表 4 DS18B20溫度值格式表 LS bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 Byte 26 25 24 23 22 21 20 21 MS bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 Byte S S S S S S S S 這是 12 位轉化后得到的 12 位數據，存儲在 DS18B20 的兩個 8 比特的 RAM中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測到的數值乘以 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數值需要取反加 1 再乘以 即可得到實際溫度。 例如 +125℃ 的數字輸出為 07D0H， +℃ 的數字輸出為 0191H， ℃ 的 數字輸出為 FF6FH，55℃ 的數字輸出為 FC90H。表 5 為 DS18B20 溫度對照表。 表 5 DS18B20 溫度對照表 TEMPERATURE DIGITAL OUTPUT(Binary) DIGITAL OUTPUT(Hex) +℃ 0000 0000 1010 1010 00AAh +℃ 0000 0000 0011 0010 0032h +℃ 0000 0000 0000 0001 0001h 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000h ℃ 1111 1111 1111 1111 FFFFh ℃ 1111 1111 1100 1110 FFCEh ℃ 1111 1111 1001 0010 FF92h DS18B20 溫度傳感器的內部存儲器： DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存 RAM和一個非易失性的可電擦除的 EEPROM，后者存放高溫度和低溫度觸發器 TH、 TL 和結構寄存器。高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他 8 個字節組成，其分配如圖 7所示。其中溫度信息（第 1， 2 字節）、 TH 和 TL 值（第 3， 4 字節）、第 6～ 8 字節未用，表現為全邏輯 1；第 9 字節讀出的是前面所有 8 個字節的 CRC 碼，可用來保證通信正確。 13 圖 7 DS18B20 內部儲存器結構圖 DS18B20 控制流程： 根據 DS18B20 的通訊協議，主機（單片機）控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進行復位操作，復位成功后發送一條 ROM 指令，最后發送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作。復位要求主 CPU 將數據線下拉 500 微秒，然后釋放，當 DS18B20 收到信號后等待 16～ 60 微秒左右，后發出 60～ 240 微秒的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號表示復位成功。后面還要具體講述復位、讀和寫的時序。 ROM 指令表明了主機尋址一個或者多個 DS18B20 中的某個或某幾個，或者讀取某個 DS18B20 的64 位地址。 RAM 指令用于主機對 DS18B20 內部 RAM 的操作。 指令集如表 6 和表 7 所示。 表 6 RAM 指令表 指令 約定代碼 100 功能 溫度轉換 44H 啟動 DS18B20 進行溫度轉換， 12 位轉換時最長為 750ms（ 9 位為 ）。結果存入內部 9 字節 ROM 中。 讀暫存器 0BEH 讀內部 RAM 9 字節內容。 寫暫存器 4EH 發出向內部 RAM 的 4 字節寫上、下限溫度數據命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節數據。 復制暫存器 48H 將 RAM 的第 4 字節的內容復制到EEPROM 中。 重讀 EEPROM 0B8H 將 EEPROM 中的內容復制到 RAM 中的第 4 字節。 讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時DS18B20 發送 “0”，外接電源供電 DS18B20發送 “1”。 溫度 LSD（ 50h） 溫度 LSD（ 05h） TH用戶字節 1 TH用戶字節 2 配置寄存器 保留位（ FFh） 保留位（ 0Ch） 保留位（ 10h） CRC TH用戶字節 1 TH用戶字節 2 配置寄 存器 EEPROM 高速暫存器（上電狀態） 14 表 7 ROM 指令表 指令 代碼 操作說明 溫度轉換 44H 開始 啟動 DS18B20 溫度轉換 讀 ROM 33H 讀 ROM 內容 匹配 ROM 55H 對指定器件操作 跳過 CCH 跳過器件識別 讀暫存器 BBH 讀暫存器內容 寫暫存器 4EH 數據寫入暫存器的 TH、 TL 字節 復制暫存器 48H 把暫存器的 TH、 TL 字節寫到 ROM 重寫調用 RAM B8H 把 RAM 中的 TH、 TL 字節寫到暫存器 TH、 TL字節 DS18B20 硬件連接圖 圖 8 是 DS18B20 的電路連接圖，是測量外界環境溫度的模塊。通過串行通信將數據送至單片機處理并顯示，其中 DQ 是串行數 據輸出口，必須加入一上拉電阻。 VCC 和 GND 分別接入的是電源和接地。電路連接簡單，但由于數據輸出口只有一個，所以編程比較復雜。 圖 8 DS18B20 電路連接圖 速度模塊設計 霍爾元件介紹 根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。該芯片具有尺寸小、穩定性好、靈敏度高等特點。 A3144E 系列單極高溫霍爾效應集成傳感器是由穩壓電源，霍爾電壓發生器，差分放大器，施密特觸發器和輸出放大器組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應強度，輸出是一個數字電壓訊號。它是一種單磁極工作的磁敏電 路，適用于矩形或者柱形磁體下工作。可應用于汽車工業和軍事工程中。 霍爾傳感器的外形圖和與磁場的作用關系如圖 9 所示。磁場由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。15 a 霍爾元件和磁鋼 b 管腳圖 圖 9 霍爾傳感器的外形圖 霍爾傳感器測量原理： 測量電機轉速的第一步就是要將電機的轉速表示為單片機可以識別的脈沖信號，從而進行脈沖計數。霍爾器件作為一種轉速測量系統的傳感器，它有結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便等優點，因此選用霍爾傳感器檢測脈沖信號，其基本的測量原理如圖 10 所 示，當電機轉動時，帶動傳感器運動，產生對應頻率的脈沖信號，經過信號處理后輸出到計數器或其他的脈沖計數裝置，進行轉速的測量。 圖 10 霍爾傳感器測量原理 轉速測量方法： 轉速的測量方法很多，根據脈沖計數來實現轉速測量的方法主要有 M 法（測頻法）、 T 法（測周期法）和 MPT 法（頻率周期法）。系統采用了第一種方法（測頻法）。由于轉速是以單位時間內轉數來衡量，在變換過程中多數是有規律的重復運動。根據霍爾效應原理，將一塊永久磁鋼固定在自行車的輪轂上，隨著自行車輪子的轉動，磁鋼也隨著輪子同步轉動，在自行車車體上安裝一個 霍爾傳感器，當車輪轉動時，受磁鋼的影響霍爾傳感器會輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比。脈沖信號的周期與電機的轉速有以下關系： V=N*L 式中： V 為自行車車速； N 為車輪單位時間內的脈沖數； L 車輪的周長。根據上式即可計算出自行車當前的速度。 霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，在垂直于平面方向上施加外磁場B，在沿平面方向兩端加外電場，則使電子在磁場中運動，結果在器件的兩個側面之間產生霍爾電勢。其大小和外磁場及電流大小成比例。霍爾開關傳感器由于其體積小，無觸點，動態特性好，使用壽命長等特點，故在測量轉動物體旋轉 速度領域得到了廣泛應用。 16 霍爾傳感器硬件連接圖 圖 11 為霍爾傳感器的的硬件連接圖，可測量外界磁信號。車輪每轉一圈，則霍爾傳感器能感應到固定在車輪上磁鋼發出的信號。其中 out 引腳為霍爾傳感器的脈沖輸出引腳，且必須接入上拉電阻。 圖 11 霍爾傳感器的圖 顯示模塊設計 LCD 芯片介紹 1602 液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發光，而不像陰極射線管顯示器（ CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。顯示器都是數字式 的，單片機系統的接口更加簡單可靠，操作更加方便。通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統顯示器要輕得多。功耗主要消耗在其內部的電極和驅動 IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 LCD 接口如表 3—8 所示。 （ 1）顯示容量 :162 個字符 （ 2）芯片工作電壓 :— （ 3）工作電流 :() （ 4）模塊最佳工作電壓 : （ 5）字符尺寸 :(WH)mm 表 8 LCD 引腳及引腳說明 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數據 2 VDD 電源正極 10 D3 數據 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數據 4 RS 數據 /命令選擇 12 D5 數據 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數據 6 E 使能信號 14 D7 數據 7 D0 數據 15 BLA 背光源正極 8 D1 數據 16 BLK 背光源負極 17 LCD 硬件連接圖 圖 12 lcd 電路連接圖 圖 12 中引腳 3（ VEE）為液晶顯示偏壓，主要是用來調節顯示屏的亮度，在仿真電路中不需接入電 位器，但是在實際的硬件電路連接圖中必須要接入電位器來調節顯示亮度，否則 LCD 無法正常顯示。 在仿真圖中 LCD1602 元件是只有 14 個引腳，而實際的 LCD1602 是 16 個引腳。仿真圖中的 LCD 元件所缺少的是 BLA(第 15 引腳 )與 BLK（第 16 引腳）。而在實際電路中這兩個引腳也是必須要分別接到電源正極和電源負極上。否則LCD 顯示屏亮度不足以正常顯示數據的。 主電路圖 圖 13 主電路圖18 圖 13 為主電路圖，根據此圖能夠看出改系統分成四個模塊，速度模塊、顯示模塊、時鐘 模塊、溫度模塊，圖中兩個按鈕可分別調節時間的 “小時 ”與 “分鐘 ”。 4 軟件設計 主程序設計 軟件設計根據實際的工藝要求進行編寫，要求是將 DS18B20 溫度傳感器、霍爾傳感器、 DS1302 參數值送到單片機中，再由它將溫度值、時間、速度等參數送至 LCD 顯示器中進行顯示。 主程序工作過程如圖 14 所示。 圖 14 主程序流程圖 計算速度里程程序設計 當單片機獲取霍爾到傳感器所感應的脈沖個數時，不能立馬算出自行車的速度