畢業設計-基于單片機的自行車測速儀電路設計含程序仿真-資料下載頁

【導讀】成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。自行車測速儀能夠滿足人們最基本的需求，讓人們。能清楚地知道當前的速度、里程、時間、溫度等物理量。本論文主要闡述一種基于霍爾。里程及速度用LCD實時顯示。信號經過處理送LCD顯示。軟件部分用C語言進行編程，采用模塊化設計思想。統硬件電路簡單，子程序具有通用性，完全符合設計要求。使硬件在軟件的控制下協調運作。正文中首先簡單描述系統硬件工作原理，且。其次闡述了程序的流程和實現過程。

　　

【正文】 CH 跳過器件識別 讀暫存器 BEH 讀暫存器內容 寫暫存器 4EH 將數據寫入暫存器的 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 24FC512 EEPROM 分類 美國微芯科技公司（ Microchip Technology Inc）生產的電擦寫式只讀存儲器系列24CXX、 24LCXX、 24AAXX 和 24FCXX （ 24XX*）容量范圍為 128 位到 512 千位。該系列器件支持 2 線串行接口，以 x8 位存儲器塊進行組合。低電壓設計允許工作電壓最低可至 （適用 24AAXX 器件），待機電流和工作電流分別為 1 A 和 1 mA。容量為 1 千位以及超過 1 千位的器件具有頁寫入能力。功能性地址線允許連接到同一條總線上的器件數目最多可達 8 個。整個 24XX 系列產品提供標準的 8 引腳 PDIP、表面貼片 SOIC、 TSSOP 和 MSOP 封裝。大部分容量為 128 位到 16 千位的器件還提供 5 引腳 SOT23 封裝。 另外還提供 DFN 封裝（ 2x3mm 或 5x6mm）。所有封裝皆為無鉛（霧錫）封裝。 絕對最大額定值 VCC 為 ， 相對于 Vss 的所有輸入和輸出 絕對最大額定值 為 到 VCC +， 存儲溫度 絕對最大額定值 為 65176。C 到 +150176。C， 環境溫度（使用電源時） 絕對最大額定值 為 40176。C 到 +125176。C， 所有引腳靜電保護 絕對最大額定值為 ≥大于等于 4 kV， 如果器件運行參數超過上述各項最大額定值，可能對器件造成永久性損壞。上述數值為運行條件最大值，我們不建議器件在該規范范圍外運行。如果器件長時間在絕對最 大額定條件下工作，其穩定性會受到影響 [4]。 24XX 系列 EEPROM 引腳介紹 如圖 16 所示， A0、 A A2 為 芯片地址輸入引腳 ， 24XX01 到 24XX16 等器件的引腳 A0、 A1 和 A2 未用。器件 24C01C、 24C02C、 24XX01 24XX02 24XX025 以及 24XX32 到 24XX512 的輸入引腳 A0、 A1 和 A2 用于多器件工作。將這些輸入引腳上的電平與從器件地址中的相應位作比較，如果比較結果為真，則該器件被選中。僅MSOP 型封裝的 24XX128 和 24XX256 的引腳 A0 和 A1 沒有連接。在對不同的片選位進行組合之后，連接到同一條總線上的器件最多可達八個（對于 MSOP 型封裝 24XX128 和 24XX256 器件，最多為兩個）。大部分應用中，片選地址輸入引腳 A0、 A1 和 A2 直接連到邏輯 0 或邏輯 1。 對于這些引腳由微控制器或其他的可編程器件控制的應用，片選地址輸入引腳必須在器件能夠繼續正常工作之前驅動為邏輯 0 或邏輯 1。串行數據（ SDA）引腳串行數據引腳為雙向引腳，用于把地址和數據輸入 / 輸出器件。該引腳為漏極開路。因此， SDA 總線 是 要求在該引腳與 VCC 之間接上拉電阻（通常頻率張炎 ： 基于單片機的自行車測速儀電路設計 12 為 100 kHz 時該電阻阻值為 10 k，頻率為 400 kHz 和 1 MHz 時，阻值為 2 k ）。對于正常的數據傳輸，只允許在 SCL 為低電平期間改變 SDA 電平。而 SDA 電平在 SCL 高電平期間若發生變化，表明起始和停止條件產生。串行時鐘（ SCL）該輸入引腳用于數據傳輸同步。寫保護（ WP） 引腳必須連接到 VSS 或者 VCC。如果連接到 VSS，寫操作使能。如果連接到 VCC， 寫操作被禁止，但讀操作不受影響。電源輸入（ VCC）引腳標稱條件下，如果 VCC 低于 ，則 VCC 閾值檢 測電路會禁止內部的擦寫邏輯。對于 24C00、 24C01C 和 24C02C 等器件，標稱條件下在 VCC 低于 時，擦寫邏輯被禁止。 A01A12A23GND4SDA5SCL6WP7VCC8 圖 16 24FC512 引腳 霍爾傳感器測量電路設計 霍爾元件 根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。霍爾傳感器 A3144 是 Allegro MicroSystems 公司生產的寬溫、開關型霍 爾效應傳感器，其工作溫度范圍可達 40℃ ～150℃ 。它由電壓調整電路、反相電源保護電路、霍爾元件、溫度補償電路、微信號放大器、施密特觸發器和 OC 門輸出極構成，通過使用上拉電阻可以將其輸出接入 CMOS邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩定性好、靈敏度高等特點，有兩種封裝形式，一種是3 腳貼片微小型封裝，后綴為 LH， 另一種是 3 腳直插式封裝，后綴為 UA。 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 17 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 [5]。 霍爾元件和磁鋼 管腳圖 圖 17 霍爾傳感器的外形圖 該霍爾傳感器的接線圖如圖 18 所示。 安徽工程大學 機電學院 畢業設計（論文） 13 圖 18 霍爾傳感器的接線圖 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 19 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 19 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 ） ，該系統采用了 M 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電機轉軸上的轉盤邊沿，轉盤隨側軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤下方安裝一個霍爾器件，轉盤隨軸旋轉時，受磁鋼所產生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，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： n= PT60 式中： n 為電機轉速； P 為電機轉一圈的脈沖數； T 為輸出方波信號周期。根據 上 式即可計算出直流電機的轉速。 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。 LCD 芯片 LCD 接口 液晶顯示器件（ LCD）獨具的低壓、微功耗特性使他在單片機系統中特得到了廣泛的應用，常用的液晶顯示模塊分為數顯液晶模塊、點陣字符液晶模塊和點陣圖形液晶模張炎 ： 基于單片機的自行車測速儀電路設計 14 塊，其中圖形液晶模塊在我國應用較為廣泛 ，因為漢字不能象西文字符那樣用字符模塊即可顯示，要想顯示漢字必須用圖形模塊 [6]。 LCD 資料我選擇的是 AMPIRE12864 的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，圖形液晶顯示顯示器如圖 110 所示。 圖 110 LCD 電路圖 AMPIRE12864 接口 如 表 18 所示。 表 18 AMPIRE12864 接口說明表 管腳號 管腳 電平 說明 1 CS1 H/L 片選擇信號，低電平時選擇前 64 列 2 CS2 H/L 片選擇信號，低電平時選擇后 64 列 3 GND 0V 邏輯電源地 4 VCC 邏輯電源正 5 V0 LCD 驅動電壓，應用時在 VEE 與 V0 之間加一 2K 可調電阻 6 RS H/L 數據 \指令選擇：高電平：數據 D0D7 將送入顯示 RAM； 低電平：數據 D0D7 將送入指令寄存器執行 7 R/W H/L 讀 \寫選擇： 高電平：讀數據；低電平：寫數據 8 E H/L 讀寫使能，高電平有效，下降沿鎖定數據 9 DB0 H/L 數據輸入輸出引腳 10 DB1 H/L 數據輸入輸出引腳 11 DB2 H/L 數據輸入輸出引腳 12 DB3 H/L 數據輸入輸出引腳 13 DB4 H/L 數據輸入輸出引腳 14 DB5 H/L 數據輸入輸出引腳 15 DB6 H/L 數據輸入輸出引腳 16 DB7 H/L 數據輸入輸出引腳 17 RST L 復位信號，低電平有效 18 VOUT 10V LCD 驅動電源 安徽工程大學 機電學院 畢業設計（論文） 15 第 3 章 軟件設計 主 程序 設計 軟件設計是根據實際的工藝要求進行編寫的，要求是將 DS18B20 溫度傳感器，霍爾傳感器， DS1302 的值送到單片機中去，再由它 將溫度值，時間，速度等送到 LCD 顯示器上，而且將速度值存入 24FC512 中，需要時 可以將 24FC512 中的數通過 MAX232傳入電腦，此測速器還有暫停功能，通過上面的 按鈕 可 以隨時暫停測速器，再按一下可以繼續運行 [7]。 主程序工作過程 如圖 111 所示 。 圖 111 主程序流程圖 初始化 開中斷 計算機是否傳來指令 是否開始工作 溫度，時鐘工作 計算速度里程 顯示時間溫度速度里程 數據傳輸 暫停時鐘，計數器 是 否 是 否 開始 存儲速度 張炎 ： 基于單片機的自行車測速儀電路設計 16 計算速度里程 程序設計 測得傳感器傳過來的脈沖個數時不能馬上得出自行車的速度，要經過數學計算后才能得出，本程序默認自行車車輪的直徑為 1 米，當然使用者可以根據自己的自行車直徑更改程序里的數據。 單片機每接收 10 個脈沖表示自行車車輪跑了一圈。本設計根據單片 機每秒鐘接收的脈沖個數來計算自行車的速度。再將每秒的速度相加，就可得出自行車的里程。在 Proteus 上仿真得到的結果與計算結果完全相同。程序設計流程圖如圖 112所示。 圖 112 計算速度里程流程圖 開始計數 讀秒寄存器個位 判斷是否增加一秒 讀計數器 計算速度里程 關計數器 清零計數器 開計數器 是 否 子程序開始 子程序結束 安徽工程大學 機電學院 畢業設計（論文） 17 數據傳輸程序設計 此自行車測速儀一啟動就開始記錄自行車運動的速度， 當按下暫停按鈕后停止記錄，這時 正好可以將記錄的數據傳到電腦中以供分析。圖 113 為數據傳輸流程圖。 圖 113 數據傳 輸流程圖 產生中斷，接收計 算機傳過來的指令 關中斷 判斷指令 是否正確 向電腦順序發送 所有記錄的數據 是 否 子程序開始 子程序結束 張炎 ： 基于單片機的自行車測速儀電路設計 18 第 4 章 軟件調試 Proteus 及 Keil 軟件簡介 Proteus 軟件 Proteus 軟件是一種低投資的電子設計自動化軟件，提供可仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件和多達 30 多個元件庫。 Proteus 軟件提供多種現實存在的虛擬儀器儀表。此外， Proteus 還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對測量結果的影響， Proteus 軟件提供豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。提供 Schematic Drawing、 SPICE 仿真與 PCB 設計功能，同時可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真 51 系列、 AVR、 PIC等常用的 MCU，并提供周邊設備的仿真，例如 LED、示波器等。 Proteus 提供了大量的元件庫，有 RAM、 ROM、鍵盤、馬達、 LED、 LCD、 AD/DA、部分 SPI 器件、部分 IIC器件，編譯方面支持 Keil 和 MPLAB 等編譯器。一臺計算機、一套電子仿真軟件，在加上一本虛擬實驗教程，就可相當于一個設備先進 的實驗室。以虛代實、以軟代硬，就建立一個完善的虛擬實驗室。在計算機上學習電工基礎，模擬電路、數字電路、單片機應用系統等課程，并進行電路設計、仿真、調試等 [8]。 Keil 軟件 KeilC51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發系統。與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用 C 來開發，體會更加深刻。 KeilC51 軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具 ， 全 Windows 界面。另外重 要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 KeilC51 生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。 Uvision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 For Dos 的集成開發環境 （ IDE） ，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。開發人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生成目標文件 （ OBJ） 。目標文件可由 LIB51 創建生成庫文件，也可以與庫文件一起經 L51連接 定位生成絕對目標文件 （ ABS） 。 ABS 文件由 OH51 轉換成標準的 Hex 文件，以供調試器 DScope51 或 TScope51 使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 應用 Keil 軟件進行程序調試 軟件的調試必須在開發系統的支持下進行。先分別調試通過各個模塊程序 ， 然后調試中斷服務程序 ， 最后調試主程序 ， 將各部分連接進行調試。調試的范圍可以由小到大 ，逐步增加 ， 必要的中間信號可以先做設定。通常交叉使用單步運行 ， 斷點運行 ， 連續運行等多種方式 ， 每次執行 完畢后 ， 檢查 CPU 執行現場 ， RAM 的有關內容 ， I/O 接口的狀態等。發現一個問題 ， 解決一個問題 ， 直至全部通過。 首先新建一個工程項目文件 ； 其次為工程選擇目標器件 ； 再次為工程項目設置軟硬件調試環境；并創建源程序文件并輸入程序代碼，及保存創建的源程序項目文件；最后把源程序文件添加到項目中。 Proteus 軟件仿真 原理圖是在原理圖編輯窗口中的藍色方框內繪制完成的，通過文件中的新建設計選安徽工程大學 機電學院 畢業設計（論文） 19 項，可以調整原理圖設計頁面大小。繪制原理圖時首先應根據需要選取元器件， Proteus庫中提供了大量元器件原理圖符號，利 用 Proteus 的搜索功能能很方便地查找需要的元器件。 首先根據需要選擇器件。單擊元器件列表窗口上邊的按鈕 P，彈出如圖 31 所示元器件選擇窗口。在該窗口左上方的關鍵字欄內鍵入 AT89C52， 窗口中間的結果欄將顯示出元器件庫中所有 AT89C52 單片機芯片，選擇其中的 AT89C52，窗口右上方將顯示出AT89C52 圖形符號，同時顯示該器件的虛擬仿真模型，單擊確定按鈕后， AT89C52 將出現在器件列表窗口。照此方法選擇所有需要的元器件。 器件選擇完畢后，就可以開始繪制原理圖了。先用鼠標從器件選擇窗口選中需要的器件 ，預覽窗口將出現該器件的圖標。再將鼠標指向編輯窗口并單擊左鍵，將選中的器件放置到原理圖中。 放置電源和地線端時，要從終端按鈕欄中選取。在兩個元器件之間進行連線的方式很簡單，先將鼠標指向第一個器件的連接點并單擊左鍵，再將鼠標移到另一個器件的連接點并單擊左鍵，這兩個點就連接到一起了。對于相隔較遠，直接連線不方便的器件，可以用標號的方式進行連接。 連接后的部分硬件電路 參見附錄 。 硬件軟件聯合調試 聯調步驟 第一步安裝 Keil 與 Proteus。 第二步把 Proteus 安裝目錄下 文件復制到 Keil 安裝目錄的 C51 BIN 目錄中 。 第三步修改 Keil 安 裝 目 錄 下 文件，在 C51 字段加入TDRV5=（ Proteus VSM Monitor51 Driver） 打開 Proteus，畫出相應電路。在 Proteus 的 Tools 菜單中選中 Use remote debug monitor。 第四步在 Keil 中編寫 MCU 的程序；及進入 Keil 的 Proteus 菜單 Option for target 工程名。在 Debug 選項中右欄上部的下拉菜選中 Proteus VSM Monitor51 Driver。在進入setting，如果同一臺機 IP 名為 ， 如不是同一臺機則填另一臺的 IP 地址。端口號一定為 8000 注意：可以在一臺機器上運行 Keil，另一臺中運行 Proteus 進行遠程仿真。 第五步即最后在 Keil 中進行 Debug，同時在 Proteus 中查看直觀的結果。硬件調試按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進行檢測，一定要仔細認真。按電路圖的位置將各元件安置好，首先放置核心元件，然后再放其他元件，特別注意順序不能顛倒。 在保證電路元器件完好及各元器件放置無誤合理的情況下，開始對電路連接布線，由于本設計用面包板搭件，所以布線要無跨線并且工整。當硬件設計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件調試階段 [9]。 硬件靜態調試 (1) 排除邏輯故障 顯示器部分調試為了使調試順利進行 ， 首先將 89C52 與 LCD 顯示分離 ， 這樣就可以用靜態方法先測試 LCD 顯示 ， 用規定的電平加至位顯示的引腳 ， 看顯示是否與理論上一致。不一致 ， 一般為 LCD 顯示器接觸不良所致 ， 必須找出故障