基于单片机的自行车速度里程表的设计

本科毕业设计(论文)题目：基于单片机的自行车速度里程表的设计系 （部）： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2011年06月毕业设计（论文）任务书系别 电子信息系 专业 电气工程及其自动化 班级B070307 姓名 白云 学号 B07030701 1.毕业设计(论文)题目： 基于单片机的自行车速度里程表的设计 2.题目背景和意义：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，人们希望自行车功用更强大，给人们带来更多方便。设计一个自行车速度里程表使其有测量准确、性能稳定、携带方便等优点，还用于测速、里程计算等各个领域有着非常现实的意义。 3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标)：以单片机为处理核心，用传感器将车轮的转数转换为电脉冲，处理后送人单片机。里程及速度的测量是经过单片机的定时/计数器测出总的脉冲，再经过单片机计算得出。其结果通过LED显示器显示出来。（1）利用霍尔传感器产生里程数的脉冲信号（2）对脉冲进行计数（3）对数据进行处理，要求用LED显示里程总数和即时速度。 4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点)：10.11.20-11.6.28 校内 设计应给出方案设计与论证、硬件电路原理图、PCB板图、调试软件。 进度要求： 1. 1-3对课题所涉及的资料收集，学习及了解，完成开题报告，第4周开题答辩； 2. 5-6周对总体设计方案确定； 3. 7-12周设计硬件电路并绘制系统硬件原理图。 4. 13-18周对软件电路进行设计并进行调试； 5. 19-20周设计PCB板图及撰写论文； 5.毕业设计(论文)的工作量要求 撰写15000字论文 实验(时数)*或实习(天数)： 100机时 图纸(幅面和张数)*： A4幅面原理图1张，PCB板图1张 其他要求： 外文翻译字数不少于3000字 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。基于单片机的自行车速度里程表的设计摘 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：霍尔元件；单片机；LED显示Microcontroller-based Design of Bicycle Speed OdometerAbstractWith the developing of peoples 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 peoples 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: Hall element; Single chip microcomputer; LED43目 录1 绪论11.1 前言11.1.1 题目背景11.1.2 国内外相关研究情况11.1.3 课题研究意义11.2 课题研究的主要内容21.3 论文的组织结构22 自行车的速度里程表总体方案设计32.1 任务分析与实现32.2 自行车的速度里程表硬件方案设计32.3 自行车的速度里程表软件方案设计43 自行车的速度里程表硬件电路设计63.1 概述63.2 霍尔传感器模块63.2.1 检测传感器的选用及测量原理63.2.2 集成开关霍尔传感器63.2.3 74LS74芯片的运用83.3 单片机模块93.3.1 单片机原理简介93.3.2 单片机的引脚功能介绍103.3.3 单片机中断系统介绍123.3.4 单片机定时/计数功能介绍133.4 外部存储模块143.5 单片机外围电路的设计153.5.1 时钟电路的设计153.5.2 按键模块163.5.3 显示模块及驱动电路173.5.4 报警模块193.5.5 电源模块194 自行车的速度里程表软件程序设计204.1 概述204.2 自行车的速度里程表总体程序设计204.3 数据处理子程序的设计224.3.1 里程计算子程序224.3.2 里程计算程序相关代码224.3.3 速度计算子程序234.3.4 速度计算子程序相关代码244.4 显示子程序的设计244.4.1 概述244.4.2 显示子程序相关代码255 系统调试与分析275.1 系统仿真调试275.2 调试故障及原因分析276 结论与展望296.1 结论296.2 展望29参考文献30致 谢31毕业设计（论文）知识产权声明32毕业设计（论文）独创性声明33附录134附录235附录3361 绪论1 绪论1.1前言1.1.1题目背景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。采用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，可以广泛用于个人、家庭、比赛等场合的测速、里程显示等其他功能。1.1.2国内外相关研究情况从保护环境及经济条件许可等综合因素来看，自行车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。国内外现在都有生产销售类似的自行车速度里程表，有些简单的产品就是单单只有测速或里程的功能，比较复杂的产品除了测速和里程功能外，还加入了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可能加mp3和短信收发功能，使得自行车速度里程表更加人性化，相信会受到更多人的青睐。在市场方面，近几年中国大陆市场比重逐渐提升，台湾与北美市场则逐渐衰退，主要原因在于多项产品制造基地转移至大陆，MCU（Micro Control Unit 中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机或者单片机）在大陆的需求也随之提升。销售至大陆的MCU产品，多应用于电话、Caller ID、玩具与LCD等产品，预计在未来销货至大陆的比重扔将持续增加，从全球来看倡导节能环保使自行车在生活出现中比重增加，使产品在各个地区生产销售都会呈上升趋势。1.1.3课题研究意义自行车速度里程表已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭及比赛等公共场合，给人们的生活，出行，工作带来了极大的方便，由于自西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）行车速度里程表的数字集成电路的发展和采用了先进的传感器技术，使自行车速度里程表有测量准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于测速，里程计算及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的自行车速度里程表集成电路芯片出售，价格便宜，使用也很方便。但鉴于自行车速度里程表的基本组成包含了数字电路、单片机及自动检测的主要组成部分。因此进行自行车速度里程表的设计是必要的，研究自行车速度里程表及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.2 课题研究的主要内容本课题研究的主要内容是利用霍尔元件，单片机等部件设计一个可用的LED数码实时显示速度和里程的自行车速度里程表。能显示速度。里程，并可以通过按键进行切换。通过编程使单片机具有测速并计算里程的功能，并通过按键切换两种功能，再通过模块显示时间，霍尔传感器和外部存储对单片机提供脉冲信号和数据记录，从而实现调整与现实的功能。 1.3 论文的组织结构 第一章：绪论，简述本课题背景，意义及相关研究情况。第二章：课题总体方案设计，通过对设计任务进行分析，初步设计出宏观硬件， 软件原理图。第三章：课题的硬件电路设计，详细介绍硬件中传感器，单片机及外部电路的功能及各个部分的连接。第四章：课题的软件程序设计，根据要求和硬件设计的结构，将整个系统的功能分成初始化程序、速度调用子程序、里程调用子程序、LED显示子程序、延时子程序等许多小的功能模块，分别画出系统框图并加以分析。第五章：系统调试与分析，利用仿真平台对构思好的电路原理图和编好程序进行系统仿真，不断完善电路和程序的功能最后达到本次设计的目的。调试故障并分析原因。第六章：结论与展望，回顾本课题的设计任务及设计过程，介绍了本论文实现的功能，阐述本课题的现实意义，以及对未来自行车速度里程表技术的展望。2 自行车的速度里程表总体设计方案2 自行车的速度里程表总体方案设计2.1任务分析与实现本设计的任务是：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。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。2.2自行车的速度里程表硬件方案设计测速，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，如果光敏西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）电阻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。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。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。硬件电路系统结构框图如图2.1所示。AT89C52单片机霍尔传感器模块（接收外部信号产生脉冲信号）按键模块（用来切换显示和复位）外部存储模块（储存产生的数据）外部信号显示模块（显示即时里程数或者是即时速度）报警模块（提供超速报警）电源模块（为单片机提供电源） 图2.1 系统结构框图2.3 自行车的速度里程表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2.2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2.2 软件总体流程图3 自行车的速度里程表硬件电路设计3 自行车的速度里程表硬件电路设计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霍尔传感器模块3.2.1检测传感器的选用及测量原理本次设计信号的捕获采用的是霍尔传感器，霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁敏传感器。按照霍尔传感器元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、非磁的物理量转变成电量来进行检测和控制。3.2.2集成开关霍尔传感器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3.1(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，使其成为方西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）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的动作。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 3.1(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2kW的负载电阻，如图3.2所示。图3.1 集成开关型霍尔传感器图3.2 集成霍尔开关接线图在本次设计中，霍尔传感器起采集信号的作用。当电源加电压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，产生电势差VH，VH信号经放大器后送到施密特触发整形，使其成为方波送到OC门输出，其与74LS74芯片相连，将整形后的方波送到74LS74芯片中处理后送入单片机。接线图如图3.3所示。图3.3 霍尔集成开关接线原理图3.2.3 74LS74芯片的运用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3.4所示。图3.4 74LS74引脚图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，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口接收到对圈数计数的脉冲。经74LS74二分频后的信号输入到，内部定时计数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。二分频前后波形如图3.5所示。在本次设计中74LS74与霍尔传感器相连，接受方波，然后进行分频，二分频后波形的高低电平时间正好，定时器T1的开启时间为车轮转一周的时间，这样可以计算出自行车的速度。接线原理图如图3.6所示。tt00vv霍尔输出圈脉冲二分频后的波形图3.5 分频前后对比图 图3.6 74LS74接线原理图3.3单片机模块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，就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3.7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TXDTXDRXDTINTP0-P3 图3.7 单片机内部结构示意图3.3.2单片机的引脚功能介绍AT89C52是高性能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。引脚图如图3.8所示。图3.8 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。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（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/)编程电压(25V)：31脚(/VPP)P0.0P0.7：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。P1.0P1.7：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2.0P2.7：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。 P3.0P3.7：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。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（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。P3口引脚及其第二功能如表3.1所示。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P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7T0T1外部中断0申请外部中断1申请定时/计数器0的外部写入定时/计数器1的外部写入外部RAM写选通外部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。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。a. 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；ET0(IE.1)：定时/计数器T0中断允许位；EX1(IE.2)：外部中断允许位；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。b. 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；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；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。a. 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/计数器工作。C/：定时/计数模式选择位。C/=0为定时模式；C/=1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1、定时功能、工作方式1。工作方式16位定时/计数器。b. 控制寄存器TCONTF1(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 外部存储模块AT24C02是一个2K位串行CMOSEPROM。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3.9所示。图3.9 24C02引脚图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。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。本次设计采用的存储器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。存储器与控制车轮大小的端口相连接，可以更快捷方便的接受数据，发出时钟脉冲，便于单片机进行存储控制。接线图如图3.10所示。图3.10 存储器原理接线图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，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3.11所示。 图3.11 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。本次设计晶振采用12MHz，则该计数周期如式3.1所示。 S (3.1)3.5.2 按键模块AT89C52单片机的复位输入引脚RST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RST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RST保持高电平，则89C52循环复位。只有当RST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，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RST/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RST/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,复位电路如图3.12所示。 图3.12 按键复位电路在本次设计中复位电路主要给单片机提供初始化手段，与单片机RST引脚相连，当RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平时单片机内部初始化。使用按键复位电路的上电复位和手动复位可以使操作变得更简单，方便，很大程度上提高系统综合性能，其接线如图3.13所示。3.13 复位电路接线原理图3.5.3显示模块及驱动电路本设计中采用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示器，本次设计采用共共阴极接法如图3.14所示。图3.14 七(八)段LED显示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。本设计中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3信号一起组成位选通的位选信号，P0.0P0.7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，如图3.15所示。图3.15 显示电路接线原理图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3.16所示。图3.16 74LS244逻辑图在本次设计中74LS244与LED显示器相连，起增大电流，使LED正常工作的作用。该芯片由两组组成，每组由四路输入，输出构成，每组有一个控制高低电平决定高低电平决定该组数据被接通还是断开。接线图如图3.17所示。图3.17 74LS244接线原理图3.5.4报警模块 为了能够安全驾驶，以免危害自己与他人健康，本课题设计了报警电路，在超出预定速度时发出警报，报警电路电路图如图3.18所示。图3.18 报警电路图本次报警电路采用蜂鸣器报警，报警器与控制速度的P3.1拐角相连，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。接线图如图3.19所示。图3.19 报警电路接线原理图3.5.5 电源模块供电电源分外接交流和USB接口的外接直流。注意事项：电源不要超过20V，3A，防止意外。4 自行车的速度里程表软件程序设计4 自行车的速度里程表软件程序设计4.1 概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自行车的速度里程表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。在单片机的各个拐角中，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。在本次设计中其分别代表了1m、1.2m、1.5m、和1.8m。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。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）开始初始化P1.2=1?NP1.3=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NNNYYYYNY图4.1 主程序流程图4.3数据处理子程序的设计4.3.1 里程计算子程序点亮里程指示灯开始将车圈数转换成里程显示里程值返回外中断0服务程序用于对单片机P3.2口输入的圈脉冲进行计数，为十六进制计数器。60H为低位，62H为高位。每次计数一次后，对里程数据进行一次存储操作。当车轮每转一圈，通过霍尔元件将脉冲数输入单片机内，通过计数器计出脉冲数，再用乘法子程序算出里程数。里程处理子程序流程图如图4.2所示。图4.2 里程处理子程序流程图4.3.2里程计算程序相关代码void timer0_int() interrupt 1TH0 = 0x3c;TL0 = 0xaf; /设定50ms定时初始值timer0_num+;if(timer0_num=20) timer0_num = 0; /定时1s后重新定时 distance_10m_num = distance_num / N;/求行驶了多少个10米的距离 /其中，N=10/（3.14*R/N*dst_one_sec） distance_num = distance_num % N; distance = distance + distance_10m_num; /每秒刷新一次行驶距离 if(time_key) v_distance = v_distance + distance_10m_num; /如果启动计时器每秒刷新一次累积距离 if(distance=65000) distance = 0; if(v_distance=65000) v_distance = 0; if(dst_one_sec10) n = 1;speed = 0;/10s内检测到卡片数小于2，速度为0sleep = on; /开启睡眠模式 else sleep = off; /关闭睡眠模式4.3.3速度计算子程序外中断1服务程序用于处理轮子转动一圈后的计时数据。当标志位(00H)为1时，计数溢出，放入最大时间值(#0FFH)；当标志位为0时，将计数单元(TL1、TH1、6CH、6DH)的值放入68H6BH单元。定时器计出每转一圈所用的时间，用自行车车轮的周长除以时间就得出自行车的速度，速度子程序如图4.3所示。开始开速度指示灯计算速度报警显示速度NY是否超速？返回图4.3 速度处理子程序流程图4.3.4速度计算子程序相关代码void timer0_int() interrupt 1TH0 = 0x3c;TL0 = 0xaf; /设定50ms定时初始值timer0_num+;if(timer0_num=20)speed = speed_n * dst_one_sec;/计算速度，speed=3.6*3.14*R/N*dst_one_sec/speed_n*100, speed n为刷新一次速度的时间. /其中，R为车轮的半径,N为车轮内安装的卡片数，/3.6为m/s转化为km/h的因子，100表示显示到小数点后两位 /最高时速为160km/h，超过此速度时dst_one_sec溢出n = 1; /每刷新一次速度重新确定刷新周期dst_one_sec = 0; /重新检测1s内的行车距离4.4 显示子程序的设计4.4.1概述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。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。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，P0.0P0.7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。显示子程序流程图如图4.4所示。开始显示单