畢業(yè)論文基于單片機(jī)的自行車健身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明

1、基于單片機(jī)的自行車健身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)誠信申明本人申明：我所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下對(duì)四年專業(yè)知識(shí)而進(jìn)行的研究工作與全面的總結(jié)。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致中所羅列的容以外，論文中創(chuàng)新處不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得XX大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而已經(jīng)使用過的材料。與我一同完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的同學(xué)對(duì)本課題所做的任何貢獻(xiàn)均已在文中做了明確的說明并表示了意。若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名： 年 月 日基于單片機(jī)的自行車健身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)XXXX專業(yè) X班 學(xué)號(hào)X指導(dǎo)教師 X講師摘 要隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運(yùn)輸、

2、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。自行車?yán)锍?速度計(jì)能夠滿足人們最基本的需求，讓人們能清楚地知道當(dāng)前的速度、里程等物理量。本論文主要闡述一種基于霍爾元件的自行車健身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以 STC89C52 單片機(jī)為核心，A44E 霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自行車?yán)锍?速度的測(cè)量統(tǒng)計(jì)，并通過公式計(jì)算出騎車者消耗的卡路里數(shù)，單位采用cal。采用 24C02 實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)掉電的時(shí)候保存里程信息，并能將自行車的里程數(shù)與速度用LCD實(shí)時(shí)顯示。文章詳細(xì)介紹了自行車健身系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。硬件部分利用霍爾元件將自行車每轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)傳入單片機(jī)系統(tǒng)，然后單片機(jī)系統(tǒng)將信號(hào)經(jīng)過處理送顯示。軟件部分用C語言

3、進(jìn)行編程，采用模塊化設(shè)計(jì)思想。該系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，子程序具有通用性，完全符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：里程/速度霍爾元件單片機(jī)LCD顯示Design of Bicycle Fitness System Based on MCUAbstractWith 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 entertainmenting and exer

4、cising. 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 these paper, the bicycle mileage/speed design based on the Hall element is elaborated. By STC89C52 as kernel, using A44E Hall element to measure revolutio

5、n, the measure and statistic are achieved. The range informations are saved by 24C02 when the power is off, the bicycle speed can be displayed on LCD. In this article, the hardware circuit and software design of bicycle mileage/speed instrument are introduced in detail. About the hardware, the pulse

6、 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,

7、 common sub-program, and meet the demand of design.Key words:Mileage / SpeedHall ElementSingle Chip MicrocomputerLCD 目 錄前 言1第1章 緒論1第1.1節(jié) 選題背景2第1.2節(jié) 研究目的與研究方法2第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4第2.1節(jié) 總體方案4第2.2節(jié) 方案的確定6第2.3節(jié) 自行車健身系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計(jì)6第3章 硬件電路的設(shè)計(jì)8第3.1節(jié) 概述8第3.2節(jié) 單片機(jī)與電路的設(shè)計(jì)8第3.3節(jié) 傳感器與其測(cè)量系統(tǒng)19第3.4節(jié) 其它器件的介紹21第4章 軟件程序的設(shè)計(jì)25第4.1節(jié)

8、 概述25第4.2節(jié) 總體程序的設(shè)計(jì)25第4.3節(jié) 中斷子程序的設(shè)計(jì)26第4.4節(jié) 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)28第4.5節(jié) 顯示子程序的設(shè)計(jì)29第5章 系統(tǒng)仿真與調(diào)試31第5.1節(jié) 自行車健身系統(tǒng)的仿真31第5.2節(jié) 自行車健身系統(tǒng)的調(diào)試32第5.3節(jié) 調(diào)試故障與原因分析34結(jié) 論36附 錄一37附 錄二38附 錄三39附 錄四41參考文獻(xiàn)46致4743 / 47前言單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來，作為微計(jì)算機(jī)一個(gè)很重要的分支，應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速，已對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了巨大的影響。目前，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)與人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域。各類導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與

9、數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的手機(jī)充電器電風(fēng)扇錄像機(jī)攝像機(jī)全自動(dòng)化洗衣機(jī)的控制，以與遙控玩具電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運(yùn)輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。因此，人們希望自行車的功用更強(qiáng)大，能給人們帶來更多的方便。自行車?yán)锍趟俣缺碜鳛樽孕熊嚨囊淮筝o助工具也正是隨著這個(gè)要求而迅速發(fā)展的，其功能也逐漸從單一的里程顯示發(fā)展到速度、時(shí)間顯示，甚至有的還具有測(cè)量騎車人的心跳、顯示騎車人熱量消耗等功能。本設(shè)計(jì)采用了STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)一種體積小、操作簡(jiǎn)單的便攜式自行車健身系統(tǒng)，它能自動(dòng)地顯示當(dāng)前自行車

10、行走的距離與運(yùn)行的速度。亮點(diǎn)在于它能夠計(jì)算并顯示出騎車者消耗的熱量，單位為焦耳。本文主要介紹了自行車健身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、電路原理、方案論證以與元件的選擇等容，整體上分為硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。具體的硬件電路包括STC89C52單片機(jī)的外圍電路以與LCD顯示電路等。軟件設(shè)計(jì)包括：芯片的初始化程序、定時(shí)中斷采樣子程序、顯示子程序等，程序采用C語言編寫，軟件設(shè)計(jì)的思想主要是自頂向下，模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)子模塊逐一設(shè)計(jì)，再分別進(jìn)行調(diào)試，最后聯(lián)調(diào)整個(gè)程序，判斷是否達(dá)到預(yù)期的要求，得出結(jié)論。仿真部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，也是設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。第1章 緒論第1.1節(jié) 選題背景自行車被發(fā)明與使用到現(xiàn)在已有兩

11、百多年的歷史，這兩百年間人類在不斷的嘗試與研發(fā)過程中，將玩具式的木馬車轉(zhuǎn)換到今日各式新穎休閑運(yùn)動(dòng)自行車，自行車發(fā)展的目的也從最早的交通代步的工具轉(zhuǎn)換成休閑娛樂運(yùn)動(dòng)的用途。我國也是自行車大國。1791年，法國人西弗拉克發(fā)明了最原始的自行車。它只有兩個(gè)輪子而沒有傳動(dòng)裝置，人騎在上面，需用兩腳蹬地驅(qū)車向前滾動(dòng)。1801年，俄國人阿爾塔馬諾夫設(shè)計(jì)出世界上第一輛用踏板踩動(dòng)的自行車。1817年德國人德雷斯在自行車上裝了方向舵，使其能改變行使方向。1839年，格蘭人麥克米倫制造出木制車輪，裝實(shí)心橡膠輪胎、前輪小、后輪大、坐墊較低、裝有腳踏板和曲柄連桿裝置，騎者可以雙腳離開地面的自行車。同年，麥克米倫又將木制

12、自行車改為鐵制自行車。1887年，德國曼斯公司將無縫鋼管首先用于自行車生產(chǎn)。1888年英國人鄧洛普用橡膠制造出胎，用皮革制造出外胎，以次作為自行車的充氣輪胎。從此，基本奠定了現(xiàn)代自行車的雛形。時(shí)至今日，自行車已成為全世界人們使用最多，最簡(jiǎn)單，最實(shí)用的交通工具。隨著居民生活水平的不斷提高，自行車不再僅僅是普通的運(yùn)輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。因此，人們希望自行車的功用更強(qiáng)大，能給人們帶來更多的方便。自行車的輔助工具也正是隨著這個(gè)要求而迅速發(fā)展的，其功能也逐漸從單一的里程顯示發(fā)展到速度、時(shí)間顯示，甚至有的還具有測(cè)量騎車人的心跳、顯示騎車人熱量消耗等功能。我的設(shè)計(jì)正滿足了這個(gè)需

13、求。本設(shè)計(jì)能顯示自行車實(shí)時(shí)的速度和里程，甚至具有測(cè)量、顯示騎車者熱量消耗等功能。第1.2節(jié) 研究目的與研究方法1.2.1研究目的轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，而模擬量的采集和模擬量處理一直是轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法。目前這種測(cè)量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代化科技發(fā)展的要求。隨著大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得全數(shù)字測(cè)試儀越來越普與，其轉(zhuǎn)速測(cè)試儀也可以全數(shù)字化處理。在測(cè)量圍和測(cè)量精度方面都有很大提高。因此，本次設(shè)計(jì)的目的是：在自行車上，利用STC89C52系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種全數(shù)字化的自行車?yán)锍趟俣扔?jì)，并從提高測(cè)量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實(shí)際使用提供參考。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為中心，設(shè)計(jì)全數(shù)字化

14、的自行車速度里程計(jì)這個(gè)測(cè)試儀采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，操作使用方便，能夠精確的為用戶提供速度和行程的數(shù)值。本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作控制，利用霍爾元件等器件設(shè)計(jì)一個(gè)可用LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前自行車行駛的距離與速度并具有顯示騎車者消耗熱量功能的自行車健身系統(tǒng)，使其作為自行車的一種輔助工具，讓自行車的功用更強(qiáng)大，給人們帶來更多的方便1。1.2.2研究方法本系統(tǒng)總體思路如下：假定輪圈的周長為L，在輪圈上安裝m個(gè)永久磁鐵，則測(cè)得的里程值最大誤差為L/m。經(jīng)綜合分析，本設(shè)計(jì)中取m=1。當(dāng)輪子每轉(zhuǎn)一圈，通過開關(guān)型霍爾元件傳感器采集到一個(gè)脈沖信號(hào)，并從引腳P3.2中斷0端輸入，傳感器每獲取一個(gè)脈沖信號(hào)即對(duì)系統(tǒng)

15、提供一次計(jì)數(shù)中斷。每次中斷代表車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，中斷數(shù)n與輪圈的周長L的乘積為里程值。計(jì)數(shù)器T1計(jì)算每轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間t，就可以計(jì)算出即時(shí)速度V。再通過一定的計(jì)算公式得出騎車者消耗的卡路里值。要求達(dá)到的各項(xiàng)指標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方法如下：1. 利用霍爾傳感器產(chǎn)生里程數(shù)的脈沖信號(hào)。2. 對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。實(shí)現(xiàn)：利用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器T1對(duì)霍爾傳感器脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。3. 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，要求用LCD顯示里程總數(shù)、即時(shí)速度、騎車者消耗的卡路里值。實(shí)現(xiàn)：利用軟件編程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到需要的數(shù)值。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)第2.1節(jié) 總體方案本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用STC89C52芯片，用霍爾元件將車輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖，經(jīng)過

16、處理后送入單片機(jī)。里程與速度的測(cè)量，是經(jīng)過STC89C52的定時(shí)/計(jì)數(shù)器測(cè)出總的脈沖數(shù)和每轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，再經(jīng)過單片機(jī)的計(jì)算得出，計(jì)算結(jié)果通過LCD1602顯示器顯示出來。傳感器是獲取自然或生產(chǎn)領(lǐng)域息的關(guān)鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種設(shè)備不可缺少的信息采集工具。磁傳感器是一種將磁學(xué)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件或裝置。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療儀器等的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普與，需要大量的傳感器將被測(cè)或被控的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與計(jì)算機(jī)兼容的電信號(hào)。作為輸入信號(hào)，這就給磁傳感器的快速發(fā)展提供了機(jī)遇，形成了磁傳感器的產(chǎn)業(yè)。其中最具代表的磁傳感器就是霍爾傳感器，在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)是一種最

17、基本的測(cè)量工作。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達(dá)1MHz）、耐震動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽與煙霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高。取用各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件工作溫度圍寬，可達(dá)551502。測(cè)速是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題，學(xué)會(huì)使用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)速儀表具有很重要的意義。要測(cè)速，首先要解決是采樣的問題。在使用模擬技術(shù)制作測(cè)速表時(shí)，常用測(cè)速發(fā)電機(jī)的方法，即將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測(cè)軸相連，測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，可以

18、使用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)法。只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)或固定的多個(gè)脈沖，將脈沖送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算，即可獲得轉(zhuǎn)速的信息。常用的測(cè)速元件有霍爾傳感器、光電傳感器和光電編碼器3。（1）霍爾傳感器霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于信號(hào)采集的有A44E、CS3020、CS3040等，這類傳感器是一個(gè)3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，通常是集電極開路（OC門）輸出，工作電壓圍寬，使用非常方便。A44E的外形如圖2.1所示：1-Vcc 2-GND 3-OUT圖2.1 A44E外形圖使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的齒輪盤上粘上一粒磁鋼，霍爾元件固定

19、在前叉上，當(dāng)車子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)霍爾元件靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在齒輪盤上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛4。（2）光電傳感器光電傳感器是應(yīng)用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當(dāng)發(fā)射管光照射到接收管時(shí)，接收管導(dǎo)通，反之關(guān)斷。以紅外光電傳感器為例，當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時(shí)，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間

20、時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。該系統(tǒng)在自行車后輪的軸處保持著與輪子旋轉(zhuǎn)切面平行的方向延伸附加一個(gè)鋁盤，在這個(gè)鋁盤的邊沿處挖出若干個(gè)圓形過孔，把傳感器的檢測(cè)部分放在圓孔的圓心位置。每當(dāng)鋁盤隨著后輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，傳感器將向外輸出若干個(gè)脈沖。（3）光電編碼器光電編碼器的工作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個(gè)整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉(zhuǎn)軸相連，就能獲得多種輸出信號(hào)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。第2.2節(jié) 方案的確定光敏電阻對(duì)光特別敏感，當(dāng)白天行駛時(shí)，外界光源將導(dǎo)致光敏電阻發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)；光

21、敏電阻對(duì)環(huán)境的要求相當(dāng)高，如果光敏或發(fā)光二極管被泥沙或灰塵所覆蓋，光敏電阻就不能再進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量；而編碼器必須安裝在車軸上，安裝較為復(fù)雜；霍爾元件或干簧管不但不受天氣的影響，即使被泥沙或灰塵覆蓋也不會(huì)有影響，而且安裝方便。所以本設(shè)計(jì)采用霍爾元件對(duì)里程與速度進(jìn)行測(cè)量，既簡(jiǎn)單易行，又經(jīng)濟(jì)適用。本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)原理框圖如圖2.2所示：STC89C52單片機(jī)外部信號(hào)霍爾傳感器外部存儲(chǔ)器速度顯示熱量顯示圖2.2 硬件系統(tǒng)原理框圖第2.3節(jié) 自行車健身系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計(jì)硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。通過軟件控制單片機(jī)的功能是單片機(jī)的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，程序的設(shè)計(jì)要考慮合理性和可讀性。程序遵循模塊化設(shè)計(jì)的原則，采用自頂

22、向下的設(shè)計(jì)方法。即先考慮整體目標(biāo)，明確整體任務(wù)，然后把整體任務(wù)分成一個(gè)個(gè)子任務(wù)，子任務(wù)再分成子子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分，同時(shí)分析層次間的關(guān)系與同一層次各任務(wù)間的關(guān)系，最后擬訂出各任務(wù)的細(xì)節(jié)。模塊化設(shè)計(jì)使程序的可讀性好、修改與完善方便。軟件設(shè)計(jì)包括主程序、行車過程中里程和速度計(jì)算子程序、延時(shí)子程序、中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等等。中斷子程序是將傳感器產(chǎn)生的信號(hào)接入外部中斷0，將經(jīng)過74LS74分頻后的信號(hào)接入外部中斷1，利用中斷和定時(shí)器對(duì)分別對(duì)里程進(jìn)行累加、每轉(zhuǎn)一周的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)處理子程序是將進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號(hào)與實(shí)際要顯示值之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過軟件編程顯示所需要的值。顯示子程序是將數(shù)據(jù)

23、處理的結(jié)果送顯示器顯示。本系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖2.3所示：圖2.3 軟件總體流程圖第3章 硬件電路的設(shè)計(jì)第3.1節(jié) 概述自行車?yán)锍?速度計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)部分，它包括信號(hào)的捕獲、放大、整形，單片機(jī)的計(jì)算處理，數(shù)碼管的實(shí)時(shí)顯示和單片機(jī)外圍基本電路的設(shè)計(jì)。而本章的兩大主要器件就是傳感器和單片機(jī)了。傳感器在人們研究自然現(xiàn)象、規(guī)律以與生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中，起著非常重要的作用。特別是在當(dāng)今，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人類進(jìn)入了一個(gè)信息時(shí)代，在利用信息的過程中，首先要解決的就是獲取準(zhǔn)確可靠的信息。傳感器是獲取自然或生產(chǎn)領(lǐng)域息的關(guān)鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種設(shè)備不可缺少的信息采集工具。磁傳感器是一種將磁

24、學(xué)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件或裝置。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療儀器等的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普與，需要大量的傳感器將被測(cè)或被控的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與計(jì)算機(jī)兼容的電信號(hào)。作為輸入信號(hào)，這就給磁傳感器的快速發(fā)展提供了機(jī)遇，形成了磁傳感器的產(chǎn)業(yè)。其中最具代表的磁傳感器就是霍爾傳感器，在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)是一種最基本的測(cè)量工作。自從1971年微型計(jì)算機(jī)問世以來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，微型機(jī)主要向兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)向高速度，高性能的高檔微型計(jì)算機(jī)方向發(fā)展。一個(gè)向穩(wěn)定可靠，小而廉價(jià)的單片機(jī)方向發(fā)展。所謂的單片機(jī)，就是把中央處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以與I/O

25、 接口電路等集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，可見它的功能非常強(qiáng)大。單片機(jī)是本次設(shè)計(jì)的核心部件，它是信號(hào)從采集到輸出的橋梁，而且肩負(fù)計(jì)算、定時(shí)、信息處理等功能。下面我們就具體介紹一下硬件電路設(shè)計(jì)的過程。第3.2節(jié) 單片機(jī)與電路的設(shè)計(jì)3.2.1單片機(jī)的介紹單片機(jī)是指集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)，也就是把組成微型計(jì)算機(jī)的各種功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）、只讀存儲(chǔ)器ROM（Read-only Memory）、基本輸入/輸出（Input/Output）接口電路。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等部件都制作在一塊集

26、成芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)從而實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)的基本功能。單片機(jī)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1所示：定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)CPU存儲(chǔ)器并行I/O口串口I/O口TXDRXDTINTP0-P3圖3.1 單片機(jī)部結(jié)構(gòu)示意圖1.中央處理器（CPU）中央處理器是單片機(jī)最核心的部分，主要完成運(yùn)算和控制功能。2.部存儲(chǔ)器部存儲(chǔ)器包括部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（部RAM）和部程序存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是由大量的寄存器所組成，其中每一個(gè)寄存器就稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。3.定時(shí)/計(jì)數(shù)器單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器是同一結(jié)構(gòu)，只是計(jì)數(shù)器記錄的是單片機(jī)外部發(fā)生的事件，由單片機(jī)的外部電路提供計(jì)數(shù)信號(hào)；而定時(shí)器是由單片機(jī)部提供一個(gè)非常穩(wěn)定的計(jì)數(shù)信號(hào)。4.中斷

27、系統(tǒng)中斷系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中起著十分重要的作用，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛采用的一種實(shí)時(shí)控制技術(shù)，能對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行與時(shí)處理，從而大大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。5.串行I/O接口串行I/O口的數(shù)據(jù)各位按順序傳輸，其特點(diǎn)是需要一對(duì)傳輸線，成本低；但速度慢，效率低，適合靜態(tài)顯示。6.并行I/O接口并行I/O接口的數(shù)據(jù)所有位同時(shí)傳送。其特點(diǎn)是傳輸速度快，效率高；但傳送多少位就需要多少根傳輸線，因此傳送成本高，適合動(dòng)態(tài)顯示。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能COMOS8

28、的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容5。引腳如圖3.2所示：圖3.2 STC89C52引腳圖STC89C52具體介紹如下： 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線外接晶振引腳（2根）XTAL1（Pin19）：片振蕩電路的輸入端XTAL2（Pin18）：片振蕩電路的輸出端控制引腳（4根）RST/VPP（Pin9）：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG（Pin30）：地址鎖存允許信號(hào)PSEN（Pin29）：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)E

29、A/VPP（Pin31）：程序存儲(chǔ)器的外部選通。接低電平，從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從部程序存儲(chǔ)器讀指令?？删幊梯斎?輸出引腳（32根）STC89C52單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別為P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.73.2.2電路設(shè)計(jì)（1）時(shí)鐘電路

30、的設(shè)計(jì)時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。STC89C52片由一個(gè)反相放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時(shí)鐘。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用第一種方式。單片機(jī)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機(jī)部時(shí)鐘方式的振蕩電路如圖3.3所示：圖3.3 單片機(jī)片振蕩電路電路中的電容C1和C2

31、常選擇為30pF左右。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩器的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。而外接晶體的振蕩頻率的大小，主要取決于單片機(jī)的工作頻率圍，每一種單片機(jī)都有自己的最大工作頻率，外接的晶體振蕩頻率不大于單片機(jī)的最大工作頻率即可。此外，如果單片機(jī)有串行通信，則應(yīng)該選擇振蕩頻率除以串行通信頻率可以除盡的晶體。本設(shè)計(jì)晶振采用12MHz，則計(jì)數(shù)周期為：（3·1）（2）復(fù)位電路的設(shè)計(jì)STC89C52單片機(jī)的復(fù)位輸入引腳RET為STC89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在

32、的時(shí)鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)部則初始復(fù)位。只要RET保持高電平，則循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RET由高電平變成低電平以后，才從0000H地址開始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)的復(fù)位電路是采用按鍵復(fù)位的電路，如圖3.4所示，是常用復(fù)位電路之一。單片機(jī)復(fù)位通過按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱手動(dòng)復(fù)位。上電時(shí)，剛接通電源，電容C相當(dāng)于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使全機(jī)自動(dòng)復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運(yùn)行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動(dòng)按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RET/VPD端從而復(fù)位稱為手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位后，P0到P3并行I/O口全為高電平，其它寄存器全部清

33、零，只有SBUF寄存器狀態(tài)不確定。圖3.4 按鍵復(fù)位電路工作原理：上電瞬間，RC電路充電，RST引腳出現(xiàn)高電平，只要RST端保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位6。（3）顯示電路的設(shè)計(jì)在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通用器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表與很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟件都比較簡(jiǎn)單，但硬件電路復(fù)雜。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用LCD液晶顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：顯示質(zhì)量高由于液晶顯示

34、器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比一樣顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。功耗低相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。本設(shè)計(jì)采用的顯示器是LCD1602，它的相關(guān)介紹如下：1.液晶顯示原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣

35、即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。2.液晶顯示器的分類液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、單純矩陣驅(qū)動(dòng)和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)三種。3.液晶顯示器各種圖形的顯示原理線段的顯示點(diǎn)陣圖形式液晶由M×N個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對(duì)應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行有16字節(jié)，共16×8=128個(gè)點(diǎn)組成，屏

36、上64×16個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H00FH的16字節(jié)的容決定，當(dāng)（000H）=FFH時(shí)，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（3FFH）=FFH時(shí)，則屏幕的右下角就會(huì)顯示一條短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理7。字符的顯示用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由6×8或8×8點(diǎn)陣組

37、成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個(gè)字符。但由于帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號(hào)與每行的列數(shù)找出顯示RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì)應(yīng)的代碼即可。漢字的顯示漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提取軟件），每個(gè)漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5右邊為2、4、6根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號(hào)與每行的列數(shù)可找出顯示RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)

38、立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對(duì)齊，送第三個(gè)字節(jié)直到32B顯示完LCD就可以得到一個(gè)完整的漢字。4.主要技術(shù)參數(shù)如表3.1所示：表3.1 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)顯示容量16×2個(gè)字符芯片工作電壓4.55.5工作電流2.0mA（5.0v）模塊最佳電壓5.0v字符尺寸2.95×4.35（WXH）mm5.引腳接口說明如表3.2所示：表3.2 LCD1602引腳接口編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)

39、據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V電源第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為寄存器選擇，高電平時(shí)進(jìn)行讀寫操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電

40、平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，基本控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖3.5所示：圖3.5 LCD1602帶背光與不帶背光的外形尺寸差別6.LCD寄存器的選擇如表3.3所示：表3.3 LCD寄存器的選擇ER/WRS功能說明100寫入命令寄存器101寫入數(shù)據(jù)寄存器110讀取忙碌標(biāo)志與RAM地址111讀取RAM數(shù)據(jù)0X不動(dòng)作7.1602LCD的指令說明與時(shí)序1602液晶模塊部的控制器共有11條控制指令，控制指

41、令如表3.4所示：表3.4 1602控制指令序號(hào)指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清除顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)容1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。（說明：1為

42、高電平、0為低電平）指令1：清除顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線N：低電平時(shí)為單行顯示，

43、高電平時(shí)雙行顯示F: 低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。指令8：DDRAM地址設(shè)置。指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。8.顯示電路的設(shè)計(jì)電路本設(shè)計(jì)中LCD1602的數(shù)據(jù)總線接STC89C52單片機(jī)的P0口，控制引腳RS接P2.7口，R/W接P2.6口，E接P2.5口。VL是對(duì)比控制引腳，電壓在05V之間，BLA和 BLK是背光電源的正負(fù)極，使用時(shí)需要連接限流電阻，電流大小可以控制背光亮度。液晶顯示電路如圖3.6所示：圖3.

44、6 液晶顯示電路第3.3節(jié) 傳感器與其測(cè)量系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)信號(hào)的捕獲采用的是霍爾傳感器，霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)與其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達(dá)1MHz）、耐震動(dòng)、不怕灰塵、油污、水汽與煙霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件工作溫度圍寬，可達(dá)55150。按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開

45、關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體。通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以與工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。3.3.1霍爾傳感器的測(cè)量原理霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁敏傳感器。在置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體通入電流I，若電流垂直磁場(chǎng)B，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差Uh，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)

46、制成的元件稱為霍爾元件。因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量線性圍大、抗干擾能力強(qiáng)以與體積小、使用壽命長等一系列特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、自動(dòng)控制與信息處理等領(lǐng)域?；魻栃?yīng)原理圖如圖3.7所示：圖3.7 霍爾效應(yīng)原理圖3.3.2集成開關(guān)型霍爾傳感器A44E集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢(shì)發(fā)生器(即硅霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個(gè)基本部分組成，如圖3.8（a）所示。(1)、(2)、(3)代表集成霍爾開關(guān)的三個(gè)引出端點(diǎn)。在電源端加電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾電勢(shì)發(fā)生器的兩端，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處在磁場(chǎng)中時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流，則與這二者

47、相垂直的方向上將會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差VH輸出，該VH信號(hào)經(jīng)放大器放大后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到工作點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓(相對(duì)于地電位)，使三極管導(dǎo)通，此時(shí)OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為開 。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到釋放點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這種狀態(tài)為關(guān) 。這樣兩次電壓變換，使霍爾開關(guān)完成了一次開關(guān)動(dòng)作。工作點(diǎn)與釋放點(diǎn)的差值一定，此差值稱為磁滯，在圖3.8 集成開關(guān)型霍爾傳感器此差值，V0保持不變，因而使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集電成霍爾開關(guān)傳感器優(yōu)良特性之一。傳感器主要特性是它的輸出特性，即輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度B與輸出電

48、壓V0之間的關(guān)系。A44E集成霍爾開關(guān)是單穩(wěn)態(tài)型，由測(cè)量數(shù)據(jù)作出的輸出特性曲線如圖 3.8(b)所示8。測(cè)量時(shí) 在1、2兩端加5V直流電壓,在輸出端3與1之間接一個(gè)2kW的負(fù)載電阻，如圖3.9所示：圖3.9 集成霍爾開關(guān)接線圖第3.4節(jié) 其它器件的介紹3.4.1存儲(chǔ)器的介紹AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOSE2PROM。部含有256個(gè)8 位字節(jié)，ATMEL公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02有一個(gè)16 字節(jié)頁寫緩沖器，該器件通過I2C總線接口進(jìn)行操作有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。AT24C02支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時(shí)鐘和所有起始停止信號(hào)的主器件控

49、制的。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，通過器件地址輸入端 A0、A1和A2可以實(shí)現(xiàn)將最多8個(gè)24C02器件連接到總線上。管腳圖如圖3.10所示：圖3.10 24C02管腳圖SCL串行時(shí)鐘：AT24C02串行時(shí)鐘輸入管腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘，這是一個(gè)輸入管腳。SDA串行數(shù)據(jù)/地址：CAT24WC02雙向串行數(shù)據(jù)/地址管腳用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。SDA 是一個(gè)開漏輸出管腳可與其它開漏輸出或集電極開路輸出進(jìn)行線或（wire-OR）。WP 寫保護(hù)：如果WP管腳連接到Vcc所有的容都被寫保護(hù)，只能讀。當(dāng)WP管腳連接到Vss或懸空，

50、允許器件進(jìn)行正常的讀/寫操作。本次設(shè)計(jì)采用的24C02是為了防止掉電時(shí)里程數(shù)據(jù)的丟失，由于24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳輸數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL和SDA與單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。在軟件編程時(shí)采用程序包來控制24C02發(fā)送或接受數(shù)據(jù)9。3.4.2芯片74LS74的介紹74LS74是D觸發(fā)器的一種,它是一個(gè)具有記憶功能的二進(jìn)制信息存儲(chǔ)器件，是構(gòu)成多種時(shí)序電路的最基本邏輯單元。觸發(fā)器具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即"0"和"1"，在一定的外界信號(hào)作用下，可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。由于其狀態(tài)的更新發(fā)生在CP脈沖的邊沿故又稱之為上升沿觸發(fā)的邊沿

51、觸發(fā)器，D觸發(fā)器的狀態(tài)只取決于時(shí)針到來前D端的狀態(tài)。D觸發(fā)器應(yīng)用很廣，可用做數(shù)字信號(hào)的寄存、移位寄存、分頻和波形發(fā)生器等。引腳圖如圖3.11所示：圖3.11 74LS74引腳圖在本論文中74LS74芯片起分頻的作用。當(dāng)車輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個(gè)低電平脈沖，通過74LS74進(jìn)行二分頻后，定時(shí)器T1的開啟時(shí)間為車輪轉(zhuǎn)1圈的時(shí)間，這樣就可以算出自行車的速度。分頻前后對(duì)比圖如圖3.12所示：圖3.12 分頻前后對(duì)比圖由圖可見，二分頻后的波形的高或地電平的時(shí)間正好是霍爾傳感器開關(guān)的一個(gè)周期，霍爾傳感器輸出脈沖到，即接收到對(duì)圈數(shù)計(jì)數(shù)的脈沖。經(jīng)74LS74二分頻后的信號(hào)輸入到，部定時(shí)計(jì)數(shù)器測(cè)得每轉(zhuǎn)一圈

52、所用的時(shí)間，通過計(jì)算即可得里程值和即時(shí)速度。其邏輯圖如圖3.13所示，可以看出74LS244由2組組成、每組由四路輸入、輸出構(gòu)成。每組有一個(gè)控制端高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開10。圖3.13 74LS244邏輯圖第4章 軟件程序的設(shè)計(jì)第4.1節(jié) 概述在硬件設(shè)計(jì)完畢之后，接下來就是設(shè)計(jì)中最核心和最為主要的軟件部分設(shè)計(jì)。所謂軟件設(shè)計(jì)就是把軟件需求變換成軟件的具體設(shè)計(jì)方案（即模塊結(jié)構(gòu)）的過程。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即是根據(jù)要求和硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)的功能分成許多小的功能模塊，再根據(jù)這些小的功能模塊進(jìn)行程序編寫的過程。這樣的設(shè)計(jì)方法，使得系統(tǒng)的整個(gè)功能和各部分的功能趨于明朗化。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，就

53、可以根據(jù)功能設(shè)置找出問題的根源，從而更快地解決問題。所以說，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，軟件設(shè)計(jì)必須與硬件設(shè)計(jì)緊密地結(jié)合在一起。 基于霍爾傳感器自行車?yán)锍?速度計(jì)的軟件設(shè)計(jì)包括上電初始化程序、中斷子程序、速度調(diào)用子程序、里程調(diào)用子程序、LED顯示子程序、延時(shí)子程序等幾大部分。由于要實(shí)現(xiàn)很多功能，所以采用模塊化設(shè)計(jì)，下面就其主要部分分別加以分析。第4.2節(jié) 總體程序的設(shè)計(jì)在主程序模塊中，需要完成對(duì)各接口芯片的初始化、自行車?yán)锍毯退俣鹊某跏蓟?、中斷向量的設(shè)計(jì)以與開中斷、循環(huán)等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設(shè)置啟動(dòng)/清除標(biāo)志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，并對(duì)它們進(jìn)行初始化。然后主程序?qū)⒏鶕?jù)各標(biāo)志寄存器

54、的容，分別完成啟動(dòng)、清除、計(jì)程和計(jì)速等不同的操作。P1.0和P1.1口分別用于顯示里程狀態(tài)和速度狀態(tài)。P1.2、P1.3、P1.6和P1.7口分別用于設(shè)置輪圈的大小，低電平有效。P3.0是用于里程和速度切換的，低電平為顯示速度，高電平為顯示里程。中斷0用于對(duì)輪子圈數(shù)的計(jì)數(shù)輸入，輪子每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個(gè)低電平脈沖。將根據(jù)里程寄存器中的容計(jì)算和判斷出行駛里程數(shù)。中斷1用于控制定時(shí)器T1的啟/停，當(dāng)輸入為0時(shí)關(guān)閉定時(shí)器。此控制信號(hào)是將輪子圈數(shù)的計(jì)數(shù)經(jīng)二分頻后形成。這樣，每次定時(shí)器T1的開啟時(shí)間剛好為轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，根據(jù)輪子的周長就可以計(jì)算出自行車的速度11。其程序流程如圖4.1所示：圖4.1

55、程序流程圖第4.3節(jié) 中斷子程序的設(shè)計(jì)定時(shí)中斷是為滿足定時(shí)或計(jì)數(shù)的需要而設(shè)置的。為此在單片機(jī)部有兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，以對(duì)其中的計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，來實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)，即表明定時(shí)時(shí)間或計(jì)數(shù)值已滿，這時(shí)就以計(jì)數(shù)溢出信號(hào)作為中斷請(qǐng)求，去置位一個(gè)溢出標(biāo)志，作為單片機(jī)接受中斷請(qǐng)求的標(biāo)志。這種中斷請(qǐng)?jiān)趩纹瑱C(jī)芯片部發(fā)生的，因此無須在芯片上設(shè)置引入端。關(guān)中斷開始現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)開中斷中斷處理關(guān)中斷現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)開中斷中斷返回定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON是8位寄存器，地址為88H，可以位尋址。其高4位用于定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷控制，低4位借給外部中斷，用做中斷標(biāo)志和觸發(fā)方式選擇位。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)中斷，對(duì)自

56、行車的里程和速度進(jìn)行計(jì)數(shù)。中斷子程序流程圖如圖4.2所示：圖4.2 中斷子程序流程圖第4.4節(jié) 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)4.4.1里程計(jì)算子程序外中斷0服務(wù)程序用于對(duì)單片機(jī)P3.2口輸入的圈脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。60H為低位，62H為高位。每次計(jì)數(shù)一次后，對(duì)里程數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲(chǔ)操作。當(dāng)車輪每轉(zhuǎn)一圈，通過霍爾元件將脈沖數(shù)輸入單片機(jī)，通過計(jì)數(shù)器計(jì)出脈沖數(shù)，再用乘法子程序算出里程數(shù)。里程處理子程序流程圖如圖4.3所示：點(diǎn)亮里程指示燈開始將車圈數(shù)轉(zhuǎn)換成里程顯示里程值返回圖4.3 里程處理子程序流程圖4.4.2速度計(jì)算子程序外中斷1服務(wù)程序用于處理輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)標(biāo)志位（00H）為1時(shí)，說明計(jì)數(shù)溢出，放入最大時(shí)間值（為#0FFH）；當(dāng)標(biāo)志位為0