基于单片机自行车测速系统设计

基于单片机自行车测速系统设计内容摘要：

所采用的触发方式为脉冲触发方式。 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）、基于单片机自行车测速系统设计 第 12 页 共 30 页 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器件工作温度范围宽，可达－55℃ ～ 150℃。 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。 霍尔传感器的测温原理 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁敏传感器。 在置于磁场中的导体或半导体通入电流 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 Uh，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。 霍尔效应原理图如图 所示。 XYZBILU hbd 图 霍尔效应原理图 集成开关型霍尔传感器 基于单片机自行车测速系统设计 第 13 页 共 30 页 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 （ 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 (b)所示。 测量时，在 2两端加 5V直流电压 ,在输出端 3 与 1 之间接一个 2k 的负载电阻，如图。 DABCEVC C( 1 )( 2 )G N DO U T( 3 )( a )0 5 1 01 5 2 03691 2VO/ VB / m T释 放 点( O F F )工 作 点( O N )( V )( b )图 集成开关型霍尔传感器 基于单片机自行车测速系统设计 第 14 页 共 30 页 图 集成霍尔开关接线图 其它器件的介绍 储存器的介绍 AT24C02 是一个 2K 位串行 CMOSE2PROM。 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 所示。 图 24C02管脚图 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（ wireOR）。 基于单片机自行车测速系统设计 第 15 页 共 30 页 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 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。 在软件编程时采用 2EPROM 程序包来控制 24C02 发送或接受数据。 74LS74 芯片的介绍 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 所示。 图 74LS74引脚图 在本题目中 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 进行二分频后，定时器 T1 的开启时间为车轮转 1圈的时间，这样就可以算出自行车的速度。 分频前后对比图如图 所示。 图 分频前后对比图 t t 0 0 v v 霍尔输出圈脉冲 二分频后的波形 基于单片机自行车测速系统设计 第 16 页 共 30 页 由图可见，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 0INT ，即 口接收到对圈数计数的脉冲。 经74LS74 二分频后的信号输入到 1INT ，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。 74LS244 芯片的介绍 本次设计中的采用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 所示，可以看出 74LS244 由 2组组成、每组由四路输入、输出构成。 每组有一个控制端高或低电平决定该组数据被接通还是断开。 图 74LS244逻辑图 单片机外围电路的设计 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，该高增益反相放大基于单片机自行车测速系统设计 第 17。