基于单片机自行车测速仪设计

基于单片机自行车测速仪设计内容摘要：

初始化后就可以按正常方法调整时间。 DS1302 存在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。 DS1302 硬件连接图 图 5 为 DS1302 电路连接图，是系统的时钟模块，可实时的显示时间。 实际11 的 DS1302 引脚图与仿真图中的引脚排列不同。 但所仿真的功能基本一样，只是仿真图的排列方式更便于电路的连接。 图中 X1(引脚 2)与 X2（引脚 3）所接入的是晶振，晶振的振荡频率为 32768Hz。 图中的 VCC1（引脚 1）和 VCC2（引脚 8）都是 电源引脚，在实际电路中，VCC1 接入 5V 电源， VCC2 接入电压为 3V的纽扣电池 图 5 DS1302 电路 连接图 温度模块设计 温度传感器介绍 DS18B20 引脚如图 6 所示。 图 6 DS18B20 DS18B20 引脚定义如下： (1) DQ 为数字信号输入 /输出端。 (2) GND 为电源地。 (3) VCC 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 DS18B20 数据部件： (1) 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前 被光刻好的，它可以看作是DS18B20 的地址序列码。 64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（ 28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码。 (2) DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，如表 4 所示，以DQ 2 GND 1 VCC 3 12 ℃ /LSB 形式表达，其中 S 为符号位。 表 4 DS18B20温度值格式表 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 这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘以 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘以 即可得到实际温度。 例如 +125℃ 的数字输出为 07D0H， +℃ 的数字输出为 0191H， ℃ 的 数字输出为 FF6FH，55℃ 的数字输出为 FC90H。 表 5 为 DS18B20 温度对照表。 表 5 DS18B20 温度对照表 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 温度传感器的内部存储器： DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM和一个非易失性的可电擦除的 EEPROM，后者存放高温度和低温度触发器 TH、 TL 和结构寄存器。 高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他 8 个字节组成，其分配如图 7所示。 其中温度信息（第 1， 2 字节）、 TH 和 TL 值（第 3， 4 字节）、第 6～ 8 字节未用，表现为全逻辑 1；第 9 字节读出的是前面所有 8 个字节的 CRC 码，可用来保证通信正确。 13 图 7 DS18B20 内部储存器结构图 DS18B20 控制流程： 根据 DS18B20 的通讯协议，主机（单片机）控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。 复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放，当 DS18B20 收到信号后等待 16～ 60 微秒左右，后发出 60～ 240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 后面还要具体讲述复位、读和写的时序。 ROM 指令表明了主机寻址一个或者多个 DS18B20 中的某个或某几个，或者读取某个 DS18B20 的64 位地址。 RAM 指令用于主机对 DS18B20 内部 RAM 的操作。 指令集如表 6 和表 7 所示。 表 6 RAM 指令表 指令 约定代码 100 功能 温度转换 44H 启动 DS18B20 进行温度转换， 12 位转换时最长为 750ms（ 9 位为 ）。 结果存入内部 9 字节 ROM 中。 读暂存器 0BEH 读内部 RAM 9 字节内容。 写暂存器 4EH 发出向内部 RAM 的 4 字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节数据。 复制暂存器 48H 将 RAM 的第 4 字节的内容复制到EEPROM 中。 重读 EEPROM 0B8H 将 EEPROM 中的内容复制到 RAM 中的第 4 字节。 读供电方式 0B4H 读 DS18B20 的供电模式，寄生供电时DS18B20 发送 “0”，外接电源供电 DS18B20发送 “1”。 温度 LSD（ 50h） 温度 LSD（ 05h） TH用户字节 1 TH用户字节 2 配置寄存器 保留位（ FFh） 保留位（ 0Ch） 保留位（ 10h） CRC TH用户字节 1 TH用户字节 2 配置寄 存器 EEPROM 高速暂存器（上电状态） 14 表 7 ROM 指令表 指令 代码 操作说明 温度转换 44H 开始 启动 DS18B20 温度转换 读 ROM 33H 读 ROM 内容 匹配 ROM 55H 对指定器件操作 跳过 CCH 跳过器件识别 读暂存器 BBH 读暂存器内容 写暂存器 4EH 数据写入暂存器的 TH、 TL 字节 复制暂存器 48H 把暂存器的 TH、 TL 字节写到 ROM 重写调用 RAM B8H 把 RAM 中的 TH、 TL 字节写到暂存器 TH、 TL字节 DS18B20 硬件连接图 图 8 是 DS18B20 的电路连接图，是测量外界环境温度的模块。 通过串行通信将数据送至单片机处理并显示，其中 DQ 是串行数 据输出口，必须加入一上拉电阻。 VCC 和 GND 分别接入的是电源和接地。 电路连接简单，但由于数据输出口只有一个，所以编程比较复杂。 图 8 DS18B20 电路连接图 速度模块设计 霍尔元件介绍 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。 该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点。 A3144E 系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。 它是一种单磁极工作的磁敏电 路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。 可应用于汽车工业和军事工程中。 霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图 9 所示。 磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。 15 a 霍尔元件和磁钢 b 管脚图 图 9 霍尔传感器的外形图 霍尔传感器测量原理： 测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。 霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图 10 所 示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。 图 10 霍尔传感器测量原理 转速测量方法： 转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有 M 法（测频法）、 T 法（测周期法）和 MPT 法（频率周期法）。 系统采用了第一种方法（测频法）。 由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。 根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在自行车的轮毂上，随着自行车轮子的转动，磁钢也随着轮子同步转动，在自行车车体上安装一个 霍尔传感器，当车轮转动时，受磁钢的影响霍尔传感器会输出脉冲信号，其频率和转速成正比。 脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系： V=N*L 式中： V 为自行车车速； N 为车轮单位时间内的脉冲数； L 车轮的周长。 根据上式即可计算出自行车当前的速度。 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。 其大小和外磁场及电流大小成比例。 霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转 速度领域得到了广泛应用。 16 霍尔传感器硬件连接图 图 11 为霍尔传感器的的硬件连接图，可测量外界磁信号。 车轮每转一圈，则霍尔传感器能感应到固定在车轮上磁钢发出的信号。 其中 out 引脚为霍尔传感器的脉冲输出引脚，且必须接入上拉电阻。 图 11 霍尔传感器的图 显示模块设计 LCD 芯片介绍 1602 液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（ CRT）那样需要不断刷新新亮点。 因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 显示器都是数字式 的，单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电量比其它显示器要少得多。 LCD 接口如表 3—8 所示。 （ 1）显示容量 :162 个字符 （ 2）芯片工作电压 :— （ 3）工作电流 :() （ 4）模块最佳工作电压 : （ 5）字符尺寸 :(WH)mm 表 8 LCD 引脚及引脚说明 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据 /命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读 /写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 17 LCD 硬件连接图 图 12 lcd 电路连接图 图 12 中引脚 3（ VEE）为液晶显示偏压，主要是用来调节显示屏的亮度，在仿真电路中不需接入电 位器，但是在实际的硬件电路连接图中必须要接入电位器来调节显示亮度，否则 LCD 无法正常显示。 在仿真图中 LCD1602 元件是只有 14 个引脚，而实际的 LCD1602 是 16 个引脚。 仿真图中的 LCD 元件所缺少的是 BLA(第 15 引脚 )与 BLK（第 16 引脚）。 而在实际电路中这两个引脚也是必须要分别接到电源正极和电源负极上。 否则LCD 显示屏亮度不足以正常显示数据的。 主电路图 图 13 主电路图18 图 13 为主电路图，根据此图能够看出改系统分成四个模块，速度模块、显示模块、时钟 模块、温度模块，图中两个按钮可分别调节时间的 “小时 ”与 “分钟 ”。 4 软件设计 主程序设计 软件设计根据实际的工艺要求进行编写，要求是将 DS18B20 温度传感器、霍尔传感器、 DS1302 参数值送到单片机中，再由它将温度值、时间、速度等参数送至 LCD 显示器中进行显示。 主程序工作过程如图 14 所示。 图 14 主程序流程图 计算速度里程程序设计 当单片机获取霍尔到传感器所感应的脉冲个数时，不能立马算出自行车的速度。