自行車車速里程測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1、摘要摘要本文介紹了用 89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)自行車?yán)锍?速度計(jì)，運(yùn)用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，并采用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示所測(cè)速度和里程的速度里程計(jì)設(shè)計(jì)方案，用分頻器 TC4024 實(shí)現(xiàn)二分頻，用來探討 24C01 傳感器的用途，通過實(shí)用電路的設(shè)計(jì)來掌握速度及里程傳感器的使用方法及一些性能參數(shù)。本系統(tǒng)含了電子電路技術(shù)，以及常用的 AT89C52 單片機(jī)工作原理，通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，把它們倆者有機(jī)結(jié)合。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：AT89C52 數(shù)碼管 TC4024 24C01 傳感器 自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 2 頁(yè)共 15 頁(yè)目 錄1 緒 論.32 AT89C52 單片機(jī).42.1 AT89C52 單片機(jī)簡(jiǎn)

2、介 .42.2 AT89C52 的管腳及其含義 .43 TC4024.64 24C01 芯片.64.1 24C01 簡(jiǎn)介.64.2 24C01 的特性：.75 硬件電路的設(shè)計(jì).85.1 系統(tǒng)硬件電路 .85.2 系統(tǒng)的工作原理.86 軟件設(shè)計(jì).96.1 系統(tǒng)內(nèi)存的規(guī)劃.96.2 系統(tǒng)的主要程序設(shè)計(jì).97 系統(tǒng)調(diào)試.117.1 硬件調(diào)試 .117.2 軟件調(diào)試.128 結(jié) 論.14自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 3 頁(yè)共 15 頁(yè)1 1 緒 論傳感器，英文名字為 Sensor 或 Transducer，亦稱換能器、變換器。在科技迅速發(fā)展的今天，傳感器越來倍受重視。在日常生活、航天、航空，常規(guī)

3、武器、交通運(yùn)輸，機(jī)械制造、化工、生物醫(yī)學(xué)工程、自動(dòng)化檢測(cè)工程及計(jì)量等各項(xiàng)領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用6。目前，傳感器已向新材料開發(fā)，集成化、智能化、數(shù)字化、新工藝，高精度化及高穩(wěn)定、高可靠化等技術(shù)發(fā)展。特別是霍爾傳感器，鑒于它的價(jià)廉、易于使用，使它廣泛運(yùn)用于里程計(jì)、速度計(jì)等6。單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，又稱微控制器，特別適用于控制領(lǐng)域。通常單片機(jī)由單塊集成電路構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本部件：CPU（中央處理器） ，存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。因此，單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可以成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)4。目前，場(chǎng)上銷售的單片機(jī)有 4 位、8、16 位、32 位，并且單片機(jī)朝著高性能多種

4、方向發(fā)展，尤其是 8 位單片機(jī)以經(jīng)成為當(dāng)前單片機(jī)的主流，主要體現(xiàn)在 CPU功能增強(qiáng)、內(nèi)部資源增多、引腳的功能化、低電壓和低功好耗化上4。單片機(jī)因?yàn)槠潴w積小、功能強(qiáng)，可靠性高，靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，所以可以用于各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)各行各業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代起到重要的推動(dòng)作用。本人經(jīng)過學(xué)習(xí)，用 AT89C52 設(shè)計(jì)了一個(gè)自行車?yán)锍?速度計(jì)。本設(shè)計(jì)可輪流顯示自行車行使的里程和速度, 采用 TC4024 芯片作為計(jì)數(shù)器以及 2C401 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，3 個(gè)單級(jí)共陰數(shù)碼管作為顯示系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有超速信響提醒功能，里程數(shù)據(jù)自動(dòng)記憶，也可應(yīng)用于電動(dòng)自行車、摩托車、汽車等機(jī)動(dòng)車儀表上。2 AT89C52 單片機(jī)2.12.

5、1 AT89C52 單片機(jī)簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)選用 AT89C52 單片機(jī)，AT89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，可與工業(yè) AT89C51自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 4 頁(yè)共 15 頁(yè) 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。2.22.2 AT89C52 的管腳及其含義5AT89C52 的管腳及各管腳含義如下： 圖 2.2 89C52 管腳圖各引腳功能說明：VCC電源電壓；GND接地； P0 口P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電

6、路，對(duì)端口 P0寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用； 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻； 在 FLASH 編程時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻； P1 口P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 5 頁(yè)共 15 頁(yè)阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸出口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一

7、個(gè)電流； 與 AT89C51 不同之處是，P1.0 和 P1.1 還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX） ； FLASH 編程和程序校驗(yàn)期間，P1 接收低 8 位地址； P1.0 和 P1.1 的第二功能：P1.0 T2（定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2 外部計(jì)數(shù)脈沖輸入），時(shí)鐘輸出 ；P1.1 T2EX（定時(shí)/計(jì)數(shù) 2 捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制）； P2 口P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口 P2 寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，

8、作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流； 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容； FLASH 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2 亦接收高位地址和一些控制信號(hào)； P3 口P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì) P3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流； P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，

9、更重要的用途是它的第二功能：P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷 0) P3.3 INT1(外中斷 1) P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器 0) 自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 6 頁(yè)共 15 頁(yè)P(yáng)3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器 1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 此外，P3 口還接收一些用于 FLASH 閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)； RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位； ALE/PROG當(dāng)訪問外部程存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）

10、輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖； 對(duì) FLASH 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）； EA 端為高電平（接 Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。3 TC4024 本程序采用 TC4024 芯片，它是一個(gè) 7 位的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器具有分頻的作用，它包含有 14 個(gè)管腳，其 7 腳接地，14 腳接+5V，1 腳接 AT89C52 的 INT0，即12 腳,在系統(tǒng)中此芯片起到了二分頻的作用。4 24C0

11、1 芯片4.14.1 24C01 簡(jiǎn)介 24C01 是一個(gè) 1K 位串行 CMOS EEPROM，內(nèi)部含有 128 個(gè) 8 位字節(jié)，CATALYST 的先進(jìn) CMOS 技術(shù)實(shí)際上減少了器件的功耗，24C01 是一個(gè) 8 位字節(jié)頁(yè)寫緩沖器，該器件通過 I2C 總線接口進(jìn)行操作，即此芯片采用 I2C 協(xié)議進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。24C01 是 I2C 接口的，但標(biāo)準(zhǔn) 51 是不帶 I2C 接口的，串口方式 0 是不行的，需要用 IO 模擬，所以隨便接兩個(gè) IO 都可以，而且都要接上拉電阻，大概幾 K自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 7 頁(yè)共 15 頁(yè)就行了，因?yàn)椴皇强偩€方式，所以不

12、能用 MOV 指令，也不能用 SBUF，要判斷是否為滿，可以在程序里設(shè)個(gè)變量。在這里要注意 E2P 芯片的壽命（一般是讀寫 100 萬(wàn)次，足夠了） 。 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以對(duì)操作數(shù)和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，不相等則存儲(chǔ)，這樣可以增加使用壽命，比有些每隔 1 秒鐘進(jìn)行存儲(chǔ)的會(huì)好多了。以下是 24C01 的管腳圖：圖 4.1 管腳圖表 3.1 24C01 的管腳描述管腳名稱功能A0、A1、A2器件地址選擇SDA串行數(shù)據(jù)/地址SCL串行時(shí)鐘WP寫保護(hù)VCC+1.8V6.0V 工作電壓VSS接地4.24.2 24C01 的特性：24C01 芯片具有以下特性：1. 與 400KHZ 的 I2C 總線兼容；2

13、. +1.8-6.0V 工作電壓范圍；自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 8 頁(yè)共 15 頁(yè)3. 低功耗 CMOS 技術(shù)；4. 寫保護(hù)功能：當(dāng) WP 為高電平時(shí)進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)；5. 頁(yè)寫緩沖器；6. 自定時(shí)擦寫周期；7. 1，000，000 編程擦除/周期；8. 可保存數(shù)據(jù) 100 年；9. 8 腳 DIP、SOIC、TSSOP 封裝；10 溫度范圍：商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)和汽車級(jí)。5 硬件電路的設(shè)計(jì)5.15.1 系統(tǒng)硬件電路 自行車?yán)锍?速度計(jì)能自動(dòng)顯示自行車行駛的總里程數(shù)及行車速度，具有超速信響提醒功能，里程數(shù)據(jù)自動(dòng)記憶，也可應(yīng)用于電動(dòng)自行車、摩托車、汽車等機(jī)動(dòng)車儀表上。其硬件電路原理圖如圖 5.

14、1。圖 5.1 系統(tǒng)原理圖自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 9 頁(yè)共 15 頁(yè)5.25.2 系統(tǒng)的工作原理本設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)地將所測(cè)的速度與累計(jì)里程數(shù)顯示出來,主要是將 24C01 傳感器輸入到單片機(jī)的脈沖信號(hào)，將頻率實(shí)時(shí)地測(cè)量出來，然后通過單片機(jī)計(jì)算出速度和里程,再將所得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 TC4024 芯片中，通過 AT89C52 單片機(jī)計(jì)算出來的速度和里程的數(shù)據(jù)，必須通過 BCD 碼的轉(zhuǎn)換才能輸出給數(shù)碼管。最后由共陰數(shù)碼管顯示所測(cè)速度與里程。 自行車?yán)锍?速度計(jì)采用 AT89C52 單片機(jī)作控制，速度及里程傳感器采用霍爾元件，其電器原理圖如圖 5.1 所示。P0 口和 P2 口用于七段 LED 顯

15、示器的段碼及掃描輸出，在顯示里程時(shí)，第三位小數(shù)點(diǎn)用 17 腳 P3.7 口控制點(diǎn)亮。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。P3.0 口的開關(guān)用于確定顯示的方式，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，顯示速度；打開時(shí)顯示里程。第 12 腳外中斷 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)地電平脈沖。第 13 腳外中斷 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)脈沖經(jīng)二分頻后形成（見圖 5.1） ，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(zhǎng)

16、就可以計(jì)算出自行車的速度。P1.4 和 P1.5 口用于 EEPROM 存儲(chǔ)器 24C01 的存取控制。11 腳輸出用于速度超速時(shí)的報(bào)警。6 軟件設(shè)計(jì)6.16.1 系統(tǒng)內(nèi)存的規(guī)劃 由于本系統(tǒng)處理功能較多，因而一部分內(nèi)存單元用于特定的用處。其主要內(nèi)存單元用處如下：50H:EEPROM 器件尋址字節(jié)存放單元；51H:EEPROM 傳送字節(jié)數(shù)存放單元；30H:EEPROM 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖單元；40H:EEPROM 讀出數(shù)據(jù)存放單元；自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 10 頁(yè)共 15 頁(yè)0A0H:EEPROM 尋址字節(jié)字節(jié)寫；0A1H:EEPROM 尋址字節(jié)字節(jié)讀；62 H:DPTR 計(jì)數(shù)器擴(kuò)展高 8

17、 位；6C H:定時(shí)器 T1 計(jì)數(shù)器擴(kuò)展高 8 位；6D H:定時(shí)器 T1 計(jì)數(shù)器擴(kuò)展高 816 位；60 H、61 H、62 H：里程計(jì)數(shù)單元；68 H、69 H、6A H、6B H：存放自行車每圈時(shí)間數(shù)；70 H、71 H、72 H、73 H：顯示 BCD 碼數(shù)據(jù)存放用；11 H15 H：存放被除數(shù)；16 H19 H：存放除數(shù)。 6.26.2 系統(tǒng)的主要程序設(shè)計(jì) 1. 初始化程序在本系統(tǒng)初始化程序中，主要完成以下工作：將 T1 設(shè)為外部控制定時(shí)器方式；外中斷 0 及外中斷 1 設(shè)為邊沿觸發(fā)方式；將部分內(nèi)存單元清零；設(shè)置輪子 周長(zhǎng)值；開中斷及定時(shí)器；將 EEPROM 中的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存等。 2

18、. 輪圈設(shè)置出錯(cuò)處理程序 P1.2、 P1.3、 P1.6、P1.7 端口的開關(guān)用于設(shè)定輪子的周長(zhǎng)，當(dāng)沒有設(shè)定時(shí)（至少讓一個(gè)開關(guān)閉合） ，能從 P3.1 口輸出一個(gè)周期為 0.5S 的方波信號(hào)，用作發(fā)光管閃爍及信響器提醒。3. 主程序主程序根據(jù) P3.0 的開關(guān)狀態(tài)選擇里程或速度顯示，其流程圖如圖 6.2 所示。自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 11 頁(yè)共 15 頁(yè)圖 6.2 主程序流程圖4.里程計(jì)數(shù)程序（外中斷 0 服務(wù)程序） 外中斷 0 服務(wù)程序用于對(duì) 12 腳輸入的圈脈沖進(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。5.外中斷 1

19、 服務(wù)程序外中斷 1 服務(wù)程序用于處理輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)標(biāo)志位（00H）為 1 時(shí)，說明計(jì)數(shù)器溢出，放入最大時(shí)間值（為#0FFH）;當(dāng)標(biāo)志位為 0 時(shí)，將計(jì)數(shù)單元（TL1、TH1、6CH、6DH）的值放入 68H6BH 單元。6.EEPROM 存取程序本系統(tǒng)使用歸一化 I2C 串口存取子程序，使用一條數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，采用 ATMEL 公司的 24C01 串口存儲(chǔ)器，應(yīng)用簡(jiǎn)單方便。自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 12 頁(yè)共 15 頁(yè)7.顯示子程序當(dāng)顯示里程時(shí)，先要將圈數(shù)計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，求出總里程。當(dāng)要 顯示速度時(shí)，要將輪子的這周長(zhǎng)和轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間數(shù)相除，然后換算成 Km/h 單

20、位。最后放入 70H73H,進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。7 系統(tǒng)調(diào)試 要完成一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，有很多紛繁復(fù)雜的步驟和過程，其中最為重要和最為關(guān)鍵的就是系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試的步驟和方法有很多。本人也看過不少，在這次系統(tǒng)調(diào)試的中調(diào)試的過程我充分的發(fā)揮了仿真器的作用。7.1 硬件調(diào)試 硬件的焊接是一個(gè)比較繁瑣的過程，繁瑣的地方在于 3 個(gè)單聯(lián)數(shù)碼管的連接，線路較多，在焊接時(shí)要特別的細(xì)心，在焊接完成并燒入程序之后通電發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不亮，檢查了好幾遍，電路無焊沒有錯(cuò)誤，于是我就懷疑可能是數(shù)碼管的問題，拿去貝爾（學(xué)院的社團(tuán)）測(cè)試沒問題，數(shù)碼管并沒有燒壞。在插入芯片時(shí)要特別注意不能把芯片插反，否則就會(huì)把芯片燒掉；也要 注意極性電容的

21、方向，長(zhǎng)的腳為正，短的為負(fù)，不能把負(fù)的接+5V，正的接地；在焊接三極管時(shí)也要注意其三個(gè)管腳的排布，還有為保護(hù)三極管不被燒換，所以 3 個(gè)三極管要各自接一個(gè)限流電阻（這里為 4.7K） 。7.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試是調(diào)試的重點(diǎn)，同時(shí)也是出錯(cuò)最多的地方；在整個(gè)軟件調(diào)試調(diào)試過程中我采取先部分后整體的調(diào)試方法。在整個(gè)程序的編寫調(diào)試過程中我首先調(diào)試的是數(shù)碼管顯示系統(tǒng)，為此我編寫了以下一段程序用于數(shù)碼管顯示調(diào)試，要求數(shù)碼管顯示0、1、2。 ORG 0000H自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)作者： 第 13 頁(yè)共 15 頁(yè) MAIN: MOV P2, #0FFH MOV P0, 0C0H MOV P2, #0FEH A