運(yùn)動(dòng)自行車電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12-22

1、一、系統(tǒng)框圖：二、簡(jiǎn)要說明：1、體重獲取稱重傳感器將重量轉(zhuǎn)換為模擬量，經(jīng)放大電路放大后，供 AD 轉(zhuǎn)換電路采集，AD 轉(zhuǎn)換電路通過 I2C 接口，將數(shù)據(jù)傳給 MCU，數(shù)據(jù)經(jīng) MCU 處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送到 LCD12864 顯示；2、車速獲取用一個(gè)霍爾傳感器，在自行車鋼圈上裝一個(gè)永磁鐵，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)到與霍爾傳感器接近的位置，霍爾傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，利用 MCU 外部中斷檢測(cè)脈沖個(gè)數(shù)及脈沖周期，從而計(jì)算出速度，通過 LCD12864 將速度顯示出來；3、里程獲取里程是根據(jù)霍爾傳感器所給的脈沖來計(jì)算的，通過測(cè)量可以知道自行車鋼圈的外徑大小， 然后通過圓周長(zhǎng)的計(jì)算公式便可以知道自行車外圈的周長(zhǎng)，根

2、據(jù)脈沖數(shù)及外圈周長(zhǎng)，即可以計(jì)算出里程，通過 LCD12864 液晶顯示出來；4、消耗能量運(yùn)動(dòng)過程中所消耗的能量，是通過計(jì)算運(yùn)動(dòng)過程中體重的減少值來計(jì)算的，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換公式，即可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)過程中所消耗的能量；5、供電系統(tǒng)本系統(tǒng)采用 9V 鋰電池供電，經(jīng)過一個(gè) 5V 穩(wěn)壓電路，將會(huì)得到一個(gè)穩(wěn)定的 5V 電壓輸出， 給 MCU 供電，而鋰電池的充電可以由兩種方式實(shí)現(xiàn)，即：電源適配器充電及太陽能充電， 后續(xù)內(nèi)容會(huì)做詳細(xì)說明；6、電子鎖本系統(tǒng)電子鎖的功能由一個(gè) 4*4 的矩陣鍵盤加一個(gè)電磁鎖來實(shí)現(xiàn)，用戶可以設(shè)置屬于自己的，在使用過程，只有7、主控系統(tǒng)輸入正確，MCU 才會(huì)控制電磁鎖開啟，否則不解鎖；本

3、系統(tǒng)選用宏晶科技的STC89C52 單片機(jī)，STC89C52 是STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器，該單片機(jī)的工作電壓范圍在 5.5V3.3V，后續(xù)會(huì)做詳細(xì)介紹；三、詳細(xì)說明：1、稱重系統(tǒng) 1.1 稱重傳感器簡(jiǎn)介 稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置。用傳感器應(yīng)先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對(duì)正確選用稱重傳感器至關(guān)重要，它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個(gè)衡器的可靠性和安全性。在稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評(píng)價(jià)方法上，新舊國(guó)標(biāo)有質(zhì)的差異。主要有 S 型、懸臂型、

4、輪輻式、板環(huán)式、膜盒式、橋式、柱筒式等幾種樣式。 舊國(guó)標(biāo)將應(yīng)用對(duì)象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測(cè)力”兩種傳感器合二為一來考慮，對(duì)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法未給予區(qū)分。舊國(guó)標(biāo)共有 21 項(xiàng)指標(biāo)，均在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)； 并用非線性、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差 6 項(xiàng)指標(biāo)中的最大誤差，來確定稱重傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)，分別用 0.02、0.03、0.05 表示。 圖 1 柱式稱重傳感器 圖 2 傳感器結(jié)構(gòu) 衡器上使用的一種力傳感器。它能將作用在被測(cè)物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的輸出信號(hào)?？紤]到不同使用地點(diǎn)的重力加速度和空氣浮力對(duì)轉(zhuǎn)換的影響，稱重傳感器的性能指標(biāo)主要

5、有線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計(jì)量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器準(zhǔn)確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來，以便選用對(duì)應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的稱重傳感器。國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶 占衡器誤差帶 的 70%，稱重傳感器的線性誤差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內(nèi)由于溫度對(duì)靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶 。這就允許制造廠對(duì)構(gòu)成計(jì)量總誤差的各個(gè)分量進(jìn)行調(diào)整，從而獲得期望的準(zhǔn)確度。 1.2 分類 稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動(dòng)式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等 8 類

6、，以電阻應(yīng)變式使用最廣。由于本文中應(yīng)用到的是電阻應(yīng)變式稱重傳感器，所以后面內(nèi)容著重會(huì)對(duì)該類傳感器做下介紹。 1.3 構(gòu)成 1、敏感元件 直接感受被測(cè)量(質(zhì)量)并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的其他量的元件。如電阻應(yīng)變式稱重傳感器的彈性體，是將被測(cè)物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫?電容式稱重傳感器的彈性體將被測(cè)的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰啤?2、變換元件 又稱傳感元件，是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y(cè)量的信號(hào)。如電阻應(yīng)變式稱重傳感器的電阻應(yīng)變計(jì)(或稱電阻應(yīng)變片)，將彈性體的形變轉(zhuǎn)換為電阻量的變化;電容式稱重傳感器的電容器，將彈性體的位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓Ｓ袝r(shí)某些元件兼有敏感元件和變換元件兩者的職能。如電壓式稱重傳感器的壓電材料

7、，在外載荷的作用下，在發(fā)生變形的同時(shí)輸出電量。 3、測(cè)量元件 將變換元件的輸出變換為電信號(hào)，為進(jìn)一步傳輸、處理、顯示、記錄或控制提供方便。如電阻應(yīng)變式稱重傳感器中的電橋電路，壓電式稱重傳感器的電荷前置放大器。 4、輔助電源 為傳感器的電信號(hào)輸出提供能量。一般稱重傳感器均需外鏈電源才能工作。因此，作為一個(gè)產(chǎn)品必須標(biāo)明供電的要求，但不作為稱重傳感器的組成部分。有些傳感器，如磁電式速度傳感器，由于他輸出的能量較大，故不需要輔助電源也能正常工作。所以并非所有傳感器都要有輔助電源。 1.4 原理 圖 3 傳感器工作原理圖電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈

8、性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為 電信號(hào) （ 電 壓 或 電 流 ）， 從 而 完 成 了 將 外 力 變 換 為 電 信 號(hào) 的 過 程 。R2 R4 R1 + R2+ R4 Ein （2-2） + R3 Eout =(R2 + R4)R1R2R3R4由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述。 圖 4 稱重傳感器 一、電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片

9、。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù) K。我們來介紹一下它的意義。 設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為 L，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記作 S，其電阻率記作 ，這種材料的泊松系數(shù)是 。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為 R： R = L/S（） （21） 當(dāng)他的兩端受 F 力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng) L，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 r。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作 。 對(duì)式（2-1）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。我們有： R = L/S + L/S SL/S2 （22） 用式（2-1）去除式（2-2）

10、得到 R/R = / + L/L S/S （23） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積 S = r2，則 s = 2r*r，所以S/S = 2r/r （24） 從材料力學(xué)我們知道 r/r = -L/L （25） 其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。 是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（24）（25）代入（2-3），有 R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L）*L/L = K *L/L （2-6） 其中 K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （2-7） 式（2-6）說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。 需要說明的

11、是：靈敏度系數(shù) K 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的 K 值一般在 1.73.6 之間；其次 K 值是一個(gè)無因次量，即它沒有量綱。 在材料力學(xué)中 L/L 稱作為應(yīng)變，記作 ，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便常常把它的百萬分之一作為單位，記作 。這樣，式（2-6）常寫作： R/R = K (28) 二、彈性體 彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。

12、以稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應(yīng)力分布。設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 = （3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2-9） 其中：Q-截面上的剪力；E-揚(yáng)氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。 需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。 三、檢測(cè)電

13、路 檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。 因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷， 所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。 1.5 信號(hào)放大調(diào)理 本設(shè)計(jì)的放大電路主要由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器，而構(gòu)成的前級(jí)處理電路差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放做成一個(gè)差動(dòng)放大器。其設(shè)計(jì)電路如圖 5 所示： 圖 5 利用普通運(yùn)放設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器電路圖2、 A/D 轉(zhuǎn)

14、換器的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)毫無意義。目前，世界上有多種類型的 ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型 ADC，也有近年來新發(fā)展起來的-型和流水線型 ADC，多種類型的 ADC 各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。目前， ADC集成電路主要有以下幾種類型： （1）并行比較 A/D 轉(zhuǎn)換器：如 ADC0808、 ADC0809 等 。并行比較 ADC 是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在 1GSPS 以上，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的 ADC 所有位的轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間主取

15、決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。缺點(diǎn)是：并行比較式 A/D 轉(zhuǎn)換的抗干擾能力差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于 8 位，因此并行比較式 A/D 只適合于數(shù)字示波器等轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中，不適合本系統(tǒng)。 (2） 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如：ADS7805、ADS7804 等。逐次逼近型 ADC 是應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型 ADC 的優(yōu)點(diǎn)：高速，采樣速率可達(dá) 1MSPS；與其它 ADC 相比，功耗相當(dāng)?shù)?；在分辨率低?12 位時(shí)，價(jià)格較低。缺點(diǎn)：在高于 14 位分辨率情況下，價(jià)格較高；傳感器產(chǎn)生的信號(hào)在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行調(diào)理，包括增益級(jí)和濾波，這樣會(huì)明顯增

16、加成本。 (3）積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433 等。積分型 ADC 又稱為雙斜率或多斜率 ADC，是應(yīng)用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。積分型 ADC 兩次積分的時(shí)間都是利用同一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來確定，因此所得到的表達(dá)式與時(shí)鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓 VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對(duì)交流噪聲的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。若把積分器定時(shí)積分的時(shí)間取為工頻信號(hào)的整數(shù)倍，可把由工

17、頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類 ADC 主要應(yīng)用于低速、精密測(cè)量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點(diǎn)是：分辨率高，可達(dá) 22 位；功耗低、成本低。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在 12 位時(shí)為 100300SPS。 （4）壓頻變換型 ADC：其優(yōu)點(diǎn)是：精度高、價(jià)格較低、功耗較低。缺點(diǎn)是：類似于積分型 ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12 位時(shí)為 100300SPS。 考慮到本系統(tǒng)中對(duì)物體重量的測(cè)量和使用的場(chǎng)合，精度要求不是很苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求也不高，根據(jù)系統(tǒng)的精度要求以及綜合的分析，本設(shè)計(jì)采用了 12 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器AD574。 AD574 是美國(guó) Analog

18、 Device 公司生產(chǎn)的 12 位單片 A/D 轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近型的A/D 轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25us，轉(zhuǎn)換精度為 0.05%，所以適合于高精度的快速轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)。芯片內(nèi)部包含微處理器借口邏輯（有三態(tài)輸出緩沖器），故可直接與各種類型的 8 位或者 16 位的微處理器連接，而無需附加邏輯接口電路，切能與 CMOS 及 TTL 電路兼容。AD574采用 28 腳雙列直插標(biāo)準(zhǔn)封裝。 A/D574 有 5 根控制線，邏輯控制輸入信號(hào)有： A0：字節(jié)選擇控制信號(hào)。 CE：片啟動(dòng)信號(hào)。 /CS：片選信號(hào)。當(dāng)/CS=0，CE=1 同時(shí)滿足時(shí)，AD574 才處于工作狀態(tài)，否則工作被禁止。 R/-

19、C：讀數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換控制信號(hào)。 12/-8：數(shù)據(jù)輸出格式選擇控制信號(hào)。當(dāng)其為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng) 12 位并行輸出；為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng) 8 位輸出。 當(dāng) R/-C=0，啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換：當(dāng) A0=0，啟動(dòng) 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換方式；當(dāng) A0=1，啟動(dòng) 8 位轉(zhuǎn)換方式。 當(dāng) R/-C=1，數(shù)據(jù)輸出，A0=0 時(shí)，高 8 位數(shù)據(jù)有效；A0=1 時(shí)，低 4 位數(shù)據(jù)有效，中間 4位為 0，高 4 位為三態(tài)。 輸出信號(hào)有： STS：工作狀態(tài)信號(hào)線。當(dāng)啟動(dòng) A/D 進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，STS 為高電平；當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為低電平。則可以利用此線驅(qū)動(dòng)一信號(hào)二極管的亮滅，從而表示是否處于 A/D 轉(zhuǎn)換。 其它管腳功能如下

20、： 10Vin,20Vin：模擬量輸入端，分別為 10V 和 20V 量程的輸入端，信號(hào)的另一端接至 AGND。 DB11DB0：12 位數(shù)字量輸出端，送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 REF OUT ：10V 內(nèi)部參考電壓輸出端。 REF IN ：內(nèi)部解碼網(wǎng)絡(luò)所需參考電壓輸入端。 BIP OFF ：補(bǔ)償校正端，接至正負(fù)可調(diào)的分壓網(wǎng)絡(luò)，0 輸入時(shí)調(diào)整數(shù)字輸出為 0； AGND：接模擬地。 DGND：接數(shù)字地。 由于對(duì) AD574 8、10、12 引腳的外接電路有不同連接方式，所以 AD574 與單片機(jī)的接口方案有兩種，一種是單極性接法，可實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào) 010V 或者 020V 的轉(zhuǎn)換；另一種為雙極性接法

21、，可實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)-5+5V 或者-10+10V 之間轉(zhuǎn)換。本次設(shè)計(jì)采用單極性接法。 圖 6 AD574 芯片引腳圖 圖 7 AD574 與 STC89C52 的接線圖 根據(jù)芯片管腳的原理，無論啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換還是結(jié)果輸出，都要保證 CE 端為高電平，所以可以將單片機(jī)的/RD 引腳和/WR 端通過與非門與 AD574 的 CE 端連接起來。轉(zhuǎn)換結(jié)果分高 8位、低 4 位與 P0 口相連，分兩次讀入，所以 12/-8 端接地。同時(shí)，為了使 CS、A0、R/-C在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)保持相應(yīng)的電平，可以將來自單片機(jī)的控制信號(hào)經(jīng) 74LS373 鎖存后再接入。CPU 可采用中斷、查詢或者程序延時(shí)等方式讀取 AD5

22、74 的轉(zhuǎn)換結(jié)果，本設(shè)計(jì)采用中斷方式，則將轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài) STS 端接到 P3.2（外部中斷/INT0）。其工作過程如下： A.當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫指令，并使 CE=1，/CS=0，R/-C=0，A0 時(shí)， 進(jìn)行 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。 B.CPU 等待 STS 狀態(tài)信號(hào)送 P3.2 口，當(dāng) STS 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)通過分兩次讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作，讀取 12 位的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。 C.當(dāng) CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=0 時(shí)，讀取高 8 位；當(dāng) CE=1，/CS=0，R/-C=1，A0=1時(shí)，讀取低 4 位。 既然人的體重可以測(cè)

23、量出來了，那么在行駛過程中所消耗的能量便可以通過體重的減少與能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系就可以算出來了！ 3、 霍爾傳感器 3.1 霍爾傳感器工作原理 霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器 霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，18551938）于 1879 年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)

24、。 霍爾效應(yīng) 在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為 UH 的霍爾電壓。 霍爾元件 根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 霍爾傳感器的分類 霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。 （一）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 （二）開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組

25、成，它輸出數(shù)字量。 霍爾 IC S-5711A 系列 SII 的霍爾 IC 是采用小型封裝的高靈敏度、低消耗電流的 IC。 可檢測(cè)兩極(N 極和S 極) 磁性，通過與磁石的組合，可進(jìn)行各種設(shè)備的開/關(guān)檢測(cè)。 S-5711A 系列是采用 CMOS 技術(shù)開發(fā)的高靈敏度、低消耗電流的霍爾 IC(磁性開關(guān)IC)。 可檢測(cè)出磁束密度的強(qiáng)弱，使輸出電壓發(fā)生變化。通過與磁石的組合，可進(jìn)行各種設(shè)備的開/關(guān)檢測(cè)。 由于采用了超小型的 SNT-4A 或 SOT-23-3 封裝，因此可高密度安裝。同時(shí)，由于消耗電流低，因此最適用于便攜設(shè)備。 特點(diǎn)： 內(nèi)置斬波放大器 可選范圍廣，支持各種應(yīng)用 檢測(cè)兩極、檢測(cè) S 極、

26、檢測(cè) N 極(*1)、動(dòng)態(tài)“L”、動(dòng)態(tài)“H”(*1) Nch 開路漏極輸出、CMOS 輸出 寬電源電壓范圍： 2.4 V 5.5 V 低消耗電流： 5.0 A 典型值、8.0 A 最大值工作溫度范圍： 40 85 磁性的溫度依賴性較小 采用小型封裝： SNT-4A, SOT-23-3 無鉛產(chǎn)品 標(biāo)準(zhǔn)電路 SII 備有使用 CMOS 技術(shù)開發(fā)的高靈敏度、低消耗電流的霍爾 IC。 通過與磁石的組合，可以檢測(cè)到各種機(jī)器設(shè)備的開關(guān)。 圖 8 霍爾傳感器的接線圖 圖 9 連接好的霍爾傳感器 從圖 8 中，大家也看出了霍爾傳感器的接法。最左邊的引腳為 Vcc 電源引腳，中間的引腳為 GND 引腳，最右邊的

27、引腳為輸出引腳。這里解釋一下為什么輸出引腳要有一個(gè)電阻接到Vcc 上面。因?yàn)榛魻杺鞲衅鞯妮敵鲆_是漏極輸出，所以當(dāng)需要輸出高電平時(shí)必須要接上拉電阻到 Vcc 電源。這里的上拉電阻可以使用 1K-10K 的電阻。星星哥使用的是 10K 的電阻。知道了霍爾傳感器的最用之后，具體應(yīng)該怎么用上去呢？可以這樣做，把磁鋼（其實(shí)就是產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁鐵）固定在鋼圈上面，把霍爾傳感器固定在自行車的鋼軸上面，如圖 10 所示。 圖 10 磁鋼的安裝和霍爾傳感器的安裝 那么，當(dāng)每旋轉(zhuǎn)一圈，當(dāng)磁鋼運(yùn)動(dòng)到霍爾傳感器附近時(shí)，霍爾傳感器輸出低電平，當(dāng)磁鋼遠(yuǎn)離霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器輸出高電平。也就是說自行車輪胎每旋轉(zhuǎn)一圈，霍爾

28、傳感器就輸出一次低電平。那么只要測(cè)出兩次輸出低電平之間的時(shí)間間隔，然后再結(jié)合自行車輪胎的周長(zhǎng)就可以很輕松的求出速度。而對(duì)于自行車的行駛里程，只要記錄下霍爾傳感器輸出低電平的次數(shù)，再乘以周長(zhǎng)就可以求出了。 4、 供電系統(tǒng) 本系統(tǒng)的采用 9V 的鋰電池經(jīng)過一個(gè) 5V 穩(wěn)壓電路得到一個(gè)穩(wěn)定的 5V，用來給整個(gè)系統(tǒng)供電，而 9V 的鋰電池可以通過太陽能電板給其充電，下面詳細(xì)介紹一下太陽能電板充電系統(tǒng)。 太陽能電池板（Solar panel）是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，大部分太陽能電池板的主要材料為“硅”，但因制作成本很大，以至于它還不能被大量廣泛

29、和普遍地使用。相對(duì)于普通電池和可循環(huán)充電電池來說，太陽能電池屬于更節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品。 發(fā)電原理 太陽電池是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч?，多晶硅?非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同， 現(xiàn)以晶體硅為例描述光發(fā)電過程。 P 型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得 N 型硅，形成 P-N 結(jié)。 當(dāng)光線照射太陽電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子， 使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子在 P-N 結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成

30、電能的過程。 太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光 電直接轉(zhuǎn)換方式。 （1） 光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn) 換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程是熱電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴 510 倍。 （2） 光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能， 光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照

31、到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。 既然知道了太陽能電板的工作原理了，那么我們就來給大家介紹一下怎么利用太陽能給鋰電池充電吧。 本設(shè)計(jì)的太陽能電板給鋰電池充電的電路，主要采用CN3083鋰電池充電管理芯片。83是可以用太陽能板供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時(shí)不需要外部的電流檢測(cè)電阻和阻流二極管。內(nèi)部的8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能板等電

32、流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用。CN3083只需要極少的外圍元器件，并且符合USB總線技術(shù)規(guī)范，非常適合于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時(shí)候?qū)⑿酒瑴囟瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。內(nèi)部固定的恒壓充電電壓為4.2V，也可以通過一個(gè)外部的電阻調(diào)節(jié)。充電電流通過一個(gè)外部電阻設(shè)置。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)，CN3083自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)電池的電流消耗小于3微安。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動(dòng)再充電，電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)/充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能。 CN3083引腳圖 管腳功能描述 序號(hào) 名稱 功能描述 1 TEMP 電池溫度檢測(cè)輸入端。將TEMP管腳接

33、到電池的溫度傳感器的輸出端。如果TEMP管腳的電壓小于輸入電壓的46%VIN超過0.15秒，意味著電池溫度過低或過高，則充電將被暫停。如果TEMP大于輸入電壓的46%VIN超過0.15秒，則電池故障狀態(tài)將被清除，充電將繼續(xù)。 如果將 TEMP 管腳接到地，電池溫度監(jiān)測(cè)功能將被禁止。 2 ISET 恒流充電電流設(shè)置和充電電流監(jiān)測(cè)端。從ISET管腳連接一個(gè)外部電阻到地端可以對(duì)充電電流進(jìn)行編程。在預(yù)充電階段，此管腳的電壓被調(diào)制在0.2V；在恒流充電階段，此管腳的電壓被調(diào)制在2V。在充電狀態(tài)的所有模式，此管腳的電壓都可以根據(jù)下 以下是本例使用的充電電路： 面的公式來監(jiān)測(cè)充電電流： ICH = (VIS

34、ET900)RISET 3 GND 電源地 4 VIN 輸入電壓正輸入端。此管腳的電壓為內(nèi)部電路的工作電源。當(dāng)VIN與BAT管腳的電壓差小于20mV時(shí)，CN3083將進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)BAT管腳的電流小于3A。 5 BAT 電池連接端。將電池的正端連接到此管腳。在電源電壓低于電源電壓過低鎖存閾值或者睡眠模式，BAT管腳的電流小于3 A。BAT管腳向電池提供充電電流和恒壓充電電壓。 6 OK 漏極開路輸出的充電結(jié)束狀態(tài)指示端。當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，OK管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，表示充電已經(jīng)結(jié)束；否則OK管腳處于高阻態(tài)。 7 CH 漏極開路輸出的充電狀態(tài)指示端。當(dāng)充電器向電池充電時(shí)，CH 管腳被內(nèi)

35、部開關(guān)拉到低電平，表示充電正在進(jìn)行；否則CH管腳處于高阻態(tài)。 8 FB 電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端。此管腳可以Kelvin檢測(cè)電池正極的電壓，從而精確調(diào)制恒壓充電時(shí)電池正極的電壓，避免了從電池的正極到CN3083的BAT管腳之間的導(dǎo)線電阻或接觸電阻等寄生電阻對(duì)充電的影響。如果在FB管腳和BAT管腳之間接一個(gè)電阻，可以調(diào)整恒壓充電電壓。 應(yīng)用電路（利用外接電阻調(diào)整恒壓充電電壓） 在上圖中，電池正極的恒壓充電電壓為： Vbat 4.23.0410-6Rx，其中，Vbat的單位是伏特，Rx的單位是歐姆。通過調(diào)節(jié)Rx的值，使得Vbat的值為9V，以便給鋰電池充電。 說到這里可以大家會(huì)有疑問了：難道

36、只能用太陽能才能給鋰電池充電嗎？那要是沒有太陽，電池又沒電，整個(gè)供電系統(tǒng)豈不是要癱瘓了?!答案肯定是的！ CN3083可以利用多種輸入電源為鋰電池充電，這些輸入電源可以是USB接口輸出的電壓，也可以是墻上適配器，或者是太陽能板等。圖6示出一個(gè)同時(shí)使用其中的兩種輸入電源對(duì)電池進(jìn)行充電的例子，當(dāng)二者共同存在時(shí)，第一輸入電源具有優(yōu)先權(quán)。M1為P溝道MOSFET，M1 用來阻止電流從第一輸入電源流入第二輸入電源，肖特基二極管D1可防止第二輸入電源通過1K電阻消耗能量。在實(shí)際應(yīng)用中，第一輸入電源應(yīng)接到電壓比較高，輸出電流能力比較強(qiáng)的電源上，相比之下，第二輸入電源應(yīng)當(dāng)接到電壓比較低，輸出電流能力比較弱的電

37、源上。 同時(shí)使用兩種輸入電源為鋰電池充電 這樣一來，我們就不僅僅只能依靠太陽能了，在沒有太陽的時(shí)候依然可以保證系統(tǒng)不斷電！ 5、 電子鎖 5.1、 鎖簡(jiǎn)介 電子鎖是一種通過輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。 5.2、 硬件設(shè)計(jì) 5.3、 矩陣鍵盤設(shè)計(jì) 每條水平(行線)與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過一個(gè)按鍵來連通，利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需 N 條行線和M 條列線，即可組成具有 N*M 個(gè)按鍵的鍵盤。 在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無按鍵按下的程序段。 指示電路開鎖控制電路報(bào)警控制電路矩

38、陣鍵盤控制LCD 顯示電路STC89C52 單片機(jī)當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識(shí)別哪一個(gè)按鍵按下。對(duì)鍵的識(shí)別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。 對(duì)照上圖所示的 4*4 鍵盤，說明線反轉(zhuǎn)個(gè)工作原理。 首先辨別鍵盤中有無按鍵按下，由單片機(jī) I/O 口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來判斷。方法是：向列線輸出全掃描字 00H，把全部列線置為低電平，然后將行線的電平狀態(tài)讀入累加器 A 中。如果有按鍵按下，總會(huì)有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。 判斷哪個(gè)鍵被按下：將 P1.0P1.3 都置低，檢測(cè) P1.4P1.7 是否有低的，若有，則證明有鍵按下，記下

39、低的端口。然后，將 P1.4P1.7 置低，檢測(cè) P1.0P1.3 是否有低的端口，如有，則證明端口與上次的一個(gè)為地的端叉位置的鍵被按下。 顯示部分采用的是 12864 液晶顯示，硬件電路如下： 按鍵鍵名功能說明09 鍵數(shù)字鍵輸入*鍵重設(shè)鍵設(shè)定新D 鍵確定鍵比較C 鍵清除鍵使顯示器清零B 鍵開啟鍵開啟鍵盤A 鍵關(guān)閉鍵關(guān)閉鍵盤#鍵調(diào)整鍵調(diào)整時(shí)間 在本次設(shè)計(jì)中，基于節(jié)省材料的原則，暫時(shí)用發(fā)光二極管代替電磁鎖，發(fā)光管亮，表示開鎖；滅，表示沒有開鎖。 程序流程如下： 正確錯(cuò)誤 5、 MCU 簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)的主控制部分采用宏晶科技的 STC89C52 單片機(jī)，其引腳圖如下： STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)LCD 顯示錯(cuò)誤消息； 蜂鳴器產(chǎn)生響警示。 LCD 顯示正確消息； 指示燈 LED 亮(即開鎖)。 正確與否 I/O 口初始化，LCD 初始化執(zhí)行主控循環(huán) 主程序開始可編程 Flash 存儲(chǔ)器。