基于霍爾元件的自行車速度感應器設計

1、基于霍爾元件的自行車速度感應器設計 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輸、 代步的工具，而是 成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。自行車的速度里程表能夠滿足人們最基本的需求， 讓人們能清楚地知道當前的速度、里程等物理量。本論文主要闡述一種基于霍爾元件的 自行車的速度里程表的設計。以 AT89C52單片機為核心，A44E霍爾傳感器測轉數， 實現對自行車里程/速度的測量統(tǒng)計，采用24C02實現在系統(tǒng)掉電的時候保存里程信息， 并能將自行車的里程數及速度用 LED實時顯示。文章詳細介紹了自行車的速度里程表 的硬件電路和軟件設計。硬件部分利用霍爾元件將自行車每轉一圈的脈沖數傳入單片機 系統(tǒng)

2、，然后單片機系統(tǒng)將信號經過處理送顯示。軟件部分用匯編語言進行編程，采用模 塊化設計思想。該系統(tǒng)硬件電路簡單，子程序具有通用性，完全符合設計要求。 關鍵詞：里程/速度；霍爾元件；單片機；LED顯示 I ABSTRACT With the developing of people lisfe, the bicycle is not only the universal tool of transportation and substitute for walking, but becomes the first choice of entertainment and exercising. The

3、 bicycle mileage/speed can fulfill the basic need of people s life, so that they can learn the speed and the mileage of the bicycle. In this paper, the bicycle mileage/speed design based on the Hall element is elaborated. By AT89C52 as kernel, using A44E Hall element to measure revolution, the measu

4、re and statistic are achieved. The range information is saved by 24C02 when the power is off, the bicycle speed can be displayed on LED. In this article, the hardware circuit and software design of bicycle mileage/speed instrument are introduced in detail. About the hardware, the pulse number is tra

5、nsmitted 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, common sub-pr

6、ogram, and meets the demand of design. KEY WORDS: Mileage / speed; Hall element; Single chip microcomputer; LED II 目錄 1緒言1 1.1課題背景1 iii 1.2課題的主要任務及內容 1 2自行車的速度里程表總體方案設計 2 2.1任務分析與實現2 2.2自行車的速度里程表硬件方案設計 2 2.3自行車的速度里程表軟件方案設計 4 3自行車的速度里程表硬件電路設計 5 3.1概述 3.2傳感器及其測量系統(tǒng)5 3.2.1 霍爾傳感器的測量原理 5 3.2.2集成開關型霍爾傳感器6

7、3.3單片機的原理及應用7 3.3.1單片機原理簡介7 3.3.2單片機的引腳功能介紹 錯誤！未定義書簽 3.3.3單片機中斷系統(tǒng)介紹 錯誤！未定義書簽 3.3.4單片機定時/計數功能介紹 錯誤！未定義書簽 3.4其他器件的介紹 錯誤！未定義書簽 3.4.1存儲器的介紹 錯誤！未定義書簽 3.4.2 74LS74芯片的介紹 錯誤！未定義書簽 3.4.3 74LS244芯片的介紹 錯誤！未定義書簽 3.5單片機外圍電路的設計 錯誤！未定義書簽 3.5.1時鐘電路的設計 錯誤！未定義書簽 3.5.2 復位電路的設計 錯誤！未定義書簽 3.5.3顯示電路的設計 錯誤！未定義書簽 3.5.4報警電路的

8、設計 錯誤！未定義書簽 4自行車的速度里程表軟件程序設計 錯誤！未定義書簽 4.1概述 錯誤！未定義書簽 4.2自行車的速度里程表總體程序設計 錯誤！未定義書簽 4.3中斷子程序的設計 錯誤！未定義書簽 4.4數據處理子程序的設計 錯誤！未定義書簽 4.5顯示子程序的設計 錯誤！未定義書簽 5系統(tǒng)調試與分析 錯誤！未定義書簽 5.1系統(tǒng)仿真調試 錯誤！未定義書簽 目錄 5.2調試故障及原因分析 錯誤！未定義書簽 6結論與展望 錯誤！未定義書簽 6.1結論 錯誤！未定義書簽 6.2展望 錯誤！未定義書簽 致謝 錯誤！未定義書簽 參考文獻 錯誤！未定義書簽 附錄 錯誤！未定義書簽 # 2自行車的速

9、度里程表總體方案設計 1.1課題背景 自行車被發(fā)明及使用到現在已有兩百多年的歷史，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換到今日各式新穎休閑運動自行車，自行車發(fā)展 的目的也從最早的交通代步的工具轉換成休閑娛樂運動的用途。 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大，能給人 們帶來更多的方便。自行車里程速度表作為自行車的一大輔助工具也正是隨著這個要 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、時間顯示，甚至有的 還具有測量騎車人的心跳、顯示騎車人熱量消耗等功能。本設計

10、采用了MCS-51系列 單片機設計一種體積小、操作簡單的便攜式自行車的速度里程表，它能自動地顯示當 前自行車行走的距離及運行的速度。 1.2課題的主要任務及內容 本課題主要任務是利用霍爾元件、單片機等部件設計一個可用LED數碼管實時 顯示里程和速度的自行車的速度里程表。 本文主要介紹了自行車的速度里程表的設計 思想、電路原理、方案論證以及元件的選擇等內容，整體上分為硬件部分設計和軟件 部分設計。 本文首先扼要對該課題的任務進行方案論證，包括硬件方案和軟件方案的設計； 繼而具體介紹了自行車的速度里程表的硬件設計， 包括傳感器的選擇、單片機的選擇、 顯示電路的設計；然后闡述了該自行車的速度里程表的

11、軟件設計，包括數據處理子程 序的設計、顯示子程序的設計；最后針對仿真過程遇到的問題進行了具體說明與分析， 對本次設計進行了系統(tǒng)的總結。 具體的硬件電路包括AT89C52單片機的外圍電路以及LED顯示電路等。 軟件設計包括：芯片的初始化程序、定時中斷采樣子程序、顯示子程序等，軟件 采用匯編語言編寫，軟件設計的思想主要是自頂向下，模塊化設計，各個子模塊逐一 設計。 2自行車的速度里程表總體方案設計 2.1任務分析與實現 本設計的任務是：以通用 MCS-51單片機為處理核心，用傳感器將車輪的轉數轉 換為電脈沖，進行處理后送入單片機。里程及速度的測量，是經過 MCS-51的定時/ 計數器測出總的脈沖數

12、和每轉一圈的時間，再經過單片機的計算得出，其結果通過 LED顯示器顯示出來。 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個永久磁鐵，則測 得的里程值最大誤差為L/m。經綜合分析，本設計中取 m=1。當輪子每轉一圈，通過 開關型霍爾元件傳感器采集到一個脈沖信號，并從引腳 P3.2中斷0端輸入，傳感器 每獲取一個脈沖信號即對系統(tǒng)提供一次計數中斷。每次中斷代表車輪轉動一圈，中斷 數n輪圈的周長為L的乘積為里程值。計數器T1計算每轉一圈所用的時間t，就可以 計算出即時速度v。當里程鍵按下時，里程指示燈亮，LED切換顯示當前里程，與當 速度鍵按下時，速度指示燈亮，LED切換顯示當前速度，若自

13、行車超速，系統(tǒng)發(fā)出報 警信號，指示燈閃爍。 要求達到的各項指標及實現方法如下： 1. 利用霍爾傳感器產生里程數的脈沖信號。 2. 對脈沖信號進行計數。 實現：利用單片機自帶的計數器 T1對霍爾傳感器脈沖信號進行計數。 3. 對數據進行處理，要求用LED顯示里程總數和即時速度。 實現：利用軟件編程，對數據進行處理得到需要的數值。 最終實現目標：自行車的速度里程表具有里程、速度測試與顯示功能，采用單片 機作控制，顯示電路可顯示里程及速度。 2.2自行車的速度里程表硬件方案設計 測速，首先要解決是采樣的問題。使用單片機進行測速，可以使用簡單的脈沖計 數法。只要轉軸每旋轉一周，產生一個或固定的多個脈沖

14、，將脈沖送入單片機中進行 計算，即可獲得轉速的信息。常用的測速元件有霍爾傳感器、光電傳感器和光電編碼 器。里程測量傳感器的選擇也有以下幾種方案：使用光敏電阻對里程進行測量、利用 編碼器對車輪的圈數進行測量、利用霍爾傳感器對里程進行測量、利用干簧管型傳感 器測量里程。 光敏電阻對光特別敏感，當白天行駛時，外界光源將導致光敏電阻發(fā)出錯誤信號; 光敏電阻對環(huán)境的要求相當高，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行準確測量；而編碼器必須安裝在車軸上，安裝較為復雜；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有影響，而且安裝方便。 所以本設計采用霍爾元件對里程與速

15、度進行測量，既簡單易行，又經濟適用。 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的 齒輪盤上粘上一粒磁鋼，霍爾元件固定在前叉上，當車子轉動時霍爾元件靠近磁鋼， 就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。如果在齒輪盤上粘上多 粒磁鋼，可以實現旋轉一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對 磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個 方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現場應用廣泛。 霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于信號采集的有A44E，該傳感器是 個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作

16、，工作電壓范圍寬， 使用非常方便。A44E的外形如圖2.1所示。 A44E 1-Vcc 2-GND 3-0UT 圖2.1 A44E外形圖 單片機由于將CPU、內存和一些必要的接口集成到一個芯片上，并且面向控制功 能將結構作了一定的優(yōu)化，所以它有一般芯片不具有的特點： 1. 體積小、重量輕； 2. 電源單一、功耗低； 3. 功能強、價格低； 4. 全部集成在一塊芯片上，布線短、合理； 5. 數據大部分在單片機內傳送，運行速度快、抗干擾能力強、可靠性高。 目前，單片機被廣泛的應用于測控系統(tǒng)、工業(yè)自動化、智能儀表、集成智能傳感 器、機電一體化產品、家用電器領域、辦公自動化領域、汽車電子與航空航天器電

17、子 系統(tǒng)以及單片機的多機系統(tǒng)等領域。在設計中選用的是 AT89C52單片機。 里程顯示 外部信號 單片機 C52 速度顯示 報警部分 4 圖22系統(tǒng)的原理框圖 2.3自行車的速度里程表軟件方案設計 通過軟件控制單片機的功能是單片機的主要特點和優(yōu)點，程序的設計要考慮合理 性和可讀性，遵循模塊化設計的原則，采用自頂向下的設計方法。模塊化設計使程序 的可讀性好、修改及完善方便。 軟件設計包括主程序、行車過程中里程和速度計算子程序、延時子程序、中斷服 務子程序、顯示子程序等等。 中斷子程序是將傳感器產生的信號接入外部中斷0,將經過74LS74分頻后的信 號接入外部中斷1,利用中斷和定時器對分別對里程進

18、行累加、每轉一周的時間進行 測量。 數據處理子程序是將進入單片機的脈沖信號與實際要顯示值之間有一定的對應 關系，經過軟件編程顯示所需要的值。 顯示子程序是將數據處理的結果送顯示器顯示。 系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖2.3所示。 初始化 計算里程 計算速度 1 T 1 ! 顯示里程 顯示速度 圖2.3軟件總體流程圖 2自行車的速度里程表總體方案設計 3自行車的速度里程表硬件電路設計 3.1概述 自行車的速度里程表的硬件電路設計是基礎部分， 它包括信號的捕獲、放大、 整形，單片機的計算處理，數碼管的實時顯示和單片機外圍基本電路的設計， 兩 大主要器件就是傳感器和單片機。 傳感器是獲取自然或生產領域中信息

19、的關鍵器件， 是現代信息系統(tǒng)和各種設 備不可缺少的信息采集工具。磁傳感器是一種將磁學量信號轉變?yōu)殡娦盘柕钠骷?或裝置。隨著信息產業(yè)、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器等的飛速發(fā)展和計算機應用的普 及，需要大量的傳感器將被測或被控的非電信號轉換成可與計算機兼容的電信號。 作為輸入信號，這就給磁傳感器的快速發(fā)展提供了機遇，形成了磁傳感器的產業(yè)。 其中最具代表的磁傳感器就是霍爾傳感器， 在自動檢測系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器 測轉數是一種最基本的測量工作。 單片機是本次設計的核心部件，它是信號從采集到輸出的橋梁，而且包括計 算、定時、信息處理等功能。 3.2傳感器及其測量系統(tǒng) 本次設計信號的捕獲采用的是霍爾傳感器?；魻?/p>

20、器件具有許多優(yōu)點，它們 的結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達1MHz）、 耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、 線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位 置重復精度高。取用各種補償和保護措施的霍爾器件工作溫度范圍寬，可達- 55C150C。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關器 件，前者輸出模擬量，后者輸出數字量。按被檢測對象的性質可將它們的應用 分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性， 后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息

21、的載體。 通過它，將許多非電、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、轉數、轉速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉變成電量來進行 檢測和控制。 3.2.1霍爾傳感器的測量原理 霍爾傳感器是利用霍爾效應制成的一種磁敏傳感器。在置于磁場中的導體或 半導體通入電流I，若電流垂直磁場B，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出 現一個電勢差Uh,這種現象稱為霍爾效應。利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾 元件。因為它具有結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾 能力強以及體積小、使用壽命長等一系列特點，因此被廣泛應用于測量、自動控 制及信息處理等領域?；魻栃韴D如圖 3

22、.1所示。 3.2.2集成開關型霍爾傳感器 A44E集成霍爾開關由穩(wěn)壓器 A、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）B、差分放大 器C、施密特觸發(fā)器D和0C門輸出E五個基本部分組成，如圖3.2（a）所示。 （1）、（2）、（3）代表集成霍爾開關的三個引出端點。在電源端加電壓Vcc,經穩(wěn)壓 器穩(wěn)壓后加在霍爾電勢發(fā)生器的兩端， 根據霍爾效應原理，當霍爾片處在磁場中 時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會產生霍爾電 勢差VH輸出，該VH信號經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0C門輸出。當施加的磁場達到工作點時，觸發(fā)器輸出高電壓（相對于 地電位），使三極管導通，此時0

23、C門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為開。 當施加的磁場達到釋放點時，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使0C門輸出高 電壓，這種狀態(tài)為關。這樣兩次電壓變換，使霍爾開關完成了一次開關動作。 工作點與釋放點的差值一定，此差值稱為磁滯，在此差值內，V0保持不變，因 而使開關輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集電成霍爾開關傳感器優(yōu)良特性之一。傳感器 主要特性是它的輸出特性，即輸入磁感應強度B與輸出電壓V0之間的關系。 A44E集成霍爾開關是單穩(wěn)態(tài)型，由測量數據作出的輸出特性曲線如圖3.2（b）所 示。測量時，在1、2兩端加5V直流電壓，在輸出端3與1之間接一個2k的負 載電阻，如圖3.3所示。 (a) aVo/V

24、12 9- (V) 釋放點 (OFF)， I 10 15 (b) -工作點 (ON) 20 -B/mT 圖3.2集成開關型霍爾傳感器 1 5V 1 R12 2K 3 OUT GhID 圖3.3集成霍爾開關接線圖 3.3單片機的原理及應用 3.3.1單片機原理簡介 單片機是指集成在一個芯片上的微型計算機，也就是把組成微型計算機的各 種功能部件，包括 CPU(Ce ntral Processi ng Un it)隨機存儲器 RAM(Ra ndom Access Memory)、只讀存儲器 ROM(Read-only Memory)、基本輸入 /輸出(Input/Output) 接口電路。定時器/計

25、數器等部件都制作在一塊集成芯片上，構成一個完整的微 型計算機從而實現微型計算機的基本功能。單片機內部結構示意圖如圖3.4所示。 圖3.4單片機內部結構示意圖 1.中央處理器（CPU） 中央處理器是單片機最核心的部分，主要完成運算和控制功能。 2內部存儲器 內部存儲器包括內部數據存儲器（內部 RAM ）和內部程序存儲器。存儲器 是由大量的寄存器所組成，其中每一個寄存器就稱為一個存儲單元。 3. 定時/計數器 單片機的定時器和計數器是同一結構，只是計數器記錄的是單片機外部發(fā)生 的事件，由單片機的外部電路提供計數信號；而定時器是由單片機內部提供一個 非常穩(wěn)定的計數信號。 4. 中斷系統(tǒng) 13 請刪除

26、以下內容，0( A _A )0 謝謝！ ！ conduction, transfer of heat or electricity through a substance, resulting from a difference in temperature between different parts of the substance, in the case of heat, or from a difference in electric potential, in the case of electricity. Since heat is energy associated wit

27、h the motions of the particles making up the substance, it is transferred by such motions, shifting from regions of higher temperature, where the particles are more energetic, to regions of lower temperature. The rate of heat flow between two regions is proportional to the temperature difference bet

28、weenthem contribute to conduction of mainly by neighboring important migration of which have a heat, while electrons and and the heat conductivity of the substance. In solids, the molecules themselves are bound and heat vibrating against molecules; a more mechanism, however, is the energetic free el

29、ectrons through the solid. Metals, high free-electron density, are good conductors of nonmetals, such as wood or glass, have few free do not conduct as well. Especially poor conductors, such as asbestos, have been used as insulators to impede heat flow (see insulation). Liquids and gases have their

30、molecules farther apart and are generally poor conductors of heat. Conduction of electricity consists of the flow of charges as a result of an electromotive force, or potential difference. The rate of flow, i.e., the electric current, is proportional to the potential difference and to the electrical

31、 conductivity of the substance, which in turn depends on the nature of the substance, its cross-sectional area, and its temperature. In solids, electric current consistsof a flow of electrons; as in the case of heat conduction, metals arebetter conductors of electricity because of their greaterfree-

32、electron density, while nonmetals, such as rubber, are poorconductors and may be used as electrical insulators, or dielectrics.Increasing the cross-sectional area of a given conductor willincrease the current because more electrons will be available forconduction. Earth. Closer to Doppler effect tec

33、hnology. information some people pleasant way: it to measure writing a ticket. examples of carried on waves. harmonic motion that carries energy Increasing the temperature will inhibit conduction in a metal because the increased thermal motions of the electrons will tend to interfere with their regu

34、lar flow in an electric current; in a nonmetal, however, an increase in temperature improves conduction because it frees more electrons. In liquids and gases, current consists not only in the flow of electrons but also in that of ions. A highly ionized liquid solution, e.g., saltwater, is a good con

35、ductor. Gases at high temperatures tend to become ionized and thus become good conductors (see plasma), although at ordinary temperatures they tend to be poor conductors. See electrochemistry; electrolysis; superconductivity.Almost everyone has experienced the Doppler effect, though perhaps without

36、knowing what causes it. For example, if one is standing on a street corner and an ambulance approaches with its siren blaring, the sound of the siren steadily gains in pitch as it comes closer. Then, as it passes, the pitch suddenly lowers perceptibly. This is an example of the Doppler effect: the c

37、hange in the observed frequency of a wave when the source of the wave is moving with respect to the observer. The Doppler effect, which occurs both in sound and electromagnetic waves including light waves has a number of applications. Astronomers use it, for instance, to gauge the movement of stars

38、relative to without actually moving any matter. It is related to oscillation, a type of harmonic motion in home, principles relating to the find application in radar Doppler radar provides concerning weather patterns, but experience it in a less when a police officer uses their driving speed before

39、Sound and light are both energy, and both are Wave motion is a type of from one place to another one or more dimensions. Oscillation involves no net movement, only movement in place; yet individual points in the wave medium are oscillating even as the overall wave pattern moves. The term periodic mo

40、tion, or movement repeated at regular intervals called periods, describes the behavior of periodic waves waves in which a uniform series of crests and troughs follow each other in regular succession. A period (represented by the symbol T ) is the amount of time required to complete one full cycle of

41、 the wave, from trough to crest and back to trough. Period is mathematically related to several other aspects of wave motion, including wave speed, frequency, and wavelength. Frequency (abbreviated f ) is the number of waves passing through a given point during the interval of one second. It is meas

42、ured in Hertz (Hz), named after nineteenth-century German physicist Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), and a Hertz is equal to one cycle of oscillation per second. Higher frequencies are expressed in terms of kilohertz (kHz; 103 or 1,000 cycles per second); megahertz (MHz; 106 or 1 million cycles pe

43、r second); and gigahertz (GHz; 109 or 1 billion cycles per second.) Wavelength (represented by the symbol入，the Greek letter lambda) is the distance between a crest and the adjacent crest, or a trough and an adjacent trough, of a wave. The higher the frequency, the shorter the wavelength. Amplitude,

44、though mathematically independent from the parameters discussed, is critical to the understanding of sound. Defined as the maximum displacement of a vibrating material, amplitude is the size of a wave. The greater the amplitude, the greater the energy the wave contains: amplitude indicates intensity

45、, which, in the case of sound waves, is manifested as what people commonly call volume. Similarly, the amplitude of a light wave determines the intensity of the light. electromagnetic radiation,energy radiated in the form of a wave as a result of the motion of electric charges. A moving charge gives

46、 rise to a magnetic field, and if the motion is changing (accelerated), then the magnetic field varies and in turn produces an electric field. These interacting electric and magnetic fields are at right angles to one another and also to the direction of propagation of the energy. Thus, an electromag

47、netic wave is a transverse wave. If the direction of the electric field is constant, the wave is said to be polarized (see polarization of light). Electromagnetic radiation does not require a material medium and can travel through a vacuum. The theory of electromagnetic radiation was developed by Ja

48、mes Clerk Maxwell and published in 1865. He showed that the speed of propagation of electromagnetic radiation should be identical with that of light, about 186,000 mi (300,000 km) per sec. Subsequent experiments by Heinrich Hertz verified Maxwells prediction through the discovery of radio waves, also known as hertzian waves. Light is a type of electromagnetic radiation, occupying only a small portion of the possible spectrum of this energy. The various types of electromagnetic radiation differ only in wavelength and frequency; they are alike in all other respects. The possible sources of el