基于單片機(jī)的自行車(chē)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚巨興 譚巨滔

【摘要】本文主要是對(duì)測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了研究，以單片機(jī)為核心，利用A44E霍爾傳感器設(shè)計(jì)出一種可以即時(shí)顯示速度和路程的測(cè)速系統(tǒng)，并用液晶顯示器LCD1602顯示出來(lái)。

【關(guān)鍵詞】傳感器;單片機(jī);即時(shí)測(cè)速

1.前言

隨著人們對(duì)低碳生活的追求，特別是在交通擁擠的城市，自行車(chē)成為代步及休閑運(yùn)動(dòng)的工具。因此愛(ài)好自行車(chē)運(yùn)動(dòng)的人十分需要一款能測(cè)速的裝置，以便更好知道自己的運(yùn)動(dòng)情況。

2.總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)是以單片機(jī)作為控制模塊，其工作原理是：A44E霍爾傳感器檢測(cè)自行車(chē)的輪胎的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，將不同的車(chē)速轉(zhuǎn)變成不同的頻率的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理和計(jì)算，最后把即時(shí)信息顯示在LCD1602液晶顯示器上，讓人們清楚知道當(dāng)前的速度、累計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間和路程等物理量，系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。

我們先把磁鐵放在自行車(chē)的車(chē)輪上，而霍爾傳感器就放在車(chē)架，轉(zhuǎn)動(dòng)自行車(chē)的轉(zhuǎn)軸，磁鐵也就跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使霍爾傳感器周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化，傳感器在磁鋼經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖低電壓，記錄自行車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)了一周。將霍爾傳感器的輸出引腳與單片機(jī)的P3.2腳相連。測(cè)速度的原理：定義測(cè)量的時(shí)間間隔為，自行車(chē)車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。假設(shè)車(chē)輪周長(zhǎng)為，則速度為：，在中斷子程序里調(diào)用時(shí)鐘函數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的累加，最后在中斷子程序里輸出累計(jì)時(shí)間，速度和路程。

圖1 測(cè)速系統(tǒng)總框圖

3.硬件選擇

整個(gè)系統(tǒng)包括了三大部分，分別是：傳感器模塊、單片機(jī)模塊以及顯示模塊。

3.1 傳感器的選擇

A44E霍爾開(kāi)關(guān)集成電路應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)數(shù)字電壓訊號(hào)，霍爾傳感器A44E 在測(cè)速系統(tǒng)中的主要作用是對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行采集。它具有一致性好、性能穩(wěn)定、可靠性高、響應(yīng)速度快、安裝簡(jiǎn)便，可和各種邏輯電路接口直接對(duì)接的特點(diǎn)。

3.2 單片機(jī)的選擇

本文選用的控制模塊是AT89C52單片機(jī)，AT89C52是低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大，適合于復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。

3.3 顯示模塊的選擇

本設(shè)計(jì)選用LCD1602液晶顯示器，是一種用5x7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個(gè)字、2行16個(gè)字、2行20個(gè)字等等，以滿(mǎn)足對(duì)多個(gè)物理量的輸出顯示。本設(shè)計(jì)中，要顯示多個(gè)物理量，顯示結(jié)果在屏幕共有兩行，上面一行顯示累計(jì)時(shí)間，下面一行顯示速度和路程。

4.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

自行車(chē)測(cè)速系統(tǒng)的硬件電路主要由以下幾個(gè)構(gòu)成：核心的單片機(jī)芯片89c52，負(fù)責(zé)處理送進(jìn)來(lái)的信號(hào)并輸出給顯示模塊;LCD1602，單片機(jī)通過(guò)寫(xiě)命令和寫(xiě)數(shù)據(jù)把信息寫(xiě)到液晶板上;A44E，采集磁感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為低電平信號(hào);通過(guò)穩(wěn)壓器件7805，把電源穩(wěn)定在5V左右;存儲(chǔ)模塊AT24C01，存儲(chǔ)和讀信息，同時(shí)系統(tǒng)還包括了晶振電路，復(fù)位電路，存儲(chǔ)電路等外圍電路。

4.1 顯示電路

單片機(jī)芯片通過(guò)連接液晶顯示引腳RS，選擇數(shù)字寄存器和指令寄存器;通過(guò)連接RW來(lái)選取讀或?qū)懶盘?hào)。這兩個(gè)引腳和顯示器上的引腳D0～D7控制單片機(jī)接收并處理的信號(hào)在顯示器屏幕顯示出來(lái)。

4.2 時(shí)鐘電路

利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩。定時(shí)元件一般采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)震蕩回路。兩電容大小可起頻率微調(diào)的作用，電容大小要和晶體的容性負(fù)載值相匹配，否則不易起振。1個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，本設(shè)計(jì)中，晶振采用12MHZ。

5.軟件分析與設(shè)計(jì)

5.1 軟件實(shí)現(xiàn)原理

磁鐵裝在車(chē)輪上，霍爾傳感器裝在車(chē)架。每當(dāng)有磁鐵經(jīng)過(guò)（即車(chē)輪轉(zhuǎn)一圈）的時(shí)候，傳感器輸出一個(gè)低脈沖，將霍爾傳感器的輸出引腳與單片機(jī)的P3.2腳相連。設(shè)置單片機(jī)的定時(shí)器0工作于方式1，并且初始化為50ms溢出。每來(lái)20次中定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出中斷（即1秒）計(jì)算一次速度（以查詢(xún)的方式獲取低電平脈沖，在一秒內(nèi)累計(jì)低電平脈沖的次數(shù)）。其中每一秒內(nèi)的路程等于速度的值，在中斷子程序里調(diào)用時(shí)鐘函數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的累加，最后在中斷子程序里輸出累計(jì)時(shí)間，即時(shí)速度和路程。

5.2 主程序描述

首先對(duì)系統(tǒng)初始化，因?yàn)镻3.2連接在霍爾傳感器上，傳感器靠近磁鐵時(shí)就會(huì)產(chǎn)生低電平，當(dāng)P3.2=0表示有感應(yīng)信號(hào)。當(dāng)累計(jì)時(shí)間是整數(shù)秒時(shí)就輸出累計(jì)時(shí)間和即時(shí)速度及路程。

6.調(diào)試

把編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行代碼文件寫(xiě)入芯片，觀察硬件電路是否能按照預(yù)期的結(jié)果工作，若不能，則檢查修改相應(yīng)的程序，甚至修改硬件電路，反復(fù)以上過(guò)程，直至硬件電路可以按照預(yù)期的結(jié)果工作。每部分程序都調(diào)試好后，將其合理組合并補(bǔ)充，編寫(xiě)完整的程序，寫(xiě)入芯片，最后進(jìn)行集成調(diào)試，直到電路板完全可以正常工作，實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 測(cè)速計(jì)的實(shí)物圖

7.結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)單片機(jī)作為控制模塊，用霍爾傳感器A44E收集信號(hào)，再由LCD1602液晶顯示器顯示的測(cè)速系統(tǒng)。該測(cè)速系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有成本低廉，耗能少，電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，達(dá)到了測(cè)速和記錄里程的要求。軟件部分按功能模塊編寫(xiě)并通過(guò)調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)，結(jié)構(gòu)清晰。但是還有亟待改進(jìn)之處，例如測(cè)速系統(tǒng)集成不高，可以選擇更小的芯片和器件;在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上可以增加報(bào)警模塊，以提醒超速。

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作者簡(jiǎn)介：譚巨興（1987—），男，廣東從化人，廣東工業(yè)大學(xué)在讀研究生，研究方向：設(shè)備故障診斷。