自行車?yán)锍?速度計(jì)的設(shè)計(jì)

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)時顯示所測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。

The Odometer/Speedometer’s Design Of  The Bike

Abstract: This article introduced used the Micro Computer Unit of the AT89C52 design The Odometer/Speedometer’s Of The Bike, it utilizes Micro Computer Unit's operation and control function, and it uses the nixietube real time display to measure the speed and the course speed hodometer design proposal, it realizes two frequency divisions with the frequency divider of TC4024,it uses for to discuss the 24C01 sensor's use, through the practical electric circuit's design it grasps the odometer/speedometer’s application method and some performance parameter。This system contains the electronic circuit technology, as well as the commonly used AT89C52 Micro Computer Unit's work principle, through this system's design, which pairs them organic union。

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)武器、交通運(yùn)輸，機(jī)械制造、化工、生物醫(yī)學(xué)工程、自動化檢測工程及計(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�及外部設(shè)備相結(jié)合，便可以成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)[4]。

目前，場上銷售的單片機(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)，所以可以用于各個領(lǐng)域，對各行各業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代起到重要的推動作用。

本人經(jīng)過學(xué)習(xí)，用AT89C52設(shè)計(jì)了一個自行車?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存儲數(shù)據(jù)，3個單級共陰數(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)自動記憶，也可應(yīng)用于電動自行車、摩托車、汽車等機(jī)動車儀表上。

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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器技術(shù)制造，可與工業(yè)AT89C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。

AT89C52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，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用；
在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(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，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻；
P1口——P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流；
與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/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/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)脈沖輸入），時鐘輸出 ；
P1.1 T2EX（定時/計(jì)數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制）；
P2口——P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流；
在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，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)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容；
FLASH編程或校驗(yàn)時，P2亦接收高位地址和一些控制信號；
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口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，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，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/計(jì)數(shù)器0)
P3.5 T1(定時/計(jì)數(shù)器1)
P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)
P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)
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；
RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位；
ALE/PROG——當(dāng)訪問外部程存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖；
對FLASH存儲器編程期間，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)部程序存儲器的指令。

本程序采用TC4024芯片，它是一個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。

24C01是一個1K位串行CMOS EEPROM，內(nèi)部含有128個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8位字節(jié)頁寫緩沖器，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IO都可以，而且都要接上拉電阻，大概幾K就行了，因?yàn)椴皇强偩�方式，所以不能用MOV指令，也不能用SBUF，要判斷是否為滿，可以在程序里設(shè)個變量。

在這里要注意E2P芯片的壽命（一般是讀寫100萬次，足夠了）。 存儲數(shù)據(jù)的時候，可以對操作數(shù)和存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，不相等則存儲，這樣可以增加使用壽命，比有些每隔1秒鐘進(jìn)行存儲的會好多了。以下是24C01的管腳圖：

圖4.1管腳圖

表3.1 24C01的管腳描述

24C01芯片具有以下特性：

• 與400KHZ的I2C總線兼容；
• +1.8-6.0V工作電壓范圍；
• 低功耗CMOS技術(shù)；
• 寫保護(hù)功能：當(dāng)WP為高電平時進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)；
• 頁寫緩沖器；
• 自定時擦寫周期；
• 1，000，000編程擦除/周期；
• 可保存數(shù)據(jù)100年；
• 8腳DIP、SOIC、TSSOP封裝；
  

10 溫度范圍：商業(yè)級、工業(yè)級和汽車級。

自行車?yán)锍?速度計(jì)能自動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)自動記憶，也可應(yīng)用于電動自行車、摩托車、汽車等機(jī)動車儀表上。其硬件電路原理圖如圖5.1。

圖  5.1系統(tǒng)原理圖

本設(shè)計(jì)能實(shí)時地將所測的速度與累計(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，將頻率實(shí)時地測量出來，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顯示器的段碼及掃描輸出，在顯示里程時，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，顯示速度；打開時顯示里程。第12腳外中斷0用于對輪子圈數(shù)的計(jì)數(shù)輸入，輪子每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出一個地電平脈沖。第13腳外中斷1用于控制定時器T1的啟停，當(dāng)輸入為0時關(guān)閉定時器。此控制信號是將輪子圈數(shù)的計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)二分頻后形成（見圖5.1），這樣，每次定時器T1的開啟時間剛好為轉(zhuǎn)一圈的時間。根據(jù)輪子的周長就可以計(jì)算出自行車的速度。P1.4和P1.5口用于EEPROM存儲器24C01的存取控制。11腳輸出用于速度超速時的報(bào)警。

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；

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位；

6C H:定時器T1計(jì)數(shù)器擴(kuò)展高8位；

6D H:定時器T1計(jì)數(shù)器擴(kuò)展高8—16位；

60 H、61 H、62 H：里程計(jì)數(shù)單元；

68 H、69 H、6A H、6B H：存放自行車每圈時間數(shù)；

70 H、71 H、72 H、73 H：顯示BCD碼數(shù)據(jù)存放用；

11 H—15 H：存放被除數(shù)；

16 H—19 H：存放除數(shù)。

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 周長值；開中斷及定時器；將EEPROM中的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存等。

2. 輪圈設(shè)置出錯處理程序

   P1.2、 P1.3、 P1.6、P1.7端口的開關(guān)用于設(shè)定輪子的周長，當(dāng)沒有設(shè)定時（至少讓一個開關(guān)閉合），能從P3.1口輸出一個周期為0.5S的方波信號，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。

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，對里程數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲操作。

5.外中斷1服務(wù)程序

外中斷1服務(wù)程序用于處理輪子轉(zhuǎn)動一圈后計(jì)時數(shù)據(jù)。當(dāng)標(biāo)志位（00H）為1時，說明計(jì)數(shù)器溢出，放入最大時間值（為#0FFH）;當(dāng)標(biāo)志位為0時，將計(jì)數(shù)單元（TL1、TH1、6CH、6DH）的值放入68H—6BH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)線和時鐘線，采用ATMEL公司的24C01串口存儲器，應(yīng)用簡單方便。

7.顯示子程序

當(dāng)顯示里程時，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，要將輪子的這周長和轉(zhuǎn)一圈的時間數(shù)相除，然后換算成Km/h單位。最后放入70H—73H,進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

要完成一個產(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。

硬件的焊接是一個比較繁瑣的過程，繁瑣的地方在于3個單聯(lián)數(shù)碼管的

連接，線路較多，在焊接時要特別的細(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)）測試沒問題，數(shù)碼管并沒有燒壞。

在插入芯片時要特別注意不能把芯片插反，否則就會把芯片燒掉；也要

  注意極性電容的方向，長的腳為正，短的為負(fù)，不能把負(fù)的接+5V，正的接地；在焊接三極管時也要注意其三個管腳的排布，還有為保護(hù)三極管不被燒換，所以3個三極管要各自接一個限流電阻（這里為4.7K）。

軟件調(diào)試是調(diào)試的重點(diǎn)，同時也是出錯最多的地方；在整個軟件調(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

   MAIN:   MOV     P2, #0FFH

            MOV     P0, 0C0H

            MOV     P2, #0FEH

      ACALL   DELAY1

      MOV     P2, #0FFH

      MOV     P0, 0F9H

      MOV     P2, #0FDH

      ACALL   DELAY1

      MOV     P2, #0FFH

      MOV     P0, 0A4H

      MOV     P2, #OFBH

      MOV     P2, #0FFH

      AJMP    MAIN

DELAY1:  MOV    R6, #02H

AGAIN:  MOV     R7, #8FH

DELAY:  DJNZ     R7, DELAY

          DJNZ     R6, AGAIN

          RET

          END

結(jié)果數(shù)碼管正確顯示了0、1、2這三個數(shù)，顯示系統(tǒng)調(diào)試成功。

軟件測試要注意一下幾點(diǎn)：

1.在編寫I2C串行歸一化存儲子程序時本來出了點(diǎn)錯，后經(jīng)過多次調(diào)試才運(yùn)行正確。

2.里程/速度控制程序是系統(tǒng)程序的重點(diǎn)，所以它當(dāng)然也是軟件調(diào)試的重點(diǎn)。

3.顯示系統(tǒng)最好先調(diào)試。

4.用韋幅軟件進(jìn)行仿真時要充分利用其逐步調(diào)試功能。

本設(shè)計(jì)能自動顯示自行車行駛的總里程數(shù)及行車速度，具有超速信響報(bào)警提醒以及里程數(shù)據(jù)自動記憶的功能，也可應(yīng)用于電動自行車、摩托車、汽車等機(jī)動車的儀表上。由于本系統(tǒng)采用的是動態(tài)掃描LED顯示且共陰數(shù)碼管的驅(qū)動電流不是很大，所以數(shù)碼管的顯示不是特別亮。但可以通過更換小點(diǎn)的電阻增大其驅(qū)動電流（最大驅(qū)動電流不能超過20毫安）使數(shù)碼管變得更亮。

首先，我要感謝宋復(fù)成老師在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，宋老師不厭其煩的指導(dǎo)我，在整個畢業(yè)設(shè)計(jì)制作過程中，使得我在單片機(jī)方面的技能得到了進(jìn)一步提高。宋老師給予了全程的幫作、鼓勵與指導(dǎo)，在此我表示衷心的感謝！同時感謝王玉芝老師在各方面給予的幫助，使我能夠有一個良好的環(huán)境，在做此課程設(shè)計(jì)時王老師還為我免費(fèi)提供仿真器等器材，為我更好的完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了先決條件。

    另外，我還要感謝我的父母，沒有他們的支持，我是無法完成這個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，他們給予我的，我將來一定會努力回報(bào)他們的。

最后，我還要感謝我身邊的同學(xué)、朋友，他們也給了我很大的幫助。

附錄: 系統(tǒng)完整源程序
以下是控制系統(tǒng)完整源程序

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