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1、学 号 08700109单机原理及接口技术设计说明书 自行车里程/速度计的设计起止日期： 2011年8月29日 至 2011年9月2日学生姓名班级成绩指导教师(签字)电子与信息工程系2011年 9 月 2日自行车里程/速度计的设计摘要：本文介绍了用89C52单片机设计自行车里程/速度计，运用单片机的运算和控制功能，并采用数码管实时显示所测速度和里程的速度里程计设计方案，用分频器TC4024实现二分频，用来探讨24C01传感器的用途，通过实用电路的设计来掌握速度及里程传感器的使用方法及一些性能参数。本系统含了电子电路技术，以及常用的AT89C52单片机工作原理，通过本系统的设计，把它们俩者有机结
2、合。关键词：AT89C52 数码管 TC4024分频器 24C01传感器 目 录第一章 绪 论1第二章 芯片介绍22.1 AT89C52单片机22.1.1 AT89C52单片机简介22.1.2 AT89C52的管脚及其含义22.2 TC4024分频器32.3 24C01芯片32.3.1 24C01简介32.3.2 24C01的特性：4第三章 硬件电路的设计63.1系统结构框图63.2 系统硬件电路63.3 系统的工作原理7第四章 软件设计84.1 系统内存的规划84.2 系统的主要程序设计8第五章 系统调试105.1 硬件调试105.2 软件调试10第六章 心得体会12附录1：元件清单14附录
3、2: 系统完整源程序15第一章 绪 论传感器，英文名字为Sensor或Transducer，亦称换能器、变换器。在科技迅速发展的今天，传感器越来倍受重视。在日常生活、航天、航空，常规武器、交通运输，机械制造、化工、生物医学工程、自动化检测工程及计量等各项领域都被广泛应用6。目前，传感器已向新材料开发，集成化、智能化、数字化、新工艺，高精度化及高稳定、高可靠化等技术发展。特别是霍尔传感器，鉴于它的价廉、易于使用，使它广泛运用于里程计、速度计等6。单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，特别适用于控制领域。通常单片机由单块集成电路构成，内部包含有计算机的基本部件：CPU（中央处理器），存储器和I/
4、O接口电路等。因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可以成为一个单片机控制系统4。目前，场上销售的单片机有4位、8、16位、32位，并且单片机朝着高性能多种方向发展，尤其是8位单片机以经成为当前单片机的主流，主要体现在CPU功能增强、内部资源增多、引脚的功能化、低电压和低功好耗化上4。单片机因为其体积小、功能强，可靠性高，灵活方便等优点，所以可以用于各个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到重要的推动作用。本人经过学习，用AT89C52设计了一个自行车里程/速度计。本设计可轮流显示自行车行使的里程和速度, 采用TC4024芯片作为计数器以及2C401存储数据，3个单级共阴数码
5、管作为显示系统。本系统具有超速信响提醒功能，里程数据自动记忆，也可应用于电动自行车、摩托车、汽车等机动车仪表上。.第二章 芯片介绍2.1 AT89C52单片机2.1.1 AT89C52单片机简介本设计选用AT89C52单片机，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，可与工业AT89C51产品指令和引脚完全兼容。2.1.2 AT89C52的管脚及其含义AT89C52的管脚及各管脚含义如下：图1 89C52管脚图各引脚功能说明：VCC电源电压；GND接地； P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为
6、输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用； 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻； 在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻； P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流； 与AT89C51不同之处
7、是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）； FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址； P1.0和P1.1的第二功能：P1.0 T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出 ；P1.1 T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）； P2口P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流； 在访问外部程序存
8、储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容； FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号； P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流； P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能：P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1)
9、 P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号； RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位； ALE/PROG当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲； 对FLASH存储器编程期间，该引
10、脚还用于输入编程脉冲（PROG）； EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。2.2 TC4024分频器 本程序采用TC4024芯片，它是一个7位的计数器，计数器具有分频的作用，它包含有14个管脚，其7脚接地，14脚接+5V，1脚接AT89C52的INT0，即12脚,在系统中此芯片起到了二分频的作用。2.3 24C01芯片2.3.1 24C01简介 24C01是一个1K位串行CMOS EEPROM，内部含有128个8位字节，CATALYST的先进CMOS技术实际上减少了器件的功耗，24C01是一个8位字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，即此芯片采用I2C协议
11、进行读写数据。有一个专门的写保护功能。24C01是I2C接口的，但标准51是不带I2C接口的，串口方式0是不行的，需要用IO模拟，所以随便接两个IO都可以，而且都要接上拉电阻，大概几K就行了，因为不是总线方式，所以不能用MOV指令，也不能用SBUF，要判断是否为满，可以在程序里设个变量。在这里要注意E2P芯片的寿命（一般是读写100万次，足够了）。 存储数据的时候，可以对操作数和存储的数据进行比较，不相等则存储，这样可以增加使用寿命，比有些每隔1秒钟进行存储的会好多了。以下是24C01的管脚图：图2管脚图表1 24C01的管脚描述管脚名称功能A0、A1、A2器件地址选择SDA串行数据/地址SC
12、L串行时钟WP写保护VCC+1.8V6.0V工作电压VSS接地2.3.2 24C01的特性：24C01芯片具有以下特性：1. 与400KHZ的I2C总线兼容；2. +1.8-6.0V工作电压范围；3. 低功耗CMOS技术；4. 写保护功能：当WP为高电平时进入写保护状态；5. 页写缓冲器；6. 自定时擦写周期；7. 1，000，000编程擦除/周期；8. 可保存数据100年；9. 8脚DIP、SOIC、TSSOP封装；10 温度范围：商业级、工业级和汽车级。第三章 硬件电路的设计3.1系统结构框图89C52显示电路按键控制指示灯电路报警电路里程、速度测量电路显示电里程、速度测量电路图3按键控制
13、部分功能：自行车转圈的大小设置，速度、里程显示选择设置。指示灯部分功能：里程状态和速度状态显示。报警部分功能：超速时采用声音报警提示。里程、速度测量电路部分功能：速度及里程传感器采用霍尔传元件，实现对自行车里程及速度的计算。显示部分功能：速度、里程用数码管动态扫描显示，由P0口送出段码，P2口送出位选信号。3.2 系统硬件电路 自行车里程/速度计能自动显示自行车行驶的总里程数及行车速度，具有超速信响提醒功能，里程数据自动记忆，也可应用于电动自行车、摩托车、汽车等机动车仪表上。其硬件电路原理图如图4。图4系统原理图3.3 系统的工作原理本设计能实时地将所测的速度与累计里程数显示出来,主要是将24
14、C01传感器输入到单片机的脉冲信号，将频率实时地测量出来，然后通过单片机计算出速度和里程,再将所得的数据存储到TC4024芯片中，通过AT89C52单片机计算出来的速度和里程的数据，必须通过BCD码的转换才能输出给数码管。最后由共阴数码管显示所测速度与里程。 自行车里程/速度计采用AT89C52单片机作控制，速度及里程传感器采用霍尔元件，其电器原理图如图5.1所示。P0口和P2口用于七段LED显示器的段码及扫描输出，在显示里程时，第三位小数点用17脚P3.7口控制点亮。P1.0和P1.1口分别用于显示里程状态和速度状态。P1.2、 P1.3、 P1.6和 P1.7口分别用于设置轮圈的大小。接口
15、10口的开关用于确定显示的方式，当开关闭合时，显示速度；打开时显示里程。第12脚外中断0用于对轮子圈数的计数输入，轮子每转一圈，霍尔传感器输出一个地电平脉冲。第13脚外中断1用于控制定时器T1的启停，当输入为0时关闭定时器。此控制信号是将轮子圈数的计数脉冲经二分频后形成（见图5.1），这样，每次定时器T1的开启时间刚好为转一圈的时间。根据轮子的周长就可以计算出自行车的速度。P1.4和P1.5口用于EEPROM存储器24C01的存取控制。11脚输出用于速度超速时的报警。第四章 软件设计4.1 系统内存的规划 由于本系统处理功能较多，因而一部分内存单元用于特定的用处。其主要内存单元用处如下：50H
16、:EEPROM器件寻址字节存放单元；51H:EEPROM传送字节数存放单元；30H:EEPROM发送数据缓冲单元；40H:EEPROM读出数据存放单元；0A0H:EEPROM寻址字节字节写；0A1H:EEPROM寻址字节字节读；62 H:DPTR计数器扩展高8位；6C H:定时器T1计数器扩展高8位；6D H:定时器T1计数器扩展高816位；60 H、61 H、62 H：里程计数单元；68 H、69 H、6A H、6B H：存放自行车每圈时间数；70 H、71 H、72 H、73 H：显示BCD码数据存放用；11 H15 H：存放被除数；16 H19 H：存放除数。 4.2 系统的主要程序设计
17、 1. 初始化程序在本系统初始化程序中，主要完成以下工作：将T1设为外部控制定时器方式；外中断0及外中断1设为边沿触发方式；将部分内存单元清零；设置轮子 周长值；开中断及定时器；将EEPROM中的数据调入内存等。 2. 轮圈设置出错处理程序 P1.2、 P1.3、 P1.6、P1.7端口的开关用于设定轮子的周长，当没有设定时（至少让一个开关闭合），能从P3.1口输出一个周期为0.5S的方波信号，用作发光管闪烁及信响器提醒。3. 主程序主程序根据P3.0的开关状态选择里程或速度显示，其流程图如图6.2所示。图5 主程序流程图4.里程计数程序（外中断0服务程序） 外中断0服务程序用于对12脚输入的
18、圈脉冲进行计数，为十六进制计数器。60H为低位，62H为高位。每计数一次后，对里程数据进行一次存储操作。5.外中断1服务程序外中断1服务程序用于处理轮子转动一圈后计时数据。当标志位（00H）为1时，说明计数器溢出，放入最大时间值（为#0FFH）;当标志位为0时，将计数单元（TL1、TH1、6CH、6DH）的值放入68H6BH单元。6.EEPROM存取程序本系统使用归一化I2C串口存取子程序，使用一条数据线和时钟线，采用ATMEL公司的24C01串口存储器，应用简单方便。7.显示子程序当显示里程时，先要将圈数计数器中的数据进行运算，求出总里程。当要 显示速度时，要将轮子的这周长和转一圈的时间数相
19、除，然后换算成Km/h单位。最后放入70H73H,进行数据显示。第五章 系统调试 要完成一个产品的设计，有很多纷繁复杂的步骤和过程，其中最为重要和最为关键的就是系统调试。调试的步骤和方法有很多。本人也看过不少，在这次系统调试的中调试的过程我充分的发挥了仿真器的作用。5.1 硬件调试 硬件的焊接是一个比较繁琐的过程，繁琐的地方在于3个单联数码管的连接，线路较多，在焊接时要特别的细心，在焊接完成并烧入程序之后通电发现数码管不亮，检查了好几遍，电路无焊没有错误，于是我就怀疑可能是数码管的问题，拿去贝尔（学院的社团）测试没问题，数码管并没有烧坏。在插入芯片时要特别注意不能把芯片插反，否则就会把芯片烧掉
20、；也要 注意极性电容的方向，长的脚为正，短的为负，不能把负的接+5V，正的接地；在焊接三极管时也要注意其三个管脚的排布，还有为保护三极管不被烧换，所以3个三极管要各自接一个限流电阻（这里为4.7K）。5.2 软件调试软件调试是调试的重点，同时也是出错最多的地方；在整个软件调试调试过程中我采取先部分后整体的调试方法。在整个程序的编写调试过程中我首先调试的是数码管显示系统，为此我编写了以下一段程序用于数码管显示调试，要求数码管显示0、1、2。 ORG 0000H MAIN: MOV P2, #0FFH MOV P0, 0C0H MOV P2, #0FEH ACALL DELAY1 MOV P2,
21、#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, #8FHDELAY: DJNZ R7, DELAY DJNZ R6, AGAIN RET END结果数码管正确显示了0、1、2这三个数，显示系统调试成功。软件测试要注意一下几点：1.在编写I2C串行归一化存储子程序时本来出了点错，后经过多次调试才运行正确。2.里程/速度控制程序是系统程序的重点，所以它当然
22、也是软件调试的重点。3.显示系统最好先调试。4.用韦幅软件进行仿真时要充分利用其逐步调试功能。第六章 心得体会通过这次单片机的课程设计，我进一步熟悉和掌握了单片机的结构及工作原理，单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性，控制方法和单片机核心的电路设计的基本方法和技术，通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。这次的课程设计是很难得，其中也有很多不懂得地方，但正是这样，我才能在从中学到很多的东西！通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，了解开发一单片机应用系统的全过程，为今后从事相应打下基础。本设计能自动显示自行车行驶的总里程数及行车速度，具有超速信响报警提醒以及里程数
23、据自动记忆的功能，也可应用于电动自行车、摩托车、汽车等机动车的仪表上。由于本系统采用的是动态扫描LED显示且共阴数码管的驱动电流不是很大，所以数码管的显示不是特别亮。但可以通过更换小点的电阻增大其驱动电流（最大驱动电流不能超过20毫安）使数码管变得更亮。参考文献1 李玉峰、倪虹霞. MCS-51系列单片机原理与接口技术. 第一版. 北京：人民邮电出版社. 20042 周兴华. 手把手教你学单片机. 第一版.北京：北京航空航天大学出版社. 20053 曾一江. 单片微机原理与接口技术. 第一版.北京：科学出版社. 20064 张俊谟. 单片机中级教程原理与应用. 第二版. 北京：北京航空航天大学
24、出版社. 2006. P1-115 张友德 、赵志英、涂时亮. 单片机微型机原理、应用与实验.第五版.上海：复旦大学出版社. 2006. P24-276 吕泉. 现代传感器原理及应用. 第一版. 北京：清华大学出版社. 2006. P1-57 张毅刚、彭喜元. 单片机原理与应用设计. 第一版. 哈尔滨：哈尔滨工业大学. 8 谢自美.电子线路设计.实验.测试M.武汉：华中科技大学出版社，20009 曲家骇，王季秩 ，伺服控制系统中的传感器10 邬宽民.单片机外围器件实用手册，数据传输接口器件分册.北京.北京航空航天大学出版社.2001：189-19511 王贵悦，新编传感器实用手册.水利电力出版
25、社.2002：67-8912 自行车电子里程表的初步设计 刁文兴 南京工业职业技术学院 后勤总公司 江苏 南京 13 数字式汽车里程表的设计 诸德宏, 潘天红, 朱湘临 江苏大学电气信息工程学院 , 江苏 镇江 14 电子车速里程表的单片机实现方案王锁弘， 威海双丰电子传感有限公司 山东 威海 15 张福学。传感器使用电路150例.中国技术出版社M.1992年16 Embedded Microcontrollers and Processor Design，嵌入式微控制器与处理器设计，Greg Osborn，机械工业出版社17 Altium Designer (Protel),机械工业出版社1
26、8 Programming 8-bit PIC Microcontrollers in C with Interactive Hardware Simulation, 8位单片机C语言编程:基于PIC16 ,Martin P. Bates,人民邮电出版社附录1：元件清单元件型号数量元件型号数量传感器24C011个瓷片电容30P2个分频器TC40241个晶振12M1个单片机集成块AT89C521个覆铜板BIG 1块电阻3301个LED数码管PLT75361AS3个电阻1 K2个蜂鸣器PASSED1个电阻4.7K9个三极管901210137个电阻8.2 K3个发光二极管3个电阻1.8K3个自锁开关
27、6个电解电容10F1个附录2: 系统完整源程序以下是控制系统完整源程序; SPEED/MILE OR IKE PROGRAM ; 60H，61H，62H作里程计数单元，6CH，6DH作T1计数扩充单元，; 68H，69H，6AH，6BH存放自行车每圈时间数，70H，71H，72H，73H; 作显示BCD码存放数用，11H15H存放被除数，16H-19H存放除数; 定义 VSDA EQU P1.5 ; EEPROM数据传送口 VSCL EQU P1.4 ; EEPROM时钟传送口 SLA EQU 50H ; EEPROM器件寻址字节存放单元 NUMBYT EQU 51H ; EEPROM传送字节
28、数存放单元 MTD EQU 30H ; EEPROM发送数据缓冲单元 MRD EQU 40H ; EEPROM读出数据存放单元 SLAW EQU 0A0H ; EEPROM寻址字节写 SLAR EQU 0A1H ; EEPROM寻址字节读 DPHH EQU 62H ; DPTR计数扩展高8位 TH1H EQU 6CH ; 定时器T1扩展高8位 TH1HH EQU 6DH ; 定时器T1扩展高8-16位; PRO GRAM INPUT ; ORG 0000H;程序执行开始地址 LJMP START;跳至START ORG 0003H;外中断0中断程序入口 LJMP INTEX0;跳至INTEX0
29、中断服务程序 ORG 000BH;定时器T0中断程序入口 RETI ;中断返回 ORG 0013H;外中断1中断入口 LJMP INTEX1; 跳至INTEX1中断服务程序 ORG 001BH; 定时器T1中断程序入口 LJMP INTT1; 跳至INTT1中断服务程序 ORG 0023H;串口中断入口地址 RETI ;中断返回 ORG 002BH;定时器T2中断入口地址 RETI ;中断返回; PROGRAM CLEAR ;上电初始化程序CLEARMEN: MOV TMOD, #90H ;T1为16位外部控制定时器 MOV SP, #75H ;堆栈在75H开始 SETB PX0 ;外中断0优
30、先级为1 SETB IT0 ;外中断0用边沿触发 SETB IT1 ;外中断1用边沿触发 MOV 20H, A ;清内存中特定单元 MOV 6CH, A ; MOV 6DH, A ; MOV 70H, A ; MOV 71H, A ; MOV 72H, A ; MOV 73H, A ; MOV 60H, A ; MOV 61H, A ; MOV 62H, A ; MOV 63H, A ; 清内存中特定单元 DEC A ;A为#0FFH MOV 68H, A ;内存置数据#0FFHMOV 69H, A ;内存置数据#0FFH MOV 6AH, A ;内存置数据#0FFH MOV 6BH, A ;
31、内存置数据#0FFH MOV P1, A ;P1口置1CLEAR1: JB P1.2, KEY1 ;根据P1.2,P1.3,P1.6,P1.7设置状态 ; 在21地址单元赋自行车周长 值 MOV 21H, #0FH ; 22寸自行车周长值 LJMP CLEAR2 ; 转CLEAR2KEY1: JB P1.3, KEY2 ; MOV 21H, #12H ; 24寸自行车周长值 LJMP CLEAR2 ; CLEAR2KEY2: JB P1.6, KEY3 ; MOV 21H, #14H ; 26寸自行车周长值 LJMP CLEAR2 ; 转CLEAR2KEY3: JB P1.7, ERR ; 四
32、个开关都没合上，转出错处理 MOV 21H, #19H ; 28寸自行车周长值CLEAR2: SETB TR1 ; 开定时器T1 SETB EA ; 开中断允许 SETB EX0 ; 开外中断0 SETB ET1 ; 开定时中断T1 SETB P3.1 ; 关报警器 LCALL VIICREAD ; 将EEPROM中原里程数据调入内存 RET ; 子程序返回ERR: CPL P3.1 ; 轮周长设置出错，LED灯闪提醒 ALL DL5S ; 延时 LJMP CLEAR1 ; 重新初始化，等待轮周长设置开关合上 ; PROGRAM START ;START: LCALL CLEARMEN ; 上
33、电初始化START1: JB P3.0, DISPLAYS ; P3.0=1，显示里程 LCALL DISPLAYV ; 显示速度START2: SJMP START1 ; 转START1循环; INTEX0 PROGRAM ; 里程计数程序，用外中断0实现，计数用60H-62H内存单元。INTEX0: PUSH ACC ; 累加器堆栈保护 PUSH PSW ; 状态字堆栈保护 INC 60H ; 圈加1 CLR A ; 清A CJNE A, 60H, INTEX0OUT ; 计数没溢出转INTEX0OUT INC 61H ; 溢出进位（61H加1） CJNE A, 61H, INTEX0OU
34、T ; 计数没溢出转INTEX0OUT INC 62H ; 溢出进位（62H加1）INTEX0OUT: LCALL VIICWRITE ; 里程数据存入EEPROM SETB EX1 ; 开外中断1 POP PSW ; 状态字恢复 POP ACC ; 累加器恢复 RETI ; 中断返回; INTEX1 PROGRAM ; 每转1圈时间计数处理程序，每圈时间放在68H-6BH单元中。INTEX1: PUSH ACC ; 堆栈保护 PUSH PSW ; CLR EX1 ; 关外中断1 JNB 00H, INTEX11 ; 溢出标志为0转INTEX11 MOV TL1, #0FFH ; 溢出时计时单元赋#0FFH（显示速度为零） MOV TH1, #0FFH ; MOV 6CH, #0FFH ; MOV 6DH, #0FFH ;INTEX11: MOV 68H, TL1 ; 将时间计数值移入暂存单元68H-6BH MOV 69H, TH1 ; MOV 6AH, 6CH ; MOV 6BH, 6DH ; CLR A
