健身单车速度里程测量系统设计大学毕设论文.docx

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健身单车速度里程测量系统设计大学毕设论文

基于单片机自行车测速系统设计

摘要

随着居民生活水平的不断提高，自行车不再仅仅是普通的运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。

自行车的速度里程表能够满足人们最基本的需求，让人们能清楚地知道当前的速度、里程等物理量。

本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车的速度里程表的设计。

以AT89C52单片机为核心，ITR9606红外传感器测转数，实现对自行车里程/速度的测量统计，采用24C02实现在系统掉电的时候保存里程信息，并能将自行车的里程数及速度用LCD实时显示。

文章详细介绍了自行车的速度里程表的硬件电路和软件设计。

硬件部分利用霍尔元件将自行车每转一圈的脉冲数传入单片机系统，然后单片机系统将信号经过处理送显示。

软件部分用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。

该系统硬件电路简单，子程序具有通用性，完全符合设计要求。

关键词：

里程/速度；红外线传感器元件；单片机；LCD显示

Bikespeedsystemdesignbasedonsinglechip

ABSTRACT

Withthedevelopingofpeople’slife,thebicycleisnotonlytheuniversaltooloftransportationandsubstituteforwalking,butbecomesthefirstchoiceofentertainmentandexercising.Thebicyclemileage/speedcanfulfillthebasicneedofpeople’slife,sothattheycanlearnthespeedandthemileageofthebicycle.Inthispaper,thebicyclemileage/speeddesignbasedontheHallelementiselaborated.ByAT89C52askernel,usingITR9606Hallelementtomeasurerevolution,themeasureandstatisticareachieved.Therangeinformationissavedby24C02whenthepowerisoff,thebicyclespeedcanbedisplayedonLCD.Inthisarticle,thehardwarecircuitandsoftwaredesignofbicyclemileage/speedinstrumentareintroducedindetail.Aboutthehardware,thepulsenumberistransmittedofonecycleofthebicycleintoSingleChipMicrocomputersystem.ThenthesignalprocessedbySingleChipMicrocomputersystemissenttodisplayscream.Aboutthesoftware,inassemblelanguage;theprogramisdesignedinthemodeofmodules.Thesystemhassimplehardware,commonsub-program,andmeetsthedemandofdesign.

Keyword：

Mileage/speed;Hallelement;Singlechipmicrocomputer;LCD

1引言…………………………………………………………………………………1

2系统总方案论证与分析……………………………………………………………2

2.1课题主要任务及内容……………………………………………………………………2

2.2任务分析与实现………………………………………………………………2

2.3硬件方案设计…………………………………………………………………3

2.4软件的方案设计………………………………………………………………5

3硬件电路设计…………………………………………………………………6

3.1概述……………………………………………………………………………6

3.2系统总电路图……………………………………………………………………6

3.3单片机简介………………………………………………………………………7

3.3.1单片机的引脚功能介绍………………………………………………………7

3.3.2单片机中断系统介绍………………………………………………………11

3.4传感器及其测量系统…………………………………………………………11

3.5单片机外围电路的设计………………………………………………………12

3.5.1时钟电路的设计……………………………………………………………12

3.5.2复位电路的设计……………………………………………………………12

3.5.3显示电路的设计……………………………………………………………13

4软件程序设计……………………………………………………………………17

4.1概述……………………………………………………………………………17

4.2中断程序的设计………………………………………………………………17

4.3总程序的设计…………………………………………………………………18

4.4本章小结………………………………………………………………………22

5系统的调试………………………………………………………………………23

5.1硬件调试………………………………………………………………………23

5.2软件调试………………………………………………………………………23

5.3故障分析与解决方案…………………………………………………………25

6结论……………………………………………………………………………27

参考文献……………………………………………………………………………28

致谢………………………………………………………………………………30

1引言

随着人们生活水平的逐渐提高，人们对于生活质量的要求也日益增加，尤其是对健身的要求。

自行车在中国普遍作为代步工具。

而在国外，自行车却是一项十分受欢迎的健身运动。

因为它无污染，价位低廉，老少皆宜。

而且在运动过程中可以充分享受到大自然，对于忙碌的现代人来说，无疑是一种较好的放松方法。

在中国这种情况也在慢慢发生变化。

因此爱好自行车运动的人十分学要一款能测速的装置，以知道自己的运动情况。

并根据外界条件，如温度，风速等进行适当的调节，已达到最佳运动的效果。

而对于自行车运动员来说，最为关心的莫过于一段时间内的训练效果。

因为教练要根据一段时间内运动员的训练效果进行评估，从而进行适当的调整已使运动员达到最佳的状态。

因此需要一种装置进行对训练中各种参数的测定记录[1]。

  码表主要针对那些业余爱好者，他们运动一般会选择晴朗凉爽的天气进行运动，所以温度和风速对运动员几乎没影响，只要能精确的测量速度和里程以及时间即可。

并能在运动员达到预期运动量后能准确提醒运动员已达到预期要求[2]。

  本设计以AT89C52单片机为主控芯片，把红外线传感器传来的脉冲信号进行处理，预算，精确的计算出行驶的速度和里程，然后在传送给LCD显示器，从LCD上显示出运动的一系列数据，而且还可以通过显示器进行人机对话，可以通过显示器和键盘进行一些参数的设置，比如像将要安装的自行车的轮圈的半径设置，以及预设运动量的和时间的设置。

这些都需要通过显示器进行设置，其中的时间是用芯片内自带的计数器进行计数的。

  本设计是以AT系列单片机为主控制芯片，采用红外线元件检测小车行驶速度。

程序用C语言编写，由主程序、外部中断服务程序、定时器中断服务程序、延时子程序等模块组成。

主程序主要完成程序的初始化和键盘处理，外部中断服务程序由测量、计算、读数等部分组成。

2系统总方案论证与分析

2.1课题主要任务及内容

本课题主要任务是利用红外线传感器、单片机等部件设计一个可用LCD液晶显示器实时显示里程和速度的自行车的速度里程表。

本文主要介绍了自行车的速度里程表的设计思想、电路原理、方案论证以及元件的选择等内容，整体上分为硬件部分设计和软件部分设计。

本文首先扼要对该课题的任务进行方案论证，包括硬件方案和软件方案的设计；继而具体介绍了自行车的速度里程表的硬件设计，包括传感器的选择、单片机的选择、显示电路的设计；然后阐述了该自行车的速度里程表的软件设计，包括数据处理子程序的设计、显示子程序的设计；最后针对仿真过程遇到的问题进行了具体说明与分析，对本次设计进行了系统的总结。

具体的硬件电路包括AT89C52单片机的外围电路以及LCD显示电路等。

软件设计包括：

芯片的初始化程序、定时中断采样子程序、显示子程序等，软件采用汇编语言编写，软件设计的思想主要是自顶向下，模块化设计，各个子模块逐一设计。

2.2任务分析与实现

本设计的任务是：

以通用MCS-51单片机为处理核心，用传感器将车轮的转数转换为电脉冲，进行处理后送入单片机。

里程及速度的测量，是经过MCS-51的定时/计数器测出总的脉冲数和每转一圈的时间，再经过单片机的计算得出，其结果通过LCD显示器显示出来。

本系统总体思路如下：

假定轮圈的周长为L，车轴上装一个有缺口的圆版，在圆板的外侧装置一个红外线传感器，车轮转动一圈经，红外传感器及记录一次输入信号。

综合分析，本设计中取m=1。

当轮子每转一圈，通过红外线传感器采集到一个脉冲信号，并从引脚P3.2中断0端输入，传感器每获取一个脉冲信号即对系统提供一次计数中断。

每次中断代表车轮转动一圈，中断数n轮圈的周长为L的乘积为里程值。

计数器T1计算每转一圈所用的时间t，就可以计算出即时速度v。

要求达到的各项指标及实现方法如下：

1.利用红外传感器里程数的脉冲信号。

2.对脉冲信号进行计数。

实现：

利用单片机自带的计数器T1对红外传感器脉冲信号进行计数。

3.对数据进行处理，要求用LCD显示里程总数和即时速度。

实现：

利用软件编程，对数据进行处理得到需要的数值。

最终实现目标：

自行车的速度里程表具有里程、速度测试与显示功能，采用单片机作控制，显示电路可显示里程及速度。

2.3硬件方案设计

测速，首先要解决是采样的问题。

使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。

只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，将脉冲送入单片机中进行计算，即可获得转速的信息。

常用的测速元件有霍尔传感器、光电传感器和光电编码器。

里程测量传感器的选择也有以下几种方案：

利用编码器对车轮的圈数进行测量、利用霍尔传感器对里程进行测量、利用红外线传感器进行里程测量。

使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的齿轮盘上粘上一粒磁钢，霍尔元件固定在前叉上，当车子转动时霍尔元件靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。

如果在齿轮盘上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。

这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛[3]。

红外线传感器具光源稳点，操作简单功耗低的优点，相比霍尔传感器安装简单，对磁场的抵抗力较强，且使用较为简单。

故本文采用红外线传感器进行信号的采集[4]。

本文采用的红外线传感器为ITR9606，ITR9606的包含一个红外发光二极管和一个NPN型硅光电晶体管,该元件是个4端元件，外观、平面图如图1图2所示：

图1

图2

单片机由于将CPU、内存和一些必要的接口集成到一个芯片上，并且面向控制功能将结构作了一定的优化，所以它有一般芯片不具有的特点：

1.体积小、重量轻；

2.电源单一、功耗低；

3.功能强、价格低；

4.全部集成在一块芯片上，布线短、合理；

5.数据大部分在单片机内传送，运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高[5]。

目前，单片机被广泛的应用于测控系统、工业自动化、智能仪表、集成智能传感器、机电一体化产品、家用电器领域、办公自动化领域、汽车电子与航空航天器电子系统以及单片机的多机系统等领域。

在设计中选用的是AT89C52单片机。

图3系统的原理框图

2.4软件的方案设计

通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可读性，遵循模块化设计的原则，采用自顶向下的设计方法。

模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。

软件设计包括主程序、行车过程中里程和速度计算子程序、延时子程序、中断服务子程序、显示子程序等等。

中断子程序是将传感器产生的信号接入外部中断0，将经过74LS74分频后的信号接入外部中断1，利用中断和定时器对分别对里程进行累加、每转一周的时间进行测量。

数据处理子程序是将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有一定的对应关系，经过软件编程显示所需要的值。

显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示。

系统软件总体流程图如图4所示

。

图4软件总体流程图

3硬件电路设计

3.1概述

自行车的速度里程表的硬件电路设计是基础部分，它包括信号的捕获、放大、整形，单片机的计算处理，数码管的实时显示和单片机外围基本电路的设计，两大主要器件就是传感器和单片机。

传感器是获取自然或生产领域中信息的关键器件，是现代信息系统和各种设备不可缺少的信息采集工具。

光敏传感器是一种将光学量信号转变为电信号的器件或装置。

随着信息产业、工业自动化、医疗仪器等的飞速发展和计算机应用的普及，需要大量的传感器将被测或被控的非电信号转换成可与计算机兼容的电信号。

作为输入信号，这就给光敏传感器的快速发展提供了机遇，形成了光学传感器的产业。

其中最具代表的磁传感器就是红外线传感器，在自动检测系统中，利用红外线传感器测转数是一种最基本的测量工作[6]。

单片机是本次设计的核心部件，它是信号从采集到输出的桥梁，而且包括计算、定时、信息处理等功能[7]。

3.2系统总电路图

3.3单片机简介

单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（Read-onlyMemory）、基本输入/输出（Input/Output）接口电路。

定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机从而实现微型计算机的基本功能。

单片机内部结构示意图如图5所示[8]。

图5单片机内部结构示意图

3.3.1单片机的引脚功能介绍

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制场合应用。

如图6所示

图6AT89C52引脚图

AT89C52提供以下标准功能：

8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，5个中断源，一个全双工串行通信口，片内具有振荡器及时钟电路。

AT89C52管脚图如图5所示。

主要性能参数：

MCS-51产品指令系统完全兼容4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

1000次擦写周期

4.0-5.5V的工作电压范围

全静态工作模式：

0HZ-33MHZ

三级程序加密锁

128*8字节内部RAM

32个可编程I/O口线

2个16位定时/计数器

6个中断源

全双工串行UART通道

低功耗空闲和掉电模式

中断可从空闲模式唤醒系统

看门狗（WDT）及双数据指针

掉电标示和快速编程特性

灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）

功能特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位[9]。

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下表所示：

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输入口）

P3.2

/INTO（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（计时器0外部输入）

P3.5

T1（计时器1外部输入）

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）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

 XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度[10]。

3.3.2单片机中断系统介绍

中断是指当计算机执行正常程序时，系统中出现某些急需处理的事件，CPU暂时中止当前的程序，转去执行服务程序，以对发生的更紧迫的事件进行处理，待处理结束后，CPU自动返回原来的程序执行AT89C52系列单片机的系统有5个中断源，2个优先级，可实现二级中断服务嵌套。

由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各优中断源的优先级；同一优先级内各终端同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。

采用的外部中断方式包括外部中断0和外部中断1，它们的中断请求信号分别由单片机引脚/P3.2和/P3.3输入[11]。

外部中断请求有两种信号方式：

电平触发方式和脉冲触发方式。

电平触发方式的中断请求是低电平有效。

只要在和引脚上出现有效低电平时，就激活外部中断方式。

脉冲触发方式的中断请求则是脉冲的负跳变有效。

在这种方式下，在两个相邻机器周期内，和引脚电平发生变化，即在第一个机器周期内为高电平，第二个机器周期内为低电平，就激活外部中断。

由此可见，在脉冲方式下，中断请求信号的高电平和低电平状态都应至少维持一个机器周期，以使CPU采样到电平状态的变化，本次设计所采用的触发方式为脉冲触发方式[12]。

3.4传感器及其测量系统

本次设计信号的捕获采用的是红外线传感器。

 红外传感器件具有许多优点，它们的结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHz）、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。

红外线性器件的精度高、线性度好；红外开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。

取用各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

按照红外器件的功能可将它们分为：

红外线性器件和红外开关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。

通过它，将许多非电、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、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制[13]。

3.5单片机外围电路的设计

3.5.1时钟电路的设计

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

AT89C52片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。

常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式[14]。

本设计采用前者。

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该