自行车码表设计毕业论文Word格式文档下载.doc
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1.1开发背景及意义 2
1.1.1开发背景以及码表 2
1.1.2开发的意义 2
1.2设计内容 3
第2章系统方案论证与分析 4
2.1系统方案 4
2.1.1系统概述 4
2.1.2系统原理 5
2.1.3采集信息部分以及传感器的选择 5
2.2单片机系统部分 6
2.2.1主控芯片选择 6
2.3数据处理并显示模块 6
2.3.1多位LED数码管显示 6
2.3.2128*64LCD显示 7
2.4键盘部分及所需芯片选择 8
2.4.1ZLG7290芯片特点 9
第3章系统硬件设计 10
3.1系统设计图 10
3.2SST89E516主控芯片 10
3.2.1芯片一般通用暂存器 10
3.3脉冲发生源 12
3.3.1显示模块 15
3.4键盘及ZLG7290芯片 16
3.4.1芯片引脚及说明 16
3.4.2引脚功能 17
第4章系统软件设计 19
4.1软件系统设计 19
4.2液晶显示 20
4.2.1显示器具体指令介绍 21
4.3键盘输入部分 24
第5章系统测试结果分析 26
5.1系统各模块仿真结果及分析 26
5.1.1系统运行结果分析 27
结 论 30
参考文献 31
致 谢 33
附 录 34
前 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。
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。
本设计以SST89E516单片机为主控芯片，把霍尔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SST系列单片机为主控制芯片，采用霍尔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。
第1章绪论
1.1开发背景及意义
1.1.1课题背景
在这个背景下，自行车里程表作为自行车的一大辅助工具迅速发展起来.科学、美观、合理设计自行车里程表有一定的实用价值.它能合理计算出速度及公里数,使运动者运动适量,达到健康运动与代步的最佳效果.码表能尽可能真实地反映骑行状况，便于车手及时调整自己的举动，也便于收集骑行数据供自己或队友们进行参考和对比。
自行车码表一般由安装于前车圈钢条上的感应磁铁、前叉上的感应器、顺着前叉蜿蜒而上的连接线、置于握把上面的码表座和座上面的码表。
码表的工作原理是：
车圈旋转时感应器捕捉到感应磁铁带来的信息，通过连接线传输至码表，码表对此进行处理后计算出时速、里程等信息并显示。
它能够让我们比较精确的知道自己的当前速度、骑行时间、单次里程、总里程、平均速度、最高速度等。
1.1.2课题的意义
本设计就是针对普通运动员在运动中不能很好的把握自己达到了多大的速度，行驶了多远的距离而设计的。
以往的码表只能进行测量速度，里程，时间，温度等数据，虽然能实现很多的功能，但是其中的一些功能不适合自行车业余爱好者，浪费资源，而且性价比也低，而且也不能很好的把握当前运动量，从而不能很好的实现娱乐和锻炼的效果。
而本设计却能实现娱乐和锻炼的双重效果，而且相对业余爱好者性价比更高。
1.2KeilC介绍
KeilC51µ
Vision3集成开发环境是KeilSoftware，Inc/KeilElektronikGmbH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。
KeilC51集成开发环境的主要功能有以下几点：
（1）µ
Vision3是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中。
（2）C51国际准化C交叉编译器，从C源代码产生可重定位的目标模块。
（3）A51宏汇编器，从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块。
（4）BL51链接器/定位器，组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。
（5）LIB51库管理器，从目标模块生成连接器可以使用的库文件。
（6）OH51目标文件至HEX格式的转换，从绝对目标模块生成Hex文件。
（7）RTX-51实时操作系统，简化了复杂的实时应用软件项目的设计。
此软件可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平。
支持在线仿真，纯软件信仿真，多种调试方式（单步、全速等），其应用相对简单，很容易就可以掌握该软件的基本操作用法，可以用C语言和汇编两种语言进行编程，还可混编，支持C语言的编程对初学者提供了很大方便，在调试过程中，可通过相关工具，直接查看变量的即时结果，目标代码的生成也容易。
1.3设计内容
1.以SST89E516单片机为主控制芯片。
2.以128*64LCD为显示终端显示自行车时速、里程等信息及系统设置等系统设置菜单。
3.能够人工设置设备安装信息以提高测量精度，提供时速、里程、平均速度、时间等信息。
4.能够预设运动量（比如预设速度，里程），实现报警功能。
第2章系统方案论证与分析
2.1系统方案
信号
放大器
整形变换
单片机
LCD显示
数字存储电路
键盘控制
图2-1系统总体设计框图
2.1.1系统概述
本系统由信号预处理电路、单片机SST89E516、128*64LCD显示模块、键盘控制和系统软件组成。
其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。
对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；
波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的TTL信号；
通过单片机的设置可使内部定时器T1对脉冲输入引脚T0进行控制，这样能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；
设计中速度显示采用LCD模块，通过速度换算得来的里程数采用I2C总线并通过E2PROM来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。
2.1.2系统原理
该设计能实时地将所测的速度与累计里程数显示出来，主要是将传感器输入到单片机的脉冲信号的频率（传感器将不同车速转变成不同频率的脉冲信号）实时地测量出来，考虑到信号的衰减、干扰等影响，在信号送入单片机前应对其进行放大整形，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串口数据存储器，并由LCD显示模块显示所测速度与里程。
本设计的里程数的算法是一种大概的算法（假设在一定时间内自行车是匀速行进，平均速度与时间的乘积即为里程数）。
设计时，应综合考虑测速精度和系统反应时间。
本设计用测量脉冲频率来计算速度，因而具有较高的测速精度。
在计算里程时取了自行车的理想状态。
本设计的速度和里程值采用8位显示，并包含两个小数位。
2.1.3采集信息部分以及传感器的选择
信息采集部分可以选用的传感器种类一很多，例如磁感应传感器，光电感应传感器，金属传感器等，而考虑到实际可操作性以及设计要求方面，本设计选用的传感器为光电传感器。
霍尔传感器由永久磁铁和开关型霍尔集成电路组成。
霍尔集成电路由霍尔元件、放大器、整形电路及集电极开路输出等部分组成，其功能是把磁信号转换成电信号，霍尔元件为磁敏元件，当垂直于霍尔元件的磁场强度发生变化时，其两端的电压就会发生变化，经放大和整形即可输出脉冲电信号[2]。
ST1101采用高输出的红外光电二极管与高灵敏度光敏晶体管组成，其特点是性能可靠，体积小，结构简单，广泛应用于码表。
表2-1主要参数
输入
正向电流
IF
50
mA
反向电压
Vr
6
v
耗散功率
P
75
mW
输出
集-射电压
Vceo
25
V
射-集电压
Veco
集电极功耗
Pc
2.2单片机系统部分
2.2.1主控芯片选择
码表主要以单片机为主控芯片，而能是想其功能的芯片却有很多，本设计选用的是SST89E516RD。
SST89E516RD是8位集成存储器的51系列兼容单片机，和51系列单片机软件兼容、开发工具兼容、管脚也兼容。
SST89E516RD片内有两块SuperFlashEEPROM，分为64K主块（Block0）和8K次块（Block1）。
Block0的地址范围是0000H～ffffH；
Block1的地址范围是10000h～11fffh。
做仿真器时Block1存储区烧写SoftICE仿真监控程序。
SST89E516RD具有在应用可编程（IAP）和在系统可编程（ISP）的功能，其中IAP是通过串口实现的。
由于SST89E516RD具有两块独立的SuperFlash程序存储区，当监控程序在Block1存储区中运行时可以改写Block0程序存储区中的程序，使用在线SoftICE模式，不需要反复的将调试程序下载到单片机中，避免了单片机的老化损坏，可方便的与KeilC实现SoftICE在线仿真调试功能[3]。
2.3数据处理并显示模块
2.3.1多位LED数码管显示
1.数码管动态显示
有多位LED数码管显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由FPGA的一个8位的I/O口控制，而每一位LED数码管的公共阴极或者公共阳极分别由FPGA的其它的I/O口线控制。
对于8位的LED数码管显示，可用采用程序控制的方法，通过不断的移位发送选中要显示的数码管。
可见在整个显示模块中至少要9根I/O口线。
因为是动态显示，所以需要定时刷新LED数码管。
为了稳定的显示，在多位LED数码管显示时需要有很高的数据刷新频率，否则会导致显示效果有些闪烁[4]。
2.数码管静态显示
在多位LED数码管显示时，为了能够显示效果较好，简化电路，把每一位LED数码管的公共阴极或公共阳极通过串行限流电阻后接地或者接+5V，而每位LED数码管的段选线（a、b、c、d、e、f、h）与一片74LS164的4位并行输出口相连接。
因为FPGA是并行工作的，故此时FPGA同时发送36个数据用于锁定9个显示的数码管。
这样不用通过不断地刷新来改变显示数据，也没有延时，数码管也不会因为频率低而闪烁，只有FPGA发送的数据改变时数码管才发生相应改变。
2.3.2128*64LCD显示
1.128*64LCD串口方式显示
当PSB脚接低电位时，模块将进入串行模式。
从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输起始字节，它需先接收到五个连续的‘1’（同步位字符串），在起始字节，此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步，再跟随的两位字符串分别指定传输方向位（RW）及寄存器选择位（RS），最后第八位则为‘0’。
在接收到同步位及RW和RS资料的起始字节后，每一个八位的指令将被分为两个字节接收到：
高4位（DB7~DB4）的指令资料将会被放在第一个字节的LSB（最低有效位）部分，而低4位（DB3~DB0）的指令资料则会被放在第二个字节的LSB部分，至于相关的另四位则都为‘0’。
2.128*64LCD并口方式显示
当PSB脚（OCMJ4X16A/B）接高电位时，模块将进入并行模式，在并列模式下可由指令DLFLAG来选择8位或4位接口，主控制系统将配合（RS,RW,E,DB0～DB7）来达成传输动作。
从一个完整的流程来看，当下设定地址指令后（CGRAM,DDRAM）若要读取数据时需先DUMMYREAD一次，才会读取到正确数据，第二次读取时则不需DUMMYREAD，除非再进行下设定地址指令才需再次DUMMYREAD。
在4位传输模式中，每一个八位的指令或数据都将被分为两个字节动作：
较高4位（DB7~DB4）的资料将会被放在第一个字节的（DB7~DB4）部分，而较低4位（DB3~DB0）的资料则会被放在第二个字节的（DB7~DB4）部分，至于相关的另四位则在4位传输模式中DB3~DB0接口未使用。
鉴于并口传输方式可以大大地减少系统对时钟的考虑，并且可以提高系统的效率以及减少延时带来的误差，故采用并口传输方式。
并口传输信号时如图2-2示。
图2-2LCD并口传输信号图
本设计采用的是128*64LCD液晶显示。
主要参数：
（1）工作电压（VDD）：
4.5～5.5V。
（2）逻辑电平：
2.7～5.5V。
（3）LCD驱动电压（Vo）：
0～7V。
（4）工作温度（Ta）：
0～55℃（常温）/-20～75℃（宽温）。
（5）保存温度（Tstg）：
-10～65℃（常温）/-30～85℃（宽温）。
2.4键盘部分及所需芯片选择
键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。
键盘分两大类：
编码键盘和非编码键盘。
编码键盘：
由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。
每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。
这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况。
非编码键盘：
只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。
有：
独立式按键结构、矩阵式按键结构[5]。
首先，确定键盘编码方案：
采用编码键盘或非编码键盘。
随后，确定键盘工作方式：
采用中断或查询方式输入键操作信息。
然后，设计硬件电路。
非编码键盘系统中，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成。
键盘是单片机系统设计中一种主要的信息输入接口，合理的设计，不仅可以节省系统的设计成本，更可使仪器设备的操作变得更为简单、方便，很大程度上提高系统综合性能。
本设计中，码表要设置很多参数，所以需要输入很多数据，所以本设计中的键盘部分是选用的ZLG7290I2接口键盘。
键盘只需要12个，分别为0~9十个数和小数点以及确认键[6]。
2.4.1ZLG7290芯片特点
选用的ZLG7290具有以下特点：
（1）I2C串行接口，提供键盘中断信号，方便与处理器接口。
（2）可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键。
（3）可控扫描位数可控任一数码管闪烁。
（4）提供数据译码和循环，移位，段寻址等控制。
（5）8个功能键，可检测任一键的连击次数。
（6）无需外接元件即直接驱LED，可扩展驱动电流和驱动电压。
（7）提供工业级器件，多种封装形式PDIP24，SO24。
第3章系统硬件设计
3.1系统设计图
128*64LCD显示器
SST89E516主控芯片
ZLG7920
芯片
传感器
喇叭
键盘
AT24C02
图3-1系统框图
本设计采用的是128*64液晶显示器，以ZLG7290作为控制芯片的键盘，以SST89E516作为系统的主控芯片。
3.2SST89E516主控芯片
3.2.1芯片一般通用暂存器
ACC：
最重要的暂存器，运算资料转移都透过ACC。
PC：
程式计数器，记载着程式下一个待执行指令位址。
B暂存器：
用于乘法，除法指令的辅助暂存器。
PSW程式状态字组：
记录程式云作时，CPU各种状态。
SP堆叠指标：
重置（RESET）時，堆叠指标设为07H。
DPTR资料指标暂存器：
16位元暂存器，由DPH、DPL两个8位元暂存器阻成。
工作暂存器：
共有RB0、RB1、RB2、RB3四组工作暂存器库。
每个暂存器库有个88位元暂存器，分別为R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7[7]。
图3-2最小系统电路图
数据存储结构：
表3-1系统结构存储结构
FFH-80H
8051特殊功能暂存器（SFR）
或是8052的间接定址资料区
7FH-30H
使用者的一般资料存放区
（亦可透过SP设定,存放堆叠资料）
20H-2FH
可位元定址区（20.0-20.7...2F.0.-2F.7）
10H-1FH
暂存器库RB3（R0-R7）
10H-17H
暂存器库RB2（R0-R7）
08H-0FH
暂存器库RB1（R0-R7）
00H-07H
暂存器库RB0（R0-R7）
3.3轮脉冲检测
1.轮脉冲检测
本设计采用了ST1101红外光电传感器，进行非接触式检测。
当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出
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