基于51单片机的自行车测速系统设计大学毕业论文毕业设计学位论文范文模板参考资料.docx
《基于51单片机的自行车测速系统设计大学毕业论文毕业设计学位论文范文模板参考资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的自行车测速系统设计大学毕业论文毕业设计学位论文范文模板参考资料.docx（34页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于51单片机的自行车测速系统设计大学毕业论文毕业设计学位论文范文模板参考资料
目录
摘要.......................................................1
引言………………………………………………………………………………………2
第1章系统方案分析与设计
1.1课程主要任务与内容………………………………………………………………3
1.2任务分析与实现……………………………………………………………………3
第2章系统单元模块与速度算法概述
2.1传感器选型…………………………………………………………………………4
2.2单片机选型…………………………………………………………………………5
2.3显示模块选型………………………………………………………………………6
2.4算法的概述…………………………………………………………………………6
第3章系统硬件设计
3.1单片机主控电路………………………………………………………………….7
3.1.1单片机概述………………………………………………………………………7
3.1.2单片机得引脚功能介绍…………………………………………………………8
3.1.3单片机中断系统介绍……………………………………………………………10
3.1.4单片机定时器/计数器功能介绍………………………………………………..10
3.2霍尔传感器的测温原理…………………………………………………………..11
3.3储存器电路………………………………………………………………………..13
3.474LS74芯片……………………………………………………………………….14
3.5时钟电路的设计……………………………………………………………………15
3.6复位电路的设计……………………………………………………………………16
3.7显示电路的设计……………………………………………………………………17
第4章系统软件设计
4.1概述……………………………………………………………………………………18
4.2总体程序设计………………………………………………………………………..18
4.3中断子程序设计………………………………………………………………………22
4.4里程计算子程序………………………………………………………………………23
4.5显示子程序的设计……………………………………………………………………24
总结与展望……………………………………………………………………..26
参考文献………………………………………………………………………..27
摘要
随着居民生活水平的不断提高，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。
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。
关键词：
单片机、LED显示、里程/速度、霍尔元件
引言
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，A44E霍尔传感器测转数，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LED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。
第一章系统总方案分析与设计
1.1课题主要任务及内容
本课题主要任务是利用霍尔元件、单片机等部件设计一个可用LED数码管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、霍尔元件以及LED显示电路等。
软件设计包括：
中断子程序设计，里程计算子程序设计，显示子程序设计。
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。
1.2任务分析与实现
本设计的任务是：
以通用AT89C52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AT89C52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LED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，在轮圈上安装m个永久磁铁，则测得的里程值最大误差为L/m。
经综合分析，本设计中取m=1。
当轮子每转一圈，通过开关型霍尔元件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和周长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。
当里程键按下时，里程指示灯亮，LED切换显示当前里程;当速度键按下时，速度指示灯亮，LED切换显示当前速度。
要求达到的各项指标及实现方法如下：
1.利用霍尔传感器产生里程数的脉冲信号。
2.对脉冲信号进行计数。
实现：
利用单片机自带的计数器T1对霍尔传感器脉冲信号进行计数。
3.对数据进行处理，要求用LED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。
第二章系统主要单元模块和速度算法概述
2.1传感器选型
方案一、光电传感器。
光电传感器是应用非常广泛的一种器件，各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。
以透射式为例，如图2-1所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。
为此可以制作一个遮光叶片如图2-2所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。
当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。
图2-1光电传感器的原理图
图2-2遮光叶片
将光敏电阻安装在自行车前又的一侧，在同等高度的另一侧安上一个高亮度的发光二极管。
在同等高度的辐条上贴上一圈黑色材料，并在黑色材料上打上等间距的小孔，这样当小孔经过光敏电阻时，光敏电阻根据光电流的变化发出脉冲，从而测量里程。
方案二、光电编码器
光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。
它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
如图2-3所示，是某光电编码器的外形。
图2-3 成品光电编码器
将旋转编码器安装在车轴上，这样每当车轮转过一定的距离编码器就会发出一个脉冲。
利用脉冲数对里程进行测量。
方案三、霍尔传感器
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040、A04E等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。
图2-4霍尔元件和磁钢实际图
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，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。
如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出,单片机根据脉冲数来计算里程。
霍尔元件和磁钢如图2-4所示。
在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。
光敏电阻对光特别敏感，当白天行驶时，外界光敏电阻对光特别敏感，当白天行驶时，外界光源导致光敏电阻发出错误信号；光敏电阻对环境的要求相当高，如果光敏电阻或发光二极管被泥沙或灰尘所覆盖，光敏电阻就不能再进行测量；在雾天和雨天光敏电阻的测量的效果也不好。
而编码器必须安装在车轴上，这样安装就会给用户带来很多不便。
霍尔元件不受天气的影响，即便被泥沙或灰尘覆盖对测量也不会有任何影响。
由霍尔元件加整形电路构成的霍尔开关系统，具有输出响应快，数字脉冲性能好，安装方便，性能可靠，不受光线、泥水等因素影响，价格便宜的优点。
所以本设计采用方案三霍尔传感器。
2.2单片机选型
本设计用89C52单片机设计自行车里程/速度计。
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本
2.3显示模块选型
单片机系统中常用的显示器有：
发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器等。
在这里由于单片机测速系统比较简单，所以只考虑LED显示器和LCD显示器。
LED显示器工作方式有两种静态显示方式和动态显示方式。
方案一LED静态显示器：
静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示字形码。
当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。
这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。
缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。
LED动态显示器：
动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。
这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。
选亮数码管采用动态扫描显示。
所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。
动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。
方案二用液晶显示器LCD显示信息。
LCD显示器工作原理就是利用液晶的物理特性；通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。
LCD的好处有：
与CRT显示器相比，LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。
LED背光源技术能够大幅度提升电视画面的对比度和色彩表现力，同时具有节能环保等诸多优点，势必成为未来电子显示技术的发展趋势。
LED技术具有非常明显的三大优势。
第一，它显示的色彩更加丰富，色彩数量可超过目前传统CCFL冷阴极荧光管背光灯的1倍以上；第二，LED背光源亮度可以随着画面亮度进行主动调节，可节能30%以上；第三，LED背光源不含铅和汞等有毒有害物质，是真正的绿色环保光源。
本课题选用LED动态显示器。
2.4算法概述
假定轮圈的周长为L，在轮圈上安装m个永久磁铁，则测得的里程值最大误差为L/m。
经综合分析，本设计中取m=1。
当轮子每转一圈，通过开关型霍尔元件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和周长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。
第三章系统硬件设计
3.1单片机主控电路
3.1.1单片机概述
单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM,ROM,EPROM）和各种输入、输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等），这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。
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。
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。
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；
本设计用89C52单片机设计自行车里程/速度计。
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
（背景色）
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
本设计选用AT89C52单片机，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8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。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
主要功能特性
1、兼容MCS51指令系统
2、8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；
3、32个双向I/O口；
4、256x8bit内部RAM；
5、3个16位可编程定时/计数器；
6、时钟频率0-24MHz；
7、2个串行中断，可编程UART串行通道；
8、2个外部中断源，共5个中断源；
9、2个读写中断口线，3级加密位；
10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。
单片机内部结构示意图如图3-1所示。
图3-1
3.1.2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。
图3-2AT89C52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2.3所示。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
1.Vcc：
电源电压。
2.P1口：
P1口是一8位双向I/O口。
P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。
当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流（IIL）。
P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
3.P3口：
P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
用作输入时,被外部拉低P3口引脚将用上拉电阻而流出电流（IIL）。
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表3-3所示。
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
4.RST：
复位输入。
RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
5.XTAL1：
作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。
6.XTAL2：
作为振荡器反相放大器的输出。
表3-3P3口的功能
P3口引脚
功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
RXD（串行输入端口）
TXD（串行输出端口）
INT0（外中断0）
INT1（外中断1）
TO（定时器0外部输入）
T1（定时器1外部输入）
3.1.3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
。
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。
3.1.4单片机定时器/计数器功能介绍
AT89C52单片机定时器/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断请求。
1.工作方式寄存器TMOD
工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式。
GATE：
门控制。
GATE=0时，只要用软件使TCON中的TR0或TR1为1，就可以启动定时/计数器工作；GATE=1时，要用软件TR0或TR1为1，同时外部中断引脚
或
也为高电平时，才能启动定时/计数器工作。
C/
：
定时/计数模式选择位。
C/
=0为定时模式；C/
=1时为计数模式。
M1M2：
工作方式设置位。
定时/计数器有4种工作方式，由M1M2进行设置。
本次设计TMOD为90H，即选通定时/计数器为1、定时功能、工作方式1.工作方式为16位定时/计数器。
2.控制寄存器TCON
TF1（TCON.7）定时/计数器T1溢出中断请求标志位。
定时/计数器T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。
CPU响应中断后TF1由硬件自动清零。
T1工作时，CPU可随时查询TF的状态。
所以，TF1可用作查询测试的标志。
TF1也可以用软件置1或清零，同硬件置1或清零的效果一样。
TR1（TCON.6）定时/计数器T1运行控制位。
TR1置1时，定时/计数器T1开始工作；TR1置0时，定时/计数器T1停止工作。
TR1由软件置1或清0。
TF0（TCON.5）定时/计数器T0溢出中断请求标志位。
TR0（TCON.4）定时/计数器T0运行控制位。
3.2霍尔传感器的测温原理
在信号脉冲发生源上，本系统采用的是开关型霍尔传感器。
以磁场作为媒介，利用霍尔传感器可以检测多种物理量，如位移、振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。
它不仅可以实现非接触测量，并且采用永久磁铁产生磁场，不需附加能源。
另外霍尔传感器尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠，因而获得极为广泛的应用。
除了直接利用霍尔传感器外，还利用它开发出各种派生的传感器。
金属或半导体薄片的两个端面通以控制电流Ic，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势Uh，称为霍尔电势或霍尔电压（如图l所示）。
霍尔电势Uh=KhIcB（其中Kh为霍尔元件灵敏度，它与所用的材料及几何尺寸有关）。
这种现象称为霍尔效应，而用这种效应制成的元件称为霍尔元件。
由于霍尔元件输出的电压信号较小，并且有一定温度误差，目前已较少直接使用霍尔元件作传感器。
霍尔传感器原理图如图3-4所示。
图3-4霍尔传感器磁场效应
本系统采用开关型霍尔传感器A04E。
开关型霍尔传感器是一种集成传感器，它内部含有霍尔元件、放大器、稳压电源、带一定滞后特性的比较器及集电极开路输出部分等，如图3-5所示。
图3-5开关型霍尔传感器内部结构图
开关型霍尔传感器的工作特性如图3-6所示。
图3-6开关型霍尔传感器工作特性
当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，但磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRE时，传感器才由低电平跃变为高电平。
升级会员 