自行车里程与速度计的设计本科论文.docx
《自行车里程与速度计的设计本科论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自行车里程与速度计的设计本科论文.docx（66页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
自行车里程与速度计的设计本科论文
题目自行车里程与速度计的设计
学生姓名学号
所在学院物电学院
专业班级电子信息工程
指导教师
完成地点物电学院实验室
2016年5月22日
自行车里程与速度计的设计
作者：
王
（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业,2012级3班，陕西汉中723000）
指导教师：
[摘要]设计主要阐述一种基于霍尔元件的自行车速度里程表的设计。
以STC89C51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，采用LCD1602显示自行车的里程数及速度。
文章详细介绍了自行车的速度里程表的硬件电路。
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C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。
[关键字]里程/速度；霍尔元件；单片机；LCD显示
Designofthebicyclemileageandspeedmeter
Author:
ZhongJianWang
（Grade12,Class3,Majorelectronicsandinformationengineering，SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineering，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723000，Shaanxi）
Tutor:
FangLiang
[Abstract]Inthispaper,thebicyclemileage/speeddesignbasedontheHallelementiselaborated.BySTC89C52askernel,usingA44EHallelementtomeasurerevolution,themeasureandstatisticareachieved.Savedby1602LCD,thebicyclespeedcanbedisplayedonLED.Inthisarticle,thehardwarecircuitdesignofbicyclemileage/speedinstrumentareintroducedindetail.Aboutthehardware,thepulsenumberistransmittedofonecycleofthebicycleintoSingleChipMicrocomputersystem.ThenthesignalprocessedbySingleChipMicrocomputersystemissenttodisplayscream.Aboutthesoftware,inClanguage;theprogramisdesignedinthemodeofmodules.Thesystemhassimplehardware,commonsub-program,andmeetsthedemandofdesign.
[Keywords]Mileage/speed;Hallelement;Singlechipmicrocomputer;LCD
1引言
1.1自行车的历史与发展
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。
因此，人们希望自行车的功用更强大，能给人们带来更多的方便。
自行车简易数字里程表作为自行车的一大辅助工具也随着这个需求而面世，其功能也逐渐从单一的里程显示发展到速度、时间显示。
本设计采用了MCS-51系列单片机设计一种体积小、操作简单的便携式自行车的速度里程表，它能自动地显示当前自行车行驶的里程及速度。
自行车被发明及使用到现在已有两百多年的历史，这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车，自行车发展的目的也从最早的交通代步的工具转换成休闲娱乐运动的用途。
1.2本设计研究的方法与意义
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1602液晶显示里程和速度的自行车速度里程表。
本文主要介绍了自行车的速度里程表的设计思想、电路原理和元件的选择等内容，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，包括单片机的选择、传感器的选择、显示电路的设计；然后简要阐述了自行车的速度里程表的软件设计思路；最后针对仿真过程遇到的问题进行了说明与分析，对本次设计进行了系统的总结。
具体的硬件电路包括AT89C51单片机的外围电路以及液晶显示电路等。
软件设计包括：
芯片的初始化程序、定时中断子程序、显示子程序等，软件采用C语言编写。
2系统硬件平台的设计
2.1总体设计方案说明
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LED显示器显示出来[2]。
本系统总体思路如下：
假定轮圈的周长为L，在轮圈上安装a个永久磁铁，则测得的里程值最大误差为L/a。
经综合分析，本设计中取a=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与轮圈的周长L的乘积为里程值。
计数器T1计算每转一圈所用的时间time，就可以计算出即时速度speed。
若自行车超过限定速度，系统发出报警信号，蜂鸣器响[3]。
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如图2.1。
图2.1系统框图
2.2单片机最小系统
图2.2单片机最小系统
2.2.1AT89C51单片机
（1）AT89C51单片机简介
本文涉及所使用的AT89C51是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C51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[1]。
图2.3ATC89C51单片机
（2）AT89C51特点：
1）与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
2）8K字节可重擦写FLASH闪存
3）1000次擦写周期
4）全静态操作：
0Hz-24MHz
5）三级加密程序存储器
6）256X8字节内部RAM
7）32个可编程I/O口线
8）3个16位定时/计数器
9）5个中断源
10）可编程串行UART通道
11）低功耗空闲和掉电模式
表2.1I/O引脚功能
端口功能
第二功能
功能说明
P3.0
RXD
串行输入（数据接收）口
P3.2
TXD
串行输出（数据发送）口
P3.2
INT0/
外部中断0输入
P3.3
INT1/
外部中断1输入
P3.4
T0
定时器/计数器0计数输入
P3.5
T1
定时器/计数器1计数输入
P3.6
WR/
片外数据存储器写选通信号输出
P3.7
RD/
片外数据存储器读选通信号输入
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。
2.2.2时钟电路
AT89C51系列是1T的8051单片机，AT89C51系统时钟兼容传统8051。
系列单片机有两个时钟源：
内部R/C振荡时钟和外部晶体时钟。
在单片机内有一个高增益反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL，输出端为XTAL2,由该放大器、晶振和两个33PF的电容构成的振荡电路做单片机的时钟电路。
图2.4时钟电路
2.2.3复位电路
复位电路原理是单片机RST引脚接收到2us以上电平信号,只要保证电容的充放电时间大于2us，即可复位，所以电路中的电容是可改变的,按键按下，电容处于一个短路电路中，电容释放所有的电能，电阻两端电压升高系统复位。
且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位。
图2.5复位电路
2.3显示模块
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，1602LCD及两者尺寸差别如下图所示：
图2.6液晶显示模块图
1602引脚说明表格如下：
表2.21602引脚说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
Vss
电源地
9
D2
数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
数据口
3
VO
液晶显示对比度调节端
11
D4
数据口
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
数据口
5
R/W
读写选择端（H/L）
13
D6
数据口
6
E
使能信号
14
D7
数据口
7
D0
数据口
15
BLA
背光电源正极
8
D1
数据口
16
BLK
背光电源负极
2.4霍尔传感器的测量原理
霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁敏传感器。
在置于磁场中的导体或半导体通入电流I，若电流垂直磁场B，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差Uh，这种现象称为霍尔效应。
利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。
因为它具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强以及体积小、使用寿命长等一系列特点，因此被广泛应用于测量、自动控制及信息处理等领域[8]霍尔效应原理图如图2.7所示。
图2.7霍尔传感器
2.4.1集成开关型霍尔传感器
A44E集成霍尔开关由稳压器A、霍尔电势发生器（即硅霍尔片）B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成，如图2.8（a）所示。
（1）、
（2）、（3）代表集成霍尔开关的三个引出端点。
在电源端加电压Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差VH输出，该VH信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。
当施加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压（相对于地电位），使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为开。
当施加的磁场达到释放点时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态为关。
这样两次电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。
工作点与释放点的差值一定，此差值称为磁滞，在此差值内，V0保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍尔开关传感器优良特性之一。
传感器主要特性是它的输出特性，即输入磁感应强度B与输出电压V0之间的关系。
A44E集成霍尔开关是单稳态型，由测量数据作出的输出特性曲线如图2.8（b）所示。
测量时，在1、2两端加5V直流电压,在输出端3与1之间接一个2k的负载电阻，如图2.9所示。
图2.8集成开关型霍尔传感器
图2.9集成霍尔开关接线图
2.5DS1302时钟芯片
图2.10时钟芯片
本设计时间芯片采用的了DS1302，DS1302是由美国DALLAS公司推出的一种具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，具有可对年、月、周、日、时、分、秒进行计时等的功能，工作电压为2.5V～5.5V。
主要的特点是采用串行数据传输，即使掉电亦不丢失，在DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302与STC89C51的连接线有三条线：
RST引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc2作为备用电源，芯片外接晶振X2，为芯片提供计时脉冲。
3系统软件的设计与实现
3.1主程序流程图
图3.1主程序流程图
3.2显示流程图
该子程序用LCD动态扫描显示方式。
先将单片机的P2.2口连接使能端口E。
接着将单片机的P2.0口连接数据/命令选择端RS，P0口连接数据端D0~D7，然后将要显示的数字的值发送给P0口。
然后调用延时，接着将P2.2口置0，P2.0口置1，写指令，将P2.2口置1，P2.0口置1，写数据，直到要显示的数字全部显示在液晶上。
显示流程图如图3.2所示。
图3.2显示流程图
3.3速度里程计算和处理流程图
3.3.1速度计算处理流程图
外中断1服务程序用于处理轮子转动一圈后的计时数据。
当标志位（00H）为1时，计数溢出，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68H～6BH单元。
定时器计出每转一圈所用的时间，用自行车车轮的周长除以时间就得出自行车的速度。
图3.3速度处理流程图
3.3.2里程计算子程序
外中断0服务程序用于对单片机P3.2口输入的圈脉冲进行计数，为十六进制计数器。
60H为低位，62H为高位。
每次计数一次后，对里程数据进行一次存储操作。
当车轮每转一圈，通过霍尔元件将脉冲数输入单片机内，通过计数器计出脉冲数，再用乘法子程序算出里程数。
里程处理子程序流程图如图3.4所示。
图3.4里程处理子程序流程图
3.4电路仿真
3.4.1仿真软件简介
Proteus是世界上著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
3.4.2仿真结果
仿真结果如图3.5所示。
图3.5电路仿真
4安装调试与性能分析
4.1系统仿真调试
在构思好电路原理图和编好程序之后就要对其进行系统仿真，原理图的具体设计流程如图4.1所示。
当完成原理图布线后，利用PROTEUSISIS编辑环境所提供的电器规则检查命令对设计进行检查，并根据系统提供的错误检查报告修改原理图。
直到通过电器规则检查为止。
单片机系统的仿真是PROTEUSVSM的一大特色，同时，本仿真系统将源代码的编辑和编译整合到同一设计环境中，这样使得用户可以在设计中直接编辑代码，并且很容易地查看到用户对源程序修改后对仿真结果的影响。
源代码通过编译无误后，就可以进行仿真，在仿真过程中不断完善电路和程序的功能最后达到本次设计的目的。
软件调试是调试的重点，同时也是最容易出错的地方；在整个软件调试过程中,我采取了先部分后整体的调试方法。
新建设计文档
设置编辑环境
放置元器件
调整
原理图布线
建立网络表
电器检查
N
存盘、报表输出
Y
存盘、报表输出
存盘、报表输出
存盘、报表输出
存盘、报表输出
图4.1设计流程图
4.2调试故障及原因分析
在软件仿真过程中遇到了一些问题，具体故障和解决方法如下：
1）数码管不显示
本次设计的电路数码管采用共阴极接法，在仿真时错用共阳极数码管，导致数码管不显示。
2）P0口显示高阻态
正常情况下P0口输出应为高（红色）低（蓝色）互换，但在实际情况下P0口出现了高阻态（灰色），经翻阅资料查得P0口做I/O口是应接上拉电阻。
在加上上拉电阻后，P0口输出正常
调试程序如下[9]。
ORG0000H
MAIN:
MOVP2,#0FFH
MOVP0,0C0H
MOVP2,#0FEH
ACALLDELAY1
MOVP2,#0FFH
MOVP0,0F9H
MOVP2,#0FDH
ACALLDELAY1
MOVP2,#0FFH
MOVP0,0A4H
MOVP2,#OFBH
MOVP2,#0FFH
AJMPMAIN
DELAY1:
MOVR6,#02H
AGAIN:
MOVR7,#8FH
DELAY:
DJNZR7,DELAY
DJNZR6,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，所以它当然也是软件调试的重点。
3）显示系统最好先调试。
4）用软件进行仿真时要充分利用其逐步调试功能。
电路实物图如图4.2所示。
图4.2电路实物图
5设计总结与展望
5.1设计总结
通过本次设计，使我对单片机知识和理解更一步加深了，掌握了简易数字里程表的设计，组装和调试方法。
并且使我更加熟练的应用仿真软件，让我学到了如何运用软件测试电路的可行性，并且对电路的调试改进都有一个很大的提高。
这个过程中我遇到了很多困难，比如如何运用仿真软件画图，如何组织一些比较专业的语言，以及上网查阅资料。
虽说费劲，但是乐趣也不少。
通过这次设计，我们了解到平时知识的积累真的很重要，在遇到困难时一定要向认真思考，查阅相关资料，不可盲目退缩，努力后就一定会有收获。
这次毕业设计收获颇丰，不仅是对自己个人能力的提高，也让我认识到了自己的局限，通过这次的毕业设计为以后的学习奠定了一个更好的基础。
5.2展望
本系统操作简单，易于实现。
硬件部分采用的器件应用较广泛，且价格低廉，如AT89C51单片机、D触发器74LS74、存储器24C02、驱动器74LS244等。
这就意味着所有的器件功能比较强大、稳定。
尤其是本次设计的核心元件AT89C52单片机，软件技术成熟，并具有种类齐全的支持芯片。
这类微处理器既可用作控制器又适合于做数据处理，而且成本也甚是低廉。
软件采用模块化设计，可读性强，方便二次开发。
本次设计电路简单、低成本，而且能够满足人们对高性能、多功能自行车的要求，可在很多里程/速度测量场合使用，具有广泛的应用前景。
致谢
首先，我要感谢老师在这次毕业论文设计中，耐心的指导我，在整个毕业论文设计过程中，使我对单片机方面的知识与技能,都得到了进一步了解与提高。
给予我很大的鼓励与指导，在此我衷心的感谢梁老师！
感谢她在各方面给予我的帮助，使我能够有一个良好的书写环境。
同时在做此论文设计时梁老师还为我提供软件材料，为我更好的完成本论文设计提供了良好的条件。
然后，我还要感谢我身边的同学、朋友，在这个过程中他们也给了我很大的鼓励与帮助,使我能够顺利的完成论文。
参考文献
[1]李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,1994.
[2]张毅刚,刘杰.MCS-51单片机原理及应用.哈尔滨工业大学出版社,2004.
[3]松井邦彦,梁瑞林.传感器应用技术141例.科学出版社,2006.
[4]张洪润,张亚凡.传感器技术与应用教程.清华大学出版社,2005.
[5]何希才.传感器及其应用.国防工业出版社,2001.
[6]刁文兴.自行车电子里程表的初步设计.南京工业职业技术学院学报,2004,6:
25-28安宗权.电动电子车速里程表分频电路设计.自动化与仪器仪表,2001,5:
39-44.
[7]阎焕忠,王长涛,马斌.单片机控制里程转速表的设计.沈阳建筑工程学院学报（自然科学版）,2002,4:
145-148.
[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，2000：
212-230.
[9]张福学.传感器使用电路150例.中国技术出版社.1992.
[10]MeehanJoanne,MuirLindsey.SCMinMerseysideSMEs:
Benefitsandbarriers[J]..TQMJournal.2008
[11]YeagerBrent.Howtotroubleshootyourelectronicscale[J]..powderandBulkEngineering.1995
附录A
StructureandfunctionoftheMCS-51series
StructureandfunctionoftheMCS-51seriesone-chipcomputerisanameofapieceofone-chipcomputerserieswhichIntelCompanyproduces.Thiscompanyintroduced8top-gradeone-chipcomputersofMCS-51seriesin1980afterintroducing8one-chipcomputersofMCS-48seriesin1976.Itbelongtoalotofkindsthislineofone-chipcomputerthechipshave,suchas8051,8031,8751,80C51BH,80C31BH,etc.,theirbasiccomposition,basicperformanceandinstructionsystemareallthesame.8051dailyrepresentatives-51serialone-chipcomputers[10].
Anone-chipcomputersystemismadeupofseveralf
升级会员 