基于51单片机的自行车测速系统设计说明.docx
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基于51单片机的自行车测速系统设计说明
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的训练效果。
因为教练要根据一段时间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
第一章系统总方案分析与设计
1.1课题主要任务及容
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
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。
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，工作电压围宽，使用非常方便。
图2-3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2-3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。
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、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是带有部上拉电阻的七个双向I/0引脚。
P3.6用于固定输入片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；同一优先级各终端同时提出中断请求时，由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，
和
引脚电平发生变化，即在第一个机器周期为高电平，第二个机器周期为低电平，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。
Bop与Bre之间的滞后（或称为回差）使开关动作更为可靠。
图3-7霍尔传感器检测转速示意图
霍尔传感器检测转速示意图3-7如下。
在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。
圆盘每转动一圈霍尔传感器便输出一个脉冲。
通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出圆盘的转速。
同样道理，根据圆盘（车轮）的转速，再结合圆盘的周长就是计算出物体的位移。
如果要增加测量位移精度，可以在圆盘（车轮）上多增加几个磁钢。
由于传感器部为集电极开路输出，所以需外接一个上拉电阻，其阻值与电源电压大小有关，一般取1～2k，如图3-8所示。
图3-8传感器输出电路
AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。
AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。
在AT89C2051试验开发板上它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。
第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送，在AT89C2051试验开发板上和单片机的P3.5连接。
第6脚SCL为串行时钟输入线，在AT89C2051试验开发板上和单片机的P3.6连接。
SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K的电阻上拉。
第7脚需要接地。
AT24C02中带有片地址寄存器。
每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。
所有字节均以单一操作方式读取。
为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。
AT24C02是CMOS2048位串行E2PROM，在部的组织成256×8位。
AT24C02的特点是具有允许在简单的二线总线上工作的串行接口和软件协议。
在本设计中用芯片AT24C02的SDA端与单片机的P3.7口相连，SCL端与单片机的P3.5口相连。
因为在这个I2C总线上只有一个器件，所以把AT24C02的地址设为000，即把A0、A2、A3都接地。
单片机计算出来的里程数据通过SDA、SCL向AT24C02输送数据。
单片机首先向AT24C02发送写信号，当确认后从单片机部的数据储存单元提取数据然后向AT24C02的部地址传送数据。
当显示里程时，单片机首先向AT24C02发送读信号，然后确认后，单片机从AT24C02部的地址向单片机的读出单元字节读出数据，供显示所用。
与单片机的接口如图3-9所示。
图3-9AT24CO2与单片机的接口电路
3.474LS74芯片
本次设计中的采用驱动数码管的芯片为74LS244，74LS244为三态输出的八位缓冲器和线驱动器，若单片机输出口直接接显示部分电路，则电流太小，会导致显示部分不能正常工作。
所以在单片机输出口先接入驱动芯片74LS244，增大电流，使LED能够正常工作。
其逻辑图如图3-10所示，可以看出74LS244由2组组成、每组由四路输入、输出构成。
每组有一个控制端高或低电平决定该组数据被接通还是断开。
图3-1074LS244逻辑图
74LS74是D触发器的一种,它是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元。
触发器具有两个稳定状态，即“0”和“1”，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。
由于其状态的更新发生在CP脉冲的边沿故又称之为上升沿触发的边沿触发器，D触发器的状态只取决于时针到来前D端的状态。
引脚图如图3-11所示。
图3-1174LS74引脚图
在本题目中74LS74芯片起分频的作用。
当车轮每转一圈，霍尔传感器输
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