基于单片机的自行车测速系统.docx
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基于单片机的自行车测速系统
[摘要]伴随着科技的发展和居民生活水平的不断提高，自行车已然不是普通的代步、运输工具，而已成为了大众的休闲、锻炼、娱乐的第一选择。
所以我所设计的自行车简易数字里程表就基本能够满足现在大众的需求在锻炼的同时监测自身的锻炼量和安全，其可以让人们清楚地知道自身当前骑行速度、总骑行里程等物理量。
此篇论文重点讲述的是一种基于单片机的自行车速度里程表的设计。
以 STC89C52单片机为主要元件，使用A44E霍尔传感器来测量自行车转数，从而完成对自行车里程/速度的测量，显示屏采用1602LCD自行车的里程数及速度。
文章阐述了自行车的速度里程表的硬件电路与软件部分。
硬件部分是采用霍尔元件将自行车每转一圈所产生的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至显示屏。
软件部分采用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。
[关键词]里程/速度 霍尔元件 单片机 LCD显示
II
BicyclespeedmeasuringsystembasedonMCU
[Abstract]Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementoflivingstandards,thebicycleisnotonlytheuniversaltooloftransportationandsubstituteforwalking,butbecomesthefirstchoiceofentertainmentandexercising.Thebicyclemileage/speedcanfulfillthebasicneedofpeople’slife,sothattheycanlearnthespeedandthemileageofthebicycle.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
目录
IV
引言 1
第1章 概论 2
1.1设计的目的与意义 2
1.2技术的发展概况 3
1.3设计的主要方向 3
第2章 系统硬件平台的设计 4
2.1总体设计方案说明 4
2.2单片机最小系统 5
2.2.1STC89C52单片机 5
2.2.2时钟电路 6
2.2.3复位电路 7
2.3显示模块 7
2.4霍尔传感器及其测量原理 10
2.5DS1302时钟芯片 10
2.6蜂鸣器及其电路 12
第3章 系统软件的设计与实现 14
3.1主程序流程图 14
3.2显示流程图 14
3.3速度处理流程图 15
3.4时钟芯片程序流程图 16
第4章 安装调试与性能测量 18
4.1程序编写软件 18
4.1.1KeilC51简介 18
4.1.2应用Keil软件进行程序调试 18
4.2电路仿真 18
4.2.1仿真软件简介 18
4.2.2仿真结果 19
4.3硬件调试 19
结论 21
致谢语 22
参考文献 23
附录 24
引言
从自行车被缔造到使用已经历经了两百多年的历史，在这里历史的长河中人类不曾停下尝试与研发的脚步，从如同玩具木马般的木头车演变至今日的种类繁多用途各异款式新颖的休闲、运动自行车，自行车被缔造的用途也从开始的交通、代步工具转换成为休闲、娱乐、运动等多方面的用途[1]。
伴随着人民生活质量的提高与当今社会的科学技术发展，自行车已然不再是普通的出行工具，而跃升成为强生健体、休闲娱乐、观光旅行一种选择。
所以现在的自行车需要具备更多的功能以满足人们不断增强的需求。
自行车简易数字里程表的出现就是为了满足一些把自行车作为锻炼的一群人所需求的辅助工具而面世的，他的功能也从只能显示里程进而发展到可以显示速度与时间。
这一次的设计采用了MCS-51系列的单片机，因为单片机近几年的发展技术已经相当的成熟了，运用其进行自行车的测速系统设计是可以轻松实现的[2]，并且其体积小的特点也可以使得设计更加的小巧方便而不影响测速的准确性和显示的正确性。
此次课题的主要设计思路是利用单片机进行处理，霍尔元件的其他元器件进行测量与数据的存储，并通过1602显示屏显示速度、时间与里程数的自行车速度里程表。
此次的文章先对我要进行设计的课题任务进行方案的探讨以及可行性的论证，其中包括了硬软件的方案的设计；从而根据探讨出的结论进行了速度里程表的硬件设计，其中就有单片机、传感器的选择与显示电路与时间电路的设计；之后进行软件方面思路的设计用流程图简明的表示出来；最后也是相对而言的重要一步是进行仿真并对出现的问题进行分析处理并总结此次的设计[3]。
本次的设计主要的硬件电路包括了单片机及其外围电路和显示采用的液晶显示电路。
这一次的软件设计比较多其中有芯片的初始化程序、定时中断子程序、显示子程序等，这些程序都由C语言编写并写入单片机中进行运行。
8
第1章概论
1.1设计的目的与意义
自行车是由人的双脚轮流进行踩踏脚踏带动链条驱动轮子进行运动的以人自身问动力的具有两个轮子的交通工具，俗称自由车、脚踏车或单车（在日本称为“自転车”；在中国大陆、台湾通常称其为“自行车”或“脚踏车”，又因中国大陆最早的自行车是国外过来，所以又称其为“洋车儿”，有些地方仍旧这么称呼；在港澳则通常称其为“单车”）。
自行车因其方便快捷的使用方式和简单轻松的维修方式，被人们普遍的使用。
不仅能成为代步工具也能成为货物运输的器材，如今又是体育锻炼的最佳选择之一[4]。
19世纪初第一批次的真正的能进入人们生活中的实用行自行车终于出现。
自行车立马风靡欧洲成为当时被欧洲人所喜爱的代步交通工具。
自行车从发明出来到现在已经有两百多年的历史了，已经从大众普遍认为的交通、运输的工具的身份中发生了悄无声息的转变。
在现在的科技发展和人民生活水平的提高下，各种交通运输工具应运而生，而自行车也慢慢退出了之前的舞台，但是就在这样的背景下，自行车在运动、锻炼、娱乐等方面发挥出了不一样的作用。
在现在的人人环保的意识深入人心后，自行车又有了发挥空间。
中国毫无疑问是一个人口众多的国家，自行车在中国的发展也就理所当然的促进了中国成为世界上自行车保有量最多的国家。
自行车其构造的简单，操作的方便，促使人们对其产生了喜爱。
同时骑自行车也可以作为一种休闲运动，是人们锻炼身体的一种重要的方式，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。
也正是因为有这种需要拓展了对自行车本身以外的要求，它能显示当前车子行驶的速度、里程、时间、
，甚至还有GPS全球定位系统、MP3等娱乐功能。
自行车运动需要一种对骑行的速度、路程进行监测的的装置，通过记录的数据，才能充分的了解运动员自己的训练成绩及训练过程，并根据数据分析结果以进行适当调节运动方式，以求达到最佳运动效果。
这次是为了设计一款操作简单成本低的测速仪，为的是解决自行车骑行者在骑行时能够了解当前的行驶状态，然后根据周围环境，能够做出正确的判断和操作，提高骑行者的安全性。
这一次的设计所采用的测速系统是以单片机作为核心元器件的系统，单片机在这系统中需要完成数据的输入、处理以及输出，完全符合设计所需要的要求。
1.2技术的发展概况
近几年的科技发展使得微型计算机可靠性的提高和价格的下降，而单片机技术的发展也突飞猛进，运用单片机进行转速的测量也不是难事，但是大部分的运用还处于工业运用状态，单片机测量转速的生活化转变还是少之又少。
转率的测量方式多样，因采用了霍尔芯片可以采集脉冲，从而根据脉冲完成对转速的测量，其中测量的方法主要有：
M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法）。
而这次的设计采用了测频法，也就是M法[5]。
检测转速使用霍尔脉冲法，即将霍尔传感器所接受的霍尔脉冲接收送入单片机，单片机进行设定程序的计算就可以得出速度和路程信息。
因为这次的题目为测速，所以对装置有着相对的要求，因为需要对路程以及速度进行统计所以对测速装置有着分辨能力出众、精度高河测量周期短的要求，而基于霍尔元件的脉冲发生器就具有这些特点而且霍尔元件还具有成本低、结构简单、操作方便、性能好等特点。
现在已经陆续有许多的自行车测速仪里程表被设计出来，但大多数功能较为单一的只进行速度和里程的显示，但之后随着人们的需求增高将会有更多的功能被加入如MP3播放功能、短信收发功能、GPS导航定位功能、网络功能等各种需求的不同而被加入其中，使得自行车测速更加的人性化、现代化、生活化，性价比更加的高。
1.3设计的主要方向
即使用单片机实现：
利用霍尔传感器所测量出的得转速信号转换成为单片机所能识别的数字信号，将信号导入单片机之中，单片机根据所编辑的程序进行运算得出在一定时间内的数字脉冲的频率，再根据计数器中的数值进行计算得到里程数的数值通过单片机的管教进行输出，输入至显示屏中显示出速度里程，单片机再单独提取时间芯片中的数据传输至显示屏显示。
系统框图如图1-
1所示。
图1-1系统框图
第2章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：
使用AT89C52单片机为重要的处理核心，使用霍尔元件将自行车轮胎的物理量转速转换为数字量数据电脉冲，经过处理后送置单片机中完成计算输出显示。
速度与里程的测量采用了单片机中的定时/计数器，通过其所计算出的脉冲数与所设定的单位时间（成本设计为1s），经过单片机中所编辑的程序所计算得出，最终的结果在显示屏中显示。
本系统的总体思路如下：
假设开始时在单片机中设定的轮圈周长为L，在自行车轮圈上设置a个永久性磁铁，便可得到里程的最大误差为L/a。
经过综合的分析，在该设计中取值a=1。
当永久性磁铁每经过霍尔传感器一次即自行车车轮每转过一周，霍尔传感器便可以采集到一个电脉冲信号，并通过单片机的P3.2引脚即中断0端输入，从而单片机的计数器/定时器便可以得到一次计数中断。
每一次的中断便是由于霍尔传感器前有磁铁经过，又因为a取值为1所以为转过一周，即里程值便可通过乘积求得[6]。
计数器计算出转动的次数与所用时间T，便可以轻松计算出每个时间T的速率。
如果自行车的速度超过了设定的数值时，系统发出信号，蜂鸣器响起。
要求达到的各项指标及实现方法如下：
1.使用霍尔传感器得到轮圈所转动的次数的脉冲信号。
2.对脉冲信号进行计数。
实现：
利用单片机中自带的计数器对霍尔传感器所提供脉冲信号进行统计。
3.对所获得的数据进行处理，并通过显示屏显示出里程数和即时速度。
实现：
利用软件所编辑的程序，对数据进行相关的处理从而得到速度里程
等相关的数据。
最终实现目标：
完成采用单片机作为控制元器件的一个具有速度、里程检测并能将其显示的自行车速度里程表。
流程图如图2-1所示。
2.2单片机最小系统
图2-1系统框图
2.2.1STC89C52单片机
单片机在一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、以及多种外围功能接口，具有价格低、体积小、可靠性高、功能强、使用快捷灵活等特点。
以单片机为核心的各种智能化电子设备，具有成本低，周期短，已与更新换代，维修方便等优点，已经成为各种电子设计中所采用的普遍手段。
AT89C52单片机的基本构成如图2-2所示。
图2-2单片机的基本构成
由时钟电路、ROM、RAM、定时器/计数器、并行接口、串行接口和中断系统组成一个单片机，由时钟电路提供系统震荡单片机进行运行，并行与串行接口进行数据的传输，定时器与计数器进行数据的统计，RAM、ROM进行数据的存储，
CPU进行程序的运行与数据的处理。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
STC89C52单片机引脚图如图2-3所示。
U1
19
XTAL1
XTAL2
RST
PSENALEEA
P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7
P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7
P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15
P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD
39
38
37
18
36
35
34
33
9
32
21
22
23
29
24
30
25
31
26
27
28
1
10
2
11
3
12
4
13
5
14
6
15
7
16
8
17
AT89C51
图2-3STC89C52单片机
主电源引脚2根：
VCC（40引脚）电源输入，接＋5V电源。
GND（20引脚）接地线。
外接晶振引脚2根：
XTAL1（引脚19）片内振荡电路的输入端。
XTAL2（引脚
20）片内振荡电路的输出端。
控制引脚4根：
RST/VPP（引脚9）复位引脚，即当复位引脚收到两个机械周期的高电平信号时，系统将会使单片机复位。
ALE/PROG（引脚30）地址锁存允许信号。
PSEN（引脚29）外部存储器读选通信号，就是选通外部扩展的程序存储器，当程序运行时取指令时有效，对于程序存储器只有读没有写。
EA/VPP（引脚31）程序存储器的内外部选通，即在高低电平时分别从内外部存储器读取指令。
可编程输入/输出引脚32根：
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个接口都有8位（8根引脚），一共32根。
PO口（引脚39～引脚32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（引脚1～引脚8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（引脚21～引脚28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（引脚10～引脚17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
2.2.2时钟电路
单片机的时钟信号产生的方法有内部时钟方式、外部时钟方式，绝大多数的单片机系统应用的是内部时钟方式。
内部时钟方式就是采用单片机自身具有
的振荡电路为自身提供时钟信号，采用此种时钟方式需要在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），这样内部振荡器便可以产生振荡。
所产生的晶振频率一般是在1.2～12MHz之间进行选择，但是现在的晶振频率有的时候可以达到24MHz甚至更高，但是因为频率的提高功耗也就相对的增高。
其中典型的石英晶振取值是11.0592MHz。
时钟电路就是一个震荡电路，给单片机一个节拍，单片机基于这个节拍开始进行各种动作。
时钟电路本身不控制什么，但是单片机是根据时钟电路给予的震荡而进行相应的工作的。
STC89C52系列是1T的8051单片机，STC89C52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。
时钟电路如图2-4所示。
图2-4 时钟电路
2.2.3复位电路
在单片机的程序运行中几乎不可能一次成功或者运行时保证不发生错误甚至于死机的状况，所以在单片机的系统中都会设置一个复位电路进行程序的跑飞与死机情况的修复。
复位电路所采用的原理为当单片机的复位引脚接收到2us以上电平信号，使其电容的充放电时间多于2us，即可进行复位。
当振荡器稳定后，给予复位引脚上一个维持两个机械周期的高电平CPU便可的搭配命令进行系统的复位。
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位。
复位电路如图2-5所示。
图2-5 复位电路
2.3显示模块
1602是字符型液晶显示，为16*2显示，这次的设计因为只需显示总路程、速度、时间等信息，1602显示屏价格较低体积较小符合此次设计的要求。
1602LCD可以分为带背光与不带背光的两个款式[7]，但是基控制器大部分为
HD44780，1602LCD及两者尺寸差别如图2-6所示。
图2-6 液晶显示模块图
1602LCD引脚说明如下：
第1脚：
VSS接地。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VO接3K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择。
第5脚：
R/W为读写信号线。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线接单片机P0口。
第15脚：
背光源正极接电源。
第16脚：
背光源负极接地。
与单片机的接线如图2-7所示。
44
1602LCD基本操作时序：
图2-7 1602与单片机接线
1.读状态：
输入：
RS=L、RW=H、E=H 输出：
D0～D7=状态字
2.写指令：
输入：
RS=L、RW=L、D0～D7=指令码、E=高脉冲 输出：
无
3.读数据：
输入：
RS=H、RW=H、E=H 输出：
D0～D7=数据
4.写数据：
输入：
RS=H、RW=L、D0～D7=数据、E=高脉冲 输出：
无操作时序图如图2-8、图2-9所示。
图2-8读操作时序图
图2-9写操作时序图
2.4霍尔传感器及其测量原理
霍尔传感器如图2-10所示。
图2-10 霍尔传感器
如图2-10所示是霍尔传感器。
霍尔传感器是利用霍尔效应（在置于磁场中的导体或半导体通入电流I，如果所通入的电流垂直于磁场B，就会在磁场与电流出现一个电势差Uh并两两垂直，这种现象称为霍尔效应）制成的一种磁敏传感器[8]。
因为需要把转速的信息转化成为单片机所能接受到的信号，所以可以使用霍尔元件将转速的信息转化成为电脉冲经过处理传送至单片机，单片机进行计数，采用M法（测频法），由于转速是单位时间内的转动次数，所以取单位时间为1s，在一秒内转动的次数经过单片机的统计可以得出转速。
脉冲信号的数量与电机转速有着如下式表示的关系：
V=N*L （2-1）
式（2-1）中：
V为自行车车速（m/s），N为车轮单位时间内的脉冲数，L车轮的周长（m）。
根据上式即可计算出自行车当前的速度。
2.5DS1302时钟芯片
这次的设计中因为要对时间进行显示所以才用了时间芯片，采用的时间芯片为DS1302，因为其具有可对年、月、周、日、时、分、秒进行计时的功能正符合了这次设计对时间进行显示的要求，其工作电压为2.5V～5.5V。
DS1302与STC89C52的连接线有三条线如图2-11所示。
图2-11 时钟芯片
RST是复位/片的选择线，当RST输入的驱动电平为高电平时，启动数据的传输功能。
RST输入有两种功能：
其一，当RST接通的是控制逻辑时，地址命令序列就可以送入位移寄存器中；其二，RST可以进行停止数据的传输。
当RST处于高电平时，可以进行对时钟芯片的操作，所有的数据传输还将被初始化。
当在传输数据的过程中RST被置为了低电平，那么这一次的数据截会被终止传送，输入输出引脚就会变为高阻态。
其中需要注意的是在通电运行的时候，在
VCC还未超过2V之前，必须保持RST置为低电平。
还有就是只有当SCLK处于低电平时，RST才能被置为高电平。
DS1302引脚图如图2-12所示。
各引脚说明如下：
图2-12DS1302引脚图
X1、X2（2、3号引脚）：
晶振引脚
GND（4号引脚）：
接地引脚
RST（5号引脚）：
复位引脚
I/O（6号引脚）：
数据输入/输出引脚
SCLK（7号引脚）：
串行时钟引脚
Vcc1、Vcc2（8、1号引脚）：
电源供电引脚
DS1302控制字如表2-1所示。
表2-1DS1302控制字
7
6
5
4
3
2
1
0
RAM
RD
1
CK
A4
A3
A2
A1
A0
WR
1.位0（最低有效位）：
如果要进行写操作则要为逻辑0表示，如果要进行读操作要进行逻辑1表示。
2.位5至位1（A4～A0）：
指示操作单元的地址。
3.位6：
当位6为0时可以进行存取日历时钟数据，而当为1时则为进行存取RAM数据。
4.位7：
在控制字中的最高位有效位
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