基于单片机的自行车里程表硬件设计 - 图文

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY

科研实践

题目：基于单片机的自行车里程表设计

二级学院（直属学部）： 延陵学院 专业： 电气工程及其自动化 班级： 10电Y3 学生姓名： 何鑫 学号： 10124507 指导教师姓名： 范力旻 职称： 副教授

2013年12月30日至2014年1月10日

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目录

第一章 绪论......................................................... 2

1.1 课题产生的背景 .............................................. 2 1.2 课题的主要任务及内容 ........................................ 2 第二章 自行车里程表硬件设计......................................... 4

2.1 任务分析与实现 .............................................. 4 2.2 自行车里程表硬件方案设计 .................................... 4

2.2.1 里程/速度测量传感器的设计.............................. 5 2.2.2 方案的确定............................................. 7

第三章 最小系统的设计............................................... 9

3.1 时钟电路的设计 .............................................. 9 3.2 复位电路的设计 ............................................. 10 3.3单片机AT89S52 .............................................. 11

3.3.1.主要性能参数：........................................ 11 3．4电源电路................................................... 12 第四章 输入部分的设计.............................................. 14

4.1 按键电路 ................................................... 14 4.2存储电路设计................................................ 15 4.3里程电路设计................................................ 17

4.3.1 传感器概述............................................ 17 4.3.2 传感器及其测量系统.................................... 17 4.3.3 霍尔传感器的测量原理.................................. 18

第五章 输出部分设计................................................ 19

5.1显示电路的设计.............................................. 19

5.1.1 1602字符型LCD简介 .................................. 19 5.1.2 1602LCD的基本参数及引脚功能 ......................... 20 5.2报警电路设计................................................ 22 第六章 自行车里程表软件方案设计.................................... 23 第七章 硬件仿真................................................... 24

7.1调试系统简介................................................ 24 7.2 利用proteus软件进行仿真 ................................... 24 第八章实物的制作与调试............................................. 27

8.1电路板焊接.................................................. 27 8.2电路板调试.................................................. 27 结论............................................................... 28 附录............................................................... 29

参考文献 ....................................................... 29 元器件清单 ..................................................... 30 原理图 ......................................................... 31 程序清单 ....................................................... 31 实物图 ......................................................... 45

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第一章 绪论

1.1 课题产生的背景

自世界上第一辆自行车问世至今已有200多年的历史了。18世纪末，法国人西夫拉克发明了最早的自行车。这辆最早的自行车是木制的，其结构比较简单。世界上第一批真正实用型的自行车出现于19世纪初。在20世纪,自行车在中国获得了前所未有的普及和发展。从某种意义上来说，中国是一个自行车的王国。每天清晨和落日时分，滚滚车流在中国的城市中碾动，这是最为壮观的一道风景，这是一条现代中国流动的长城。

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。自行车里程表作为自行车的一大辅助工具也正是随着这个要求而迅速发展的，其功能也逐渐从单一的里程显示发展到速度、时间显示，甚至有的还具有测量骑车人的心跳、显示骑车人热量消耗等功能。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里程表，它能自动地显示当前自行车行走的距离及运行的速度。

单片微型计算机自1976年问世以来发展非常迅速，现在已成为微型计算机一个很重要的分支，在现实生活中应用越来越广泛，已经对人类产生了巨大的影响，尤其是美国Intel公司的MCS—51系列单片机，由于其集成度高、处理功能强、性能价格比高、可靠性高、系统结构简单，可以灵活的与其他芯片组成众多的测量电路用于速度、温度、深度、高度、湿度、光强等方面的测量和研究等特点，在我国现代化生活、生产中已经得到了广泛的应用，如在工业检测控制、仪器仪表、电子工业、机电一体化等众多领域取得了令人瞩目的成果。本设计利用MCS—51系列单片机扩展方便、可靠性能高、处理功能强、速度高等特点，实现对自行车里程和速度的测量。

1.2 课题的主要任务及内容

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LCD液晶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里程表的设计思

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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；最后针对仿真过程遇到的问题进行了具体说明与分析，对本次设计进行了系统的总结。

具体的硬件电路包括AT89S52单片机的外围电路以及LCD显示电路等。 软件设计包括：芯片的初始化程序、定时中断采样子程序、显示子程序等，软件采用C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。

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第二章 自行车里程表硬件设计

2.1 任务分析与实现

本次毕业设计的题目是：自行车里程表设计

其设计的任务是：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，再经过一系列的计算得出的，其结果通过显示器显示出来。

本系统总体思路如下：里程及速度传感器采用霍尔元件，用一个霍尔芯片、二个小磁铁，霍尔芯片紧贴齿轮，磁铁放在芯片后面。齿轮转动一周霍尔元件与小磁铁靠近一次，这样可以改变通过霍尔芯片的磁通量，霍尔芯片可以输出类似正弦的波形，用运放放大波形，后面接一级比较器，把正弦波转换为方波，方波的频率和齿轮的转速成正比。自行车里程的测量是通过霍尔元件输出端的电压发生变化产生脉冲，通过计数器，根据脉冲数计算里程。自行车速度的测量是通过定时器测出车轮转一周所用的时间t，车轮周长L除以时间t就是自行车的速度。

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T0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LCD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，可以通过按键设定报警速度，若自行车超速，系统发出报警提示。整个设计过程包括硬件电路的搭建，软件的编程，系统的调试，调试通过后，固化程序，脱离开发系统运行。

2.2 自行车里程表硬件方案设计

自从1971年微型计算机问世以来，随着大规模集成电路技术的不断进步，微型机主要向两个方向发展：一个向高速度，高性能的高档微型计算机方向发展。一个向稳定可靠，小而廉价的单片机方向发展。所谓的单片机，就是把中央处理

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器CPU、只读存储器ROM、定时/计数器以及I/O 接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。从组成和功能上看，它具有微型计算机的含义。

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；

5. 数据大部分在单片机内传送，运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高。 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。

2.2.1 里程/速度测量传感器的设计

1. 速度传感器的设计

测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。要测速，首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，将脉冲送入单片机中进行计算，即可获得转速的信息。

(1) 霍尔传感器

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于信号采集的有A44E、CS3020、CS3040等，这类传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，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。A44e的外形如图2.1所示。将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是电源、地、输出。

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A44E123

1-Vcc 2-GND 3-OUT 图 2.1 A44e外形图

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，只要在转轴的齿轮盘上粘上一粒磁钢，霍尔元件固定在前叉上，当车子转动时霍尔元件靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在齿轮盘上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。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。

(2) 光电传感器

光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的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2.2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，否则导通。为此，可以制作一个遮光叶片，如图2.3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2.2 光电传感器的原理图

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图2.3 遮光叶片

(3) 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。某光电编码器的外形如图2.4所示。

图2.4 成品光电编码器

2. 里程测量传感器的设计

里程测量传感器的选择也有以下几种方案：使用光敏电阻对里程进行测量、利用编码器对车轮的圈数进行测量、利用霍尔传感器对里程进行测量、利用干簧管型传感器测量里程。这几种方案都是通过自行车车轮转动产生脉冲数，然后根据脉冲数计算里程。

2.2.2 方案的确定

光敏电阻对光特别敏感，当白天行驶时，外界光源将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准确测量；而编码器必须安装在车轴上，安装较为复

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杂；霍尔元件或干簧管不但不受天气的影响，即使被泥沙或灰尘覆盖也不会有影响，而且安装方便。所以本设计采用霍尔元件对里程与速度进行测量，既简单易行，又经济适用。

本系统的硬件系统框图如图2.5所示

霍尔元件 报警 单片机

图2.5 系统的原理框图

存储器 LCD显示

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第三章 最小系统的设计

3.1 时钟电路的设计

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。8051片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本设计采用前者。典型的晶振取12MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)。电路中的电容C1和C2常选择为30pF左右。如果单片机系统不需要串口通讯，使用12MHz的晶振，那么计算定时器中断的初值将方便许多，也不需要进行时间修正了，晶振周期=1s/12MHz=1Mus/12MHz=1/12us，单片机机器周期=12*1/12us=1us，需要实现计时1秒，需要1000000/1=1000000个机器周期，那么如果设置定时器初值为0x9CH(即156D)，则每256-156=100个机器周期触发一次定时中断，如此中断10000次，正好为1000000个机器周期。

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。单片机内部时钟方式的振荡电路如图3.1所示。

图3.1 单片机片内振荡电路

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0iq.html