基于单片机的自行车里程表及速度仪的设计毕业设计.doc

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1、重庆三峡学院毕业设计（论文）题目 基于单片机的自行车里程表及速度仪的设计 院 系 专 业 电 子 信 息 工 程 年 级 2 0 1 0 级 学生姓名 学生学号 指导教师 职称 副教授 完成毕业设计（论文）时间 2013 年 12 月目录第一章 绪论11.1选题背景与研发意义11.2课题的发展情况11.3 研究的主要内容2第二章 开发工具介绍22.1 KEIL介绍22.2 Proteus介绍32.3 单片机4第三章 硬件电路的设计73.1 相关元器件及其简介73.1.1 AT89C51单片机简介73.1.2 LCD液晶显示模块73.1.3传感器的选择83.1.4霍尔传感器93.2 总体设计方案

2、103.2.1 系统总体设计思路103.2.2 方案设计与讨论103.3 模块电路11第四章 系统的软件设计124.1系统的主流程图124.2仿真截图13结论16致谢16参考文献17英文摘要18附录19基于单片机的自行车里程表及速度仪的设计摘要 本文介绍了基于单片机控制的简易自动自行车里程以及速度的计算系统，包括自行车里程表的硬件构成、软件逻辑以及程序代码。该自行车测速系统以AT89C51作为系统控制核心，采用霍尔传感器来检测信号，通过一定时间间隔内对信号的采集，结合自行车本身车轮参数，经过单片机对采集信号进行分析计算，最终在LCD以及LED上显示车辆行驶里程、平均速度和瞬时速度，并且具有超速

3、报警功能。关键字：自行车测速 单片机 霍尔传感器 LCD显示 LED显示第一章 绪论1.1选题背景与研发意义中国人口众多，还是发展中国家，经济不发达制约了大多数人的消费水平，人们休闲时使用的交通工具主要还是自行车，它便捷轻巧，使用简单，深受人们的喜爱，作为休闲运动工具，是人们锻炼身体的好工具，好伙伴。但随着时间的推移，人们追求的是具有更多功能的自行车它能显示当前车子行驶的速度，里程，行驶时间，最高行驶速度，甚至还有GPS定位系统。本次论文就是以这个作为出发点，尝试设计一款低成本多功能的测速仪，旨在解决自行车驾驶者在驾驶时能够准确的知道车子的行驶状态，根据周围环境，做出正确的判断和操作，提高了驾

4、驶者的安全性。 另外自行车运动需一款测速装置，以了解实时情况,特别是对于运动员，他们需要一种能对实时运动情况进行测量并记录的仪器，通过记录的数据，运动员可以分析自己的训练过程及训练成绩，根据分析的结果，可以调整自己的训练步骤及计划。根据外界的条件，如温度、风速等进行适当调节，达到最佳运动效果。测速装置是对运动中各种参数进行测定。现测速表的设计已很多, 多数由机械式或模拟数字电路来实现的，都存在精度低、不直观、体积大、功能少、功耗大等缺点。本文所述测速系统是以单片机为核心来实现的，具有功能多、直观准确、功耗小以及可显示总里程、速度、时间等优点。 1.2课题的发展情况随着微型计算机可靠性的提高和价

5、格的下降，用单片机测量电机转速已日趋普遍。我们知道，欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）、和M/T法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。所谓M法（测频法）就是在规定的检测时间内，检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定，但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生士1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度，因此

6、M法适合于高速测量。转速检测方式采用霍尔脉冲法测量转速。本文采用频率法，检测的是输入脉冲数，这种方式又称频率法。它测出一定时间内输入的脉冲的个数。在控制系统中占有重要的地位。对测速装置的要求是：分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低，性能好，构造简单。在电气控制系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身要具有较强的抗干扰能力。所以需要采用霍尔传感器来做测速装置。国内外现在都有生产销售类似的自行车测速仪里程表，有些简单的产品就是单单只有测速或里程的功能比较复杂的产品除了测速和里程功能外，还加入了GPS全球定位，自行车里程，当前速度，时钟，行车时间

7、，使得自行车测速仪更加的人性化相信会受到更多人的青睐。 1.3 研究的主要内容 本课题主要任务是利用单片机等部件设计的一个可用LCD显示时间，行驶里程及速度的自行车测速仪。本文主要介绍了自行车测速仪的设计思想，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和软件部分设计。本文首先扼要的对该课题的自行车测速仪设计进行总体的介绍，继而具体介绍了自行车测速仪的硬件设计，包括传感器的选择，时钟芯片的选择，单片机的选择，存储器的选择，显示电路的设计，传输电路的设计等，然后阐述了该自行车测速仪的软件设计，包括主程序设计，子程序的设计，最后对本次设计进行了系统的总结。第二章 开发工具介绍2.1

8、KEIL介绍Keil公司是一家业界领先的微控制器（MCU）软件开发工具的独立供应商。Keil公司由两家私人公司联合运营，分别是德国慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美国德克萨斯的Keil Software Inc。Keil公司制造和销售种类广泛的开发工具，包括ANSI C编译器、宏汇编程序、调试器、连接器、库管理器、固件和实时操作系统核心（real-time kernel）。有超过10万名微控制器开发人员在使用这种得到业界认可的解决方案。其Keil C51编译器自1988年引入市场以来成为事实上的行业标准，并支持超过500种8051变种。keil软件是目前最流行开发MCS-51

9、系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。下面介绍Keil C51开发系统基本知识。（1）系统概述Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的

10、优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。（2）Keil C51单片机软件开发系统的整体结构C51工具包的整体结构，其中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调

11、试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。（3）使用独立的Keil仿真器时，注意事项 仿真器标配12MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。 仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系

12、统。 仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。（4） Keil C51优点Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。2.2 Proteus介绍Proteus软件是英国Labcenter electro

13、nics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，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。迄今为止是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、AR

14、M、8086和MSP430等，2010年即将增加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MATLAB等多种编译。除了其具有和其他EDA工具一样的原理图， PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其中一个重要的功能是，电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。Proteus组合了高级原理图、混合模式SPICE仿真，PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。（1）Proteus简介 Proteus产品系列包含了VSM技术，用户口可以对基于微控制器的设计连同所有的周围

15、电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD。键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块有一个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具，PROSPICE混合模型SPICE仿真，ARF.S PCB设计。软件具有以下特点。支持许多通用的微控制器，如ARM7，PIC，AVR，HC11以及8051。交互的装置模型包括：LED和LCD显示，RS232终端，通用键盘，开关，按钮等。支持如IAR. Keil和Hitech等开发工具的c源码和汇编的调试。内置超过6000标准SPICE模型，完全兼容制造商提供的SPICE模型。 DLL接口为应用提供特定的模式。基于工业标准的SP

16、ICE3F5混合模型的i“路仿真器。 14种虚拟仪器：示波器、逻辑分析仪、信号发生器、规程分析仪等。高级仿真包括强大的基于图形的分析功能：模拟、数字和混合瞬时图形，频率，转换，噪声，失真，傅立叶，交流、直流和音频曲线。模拟信号发生器包括直流、正弦、脉冲、分段线性、音频、指数、单频FM；数字信号发生器包括尖脉冲、脉冲、时钟和码流以及集成PROTEUS PCB设计形成完整的电子设计系统。(2) Proteus ISISISIS是PROTEUS系统的中心，它远不仅是一个图表库。它是具有控制原理图画图的外观的超强设计环境。无论是实现复杂设计的仿真以及PCB设计，还是设计精美的原理图ISIS都是最好工具

17、。 双击桌面上的ISIS 6 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”、 “程序”、“Proteus”、“ISIS 6 Professional”菜单就启动了Proteus ISIS集成环境。Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面。包括：标题栏、主菜单、工具栏、预览窗口、挑选元件按钮、库管理按钮、原理图编辑窗口。元件列表、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真控制按钮、状态栏。2.3 单片机 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时

18、器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻

19、、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过3

20、00M的高端单片机，直到目前基于8031的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。 汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。应用分类:单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据

21、目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。通用型/专用型:这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。总线型/非总线型:这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封

22、装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。控制型/家电型:这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。发展历史:单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了

23、16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的

24、高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。基本结构：单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。早期阶段：SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。中期阶段：MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都

25、与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。当前趋势：SoC嵌入式系统System on Chip）式的独立发展之路。向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展

26、，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。早期发展：1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规

27、格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。19

28、75年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。硬件特性：、主流单片机包括CPU、4KB容量的R

29、OM、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。、系统结构简单，使用方便，实现模块化；、单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障；、处理功能强，速度快。、低电压，低功耗，便于生产便携式产品、控制功能强、环境适应能力强。第三章 硬件电路的设计3.1 相关元器件及其简介3.1.1 AT89C51单片机简介 AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有2K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Fl

30、ash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89C51具有以下标准功能，4k字节Flash，128字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，2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，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C51 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单

31、片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 3.1.2 LCD液晶显示模块 液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。本里程表使用常见的1602字符型LCD模块。1602可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7和RS、R/W、E三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。 LCD液晶显示模块如图3-1所示 图3-1 LCD液晶显示模块LCD采用标准的14脚（无背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示。表3-1 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地8D1数据2VDD

32、电源正极9D2数据3VL液晶显示偏压10D3数据4RS数据/命令选择11D4数据5R/W读写/选择12D5数据6E使能信号13D6数据7D0数据14D7数据第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当

33、RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。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714脚：D0D7为8位双向数据线。3.1.3传感器的选择测速传感器是对被测物的运行速度进行测量并转化成可输出信号的传感器。测速传感器包括测量线速度传感器和测量转速传感器。而测量转速的方式很多，常见的有：光电传感器、干簧管、霍尔传感器等。1、红外光电传感器。把红外对管分别安装在自行车车轮的两侧，当车轮转动时，辐条会阻挡红外对管的光路，接收管输出低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。红外对管的优点是测量精度高，缺点是安装比较复杂和容易受外来光线、灰尘等的影响。 2、干簧管。干簧

34、管是一种磁敏的有触点无源电子开关元件应用在里程表上的原理与开关型霍尔传感器类似，把干簧管安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，干簧管闭合，单片机根据此信号可计算里程、速度等。干簧管的优点是成本低廉和安装简易缺点是比较脆弱和不够稳定。 本里程表选用开关型霍尔传感器，稳定、安装简易。 3、开关型霍尔传感器。霍尔传感器是利用霍尔效应把磁输入信号转换成电信号的器件。把开关型霍尔传感器安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，传感器输出一个无抖动的低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。霍尔传感器的优点是稳定和安装简易，缺点是成

35、本较高。设计中采用了霍尔传感器进行测速，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 3.1.4霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能

36、够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。对于一个给定的霍尔器件，Vh将完全取决于被测的磁场强度B。霍尔效应原理图如图3-1所示 图3-1 霍尔效应原理图一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高

37、导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右把开关型霍尔传感器安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，传感器输出一个无抖动的低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类，一类是线性元件，另一类是开关类元件。霍尔传感器包括以下几个系列：szxrdt霍尔传感器，szxrdt霍尔电流变送器，szxrdt霍尔电流传感器。在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场

38、的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。3.2 总体设计方案3.2.1 系统总体设计思路本系统实现自行车运行过程中对行驶里程、当前瞬时速度、平均速度进行测量和显示。总体设计思路如图3-4所示。系统电源模块、信号采集输入模块、模拟控制器模块、显示模块、四部分。图3-3 总体设计思路系统工作时，传感器采集到信号，用按键代表脉冲、或者用频率输入代表信号输入，传输给单片机，单片机计数器统计脉冲个数，定时器记录相应时间长度，经过运算，将行驶里程、平均速度送给LCD显示，当前瞬时速度送给7段数码管显示。3.2.2 方案设计与讨论一、速度测量原理 测量自行车的速度的原理有两种：测量一定时间间隔t，自行车车轮

39、转过的圈数q。假设车轮周长为c，则速度V=c*q/t测量自行车车轮转过一圈的时间t，则速度V=c/t本里程表是根据第一个原理计算速度的。 二、动态扫描LED数码管显示。里程表的显示内容以数字为主，利用LED数码管可基本满足使用要求且成本较低。但是用动态扫描的方式驱动数码管亮度太低在阳光下几乎看不见显示内容失去使用价值。 串行静态LED数码管显示。把单片机的串行口设置为方式0同步移位寄存器，输出显示信息，可实现LED数码管的静态显示，其亮度令人满意。但由于要使用74HC164/74LS164串并转换芯片驱动LED数码管因此会带来体积大、成本高、功耗高等的缺点。LCD液晶显示模块。液晶显示模块具有

40、体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。 本里程表使用1602 LCD作为显示模块。外加四个七段管LED用来显示5秒内的当前速度（近似瞬时速度）【功能描述】 以AT89C51型单片机为核心实时测量并显示自行车行驶过程中的各项参数，包括当前行驶累计时间、当前行驶累计里程（m）、当前速度（m/s）、平均速度（m/s）、当前行驶时间等，各参数分屏显示。本里程表具有时钟功能，不安装在自行车上时也可作为时钟使用实用性高。【操作说明】 本例子所采用的是27#比赛公路自行车，换算成公制，外径700mm，半径为350mm，探测器安装在距离轴心20

41、0mm处，探测到一次，车轮转动2.15m，轮胎具体规格700*28C，28是指车胎的横断面的宽度为28mm，则周长2150mm。 轮胎直径大小英寸与厘米对照表如表3-2所示表3-2轮胎直径大小对照表英寸1618202224262828.5厘米40455055616671723.3 模块电路自行车测速模块电路如图3-4所示图3-4 模块电路 系统由霍尔传感器、显示模块、LED报警模块、供电模块和单片机小系统构成。【工作原理】 里程、速度等都是由霍尔元器件测量。通过频率计或者按钮输出脉冲，代表车轮转动圈数，已知自行车轮胎的周长为2.15m，轮子每转动一圈，安装在车轮辐条上的磁钢接近霍尔传感器一次，

42、传感器送一个脉冲信号给单片机的外部中断计数器T1，产生一次中断，圈数加一。圈数*2.15即为车前进距离，而通过单片机T0定时器记录时间，间隔5秒，5秒内的前进距离除以时间5秒，得到5秒内的当前速度。而总里程L除以总时间t得到平均速度。处理速度数据时同时刷新平均速度、当前速度、运行里程。若速度大于8m/s(28.8km/h)则P3.7输出低电平，LED警示灯亮，提示速度过大。单片机定时器0定时时间为50ms，每20次刷新系统时钟及计算累计行驶时间。 第四章 系统的软件设计4.1系统的主流程图系统的主流程图与中断服务子程序如图4-1、4-2所示 图4-1 系统主流程图 图4-2中断服务子程序图4.

43、2仿真截图未超速仿真图与示波器仿真图如图4-3、4-4所示图4-3 未超速时仿真图 由图可知：当前速度为4.30m/s(未超速），时间为19秒，总路程为81.70米图4-4未超速示波器仿真图由图可知：激励源电压为5V，当前频率2Hz（相当于自行车轮胎2圈/秒）超速仿真图示波器仿真图如图4-5、4-6所示图4-5 超速仿真图由图可知：当前速度为8.60m/s(未超速），时间为5秒，总路程为43.00米图4-6超速仿真图由图可知：激励源电压为5V，激励源为4Hz（相当于自行车轮胎4圈/秒）传感器工作时示波器仿真图如图4-7、4-8所示图4-7传感器工作时示波器仿真图由图可知：只按一下传感器开关，示

44、波器上就有一个脉冲，就相当于自行车轮胎转一圈图4-8传感器工作时示波器仿真图由图可知：当连续按传感器开关的时，示波器就出现连续的脉冲，就相当于自行车轮胎转6圈/秒结论本设计能自动显示自行车行驶的总里程数、行驶的平均速度、行车时间及瞬时速度，具有超速信响报警提醒功能，示波器显示传感器的波形以及激励源的波形。通过这次设计，在很大程度的程度上巩固了我以前所学的知识，使得我可以融会贯通的运用自己所学的知识，同时也拓宽了自己的知识面。在查询资料的过程中使得我对单片机有了一个更加充分的认知。编程时，使用了结构化的思想。这样一来，使得语句较少，程序调试也比较方便，功能模块可以逐一地调试，体现了结构化编程的优

45、势。当每个模块都完成时，将其功能互相整合就完成了整体的设计。由于时间所限，此次涉及还存在许多不足。对于超速时速度的调节不能直接用按键进行修改。如果要实现该功能还需加一个计数器，然后再用单片机进行控制就行了。致谢本文是我在我的导师的谆谆教诲和悉心指导下，历时两个月左右完成完成的。赵老师生活上平易近人，和蔼可亲，令我钦佩不已，是我学习和生活中的榜样；赵老师渊博的知识、严谨的作风、高度的责任感以及忘我的工作态度，将永远激励我在以后的学习科研中开拓进取、奋发向上。赵老师在学术上有着严谨的科研作风，实事求是的治学态度，并时刻能够把握最新科技的前沿，了解当今世界顶级研究动态，让我受益匪浅。在此次毕业设计研究之中，赵老师给了我最及时和最有效的指导，这使得我最终克服各种困难，顺利地完成了论文。赵老师还一直鼓励我提高自己的综合素质，并给我创造了许多锻炼的机会，让我在实际锻炼中不断进步。在此，谨向我的导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。参考文献1 李玉峰,倪虹霞. MCS-51系列单片机原理与接口技术M. 北京：人民邮电出版社. 20042 周兴华.手把手教你学单片机M.北京：北京航空航天大学出版社. 20053 曾一江.单片微机原理与接口技术M.北京：科学出版社. 20064 张俊谟.单片机中级教程原理与应用M. 北京：北京航空航天大学出版社. 2006