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1、 本科毕业论文（设计）题 目 自行车里程表设计 院（系） 电子信息与电气自动化学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 学 号 10030055 指导教师 职称 讲师 论文字数 完成日期: 2014 年 4 月 15 日巢湖学院本科毕业论文(设计)诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文(设计)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 日期： 巢湖学院本科毕业论文 (设计)使用授权说
2、明本人完全了解巢湖学院有关收集、保留和使用毕业论文 (设计)的规定，即：本科生在校期间进行毕业论文(设计)工作的知识产权单位属巢湖学院。学校根据需要，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业论文 (设计)被查阅和借阅；学校可以将毕业论文(设计)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业，并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业论文(设计)在解密后遵守此规定。本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 自行车里程表设计摘 要本文介绍的自行车里程表设计是以单片机最小系统和霍尔传感器为核心。本系统可以实现自行车在行驶过程中的
3、速度、里程数、时间的显示功能以及超速报警的功能。主要是由霍尔传感器模块、按键模块、外部存储模块、显示模块、报警模块以及电源模块这六个模块组成。霍尔传感器将不同的车速转变为不同频率的脉冲信号输录到单片机进行控制与计算，再采用LM016L液晶显示模块，直观地显示自行车的速度与里程数据。本系统由单片机AT89C51、霍尔传感器、液晶显示模块LM016L、数据存储电路和键盘矩阵模块、时间芯片DS1302组成。通过单片机的设置可使内部定时器T1对脉冲输入引脚T0进行控制，这样能精确地算出加到T0引脚的单位时间检测到的脉冲数；设计中的速度显示采用LM016L模块，通过速度换算得来的里程数采用12C总线并通
4、过存储器来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。本文先对里程表设计当中所需的设备作了详细的介绍，对设计中存在的问题进行了说明；而后对硬件和软件部分的设计和实现作了认真的分析，在此基础上进行了仿真。本里程表的设计具有结构简单，成本低廉，显示清晰，稳定可靠等优点。关键词：单片机最小系统；霍尔传感器；时间芯片DS1302；液晶显示模LM016L；矩阵键盘The Design of Bicycle OdometerAbstractBicycle speedometer design is presented in this paper to SCM system a
5、nd the smallest Holzer sensor as the core. This system can realize the display function and speed alarm function, bicycle speed during the driving mileage, time. Is mainly composed of a Holzer sensor module, key module, external memory module, display module, alarm module and power supply module and
6、 the six module. Holzer sensor will be different frequency pulse signal inputting to the MCU control and calculation speed change is different, then the LM016L liquid crystal display module, display speed and mileage data bicycle intuitively. This system is composed of MCU AT89C51, Holzer sensor, li
7、quid crystal display module LM016L, data storage circuit and the keyboard matrix module, time chip DS1302. Set by MCU will enable the internal timer T1 pulse input pin T0 control, this can be accurately calculated pulse number per unit time is added to the T0 pin of the detected; design of speed dis
8、play by using the LM016L module, the speed of conversion to the mileage by using 12C bus and the memory to store, not only saves the need microcontroller port line and peripheral devices, but also simplifies the display part of the software programming. This paper first needed to design the odometer
9、s equipment are introduced in this paper, the existing problems in design are described; and the design and Realization of the hardware and software of the earnest analysis, on the basis of the simulation. Odometer the design has the advantages of simple structure, low cost, clear display, good stab
10、ility and reliability.Keywords: MCU minimum system, Holzer sensor, time chip DS1302, LCD module LM016L, matrix keyboard1. 绪论1.1 课题研究背景自行车走过了200多年的发展历程，自行车里程表也在不断开发和发展之中。目前，在国内里程表普遍使用在汽车和摩托上，包括厂矿企业所使用的电机车，而在自行车上使用里程表的还很少见。随着集成电路技术、电子技术突飞猛进的发展，特别是计算机技术在里程表中的广泛应用，研制数字化和智能化的自行车里程表是非常必要的。在国外自行车里程表的开发和研制生
11、产技术已经很成熟了，比如像德国的西格玛，国内知名度最高、适用率最广的自行车里程表品牌，外形含蓄、做工精细，高中低档产品均有，功能也比较强大。还有日本的猫眼、西马诺，尤其是西马诺，其制造的飞行甲板可以实现电子里程表和自行车机械零部件的合为一体，而手不离开车把就能操作里程表的方式比起西格玛等里程表必须腾出手来按按钮的方式也是差异极大。1.2 课题研究意义随着科技的进步，现在越来越多的人开始关心我们的生活环境，注意生活中的小细节，做到低碳环保，人们对自行车的需求也越来越大，自行车已经不仅仅是运输、代步的工具，其辅助功能也变得越来越重要。因此，人们希望自行车能够集娱乐、休闲、锻炼于一体的多方面功能。基
12、于这个背景，自行车里程表作为自行车的一大辅助功能迅速地发展起来。科学、美观、合理设计自行车里程表有一定的实用价值。它能合理计算出当前的速度及行驶的距离，是运动者运动适量，达到健康运动与代步的最佳效果。1.3 课题研究的主要内容本系统可以实现自行车在行驶过程中的速度、里程数、时间的显示功能以及超速报警的功能。主要是由霍尔传感器模块、按键模块、外部存储模块、显示模块以及报警模块这五个模块组成。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自行车行驶的里程、速度等，再将得到的数据存储到EEPROM数据
13、存储器中，并由LCD1602显示模块显示所测瞬时速度、平均速度、加速度与里程等。本系统的核心处理器是单片机STC89C52，当检测到自行车的行驶速度达到或超过设定的限速时，输出一个高电平是压电式有源蜂鸣器发出报警的声音，从而达到安全行驶的目的。2. 系统总体设计方案2.1 系统实现的功能本设计的任务是：以通用MCS-51单片机为处理核心，霍尔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通过MCS-51的定时/计数器测出总的脉冲和每转一圈的时间，然后通过单片机计算得出，将结果通过LED液晶显示模块显示出来。2.2 设计思路本系统通过霍尔传感器进行信号的采集，当车轮每转
14、一圈，通过开关型霍尔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。每一次中断代表车轮转动一圈，中断数与车轮周长的乘积即为里程数。计数器T1计数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，LED切换当前速度，若自行车超速，系统发出报警信号，指示灯闪烁。2.3 总体设计框架外部信号显示模块（显示即时里程数或者是即使速度）霍尔传感器模块（接收外部信号产生脉冲信号）AT89C51单片机报警模块（提供超速报警）按键模块（用来切换显示和复位）电源模块（为单片机提供
15、电源）外部存储模块（存储产生的数据） 图2-1 系统结构框图3 系统硬件设计3.1 数据采集模块 数据采集是本次毕业设计中的数据来源部分，数据采集的稳定性和准确性能直接后续设计过程中的稳定性和准确性。数据采集模块由霍尔传感器利用霍尔原理对自行车行驶中的数据进行采集，其中包括脉冲次数和变化快慢，并且将输出的数字量直接输出到单片机的某一接口。霍尔效应：一块半导体薄片，其长度为l，宽度为b，厚度为d，至于磁感应强度为B的磁场中，如果在其相对的两边通入电流I，且电流垂直于磁场，则将会在半导体的另外两边产生一个电势差Uh，即Uh=（RhIB）/d=KhIB（其中Rh为霍尔元件的霍尔系数，Kh为霍尔元件的
16、灵敏度），其中该半导体薄片就是霍尔传感器。半导体长度方向上的两个金属电极称为控制电极（或输入电极），沿该方向流动的电流I称为控制电流；宽度方向上的两个电极称为霍尔电极（或输出电极）。霍尔元件接线图如下图2-1所示。图 2-1 接线图霍尔传感器检测转速示意图如下图2-2示。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。图 2-2 测速原理图霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2-3所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。 图 2-3霍尔元件产品图和管脚图3.2 主控芯
17、片 AT89C51是由美国ATMEL公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片内含有4K字节Flash可擦写存储器(PEROM)以及128字节的随机存取数据存储器(RAM)，AT89C51采用ATMEL公司高密度、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（CPU）和Flash存储单元，功能十分强大的AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，还可灵活应用于各种控制领域。AT89C51 提供的标准功能有：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个IO 口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信
18、口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并且还支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.3 键盘矩阵键盘是4*4的矩阵键盘，在设计中是用来调整时间的，从上述知道当时间芯片DS1302的时间不准确时，就可以通过键盘来对时间进行调整，当然键盘还能对不同规格自行车的半径进行选择。本系统采用4*4键盘，其中使用到的只有其中10个，另外六个保留，键盘的作用就是设置轮胎的宽度，和另外的一些参数值，也可以通过键盘来
19、控制程序的运行（本系统未使用）。4*4的键盘引出的8个引脚接单片机的P2口。键盘扫描原理是按键部分由16个轻触按键按照4行4列排列，连接到P2端口。将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。本系统采用的扫描法，具体如下： 判断键盘中有无键按下： 将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电
20、平，则键盘中无键按下。 判断闭合键所在的位置： 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。3.4 显示模块显示设计采用LM016L液晶模块，该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。在本设计中用来显示速度、路程、和时间。LCD模块引脚及功能如下图2-4所示 图 2-4LM016L引脚3.5 报警模块报警设计中当即时速度超过固定值时，蜂鸣器会发出报警声，提示需要减速。3.6 复位
21、电路复位是使CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51系列单片机通常采用上电复位、手动复位、上电+手动的混合复位等方式。而本设计采用上电复位方式，其实质是一阶充放电电路，系统上电时该电路将提供有效的复位信号RST（高电平）直至系统电源稳定后撤销复位信号（低电平）。同时应注意保证加在RST 引脚上的高电平持续两个机器周期，才能使单片机可靠复位。4. 系统软件设计4.1系统介绍本系统主要通过C语言进行单片机编程，从而实现信号的读取与显示，通过51单片机的内部中断来实现实时的显示速度和里程数。键盘扫描，液晶显示等部分都是通过软件来控制。4.2系统流程图程序设本系统的
22、核心部分，系统的各个方面都是通过程序来控制和协调。程序的核心部分就是中断时间到了之后进中断的各个数据的计算。程序开始的时候先初始化LMO1602的液晶，然后液晶模块上会提示用户输入自行车的轮胎宽度：width（0-99cm），当用户输入完后，这个数值将被作为自行车的轮胎半径参加计算。之后程序就初始化中断模式，之后就进入一个while循环，在循环中接收信号和显示数据，如果中断时间到了，那么进入中断，从新计算速度跟里程数。退出中断后又继续显示新的速度跟里程数。流程图如下4-1所示： 开始初始化液晶模块Y键盘扫描N开中断中断时间是否到YN重新设置中断时间计算速度，里程数显示速度跟里程图4-1 系统流程图
