毕业论文
基于单片机的自行车里程测速仪设计
院系：信息工程学院
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摘要
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。自行车测速仪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、时间等物理量。
本文介绍了一种基于单片机控制的简易自动自行车速度以及里程计算系统，包括自行车里程表的硬件构成，软件逻辑以及程序代码。该里程测速系统以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上显示车辆行驶里程、平均速度和瞬时速度，并且具有超速报警功能。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。
为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。正文中首先简单描述系统硬件工作原理，且附以系统硬件设计框图，论述了本次毕业设计所应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程, 并具体描述了AT89C51接口的软、硬件调试；其次阐述了程序的流程和实现过程。仿真实验表明所设计的硬件电路及软件程序是正确的，满足设计要求。
关键词：里程/速度；霍尔元件；单片机；LCD
I
Abstract
With the development of people’s life, the bicycle is not only the universal tool of transportation and substitute for walking, but becomes the first choice of entertainment and exercising. The bicycle speedometer can fulfill the basic need of people’s life, so that they can learn the speed, the mileage, time of the bicycle.
This article describes a simple microcontroller-based control automatically bike speed and mileage calculation system, including bicycle odometer hardware structure, software logic, and program code. Velocity system of the mileage uses AT89C51 as the control core, uses the hall sensors to detect the signal within a certain time interval the signal acquisition, combined with a bicycle wheel parameters after a single-chip signal acquisition, analysis and calculation, the mileage, average speed and instantaneous speed will finally display on the LCD, and the system has speed alarm function. The system hardware circuit is simple, the subroutine is versatile, which fully meets the design requirements.
For the sake of easy to expand with the design adoption mold a logic for turning construction, making procedure designing relation that change, software more shorter and more easier to understand. Make hardware control in software descended to moderate the operation. The text inside describes the system hardware work principle in brief first, and attach with the system hardware design frame diagram, discuss this graduate design a function for applied each hardware connecting a people the technique connects with each one a mold piece and work processes, combine to describe in a specific way the AT89C51 electric circuit connects oscular and soft, the hardware adjusts to try. Expatiated the process of the procedure the next in order with realizes process. The simulation results have proved that the hardware circuits design and software program is correct, and the system can meet the designing requirement completely.
Keywords: Mileage / speed; Hall element; MCU; LCD
II
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题研究的目的和意义 (1)
1.2 国内外的发展现状分析 (1)
1.3 研究的主要内容 (2)
2 系统总体设计 (3)
2.1 系统总体设计思路 (3)
2.2 结构框图 (3)
2.3 速度测量原理 (4)
2.4 传感器的选择 (4)
2.5 显示模块的选择 (4)
2.6 操作说明 (5)
2.7 工作原理 (5)
3 硬件电路设计 (6)
3.1 系统总电路图 (6)
3.2 AT89C51单片机简介 (7)
3.3 1602LCD液晶显示模块 (9)
3.4 霍尔元件 (11)
3.4.1 霍尔元件简介 (11)
3.4.2 霍尔传感器测量原理 (12)
3.4.3 转速测量方法 (13)
3.5 晶振复位电路 (13)
3.6 报警电路 (14)
4 软件程序设计 (15)
4.1 测量算法概述 (15)
4.2 主程序设计 (15)
4.3 中断子程序设计 (17)
5 调试与仿真 (18)
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5.1 Proteus及Keil软件简介 (18)
5.1.1 Proteus软件 (18)
5.1.2 Keil软件 (18)
5.2 应用Keil软件进行程序调试 (19)
5.3 Proteus软件仿真 (19)
5.4 仿真结果 (19)
6 结论 (23)
参考文献 (24)
致谢 (25)
附录 (26)
IV
绪论
1 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
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，人们使用的交通工具主要还是自行车，它轻巧便捷，使用简单，很受人们的喜爱，同时也可以作为休闲运动工具，是人们锻炼身体的好工具。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、行车时间、最高行驶速度，甚至还有GPS全球定位系统。本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，旨在让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，提高了驾驶的安全性。
另外自行车运动需一款测速装置，以了解运动情况，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成绩及训练过程，根据分析结果，可以调整自己的训练步骤。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，都存在体积大、精度低、不直观、功耗大、功能少等缺点。本文所述测速系统是以单片机为核心实现的，具有功能多、功耗小、直观准确以及可显示时间、总里程、速度等优点。
1.2 国内外的发展现状分析
随着微型计算机可靠性提高和价格的下降，用单片机测量转速已日趋普遍。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MPT 法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。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，在控制系统中占有非常重要的地位。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，构造简单，性能好。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。由于需要采用霍尔传感器的应用领域，如汽车、电机、手机和电脑都已经采用了该器件，而且这些市场在未来几年的增长较为稳定，而其他一些新的应用市场又不足以与上述几个市场相比，因此霍尔传感器在全球总的市场容量是较为稳定的，每年的增长率保
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绪论
持在5%到10%之间。因为各种应用电机的部件、节气门位置的检测、各种阀体位置的检测都会用到霍尔传感器。而且，在中国市场中，国外厂商为了降低成本，陆续将零部件拿到中国进行设计和生产，这也进一步提升了中国市场霍尔传感器的应用量。随着它在消费电子市场上的应用越来越广，如何控制功耗和成本将是厂商面临的挑战，而且，它还面临生产测试技术方面的挑战。
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、单次行车里程、平均速度、时钟、行车时间、车轮转数。未来的发展趋势可能还加入MP3和短信收发功能，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、行驶里程及平均速度，七段数码管显示瞬时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。本文首先简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、单片机的选择、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，包括主程序设计和子程序的设计；最后对本次设计进行了系统的仿真和总结。本设计要求对自行车进行实时速度的测量，显示出速度值、行车里程、行车时间以及行车的平均速度。
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系统总体设计
2 系统总体设计
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2-1所示。系统包括控制器模块、信号检测采集模块、显示模块、电源模块四部分。
图2-1总体设计思路
系统工作时，采用9V的电池供电，进行稳压处理，将9V稳降到5V以供单片机以及各芯片使用，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，根据设定的报警值决定报警灯的点亮情况。
2.2 结构框图
系统总体设计的结构框图如图2-2所示。
图2-2 系统结构框图
系统由霍尔元件传感器、显示模块、LED报警模块、供电模块和单片机小系统构成。
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系统总体设计
2.3 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里自行车车轮转过的圈数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。
2.4 传感器的选择
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。
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，缺点是成本较高。
干簧管。干簧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。
2.5 显示模块的选择
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
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系统总体设计
当前速度（近似瞬时速度）。
2.6 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200mm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。
而在实际运用中则可以根据具体的情况来通过程序来设定具体的参数，以达到对各参数更精确的测量与显示。
2.7 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，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。
系统处理速度数据时同时刷新平均速度、当前速度及运行里程。
若速度大于25.2km/h（7m/s）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。
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