多功能自行车测速仪设计与制作

“发明杯”大学生创新大赛作品题目: 多功能自行车测速仪的设计与制作2009年5月18日目录中文摘要 (1)引言 (3)1 概述 (4)1.1自行车测速仪简介 (4)1.2自行车测速仪的功能简介 (5)1.3系统控制方案 (5)2 自行车测速仪的硬件设计与实现 (6)2.1 单片机的选用与介绍 (6)2.2传感器的选择 (8)2.3 显示模块的选择及介绍 (8)2.4硬件原理说明及PCB布线原则 (9)2.5硬件装调 (12)3 系统软件的设计 (13)3.1 液晶显示屏的切换 (13)3.2主程序 (14)3.3子程序 (15)3.4 软件调试 (16)结论与谢辞 (17)参考文献 (18)附录1PCB图 (19)附录2材料清单 (20)附录3程序清单 (21)多功能自行车测速仪设计与制作摘要：本课题的任务是设计一种用于自行车的多功能电子式测速仪。

该测速仪以AT89S52为核心，通过开关型霍尔元件来检测自行车的运转情况，将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行计算，进而实现对自行车车速、里程的计算及里程的累计、存储，最后用LCD液晶显示模块直观地将车速与里程显示给用户，并且在速度高于一定的值时可自动向用户发出报警信号，从而达到智能测速的目的。

关键词：AT89S52单片机霍尔元件液晶LCD引言随着人们生活水平的逐渐提高，人们对于生活质量的要求也日益增加，尤其是对健身的要求。

自行车在中国普遍作为代步工具。

而在国外，自行车却是一项十分受欢迎的健身运动。

因为它无污染，价位低廉，老少皆宜。

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。

在中国这种情况也在慢慢发生变化。

在以往人们骑自行车时都不能准确的知道自己到底骑了多少路，只能自己估算；如果要知道时间还要看手表、看手机，骑车的时候看东看西，一点安全性都没有；虽然自行车的速度没有摩托车和汽车的速度来的快，但是同样也要注意安全，当超过了自行车的最大速度时最好能提醒用户减小一下速度，注意安全。

因此对于骑自行车的人们来说需要一款能测速的装置，方便知道自己的运行情况及提高行驶的安全性。

单片机是集成在一块芯片上的微型计算机，由于他主要应用于工业控制、智能仪器仪表、家用电器等领域，因此要求单片机具有体积小，功耗低，精简指令集、控制功能强、扩展灵活、抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好、使用方便、外围电路更少等优点，这使得单片机在硬件结构、指令系统上与通用微型计算机有一些不同之处。

主要特点如下：单片机的应用场合固定，程序开发后很少改动，且数据量较少，将程序固化在ROM 中可靠性高，能够提高单片机的性能。

具有位处理功能：满足工业控制需要，单片机的指令系统中专门有一类位操作指令，可直接进行位传送，置位复位，位判断转移等。

引脚功能复用：一般情况下，微型计算机的CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而单片机由于引脚数量有限，因此其多数引脚具有复用功能。

工作寄存器设在片内RAM中：在通用微型计算机中，寄存器不占有RAM空间，只有名称没有地址，而在单片机中，寄存器占用内部数据存储器中的存储单元。

因此，单片机中的寄存器既有名称也有地址。

类型多，系列全，速度快：目前，单片机种类繁多，用户可根据实际需要选择功能好、性价比高的产品。

并且，单片机把微型计算机的各个部分集成到一块芯片中，缩短了信号传送的距离，提高了系统的可靠性及运行速度。

单片机有那么多的优点才会得到广泛的应用，利用单片机设计的自行车测速系统就是特例之一。

1 概述1.1 自行车测速仪简介1.1.1 传统的机械式测速仪传统的机械式测速仪是由轮子输出动力，经驱动蜗轮轴带动软轴头端同步转动，使与软轴另一端固定的永久磁铁跟着同步转动，从而产生旋转磁场该磁场作用于转动盘，便使转动盘连同车速表指针发生同向的偏转。

当电磁转矩与弹簧产生的阻力矩平衡时，指针偏转停留在某一角度上。

指针偏转角与车速成正比，因而可用其表示车速。

机械式测速仪的缺陷是明显的。

由于表盘指针偏转程度正比于软轴的转动时产生的磁力，当转速较低的时候，磁力较小，随转速变化波动较大。

因此，低速时测速表指针摆动剧烈、测量及显示精度不高。

1.1.2 简易电子式测速仪随着电子科技的进步，传统的机械式测速仪几乎已经消失，随之被电子式测速仪所取代。

这类仪表基本原理都是设法由电子元器件代替传动软轴取得车子运行旋转信号，进而把信号处理好并由显示器显示出转速或速度信息。

这类仪表具有精度高、重复性好、分度均匀、响应速度快、可靠性高、功耗低、适用范围广等优点，并且其结构简单、使用方便所以称之为简易电子式测速仪。

本课题就是根据这个基本原理来设计一种简易电子式测速仪。

图1.1测速仪的外形框图1.2 自行车测速仪的功能的简介对自行车进行实时速度的测量，显示出速度值。

能针对不同的车型进行选择。

从而采用不同的模块进行测量。

显示当前日期时间，可以任意设定当前工作时间。

显示行车里程，运动时间。

记录范围为0~999.9Km速度超过最大值时，会发出报警信号，提醒用户减速。

1.3 系统控制方案测量自行车的速度的原理有两种：原理1：测量一定时间间隔t1里自行车车轮转过的圈数qs。

假设车轮周长为tc，则速度V=tc*qs/t1原理2：测量自行车车轮转过一圈的时间t2，则速度V=tc/t2本里程表是根据原理2计算速度的。

里程、速度等都是由开关型霍尔元件测量。

已知自行车轮胎的直径tl，轮子每转动一圈，安装在车轮辐条上的磁钢接近开关型霍尔传感器一次，传感器送一个下降沿信号给单片机的外部中断0，产生一次中断，圈数qs加1。

两个相邻的下降沿信号的时间由单片机定时器1计时（设为ssj），那么计算累计里程S和当前速度V的公式为：S=tl*3.14*qs V=tl*3.14/ssj若速度大于28.8km/h（8m/s）则P2.4输出低电平，报警蜂鸣器响，提示速度过大。

处理速度数据时同时刷新最大速度及计算S、V。

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。

图1.2 系统框图系统由开关型霍尔元件、设置选择模块(按键的选择)、显示模块、报警模块、供电模块和单片机小系统构成。

由设置选择模块选择显示模式后，单片机实时采集、处理后显示。

2 自行车测速仪的硬件设计与实现2.1 单片机的选用与介绍目前已投放市场的主要单片机产品多达70多个系列，500多个品种。

这其中还不包括那些系统或整机厂商定制的专用单片机，及针对专门业务、专门市场的单片机品种。

这里对我们设计所需的8051单片机进行介绍。

最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。

由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC 类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接手生产。

这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特点（如时序特性）。

提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品的价格。

2.1.1 单片机的主要性能及功能特性的描述与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

8051单片机中AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K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Flash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AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52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，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。

图2.1芯片AT89S52的管脚分布图2.1.2 单片机最小系统的简介维持单片机运行的最简单的配置系统，构成单片机最小应用系统。

由于晶振、开关等器件无法集成到51芯片内部，由这些器件所构成的晶振电路和复位电路是单片机工作所必要的两个基本电路。

对于8051、8751片内有RAM、EPROM的系统来讲，单片机与晶振电路及开关、电阻、电容等构成的复位电路组成单片机最小系统。

对于8031机型来说，片内不含有程序存储器，所以除以上基本的配置外，必须外扩片外的程序存储器，再用到地址锁存器，才能构成最小应用系统。

图2-1是AT89S52构成的最小应用系统。

图2.2AT89S52单片机最小系统2.2 传感器的选择2.2.1 红外对管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。

2.2.2 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元件类似，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，当磁钢靠近干簧管的时候，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。

2.2.3 开关型霍尔元件霍尔元件是利用霍尔效应把磁输入信号转换成电信号的器件。

把开关型霍尔元件安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔元件的时候，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。

霍尔元件的优点是稳定和安装简易。

图2.3霍尔元件示意图本论文根据需要选用开关型霍尔元件。

2.3 显示模块的选择及介绍2.3.1 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。

2.3.2 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。