1、 金 华 职 业 技 术 学 院 J I N H U A P O L Y T E C H N I C 毕业 教学环节 成果 （ 2013 届） 题 目 自行车里程 /速度计的设计 学 院 信息工程学院 专 业 应用电子技术专业 班 级 应电 101 班 学 号 201031010030103 姓 名 指导教师 2013 年 05 月 18 日 金华职业技术学院毕业教学成果 目 录 摘 要 . - 1 - 英文摘要 . 错误 !未定义书签。 引 言 . - 2 - 1 自行车的里程 /速度计总体方案设计 . - 3 - 1.1 任务分析与实现 . - 3 - 1.2 自行车的里程 /速度计硬件方
2、案设计 . - 3 - 1.3 自行车的里程 /速度计软件方案设计 . - 5 - 2 自行车的速度 /里程计硬件电路设计 . - 6 - 2.1 传感器及其测量系统 . - 6 - 2.1.1 霍尔传感器的测量原理 . - 6 - 2.1.2 集成开关型霍尔传感器 . - 6 - 2.2 单片机最小系统 . - 7 - 2.2.1 单片机 简介 . - 7 - 2.2.2 单片机最小系统 . - 8 - 2.3 74HC573 驱动器 的介绍 . - 9 - 2.4 显示和报警电路的设计 . - 10 - 2.4.1 显示电路的设计 . - 10 - 2.4.2 报警电路的设计 . - 10
3、 - 3 自行车的里程 /速度计软件程序设计 . - 11 - 3.1 自行车的里程 /速度计总体程序设计 . - 11 - 3.2 子程序的设计 . - 12 - 3.3 主程序的设计 . - 12 - 4 系统调试与分析 . - 14 - 4.1 系统仿真 调试 . - 14 - 理工类 4.2 调试故障及原因分析 . - 14 - 4.3 PROTEUS 仿真过程 . - 14 - 5 结论与展望 . - 16 - 5.1结论 . - 16 - 5.2 展望 . - 16 - 致 谢 . 22 参考文献 . - 18 - 附 录 . - 19 - 1 自行车的速度里程计硬件系统原理图 .
4、 - 19 - 2 自行车的速度里程计仿真效果图 . 错误 !未定义书签。 3 自行车的速度里程计 PCB 图 . - 20 - 4 元件清单 . 错误 !未定义书签。 5 源程序 . - 21 - - 1 - 自行车里程 /速度计 的设计 信 息工程学院 应用电子技术专业 杨丽 摘 要 :本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车的速度里程表的设计。以 AT89C52 单片机为核心， 霍尔 元件 测转数，实现对自行车里程 /速度的测量统计， 采用 74HC573 实现在系统掉电的时候保存里程信息， 利用定时中断记录行车时间，并用 按钮切换将自行车的里程 、速度和行车时间用 LED实时显示。文章详
5、细介绍了自行车的速度里程计的硬件 和软件设计。硬件部分利 用霍尔元件将自行车每转一圈的脉冲数传入单片机系统，然后 将信号经过处理送显示， 软件部分用 C语言进行编程，采用模块化设计思 想。 关键词 ： 里程 /速度 霍尔元件 单片机 LED Design of bicycle mileage / speed meter （ Major of Applied Electronic Technology， Information and Engineering College， YangLi） ABSTRACT： the bicycle mileage/speed design based on
6、the Hall element is elaborated. By AT89C52 as kernel, Measuring the number of revolutions of the Hall signal generator, the measure and statistic are achieved. The range information is saved by 74HC573 when the power is off, Use timer interrupt to record travel time, and can use a button to switch t
7、o the bicycle mileage, speed and travel time real-time display with LED.In this article, the hardware circuit and software design of bicycle mileage/speed instrument are introduced in detail. About the hardware, the pulse number is transmitted of one cycle of the bicycle into Single Chip Microcomput
8、er system. Then the signal processed Microcomputer system is sent to display scream. About the software, in assemble language; the program is designed in the mode of modules. KEY WORDS: Mileage / speed; Hall element; Single chip microcomputer; LED - 2 - 引 言 自行车被发明及使用到现在已有两百多年的历史，这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，
9、将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车，自行车发展的目的也从最早的交通代步的工具转换成休闲娱乐运动的用途。 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。自行车里程速度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的速度里程表，它能自动地显示当前自行车行走的距离及运行的速度。
10、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 LED数码管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的速度里程表的设计思想、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 AT89C52单片机
11、的外围电路以及 LED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，软件采用汇编语言编写，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。 - 3 - 1 自行车的 里程 /速度计 总体方案设计 1.1 任务分析与实现 本设计的任务是：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，再经过单片机的计算得出，其结果通过 LED显示器显示出来。 本系统总体思路如下：假定轮圈的周长为 L，在轮圈上安装 m个永久磁铁，则测得
12、的里程值最大误差为 L/m。经综合分析，本设计中取 m=1。当轮子每转一圈，通过开关型霍尔元件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。每次中断代表车轮转动一圈，中断数 n轮圈的周长为 L的乘积为里程值。计数器 T1计算每转一圈所用的时间 t，就可以计算出即时速度 v。用定时器 2中断记录自行车行驶时间，并通过接在 P1.1的按键进行切换，同时 LED切换显示当前 行驶时间。此外 若自行车超速，系统发出报警信号，指示灯闪烁。 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
13、计数。 实现：利用单片机自带的计数器 T1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 LED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：自行车的速度里程表具有里程、速度测试 、行驶时间记录与显示 、超速报警 功能，采用单片机作控制，显示电路可显示里程、 速度 、行驶时间 。 1.2 自行车的 里程 /速度计 硬件方案设计 测速，首先要解决是采样的问题。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。常用的测速元件有霍尔传感器、光电传感器和
14、光电编码器。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。 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，安装较为复杂；霍尔元件或干簧- 4 - 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。 使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以 做得较
15、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。 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，该传感器是一个 3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，工 作电压范围宽，使用非常方便。 A44E的外形如图 2.1所示。 A44E1 2 3 1-
16、Vcc 2-GND 3-OUT 图 1-1 A44E外形图 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。在设计中选用的是 AT89C52单
17、片机。 - 5 - A T 8 9 C 5 27 4 H C 5 7 3 驱 动 器L E D 显 示 器报 警 电 路霍 尔 传 感 器时 钟 电 路复 位 电 路按 键 切 换图 1-2 系统的原理框图 1.3 自行车的里程 /速度计软件方案设计 通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可读性，遵循模块化设计的原则，采用自顶向下的设计方法。模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。 软件 设计包括主程序、行车过程中里程和速度计算子程序、延时子程序、中断服务子程序、显示子程序等等。 中断子程序是将传感器产生的信号接入外部中断 0，利用中断和定时器对分别对里
18、程进行累加、每转一周的时间进行测量。 数据处理子程序是将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有一定的对应关系，经过软件编程显示所需要的值。 显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示。 各部分介绍如下： 1 初始化：打开外部中断和定时器 0 中断，当有脉冲来的时候就进入中断程序。 2 外部中断：记录一个脉冲时间 time；计算一个脉冲时间的速度，五个 速度作为一个数组，高低速判断；开启 T0，记脉冲数为 n。 3 定时器 0 中断：记 50毫秒时间赋值给 t. 4 处理函数：给出速度和路程的计算公式。 v=0.9*pi*r/time s=0.00025*pi*r*n 5 显示程序：用三位数显示
19、速度，四位数显示路程。 - 6 - 2 自行车的速度 /里程计硬件电路设计 2.1 传感器及其测量系统 本次设计信号的捕获采用的是霍尔传感器。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达 1MHz）、耐震动、不怕灰尘、油污 、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。取用各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度范围宽，可达 55 150。按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测对象的性质可将它们的应
20、用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体。通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力 、力矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 2.1.1 霍尔传感器的测量原理 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁敏传感器。在置于磁场中的导体或半导体通入电流 I，若电流垂直磁场 B，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差 Uh，这种现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。因为它具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量
21、线性范围大、抗干扰能力强以及体积小、使用寿命长等一系列特点，因此被广泛应用于测量、自动控制及信息处理 等领域。霍尔效应原理图如图3-1所示。 XYZBILU hbd图 2-1 霍尔效应原理图 2.1.2 集成开关型霍尔传感器 A44E集成霍尔开关由稳压器 A、霍尔电势发生器 (即硅霍尔片 )B、差分放大器 C、施- 7 - 密特触发器 D和 OC门输出 E五个基本部分组成，如图 3-2（ a）所示。 (1)、 (2)、 (3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。在电源端加电压 Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这
22、二者相垂直的方向上将 会产生霍尔电势差 VH输出，该 VH信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到 OC门输出。当施加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压 (相对于地电位 )，使三极管导通，此时 OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为开 。当施加的磁场达到释放点时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态为关 。这样两次电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。工作点与释放点的差值一定，此差值称为磁滞，在此差值内， V0保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍尔开关传感器优良特性之一。传感器主要特 性是它的输出特性，即输入磁感应强度 B与输出电压 V0之间的关系。 A44E集成霍尔开关是单稳态型，由测量数据作出的输出特性曲线如图 3-2(b)所示。测量时，在 1、 2两端加 5V直流电压 ,在输出端 3与 1之间接一个 2k的负载电阻，如图 3-3所示。 图 2-2 集成开关型霍尔传感器 图 2-3 集成霍尔开关接线图 2.2 单片机 最小系统 2.2.1 单片机原理简介 单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机 ， 也就是把组成微型计算机的各种功能
