1、河南大学本科毕业生学士学位论文编号：河南大学 2011 届本科毕业论文自行车里程速度计的设计The Design Of The Bicycle trip /speed tester论文作者姓名： 高兵 作 者 学 号： 070440055 所 在 学 院： 计算机与信息工程学院 所 学 专 业： 自动化 导师姓名职称： 肖兴达(副教授) 论文完成时间： 2011 年 5 月 20 日 2011 年 5 月 20 日河南大学本科毕业生学士学位论文目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪 论 .11.1 课题研究的目的 .11.2 课题的主要任务及内容 .1第 2 章 自行车里程速度
2、计总体方案设计 .22.1 任务分析与实现 .22.2 自行车里程速度计硬件方案设计 .22.2.1 整体方案论证 .22.2.2 系统的组成 .3第 3 章 单片机 AT89C51 简介 .43.1 单片机的组成和特点 .43.2 AT89C51 的主要特性和实物图 .43.3 AT89C51 的引脚功能介绍 .63.4 单片机定时/计数功能介绍 .8第 4 章 测速传感器的选型 .104.1 开关型霍尔传感器的工作原理 .104.2 A44E 集成开关型霍尔传感器介绍 .114.3 传感器的检测原理和检测电路 .12第 5 章 整体硬件电路设计 .135.1 单片机最小系统设计 .135.
3、1.1 复位电路的设计 .135.1.2 时钟晶振电路的设计 .145.2 传感器检测电路的设计 .165.3 电源电路的设计 .175.4 键盘电路的设计 .185.5 外部存储电路的设计 .195.5.1 存储器 CAT24WC32 概述 .195.5.2 CAT24WC32 引脚功能介绍 .205.5.3 IC 总线协议介绍 .215.5.4 CAT24WC32 和 AT89C51 的硬件连接设计 .235.6 显示电路的设计 .235.6.1 EDM1190A 的特点 .245.6.2 主要技术参数 .245.6.3 引脚介绍 .245.6.4 EDM1190A 的数据传输原理 .25
4、5.7 声光报警电路的设计 .27河南大学本科毕业生学士学位论文第 6 章 软件设计 .296.1 软件设计概述 .296.2 主程序设计 .296.3 中断子程序的设计 .316.4 键盘子程序的设计 .326.4.1 功能选择键 S1 程序的设计 .326.4.2 增加键 S2 程序的设计 .326.4.3 减少键 S3 程序的设计 .336.5 数据处理子程序的设计 .346.5.1 速度计算子程序的设计 .346.5.2 里程计算子程序的设计 .356.6 显示子程序的设计 .366.7 IC 协议下读/写 EPROM 程序的设计 .36结论与展望 .37致 谢 .39主要参考文献 .
5、39附 录 一 元器件清单 .40附 录 二 系统原理图.41附 录 三 系统源程序 .42河南大学本科毕业生学士学位论文- I -摘 要目前自行车已成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选，尤其是对于用来锻炼的人们，自行车速度里程计让他们清楚地知道当前的速度、里程等物理量，更好的用于锻炼。本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车速度里程计设计。以 AT89C51 单片机为核心，A44E 霍尔传感器测转数，实现对自行车速度里程计测量统计。该速度里程计将传感器输入到单片机的脉冲信号的宽度实时地测量出来，然后通过单片机计算出速度和行程，再将所得的数据存储到串口数据存储器，采用 CAT24WC32 实现在系统掉
6、电的时候保存速度和行程信息，并由串口液晶显示模块实时显示出所测速度和行程。本设计介绍了自行车速度/里程测试仪的硬件电路和软件设计。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，然后单片机系统将信号经过处理送显示。软件部分用汇编语言进行编程，采用模块化设计思想。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。关键词：速度/里程；霍尔元件；单片机；LCD 液晶显示河南大学本科毕业生学士学位论文- II -AbstractNow the bicycle has become the first choice of entertainmenting and exercising.
7、 Especially for people to exercise，The bicycle speed/trip can fulfill the basic need of peoples life, so that they can learn the speed and the mileage of the bicycle. In these paper, the bicycle speed/trip design based on the Hall element is elaborated. By AT89C51 as kernel, using A44E Hall element
8、to measure revolution, the measure and statistic are achieved. The range informations are saved by CAT24WC32 when the power is off, the bicycle speed can be displayed on LCD. In this article, the hardware circuit and software design of bicycle speed/trip instrument are introduced in detail. About th
9、e hardware, the pulse number is transmitted of one cycle of the bicycle into Single Chip Microcomputer system. Then the signal processed by Single Chip Microcomputer system is sent to display scream. About the software, in assemble language, the program is designed in the mode of modules. The system
10、 has simple hardware, common sub-program, and meet the demand of design.Key words: speed/trip; Hall element; Single Chip Microcomputer; LCD河南大学本科毕业生学士学位论文- 1 -第 1 章 绪 论随着超大规模集成电路技术提高，尤其是单片机应用技术以其功能强大，价格低廉的显著特点，使全数字化测量转速系统得以广泛应用。本论文在此基础上，对单片机自行车速度里程计硬件和编程作一简单的分析和研究。单片机突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有
11、较强的模拟接口，代码保密性好。外围电路更少，因而得到了广泛的应用。另外其较少的指令及较强的实用功能更为许多单片机的初学者之首选品牌。单片机指令少，PIC中档系列单片机共有 35 条指令，非常有利于记忆和掌握，指令为单字节，占用程序存储器的空间小，而且中档系列单片机每一条指令为 14 位，前 6 位存操作指令，后 8 位存操作数，大部分芯片有其兼容的 FLASH 程序存储器的芯片，支持低电压擦写，擦写速度快，允许多次擦写，程序修改方便。基于单片机以上特点使其在现代工业占据了举足轻重的位置。其中利用单片机设计自行车速度/行程测试仪就是特例之一。本设计以 AT89C51 为核心，通过 A44E 集成
12、开关型霍尔传感器来检测自行车的转轴运转情况进而实现对自行车速度里程的测量，最后用 LCD 能直观的将速度和里程显示给用户，并且在速度高于一定的值时可以自动向用户报警，实现速度的实时测量。1.1 课题研究的目的转速的测量方法很多，而模拟量的采集和模拟量处理一直是转速测量的主要方法。目前这种测量方法已不能适应现代化科技发展的要求。随着大规模及超大规模集成电路的发展，使得全数字测试仪越来越普及，其转速测试仪也可以全数字化处理。在测量范围和测量精度方面都有很大提高。因此，本次设计的目的是：在自行车上，利用AT89C51 系列单片机设计一种全数字化的自行车里程速度计，并从提高测量精度的角度出发，分析讨论
13、其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供参考。本设计以单片机为中心，设计全数字化的自行车速度里程计这个测试仪采用全数字化结构，操作使用方便，能够精确的为用户提供速度和行程的数值。1.2 课题的主要任务及内容本设计的这个系统以单片机 AT89C51 为控制核心，用 A44E 集成开关型霍尔传感器作为测量转速和里程的检测元件，经过单片机的数据处理，用 LCDEDM1190A 液晶显示模块显示速度和里程。本设计的速度和里程值采用 4 位显示，速度和里程值可单独显示，测量值误差小于 1%。超速行驶（设置限速参数）时，能自动发出声光报警。具体的硬件电路包括电源电路、转速传感器检测电路、单片机最小系统电
14、路以及LCD 显示电路等。软件设计包括：芯片的初始化程序、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。 河南大学本科毕业生学士学位论文- 2 -第 2 章 自行车里程速度计总体方案设计2.1 任务分析与实现本设计的任务是：以 AT89C51 单片机为处理核心，用 A44E 集成开关型霍尔传感器将车轮的转数转换为电脉冲，转变成标准信号后，送入单片机计算处理。速度和里程的测量，是经过 AT89C51 单片机的定时/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 LCD 显示器显示出来。并采用 CAT24WC32 实现在
15、系统掉电的时候保存速度和里程信息。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。并有液晶显示器对速度和里程进行同时显示，若自行车超速，系统发出报警信号，指示灯亮，蜂鸣器发出报警声音。要求达到的各项指标及实现方法如下：1.
16、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 LCD 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：自行车里程速度计具有速度、里程测试与显示功能，采用单片机作控制，显示电路可选择显示速度和里程，可通过按键选择显示行驶里程值或速度值。2.2 自行车里程速度计硬件方案设计2.2.1 整体方案论证测速，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
17、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。河南大学本科毕业生学士学位论文- 3 -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
18、，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。由 A44E 采样，经单片机将该处理的数据处理后，在 LCD 显示屏上显示出来，并设置转速
19、的上限值，一旦超速，单片机就通过报警器发出声光报警。2.2.2 系统的组成单片机自行车里程速度计系统由传感器、单片机、显示器和报警器四部分组成。传感器采用霍尔传感器将低速物体的转速转化为脉冲信号，处理器采用单片机，计算器采用单片机内部的计数器完成脉冲信号的计数，采用液晶显示模块进行显示，报警器采用声光报警器。系统组成框图如图 2-1 所示：图 2-1 系统的原理框图单片机键盘霍尔传感器外部存储器速度显示速度显示里程显示声光报警器光电耦合器霍尔传感器外部存储器CAT24WC32河南大学本科毕业生学士学位论文- 4 -第 3 章 单片机 AT89C51 简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规
20、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计算机系统。3.1 单片机的组成和特点单片机的基本结构可用图 3-1 所示的方框图描述。包括：中央处理器、程序存储器、数据存储器、并行输入/输出端口、串行输入/输出端口、定时/计数器、系统时钟。图 3-1 单片机的基本结构以上只是单片机的基本结构，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器(ADC)、数字/模拟转换器（DAC）、温
21、度传感器、液晶驱动器、电压监控、“看门狗”电路、抵押检测电路等。到目前为止，世界各地厂商研制出大约 50 个系列、300 多个品种的单片机产品。其中有 Motorola 公司的 6801、6802，Zilog 公司的 Z-8 系列，Rockwell 公司的6501、6502 等，NEC 公司、日立公司及 EPSON 公司等也相继推出了各具特色的单片机产品。尽管目前单片机的品种繁多，但其中最具典型性的仍当属 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机，MCS-51 系列单片机应用非常广泛，是单片机的主流机型。国内尤以 MCS-51系列单片机应用最为广泛。河南大学本科毕业生学士学位论文- 5 -
22、3.2 AT89C51 的主要特性和实物图AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4K Bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和 128 字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 8051 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C51 单片机适合于许多较为复杂控制场合应用，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。它的实物图如图 3-2 所示。它的主要特性如下：图 3-2 AT89C51 的实物图与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道
