基于51单片机的自行车测速系统设计

1摘要随着居民生活水平的不断提高，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。自行车的速度里程表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、里程等物理量。而对于自行车运动员来说，最为关心的莫过于一段时间内的训练效果。因为教练要根据一段时间内运动员的训练效果进行评估，从而进行适当的调整已使运动员达到最佳的状态。因此爱好自行车运动的人十分学要一款能测速的装置，以知道自己的运动情况。并根据外界条件，如温度，风速等进行适当的调节，已达到最佳运动的效果。关键词：单片机、LED显示、里程/速度、霍尔元件2第一章系统总方案分析与设计1.1课题主要任务及内容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、霍尔元件以及LED显示电路等。软件设计包括：中断子程序设计，里程计算子程序设计，显示子程序设计。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。1.2任务分析与实现本设计的任务是：以通用AT89C52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AT89C52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和周长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。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，速度指示灯亮，LED切换显示当前速度。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、速度测试与显示功能，采用单片机作控制，显示电路可显示里程及速度。3第二章系统主要单元模块和速度算法概述2.1传感器选型方案一、光电传感器。光电传感器是应用非常广泛的一种器件，各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图2-1所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此可以制作一个遮光叶片如图2-2所示，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。图2-1光电传感器的原理图图2-2遮光叶片将光敏电阻安装在自行车前又的一侧，在同等高度的另一侧安上一个高亮度的发光二极管。在同等高度的辐条上贴上一圈黑色材料，并在黑色材料上打上等间距的小孔，这样当小孔经过光敏电阻时，光敏电阻根据光电流的变化发出脉冲，从而测量里程。方案二、光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。将旋转编码器安装在车轴上，这样每当车轮转过一定的距离编码器就会发出一个脉冲。利用脉冲数对里程进行测量。方案三、霍尔传感器霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040、A04E等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。4图2-3霍尔元件和磁钢实际图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，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出,单片机根据脉冲数来计算里程。霍尔元件和磁钢如图2-3所示。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。光敏电阻对光特别敏感，当白天行驶时，外界光敏电阻对光特别敏感，当白天行驶时，外界光源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，如果光敏电阻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测量；在雾天和雨天光敏电阻的测量的效果也不好。而编码器必须安装在车轴上，这样安装就会给用户带来很多不便。霍尔元件不受天气的影响，即便被泥沙或灰尘覆盖对测量也不会有任何影响。由霍尔元件加整形电路构成的霍尔开关系统，具有输出响应快，数字脉冲性能好，安装方便，性能可靠，不受光线、泥水等因素影响，价格便宜的优点。所以本设计采用方案三霍尔传感器。2.2单片机选型本设计用89C52单片机设计自行车里程/速度计。AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本2.3显示模块选型5单片机系统中常用的显示器有：发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器等。在这里由于单片机测速系统比较简单，所以只考虑LED显示器和LCD显示器。LED显示器工作方式有两种静态显示方式和动态显示方式。方案一LED静态显示器：静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。LED动态显示器：动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。方案二用液晶显示器LCD显示信息。LCD显示器工作原理就是利用液晶的物理特性；通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。LCD的好处有：与CRT显示器相比，LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。LED背光源技术能够大幅度提升电视画面的对比度和色彩表现力，同时具有节能环保等诸多优点，势必成为未来电子显示技术的发展趋势。LED技术具有非常明显的三大优势。第一，它显示的色彩更加丰富，色彩数量可超过目前传统CCFL冷阴极荧光管背光灯的1倍以上；第二，LED背光源亮度可以随着画面亮度进行主动调节，可节能30%以上；第三，LED背光源不含铅和汞等有毒有害物质，是真正的绿色环保光源。本课题选用LED动态显示器。2.4算法概述假定轮圈的周长为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和周长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。第三章系统硬件设计3.1单片机主控电路3.1.1单片机概述单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM,ROM,EPROM）和各种输入、输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉宽调6制器PWM等），这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。单片机是本次设计的核心部件，它是信号从采集到输出的桥梁，而且包括计算、定时、信息处理等功能。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单片机。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；本设计用89C52单片机设计自行车里程/速度计。AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。(背景色)AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。本设计选用AT89C52单片机，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，可与工业AT89C51产品指令和引脚完全兼容。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。主要功能特性1、兼容MCS51指令系统2