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基于51单片机的自行车测速系统设计.docx
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基于51单片机的自行车测速系统设计.docx基于51单片机的自行车测速系统设计.docx基于51单片机的自行车测速系统设计.docx基于51单片机的自行车测速系统设计.docx基于51单片机的自行车测速系统设计.docx基于51单片机的自行车测速系统设计.docx基于51单片机的自行车测速系统设计.docx基于51单片机的自行车测速系统设计.docx
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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
1
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。
2
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
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。
3
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 CMOS 8 位单片机,片内含 8k bytes
的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 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
4
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
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