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基于单片机自行车测速专业系统设计.doc
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2022-11-24
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基于单片机自行车测速专业系统设计.doc
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摘 要
伴随居民生活水平不停提升,大家对于生活质量要求也日益增加,尤其是对健身要求。
自行车不再仅仅是一般运输、代步工具,而是成为大家娱乐、休闲、锻炼首选。自行车速
度里程表能够满足大家最基础需求,让大家能清楚地知道目前速度、里程等物理量。而对
于自行车运动员来说,最为关心莫过于一段时间内训练效果。因为教练要依据一段时间内
运动员训练效果进行评定,从而进行合适调整已使运动员达成最好状态。所以爱好自行车
运感人十分学要一款能测速装置,以知道自己运动情况。并依据外界条件,如温度,风速
等进行合适调整,已达成最好运动效果。
关键词:单片机、LED 显示、里程/速度、霍尔元件
第一章系统总方案分析和设计
1.1 课题关键任务及内容
本课题关键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
程和速度自行车速度里程表。本文关键介绍了自行车速度里程表设计思想、电路原理、方
案论证和元件选择等内容,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任务进行方案论证,包含硬件方案和软件方案设计;继而具体
介绍了自行车速度里程表硬件设计,包含传感器选择、单片机选择、显示电路设计;然后
叙述了该自行车速度里程表软件设计,包含数据处理子程序设计、显示子程序设计;最终
对此次设计进行了系统总结。
具体硬件电路包含 AT89C52 单片机、霍尔元件和 LED 显示电路等。
软件设计包含:中止子程序设计,里程计算子程序设计,显示子程序设计。软件采取
汇编语言编写,软件设计思想关键是自顶向下,模块化设计,各个子模块逐一设计。
1.2 任务分析和实现
本设计任务是:以通用 AT89C52 单片机为处理关键,用传感器将车轮转数转换为电脉
冲,进行处理后送入单片机。里程及速度测量,是经过 AT89C52 定时/计数器测出总脉冲
数和每转一圈时间,再经过单片机计算得出,其结果经过 LED 显示器显示出来。
本系统总体思绪以下:假定轮圈周长为 L,在轮圈上安装 m 个永久磁铁,则测得里程
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,经过开关型霍尔元
件传感器采集到一个脉冲信号,并从引脚 P3.2 中止 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止。每次中止代表车轮转动一圈,中止数 n 和周长 L 乘积为里
程值。计数器 T1 计算每转一圈所用时间 t,就能够计算出即时速度 v。当里程键按下时,
里程指示灯亮,LED 切换显示目前里程;当速度键按下时,速度指示灯亮,LED 切换显示目
前速度。
要求达成各项指标及实现方法以下:
1. 利用霍尔传感器产生里程数脉冲信号。
2. 对脉冲信号进行计数。
实现:利用单片机自带计数器 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数值。
最终实现目标:自行车速度里程表含有里程、速度测试和显示功效,采取单片机作控
制,显示电路可显示里程及速度。
第二章系统关键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。
光电传感器是应用很广泛一个器件,多种多样形式,如透射式、反射式等,基础原理
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,图 2-1 所表示,
当不透光物体挡住发射和接收之间间隙时,开关管关断,不然打开。为此能够制作一个遮
光叶片图 2-2 所表示,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,
旋转一周能够取得多个脉冲信号。
图 2-1 光电传感器原理图
图 2-2 遮光叶片
将光敏电阻安装在自行车前又一侧,在相同高度另一侧安上一个高亮度发光二极管。
在相同高度辐条上贴上一圈黑色材料,并在黑色材料上打上等间距小孔,这么当小孔经过
光敏电阻时,光敏电阻依据光电流改变发出脉冲, 从而测量里程。
方案二、光电编码器
光电编码器工作原理和光电传感器一样,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轴和转轴相连,就能取得多个输出信号。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
装置和设备中。
将旋转编码器安装在车轴上,这么每当车轮转过一定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传感元件,常见于开关信号采集有 CS3020、CS3040、A04E 等,
这种传感器是一个 3 端器件,外形和三极管相同,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,使用很方便。
图 2-3 霍尔元件和磁钢实际图
使用霍尔传感器取得脉冲信号,其机械结构也能够做得较为简单,只要在转轴圆周上
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,就会不停地产生脉冲
信号输出。假如在圆周上粘上多粒磁钢,能够实现旋转一周,取得多个脉冲输出, 单片机
依据脉冲数来计算里程。霍尔元件和磁钢图 2-3 所表示。在粘磁钢时要注意,霍尔传感器
对磁场方向敏感,粘之前能够先手动靠近一下传感器,假如没有信号输出,能够换一个方
向再试。这种传感器不怕灰尘、油污,在工业现场应用广泛。
光敏电阻对光尤其敏感,当白天行驶时,外界光敏电阻对光尤其敏感,当白天行驶时,
外界光源造成光敏电阻发犯错误信号;光敏电阻对环境要求相当高,假如光敏电阻或发光
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测量效
果也不好。而编码器必需安装在车轴上,这么安装就会给用户带来很多不便。霍尔元件不
受天气影响,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组
成霍尔开关系统,含有输出响应快,数字脉冲性能好,安装方便,性能可靠,不受光线、
泥水等原因影响,价格廉价优点。所以本设计采取方案三霍尔传感器。
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 系列单片机一个型
号,它是 ATMEL 企业生产。 一个低电压,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 8k bytes
可反复擦写 Flash 只读程序存放器和 256 bytes 随机存取数据存放器(RAM),器件采
取 ATMEL 企业高密度、非易失性存放技术生产,兼容标准 MCS-51 指令系统,片内置
通用 8 位中央处理器和 Flash 存放单元,功效强大 AT89C52 单片机可为您提供很多较
复杂系统控制应用场所。
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
中止口,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
能够根据常规方法进行编程,但不能够在线编程(S 系列才支持在线编程)。其将通用
微处理器和 Flash 存放器结合在一起,尤其是可反复擦写 Flash 存放器可有效地降低
开发成本
2.3 显示模块选型
单片机系统中常见显示器有:发光二极管 LED 显示器、液晶 LCD 显示器等。在这里因
为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 显示器工作方法
有两种静态显示方法和动态显示方法。
方案一 LED 静态显示器:静态显示特点是每个数码管段选必需接一个 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:动态显示特点是将全部位数码管段选线并联在一起,由位选线控
制是哪一位数码管有效。这么一来,就没有必需每一位数码管配一个锁存器,从而大大地
简化了硬件电路。选亮数码管采取动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮番向各位数码管
送出字形码和对应位选,利用发光管余辉和人眼视觉暂留作用,使人感觉仿佛各位数码管
同时全部在显示,给人印象就是一组稳定显示数据,不会有闪烁感。动态显示亮度比静态
显示要差部分,所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中。
方案二 用液晶显示器 LCD 显示信息。
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