自行车测速仪的设计.docx

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自行车测速仪的设计

摘要

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。

自行车测速仪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、时间、温度等物理量。

本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车测速仪的设计。

本文以STC89C54RD+单片机为核心，霍尔传感器测转数，实现对自行车里程、速度、时间、温度的测量统计，能将自行车的里程及速度用LCD实时显示。

文章详细介绍了自行车测速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LCD显示。

软件部分用C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，已达到设计目标。

关键词：

速度；温度；霍尔元件；单片机

第1章绪论

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，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STC89C54RD+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。

1.1国内外自行车测速仪的发展现状及趋势

随着微型计算机可靠性提高和价格下降，用单片机测量电机转速技术已经成熟，但是这种技术目前主要还是用于工业生产方面，测速装置用于生活中还是少之又少。

欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法）。

由于需要采用霍尔传感器的应用领域，如汽车、电机、手机和电脑都已经采用了该器件，而且这些市场在未来几年的增长较为稳定，而其他一些新的应用市场又不足以与上述几个市场相比，因此霍尔传感器在全球总的市场份额是较为稳定的，每年的增长率基本上保持在5%到10%之间。

因为各种应用电机的部件、节气门位置的检测、各种阀体位置的检测、或者电磁感应的位置都会用到霍尔传感器。

而且，在中国市场中，国外厂商为了降低成本，陆续将零部件拿到中国进行设计和生产，这也进一步提升了中国市场霍尔传感器的使用量。

随着它在电子消费市场上的应用越来越广，如何控制功耗和成本将是厂商面临的挑战。

而且，它还面临生产测试技术方面的挑战。

国内外现在已经有生产销售类似的自行车测速仪里程表，有些简单的产品功能比较单一，就是单单只有测速或里程的功能，然而一些复杂的产品除了测速和里程功能外，还集成了GPS全球定位、单次行车里程、平均速度、时钟、行车时间、车轮转数。

未来的发展趋势可能还将加入MP3和短信收发、新闻播报、通讯功能等，使得自行车测速仪更加的人性化、现代化、生活化。

相信未来的测速仪会受到更多人的青睐，也将成为人类社会生活中的必需品。

1.2本论文的研究内容

本课题主要是利用霍尔元件、单片机等部件设计一个可用LCD液晶显示器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STC89C54RD+单片机的外围电路以及LCD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。

控制系统的方案设计框图如图1.1所示。

图1.1系统框图

第2章自行车测速仪的总体设计方案

自行车测速仪是基于单片机的测速系统，该系统包括转速测量模块，温度测试模块，显示模块和电源模块。

2.1单片机选型

单片机是自行车测速仪的核心部分，是决定各项设计指标的关键因素，不同的单片机有着不同的优势及其各自的缺点，我们要通过分析论证来选取相对于该设计来讲相对较优的方案。

2.1.1单片机介绍

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制场合应用。

STC89C54RD+是由深圳宏晶科技生产的低功耗，高性价比的单片机。

采用8051的内核，与其他大部分单片机兼容，并且功能比普通的单片机强大，存储器（包括数据存储器和程序存储器）容量比普通的51单片机更大，程序存储器主要采用flash存储器，可方便的擦写程序，同时还带一个8位的A/D转换器，最主要的是它采用ISP在线编程，配备了专门的程序下载软件，可直接通过串口将程序下载大单片机的flash程序存储区，并且掉电后不会丢失，用途非常广泛。

2.1.2单片机性能比较

AT89C52片内含8KBytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256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8052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，AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制场合应用。

STC89C54RD+具有16K在系统可编程Flash存储器和1280B的随机存取数据存储器。

片内程序存储器内含16KB的Flash程序存储器，片内数据存储器内含1280字节的RAM，具有3个可编程定时器，具有32根可编程I/O口线，串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口，中断系统是具有8个中断源、4个级优先权的中断结构，具有一个数据指针DPTR，低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式，具有可编程的3级程序锁定位，STC89C54RD+工作电源电压典型值为5V，STC89C54RD+工作频率为0~80MHz

。

2.1.3最终方案

就兼容性来讲，两种单片机都兼容51单片机，从存储容量来讲STC89C54RD+具有更大的存储容量，可以存储更多的数据，换句话来说，自行车可以行驶更远的距离。

就价格和功耗来说，STC89C54RD+具有低功耗，正好满足现在的低碳理念，STC89C54RD+是国产的，而AT89C52是美国进口的，故STC89C54RD+更加便宜，选STC89C54RD+可以降低系统的成本。

所以本文选用STC89C54RD+单片机作为本系统的控制核心。

2.2测速传感器选型

测速传感器是自行车重要的硬件部分，它对被测物的运行速度进行测量并转化成可输出信号的传感器。

测速传感器包括测量线速度传感器和测量转速度传感器。

而测量转速的方式很多，常见的有：

霍尔传感器（例如你提到的那一种）、光电传感器（还分反射式与透射式）、以旋转编码器等等。

2.2.1测速传感器的介绍

LG-916传感器，由投光部、受光部及放大器组成的一体构造，从传感器发出光（红外线），照到旋转轴上产生反射光,再检测这个反射光的非接触式转速传感器。

霍尔传感器44E系列是AllegroMicroSystems公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40℃～150℃。

它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS逻辑电路。

在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用

。

2.2.2测速传感器的比较

用LG-916传感器，从传感器发出光（红外线），照到旋转轴上产生反射光,再检测这个反射光的非接触式转速传感器。

在旋转轴上通常要贴反射标签，LG-916是在其尖端部使用玻璃纤维束，其玻璃纤维束发出红外线光，同时接受反射回来的光。

传感器内装小型放大器，对波形整形为矩形波输出。

经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。

最大测量距离20mm （使用12mm见方专用反射标签）。

霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。

脉冲信号的周期与电机的转速有式1.1关系

：

V=N×L（1.1）

式中：

V为自行车车速；N为车轮单位时间内的脉冲数；L车轮的周长。

根据上式即可计算出自行车当前的速度。

2.2.3最终结论

综上所述，LG-916传感器要用玻璃纤维束发出红外线光，玻璃纤维束比较脆，很容易坏，不便长期使用，而且最大测量距离20mm （使用12mm见方专用反射标签），测量距离太短，再加上反射标签面积较小，易脱落，不利于固定，不能长期使用；而霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大、结构牢固、重量轻、寿命长、安装方便等优点，故本文采用霍尔传感器检测脉冲信号。

2.3温度传感器选型

温度传感器是自行车测速仪体格拓展功能的重要硬件，温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

由于品种繁多，所以在工业应用中温度传感器分类的方式方法有很多种。

2.3.1温度传感器介绍

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。

适用于150°C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。

低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。

应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。

AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。

2.3.2温度传感器性能比较

DS18B20可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

其主要特点如下：

（1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。

（2）多个DS18B20可以并联在惟一的总线上，实现多点组网功能。

（3）可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V。

（4）测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）0.5℃。

（5）零待机功耗。

（6）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。

（7）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

AD590在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。

片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K（25°C）时输出298.2µA电流。

适用于150°C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。

低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。

应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。

AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。

AD590具有如下特征：

（1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数如下式1.2：

Ir/T=1（1.2）

式中，Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；

（2）AD590的测温范围为-55℃~+150℃；

（3）AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；

（4）输出电阻为710mΩ；

（5）精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

2.3.3最终方案

从电路的构造上来讲，AD590需要模拟转数字电路，电路繁多，而DS18B20只需要一个元件，电路简单；从测量精度和测温点数上来说，AD590测量精确度较差，测温点数量少，而DS18B20采用单总线的构造，可同时连接多个温点；从信号线的长度来讲，AD590对线阻有要求，不适合长距离传输，而DS18B20信号线距离远，适合长距离传输；从成本的角度来说，DS18B20比AD590便宜，用DS18B20可以减少成本，虽然DS18B20温度范围只能在－55℃～+125℃之间，但是用来测量自行车行驶时的环境温度已经足够了。

总体来说DS18B20的优点都是弥补AD590的缺点的，故本文采用DS18B20温度传感器为本设计的测温芯片。

2.4显示器选型

显示器是自行车测速仪的重要组成部分，没有显示器，系统测出的参数，将无法显示，供使用者得知，显示器的性能不行，显示的位数不够，将无法达到测量精度，所以显示器的选取至关重要。

2.4.1显示器介绍

深圳市晶美光电科技有限公司是一家集研发、设计、生产、销售于一体，专业研制生产数码管，LED数码管。

led数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。

主要用于楼体墙面，广告招牌、高档的DISCO、酒吧、夜总会、会所的门头广告牌等。

特别适合应用于广告牌背景、立交桥、河、湖护栏、建筑物轮廓等大型动感光带之中，可产生彩虹般绚丽的效果。

用护栏管装饰建筑物的轮廓，可以起到突出美彩亮化建筑物的效果。

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶

2.4.2显示器性能

LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。

小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。

发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。

常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

性能：

防水，防尘，防紫外线，耐压，耐破裂，耐高低温，耐燃，超强抗冲击老化；防护等级：

IP65级；工作电压范围：

24V~220V；工作功率：

8~12W；工作环境：

-40度~+75度。

正常寿命：

>80,000小时。

图2.1LED外形图图2.2LCD1602外形图

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地。

第2脚：

VCC接5V电源正极。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端,高电平

（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

3.3V或5V工作电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，有80字节显示数据存储器DDRAM，内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM，8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM，微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

2.4.3最终方案

完全用数码管做显示，该方案要求至少2排6位数码管，占空间，不适合便携式设备，耗费资源多；而1602一般只用于显示字母、数字和符号能显示16×2个字符，具有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单，价格低廉。

由于考虑到设计中不需汉字显示且显示字符足够。

因此，系统采用1602液晶显示。

2.5时钟芯片的选型

时钟芯片是自行车测速仪的重要器件，整个系统能否正常运行取决于时钟芯片的时钟设置，要让系统按照单片机上的程序运作，首先要设置好时钟，下面就来介绍本系统时钟芯片的选取。

时钟芯片种类非常多，有内置晶振及充电电池类型，还有外置晶振类型，如现在流行的DS1302、DS1307、PCF8485、SB2068等等。

由于DS1302时钟芯片的电路接口简单，价格低廉、使用方便，被广泛地采用。

在系统中采用了DS1302时钟芯片，该实时时钟电路是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能，采用普通32.768kHz晶振

。

DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。

DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

第3章硬件设计

系统主要分成四个模块，分别是速度模块、温度模块、时钟模块、显示模块。

温度及速度模块通过外部传感器对相应参数进行测量，将物理信号转换为电信号输入单片机，单片机对输入的电信号进行处理，最后通过显示器输出显示

3.1单片机外围电路

单片机部分是本设计的核心部分，单片机部分设计的好坏将直接影响整个设机的工作情况，所以单片机的选择和电路的设计非常重要。

本节将从单片机的介绍和单片机外围电路的设计两个部分进行介绍。

3.1.1单片机的介绍

STC89C54RD+具有16K在系统可编程Flash存储器和1280B的随机存取数据存储器。

（1）片内程序存储器内含16KB的Flash程序存储器；

（2）片内数据存储器内含1280字节的RAM；

（3）具有3个可编程定时器；

（4）具有32根可编程I/O口线；

（5）串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

（6）中断系统是具有8个中断源、4个级优先权的中断结构；

（7）具有一个数据指针DPTR；

（8）低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

（9）具有可编程的3级程序锁定位；

（10）STC89C54RD+工作电源电压典型值为5V；

（11）STC89C54RD+工作频率为0~80MHz。

STC89C54RD+单片机为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，如图3.1所示，按其引脚功能分为四部分,下面对其进行简单的介绍

。

（1）主电源引脚VCC和VSS；

（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2；

（3）控制或与其它电源复用引脚RST、ALE、PSEN和EA/VPP；

（4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）。

P0口是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载，故在使用P0口作为输入/输出口时需在外界接入上拉电阻。

P1口是准双向8位I/O口。

由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。

P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2捕捉、重装触发，即T2外部控制端。

对Flash编程和程序验证时，它接收低8位地址。

P2口是准双向8位I/O口。

在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。

在对Flash编程和程序验证期间，它接收高8位地址。

P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

P3口是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还有其第二功能，是复用双功能口。

P3能驱动4个LS型的TTL负载

。

图3.1STC89C54RD+引脚图

3.1.2单片机外围电路图

单片机外围电路图如图3.2所示。

由于设计采用STC单片机，此系列单片机具有掉电自动复位的功能，所以在单片机中并未设计复位电路。

且在仿真中，单片机晶振在其属性中可调，即在仿真电路中没有晶振电路。

但是在实际的硬件电路中晶振必须要接入。

因此，系统采用12MHz的晶振。

图中的两个按键是调节时钟芯片的时间。

由于在仿真图中并没有霍尔元件可功模拟，即在P3.2接入数字激励源，代替了实际的电路中的霍尔传感器

。

图3.2单片机外围电路图

3.2速度模块的设计

速度模块是本设计不可缺少的部分，速度模块设计的好坏直接将影响本设计的测试结果，所以测速芯片及电路的选择尤为重要。

本节将从两个方面进行讲解，分别为：

霍尔元件的介绍和霍尔元件的硬件电路电路。

3.2.1霍尔元件的介绍

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点。

A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔