电动车速度与里程测量仪的设计.docx

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电动车速度与里程测量仪的设计

毕业设计（论文）

电动车速度与里程测量仪的设计

学院：

电气与电子工程学院

专业：

应用电子技术

姓名：

学号：

指导教师：

2011年6月

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。

自行车里程/速度计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。

本文介绍的速度与里程表设计以单片机最小系统和霍尔传感器为核心。

传感器将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行控制与计算，再采用LED模块进行显示，使得电动自行车的速度与里程数据能直观的显示给使用者。

本系统由霍尔传感器、单片机AT89C51、系统化LED显示模块、数据存储电路和键盘控制组成。

其中霍尔传感器包含信号放大和波形整形。

对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的TTL信号；通过单片机的设置可使内部定时器T1对脉冲输入引脚T0进行控制，这样能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中速度显示采用LED模块，通过速度换算得来的里程数采用I2C总线并通过E2PROM来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。

本文先对里程表设计当中所需设备作了详细介绍，对设计中存在的问题进行了说明；而后对软件部分的设计和实现作了认真的分析；然后给出了系统的建模过程及相应的系统模型，在此基础上进行了控制仿真，并对仿真效果进行了比较。

本里程表的设计具有结构简单，成本低廉，显示清晰，稳定可靠等优点。

并且可进行扩充，加入时速表的功能，更加方便的了解你现在所处的情况。

关键词：

单片机最小系统，LED数码管，霍尔传感器，EEPROM存储器。

Abstract

Withthedevelopingofpeople’slife,thebicycleisnotonlytheuniversaltooloftransportationandsubstituteforwalking,butbecomesthefirstchoiceofentertainmentingandexercising.Thebicyclemileage/speedcanfulfillthebasicneedofpeople’slife,sothattheycanlearnthespeedandthemileageofthebicycle.ThispaperdescribesthedesignspeedandOdometertoSCMsystemandthesmallestHallsensoratthecore.DifferentspeedsensorintodifferentfrequencypulsesignalinputtothemicroprocessorcontrolandcalculationadoptLEDmodules,makingthespeedofelectricbicyclesandmileagedatacanbedirectlydisplayedtotheuser.ThesystemconsistsofHallsensor,SCMAT89C51,systematicLEDdisplaymodules,datastorageandkeyboardcontrolcircuitcomponents.Hallsensorwhichcontainssignalamplificationandwaveformshaping.Dealsignalsmeasuredamplificationofthetreatmentistoreducetherateofmeasuredsignals;WaveformtransformandwaveformshapingcircuitwillbeusedforamplificationofthesignalcanbeconvertedintoSCMconnectedwithTTLsignals;SCMthroughthesetupwillenabletheinternaltimerT1pulseinputpinT0control,ThiscanbeaccuratelycalculatedfoistedT0pinunittimedetectionofthepulse;DesignLEDdisplaymodules,throughaconversionrateofmileageusingI2CbusthroughE2PROMtostorage,savedforSCMmouthlinesandexternaldevices,butalsosimplifytheshowpartofthesoftwareprogram

ThisarticlefirstrightOdometerdesignsrequiredequipment,detailsofthedesignissuesof;Lateronsoftwaredesignandimplementationcarefullyanalyzed;Thenthesystemmodelingprocessandthecorrespondingmodel,basedonthecontrolsimulation,Simulationresultsalsowerecompared.Odometerthedesignofthestructureissimple,lowcost,showingclear,stableandreliableresults.Andcanbeexpandedtospeedthefunctiontableandmoreconvenientunderstandyouarenowstand.

Keywords:

SCMminimumsystem,LEDdigitalcontrol,Hallsensor,EEPROMmemory.

第一章引言5

1.1课题的背景、发展和意义...........................5

1.2系统设计概述......................................5

1.3各章节的安排......................................6

第二章电动车速度里程表的设计基本原理...............7

2.1单片机最小系统...................................7

2.2霍尔传感器.......................................8

2.3led数码显示......................................9

2.4存储器eeprom......................................9

第三章电动车速度里程表硬件实现方法.................10

3.2霍尔传感器及其测量系统............................11

3.3系统硬件电路的设计................................12

第四章电动车里程表软件实现方法.....................14

4.1系统主要程序设计..................................14

4.2电动车的速度里程表软件程序设计....................16

第五章仿真与测试...................................30

5.1系统仿真调试.......................................33

5.2调试故障及原因分析.................................56

第六章结论110

参考文献112

致谢及声明123

第一章引言

1.1课题背景、发展及意义

我国是自行车大国，随着人们生活水平的不断提高，自行车已经不仅仅是运输、代步的工具，其辅助功能也变得越来越重要。

因此，人们希望自行车的娱乐、休闲、锻炼的功能越来越多，能带来大家更多的健康与快乐。

在这个背景下，自行车里程表作为自行车的一大辅助工具迅速发展起来。

科学、美观、合理设计自行车里程表有一定的实用价值。

它能合理计算出速度及公里数,使运动者运动适量,达到健康运动与代步的最佳效果。

随着自行车里程表的发展,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，让人能清楚地知道当前的速度、时间、里程等物理量。

如佛山高明华劲电子公司的自行车里程表MS-601,能动态显示行驶里程、骑车时间、实时车速等。

1.2系统设计概述

本设计中，我们AT89C51单片机为控制核心，采用霍尔传感器检测自行车轮胎的运转情况，通过一定的抗干扰处理和计算后，由LED显示自行车的里程，当超速时蜂鸣器报警。

本设计中，计数的正确性决定了本装置的精度，如何在复杂的环境中得到正确的计数脉冲，是本设计的难点，初步的解决办法是在硬件上进行合理的滤波，软件上进行一定的算法处理。

本设计介绍的速度与里程表设计以单片机最小系统和霍尔传感器为核心。

利用AT89C51单片机设计一种Proteus环境下51单片机的多功能自行车里程表，要求该表具有自行车行驶速度、超速报警、累计总里程等计量功能，可通过开关切换显示不同的内容，传感器将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行控制与计算，再采用LED数码管模块进行示,使得自行车的速度与里程数据能直观的显示给使用者，提供给用户安全行驶的一些基本信息。

该速度里程表能将传感器输入到单片机的脉冲信号的宽度（传感器将车速转变成相应宽度的脉冲信号）实时地测量出来，然后通过单片机计算出速度和里程，也可以测出速度，再将所得的数据存储到串口数据存储器，并由LED数码管显示模块实时显示出所测速度，如果所给的频率过高超过给定值蜂鸣器就语音报警提示。

1.3各章节的安排

第一章叙述了自行车里程表的背景、发展、意义以及本自行车里程表的概述。

第二章介绍了自行车里程表的设计方法与研究，主要是对设计中所需设备的详细介绍，包括霍尔传感器、单片机最小系统、数据存储器EEPROM及LED数码管。

具体为：

介绍霍尔传感器的基本原理,及其应用和发展；单片机最小系统的基本结构,工作原理及其性能；数据存储器EEPROM的引脚极其性能，LED数码管的工作原理。

第三章是本论文的自行车里程表的硬件原理图设计部分，介绍了自行车里程表的总体设计思想,电路图及其原理。

第四章是自行车里程表的软件实现部分，汇编语言进行编程。

第五章是介绍系统的仿真与测试，以及过程中遇到的问题、解决方案。

第六章为总结和展望，介绍了本论文实现的功能，阐述本课题的现实意义，以及对未来自行车里程表技术的展望。

第二章自行车里程表的设计基本原理

2.1单片机最小系统

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路

单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：

1.电源正常；2.时钟正常；3.复位正常。

在AT89S51单片机的40个引脚中：

电源引脚2根，晶振引脚2根，控制引脚4根，可编程输入输出引脚32根。

1.工作电源：

电源是单片机工作的动力源泉，对应的接线方法为：

40脚（VCC）电源引脚，工作时接+5V电源，20脚（GND）为接地线。

2.2.复位电路:

由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机器周期的高电平.

3.晶振电路:

时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。

当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。

典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作）。

4.控制引脚EA接法。

EA/VPP（31脚）为内外程序存储器选择控制引脚，当EA为低电位时，单片机从外部程序存储器取指令；当EA接高电平时，单片机从内部程序存储器取指令。

AT89C51单片机内部有4KB可反复擦写的程序存储器，因此我们把EA接到+5V高电平，让单片机运行内部的程序，我们就可以通过反复烧写来验证我们的程序了。

2.2霍尔传感器

霍尔传感器是一种利用霍尔效应能实现磁电转换的传感器，用它们可以检测磁场及其变化。

霍尔传感器具有许多优点，霍尔传感器价格便宜且具有体积小、灵敏度高、响应速度快、温度性能好、精确度高、可靠性高等特点,能很好地满足车轮测速系统设计的需要。

它们的结构牢固，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔开关器件具有无触点、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高等优点。

所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低，构造简单，性能好。

在机车电气系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身具有较强的抗干扰能力。

1.霍尔效应：

在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d，当它被置于磁感应强度Ｂ的磁场中，如果在它的相对的两边通以控制电流Ｉ，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两端将产生一个大小与控制电流方向Ｉ和磁感应强度Ｂ乘积成正比的电势ＵH，即UH=KHIB，其中ＫH为霍尔元件的灵敏度。

该电势就称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

2.工作原理：

由于霍尔元件具有在静止状态下感受磁场的能力，且结构简单，形小体轻，频带宽（可从直流到微波），动态特性好、动态范围大，寿命长和可进行非接触测量等优点，故在检测技术、自动控制技术和信息处理等方面得到日益广泛应用。

霍尔传感器在未来发展中的趋势将是高灵敏度、高精度和高稳定度，它将在微电子技术发展的基础上更加飞速的发展。

A44E芯片属于开关型的霍尔器件,其工作电压范围比较宽（4.5～18V）,其输出的信号符合TTL电平标准,可以直接接到单片机的I/O端口上,而且其最高检测频率可达到1MHz。

A44E霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理,采用半导体集成技术制造的磁敏电路,它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器,温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路,其输入为磁感应强度,输出是一个数字电压信号。

霍尔传感器A44E芯片的引脚接线图见图3.2所示：

图3.2

典型应用于无触点开关、汽车点火器、刹车电路、位置转速检测与控制、安全报警装置和纺织控制系统。

霍尔传感器是一个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。

引脚1是电源Vcc,引脚2是地GND,引脚3是输出OUT。

霍尔器件的工作电压不得超过规定的Vcc,大部分霍尔开关均为OC输出。

因此,输出应接负载电阻,其数值值取决于负载电流的大小,不得超负载使用。

2.3LED数码显示

与LCD液晶显示器相比，数码管虽没有液晶显示器那样的显示效果，也没有液晶显示器做图形界面具有人机交互美观的特点。

但是LED有其自己的特点，它具有低功耗，容易控制，占用CPU资源少这些优点，从而成为一些显示器的首选。

数码管由7个发光二极管组成，行成一个日字形，它门可以共阴极，也可以共阳极。

通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字符。

它可以显示从1到9的数字。

这足以满足设计要求。

由霍尔传感器采集的脉冲数据信号，通过二分频后向单片机提供数据脉冲，单片机再对其进行记数。

当达到先前所设计的计数值的时候单片机就申请中断，从而使单片机响应中断程序，既使其输出一个信号代表此时自行车已经行驶了1KM，这时在经过显示单元电路使LED数码管显示1KM。

当第二个信号来的时候，电路实现加一的功能后在送LED显示。

这样就实现了显示里程的目的。

2.4存储器EEPROM

里程数据存储电路是本次设计的关键电路，单片机首先向AT24C01发送写信号，当确认后从单片机内部的数据存储单元提取数据然后向AT24C01的内部地址传送数据。

当显示里程时，单片机首先向AT24C01发送读信号，然后确认后，单片机从AT24C01内部的地址向单片机的读出单元字节读出数据，供显示所用。

因此，最终可保证掉电时数据不丢失。

I²C总线的介绍：

I²C总线是双线串行总线。

I²C总线采用二线传输，即SDA串行数据线和SCL串行时钟线。

总线和器件之间的数据传送均由SDA数据线完成。

一个I²C总线系统里的所有外围器件均采用器件地址和引脚地址的编址方式。

系统中主CPU对任何节点的寻址没有采用传统的片选线方式，而是采用纯软件的寻址方式。

为了能使总线上的所有节点器件输出实现“线”与逻辑功能，I²C器件输出端必须是漏极或集电极开路结构，即SDA和SCL接口线上必须加上拉电阻。

里程数据存储电路，如图：

+5v

AT24C01

图2.3里程数据存储电路

第三章硬件实现的设计方法与原理

3.1系统概述

本系统是由数据采集，单片机控制系统，键盘显示，数据存储4部分构成。

其中数据的采集是由霍尔传感器来完成的，它的输出是矩形脉冲，经二分频后就向单片机系统提供转速信号。

其中关键的处理由单片机系统来完成，单片机将对INT1脚的信号进行计数，当计数的脉冲达到1KM的时候，INT1申请中断，对外输出信号，输出的信号由显示部分送LED进行显示，显示当前的行驶里程情况。

在本次行驶过后数据存入EEPROM中，以便下次行驶时在其基础上继续计数送出显示总共的里程数，以达到记忆的目的。

键盘的作用是提供人对整个系统的控制，它将实现整个系统开关，显示器的开关，部分单元电路的控制。

以上所诉就是整个系统的总体设计思想。

利用霍尔元件对里程进行测量。

将霍尔元件安装在车前叉的一侧，在车圈侧面贴一个磁片。

当磁片经过霍尔元件时，霍尔元件输出端的电压发生变化产生脉冲，单片机根据脉冲数来计算里程。

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。

该设计能实时地将所测的累计里程数显示出来，主要是将传感器输入到单片机的脉冲信号的频率（传感器将不同车速转变成不同频率的脉冲信号）实时地测量出来，考虑到信号的衰减、干扰等影响，在信号送入单片机前应对其进行放大整形，然后通过单片机计算出里程，再将所得的数据存储到数据存储器，并由LED显示模块交替显示所测里程。

本设计的里程数的算法是一种大概的算法（假设在一定时间内自行车是匀速行进，平均速度与时间的乘积即为里程数）。

设计时，应综合考虑测速精度和系统反应时间。

本设计在计算里程时取了自行车的理想状态。

实际中，误差控制在几米之内，相对于整个里程来说不是很大。

为了保证系统的实时性，系统的速度转换模块和显示数据转BCD码模块都采用快速算法。

另外，还应尽量保证其他子模块在编程时的通用性和高效性。

本设计的里程值采用3位LED显示。

3.2霍尔传感器测量系统

计数法是智能测速系统中常用的方法。

只要转轴每旋转一周,产生一个或固定的多个脉冲,并将脉冲送入微处理器中进行计数,即可获得转速的信息。

可以有多种方式来获得脉冲信号。

A44E的磁输入为单极磁场,即施加磁场的方式是改变磁铁和A44E之间的距离。

判定磁铁极性方法是:

把磁铁的两个极分别靠近A44E的正面,当其OUT引脚电平由高变低时即为正确的安装位置,如图3.1所示。

BH-L

图3.1　A44E判别磁铁极性

经过实验得知,A44E只对磁铁的S级有响应而对N级没有丝毫响应。

安装时一定要让磁铁的S级对准A44E的反应传感区。

把一块小永久磁铁固定在车轮的辐条上,A44E在车轮辐条附近,如图4所示。

经过实验得知,当磁铁和霍尔开关A44E移近到一定距离（设此距离为r）时,A44E芯片的OUT引脚有脉冲信号输出。

当二者的距离大于r时,OUT引脚没有脉冲信号输出。

反复实验得出霍尔开关A44E导通的距离r为4mm或5mm。

图3.2A44E导通距离测量

3.3系统硬件电路的设计

电动车速度里程测量仪采用AT89C51单片机作控制，速度及里程传感器采用霍尔元件，其电气原理图如图3.3所示。

图3.3电气原理图

P0口和P2口用于七段LED显示器的段码及扫描输出，P1.0口和P1.1口分别用于显示里程状态和速度状态。

P1.2、P1.3、P1.6和P1.7口分别用于设置轮圈大小。

P3.0口的开关用于确定显示的方式，当开关闭合时，显示速度;打开时显示里程。

第12脚外中断0用于对轮子圈数的计数输入，轮子每转一圈，霍尔传感器输出一个低电平脉冲。

13脚外中断1用于控制定时器T1的启停，当输入为0时关闭定时器。

此控制信号是将轮子圈数的计数脉冲经二分频后形成（见图3.4），这样，每次定时器T1的开启时间刚好为转一圈的时间，根据轮子的周长就可以计算出自行车的速度。

P1.4口和P1.5口用于EEPROM存储器24C01的存储控制。

11脚输出用于速度超速时的报警。

图3.4二分频

第四章电动车里程表软件实现方法

4.1系统主要程序的设计

1.初始化程序

在本系统初始化程序中，主要完成以下工作：

将T1设为外部控制定时器方式；外中断0及外中断1设为边沿触发方式；将部分内存单元清零；设置轮子周长；开中断及定时器；将EEPROM中的数据调入内存等。

2.轮圈设置出错处理程序

P1.2、P1.3、P1.6、P1.7端口的开关用于设定轮子的周长，当没有设定时（至少让一个开关闭合），能从P3.1口输出一个周期为0.5的方波信号，用作发光管闪烁及信响器提醒。

3.主程序

主程序根据P3.0口的开关状态选择里程显示或速度显示，