论文基于单片机的自行车健身系统的设计.docx

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论文基于单片机的自行车健身系统的设计

论文基于单片机的自行车健身系统的设计

基于单片机的自行车健身系统的设计

诚信申明

本人申明：

我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得XX大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。

与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：

年月日

基于单片机的自行车健身系统的设计

XXX

X专业X班学号X

指导教师X讲师

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。

本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车健身系统的设计。

以STC89C52单片机为核心，A44E霍尔传感器测转数，实现对自行车里程/速度的测量统计，并通过公式计算出骑车者消耗的卡路里数，单位采用cal。

采用24C02实现在系统掉电的时候保存里程信息，并能将自行车的里程数及速度用LCD实时显示。

文章详细介绍了自行车健身系统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，完全符合设计要求。

关键词：

里程/速度霍尔元件单片机LCD显示

DesignofBicycleFitnessSystemBasedonMCU

Abstract

Withthedevelopingofpeople’slife,thebicycleisnotonlytheuniversaltooloftransportationandsubstituteforwalking,butbecomesthefirstchoiceofentertainmentingandexercising.Thebicyclemileage/speedcanfulfillthebasicneedofpeople’slife,sothattheycanlearnthespeedandthemileageofthebicycle.Inthesepaper,thebicyclemileage/speeddesignbasedontheHallelementiselaborated.BySTC89C52askernel,usingA44EHallelementtomeasurerevolution,themeasureandstatisticareachieved.Therangeinformationsaresavedby24C02whenthepowerisoff,thebicyclespeedcanbedisplayedonLCD.Inthisarticle,thehardwarecircuitandsoftwaredesignofbicyclemileage/speedinstrumentareintroducedindetail.Aboutthehardware,thepulsenumberistransmittedofonecycleofthebicycleintoSingleChipMicrocomputersystem.ThenthesignalprocessedbySingleChipMicrocomputersystemissenttodisplayscream.Aboutthesoftware,inassemblelanguage,theprogramisdesignedinthemodeofmodules.Thesystemhassimplehardware,commonsub-program,andmeetthedemandofdesign.

Keywords:

Mileage/SpeedHallElementSingleChipMicrocomputerLCD

前言1

第1章绪论1

第1.1节选题背景2

第1.2节研究目的与研究方法2

第2章系统方案设计4

第2.1节总体方案4

第2.2节方案的确定6

第2.3节自行车健身系统软件方案的设计6

第3章硬件电路的设计8

第3.1节概述8

第3.2节单片机与电路的设计8

第3.3节传感器及其测量系统19

第3.4节其它器件的介绍21

第4章软件程序的设计25

第4.1节概述25

第4.2节总体程序的设计25

第4.3节中断子程序的设计26

第4.4节数据处理子程序的设计28

第4.5节显示子程序的设计29

第5章系统仿真与调试31

第5.1节自行车健身系统的仿真31

第5.2节自行车健身系统的调试32

第5.3节调试故障及原因分析34

结论36

附录一37

附录二38

附录三39

附录四41

参考文献46

致谢47

前言

单片机自20世纪70年代问世以来，作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已对人类社会产生了巨大的影响。

目前，单片机的应用已经渗透到国民经济与人们生活中的各个领域。

各类导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的手机﹑充电器﹑电话﹑电风扇﹑录像机﹑摄像机﹑全自动化洗衣机的控制，以及遥控玩具﹑电子宠物等等，这些都离不开单片机。

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STC89C52单片机设计一种体积小、操作简单的便携式自行车健身系统，它能自动地显示当前自行车行走的距离及运行的速度。

亮点在于它能够计算并显示出骑车者消耗的热量，单位为焦耳。

本文主要介绍了自行车健身系统的设计思想、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。

具体的硬件电路包括STC89C52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，程序采用C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，再分别进行调试，最后联调整个程序，判断是否达到预期的要求，得出结论。

仿真部分是整个设计的重要一环，也是设计能否实现的关键。

第1章绪论

第1.1节选题背景

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。

我国也是自行车大国。

1791年，法国人西弗拉克发明了最原始的自行车。

它只有两个轮子而没有传动装置，人骑在上面，需用两脚蹬地驱车向前滚动。

1801年，俄国人阿尔塔马诺夫设计出世界上第一辆用踏板踩动的自行车。

1817年德国人德雷斯在自行车上装了方向舵，使其能改变行使方向。

1839年，苏格兰人麦克米伦制造出木制车轮，装实心橡胶轮胎、前轮小、后轮大、坐垫较低、装有脚踏板和曲柄连杆装置，骑者可以双脚离开地面的自行车。

同年，麦克米伦又将木制自行车改为铁制自行车。

1887年，德国曼内斯公司将无缝钢管首先用于自行车生产。

1888年英国人邓洛普用橡胶制造出内胎，用皮革制造出外胎，，以次作为自行车的充气轮胎。

从此，基本奠定了现代自行车的雏形。

时至今日，自行车已成为全世界人们使用最多，最简单，最实用的交通工具。

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。

自行车的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。

我的设计正满足了这个需求。

本设计能显示自行车实时的速度和里程，甚至具有测量、显示骑车者热量消耗等功能。

第1.2节研究目的与研究方法

1.2.1研究目的

转速的测量方法很多，而模拟量的采集和模拟量处理一直是转速测量的主要方法。

目前这种测量方法已不能适应现代化科技发展的要求。

随着大规模及超大规模集成电路的发展，使得全数字测试仪越来越普及，其转速测试仪也可以全数字化处理。

在测量范围和测量精度方面都有很大提高。

因此，本次设计的目的是：

在自行车上，利用STC89C52系列单片机设计一种全数字化的自行车里程速度计，并从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供参考。

本设计以单片机为中心，设计全数字化的自行车速度里程计这个测试仪采用全数字化结构，操作使用方便，能够精确的为用户提供速度和行程的数值。

本设计采用STC89C52单片机作控制，利用霍尔元件等器件设计一个可用LED数码管显示当前自行车行驶的距离及速度并具有显示骑车者消耗热量功能的自行车健身系统，使其作为自行车的一种辅助工具，让自行车的功用更强大，给人们带来更多的方便[1]。

1.2.2研究方法

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与轮圈的周长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。

再通过一定的计算公式得出骑车者消耗的卡路里值。

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LCD显示里程总数、即时速度、骑车者消耗的卡路里值。

实现：

利用软件编程，对数据进行处理得到需要的数值。

第2章系统方案设计

第2.1节总体方案

本设计的系统采用STC89C52芯片，用霍尔元件将车轮的转速转换成电脉冲，经过处理后送入单片机。

里程及速度的测量，是经过STC89C52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，计算结果通过LCD1602显示器显示出来。

传感器是获取自然或生产领域中信息的关键器件，是现代信息系统和各种设备不可缺少的信息采集工具。

磁传感器是一种将磁学量信号转变为电信号的器件或装置。

随着信息产业、工业自动化、医疗仪器等的飞速发展和计算机应用的普及，需要大量的传感器将被测或被控的非电信号转换成可与计算机兼容的电信号。

作为输入信号，这就给磁传感器的快速发展提供了机遇，形成了磁传感器的产业。

其中最具代表的磁传感器就是霍尔传感器，在自动检测系统中，利用霍尔传感器测转数是一种最基本的测量工作。

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHz）、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。

取用各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度范围宽，可达－55℃～150℃[2]。

测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。

要测速，首先要解决是采样的问题。

在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。

使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。

只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，将脉冲送入单片机中进行计算，即可获得转速的信息。

常用的测速元件有霍尔传感器、光电传感器和光电编码器[3]。

（1）霍尔传感器

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于信号采集的有A44E、CS3020、CS3040等，这类传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，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。

A44E的外形如图2.1所示：

1-Vcc2-GND3-OUT

图2.1A44E外形图

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，只要在转轴的齿轮盘上粘上一粒磁钢，霍尔元件固定在前叉上，当车子转动时霍尔元件靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。

如果在齿轮盘上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。

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[4]。

（2）光电传感器

光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的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。

以红外光电传感器为例，当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。

该系统在自行车后轮的轴处保持着与轮子旋转切面平行的方向延伸附加一个铝盘，在这个铝盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。

每当铝盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。

（3）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。

第2.2节方案的确定

光敏电阻对光特别敏感，当白天行驶时，外界光源将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准确测量；而编码器必须安装在车轴上，安装较为复杂；霍尔元件或干簧管不但不受天气的影响，即使被泥沙或灰尘覆盖也不会有影响，而且安装方便。

所以本设计采用霍尔元件对里程与速度进行测量，既简单易行，又经济适用。

本系统的硬件系统原理框图如图2.2所示：

图2.2硬件系统原理框图

第2.3节自行车健身系统软件方案的设计

硬件是基础，软件是灵魂。

通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可读性。

程序遵循模块化设计的原则，采用自顶向下的设计方法。

即先考虑整体目标，明确整体任务，然后把整体任务分成一个个子任务，子任务再分成子子任务，这样逐层细分，同时分析层次间的关系与同一层次各任务间的关系，最后拟订出各任务的细节。

模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。

软件设计包括主程序、行车过程中里程和速度计算子程序、延时子程序、中断服务子程序、显示子程序等等。

中断子程序是将传感器产生的信号接入外部中断0，将经过74LS74分频后的信号接入外部中断1，利用中断和定时器对分别对里程进行累加、每转一周的时间进行测量。

数据处理子程序是将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有一定的对应关系，经过软件编程显示所需要的值。

显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示。

本系统软件总体流程图如图2.3所示：

图2.3软件总体流程图

第3章硬件电路的设计

第3.1节概述

自行车里程/速度计的硬件电路设计是本次毕业设计的基础部分，它包括信号的捕获、放大、整形，单片机的计算处理，数码管的实时显示和单片机外围基本电路的设计。

而本章的两大主要器件就是传感器和单片机了。

传感器在人们研究自然现象、规律以及生产实践活动中，起着非常重要的作用。

特别是在当今，科学技术的发展使人类进入了一个信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息。

传感器是获取自然或生产领域中信息的关键器件，是现代信息系统和各种设备不可缺少的信息采集工具。

磁传感器是一种将磁学量信号转变为电信号的器件或装置。

随着信息产业、工业自动化、医疗仪器等的飞速发展和计算机应用的普及，需要大量的传感器将被测或被控的非电信号转换成可与计算机兼容的电信号。

作为输入信号，这就给磁传感器的快速发展提供了机遇，形成了磁传感器的产业。

其中最具代表的磁传感器就是霍尔传感器，在自动检测系统中，利用霍尔传感器测转数是一种最基本的测量工作。

自从1971年微型计算机问世以来，随着大规模集成电路技术的不断进步，微型机主要向两个方向发展：

一个向高速度，高性能的高档微型计算机方向发展。

一个向稳定可靠，小而廉价的单片机方向发展。

所谓的单片机，就是把中央处理器CPU、只读存储器ROM、定时/计数器以及I/O接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，可见它的功能非常强大。

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，而且肩负计算、定时、信息处理等功能。

下面我们就具体介绍一下硬件电路设计的过程。

第3.2节单片机与电路的设计

3.2.1单片机的介绍

单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（Read-onlyMemory）、基本输入/输出（Input/Output）接口电路。

定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机从而实现微型计算机的基本功能。

单片机内部结构示意图如图3.1所示：

图3.1单片机内部结构示意图

1.中央处理器（CPU）

中央处理器是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能。

2.内部存储器

内部存储器包括内部数据存储器（内部RAM）和内部程序存储器。

存储器是由大量的寄存器所组成，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。

3.定时/计数器

单片机的定时器和计数器是同一结构，只是计数器记录的是单片机外部发生的事件，由单片机的外部电路提供计数信号；而定时器是由单片机内部提供一个非常稳定的计数信号。

4.中断系统

中断系统在计算机中起着十分重要的作用，是现代计算机系统中广泛采用的一种实时控制技术，能对突发事件进行及时处理，从而大大提高系统的实时性能。

5.串行I/O接口

串行I/O口的数据各位按顺序传输，其特点是需要一对传输线，成本低；但速度慢，效率低，适合静态显示。

6.并行I/O接口

并行I/O接口的数据所有位同时传送。

其特点是传输速度快，效率高；但传送多少位就需要多少根传输线，因此传送成本高，适合动态显示。

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[5]。

引脚如图3.2所示：

图3.2STC89C52引脚图

STC89C52具体介绍如下：

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin18）：

片内振荡电路的输出端

③控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通。

接低电平，从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

④可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

PO口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

3.2.2电路设计

（1）时钟电路的设计

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

STC89C52片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。

常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。

本设计采用第一种方式。

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和电容，就构成一个稳定的自激振荡器。

单片机内部时钟方式的振荡电路如图3.3所示：

图3.3单片机片内振荡电路

电路中的电容C1和C2常选择为30pF左右。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

而外接晶体的振荡频率的大小，主要取决于单片机的工作频率范围，每一种单片机都有自己的最大工作频率，外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率即可。

此外，如果单片机有串行通信，则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶体。

本设计晶振采用12MHz，则计数周期为：

（3·1）

（2）复位电路的设计

STC89C52单片机的复位输入引脚RET为STC89C52提供了初始化的手段。

有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。

在的时钟电路工作后，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。

只要RET保持高电平，则循环复位。

只有当RET由高电平变成低电平以后，才从0000H地址开始执行程序。

本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图3.4所示，是常用复位电路之一。

单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。

上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，该高电平使全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序