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多功能自行车里程表软件设计

摘要

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。

利用89C51单片机设计一种基于Proteus环境下51单片机的多功能自行车里程表要求该表具有实时时钟、自行车行驶瞬时速度、平均速度、超速报警、累计总里程等计量功能，可通过切换显示，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，提供给用户安全行驶的一些基本信息。

本系统由霍尔传感器、RC滤波电路、单片机AT89C51、系统化LED数码管显示模块、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；而后对硬件和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。

关键词：

AT89C51单片机;LCD数码管显示器;累计里程;速度;霍尔传感器

Abstrsct

ThepaperintroducestheodometersinSCMdesignspeedandtheminimumsystemasthecoreandthehallsensors.Useamethodbasedon89C51designundertheenvironmentof51SCMProteusmultifunctionalbicyclewithreal-timeclocktheodometersrequirements,bicycle,averagespeeddrivinginstantaneousvelocity,alarm,accumulativetotaloftotalmileagebyswitchingfunction,canshowdifferentspeeds,sensorintoadifferentfrequencypulsesignalinputtotheMCUcontrolandcalculation,againUSESLEDmodulethatmakesthespeedofelectricbicyclewithmileagedatacanbeintuitiveshowusers,togiveusersthesafedrivingsomebasicinformation.

Thissystemconsistsofhallsensors,RCfiltercircuitsandsingle-chipmicrocomputerAT89C51,systematicLEDdigitaldisplaymodule,datastoragetubecontrolcircuitandkeyboard.Onehallsensorsignalamplifierandwaveformcontainingplastic.Thesignalenlargedaimistoreducesignalamplitudetreatrequirements,Waveformconversionandwaveformplasticcircuitisusedtoconvertthesignalcanbeamplifiedwithsingle-chipconnectedTTLsignal,ThroughthemicrocontrollertimerSettingscanmakeinternalT1onfootT0inputpulses,thuscanaccuratelycalculateT0addedtothefootunittimedetectedpulsecount,InthedesignthatUSESLEDmodule,thespeedofmileageconversionspeedbyusingtheI2CbusE2PROMtostore,andsaveforthemouthofSCMandperipheraldevices,alsosimplifiesshowspartofthesoftwareprogramming.

Thispaperfirstneededtodesigntheodometersindetail,equipmentfortheproblemsexistinginthedesignofexplains,Thenthepartofhardwareandsoftwaredesignandrealizationoftheearnestanalysis,Thenpresentedsystemmodelingprocessandthecorrespondingsystemmodelbasedonthecontrolsimulation,andthesimulationresultsarecompared.

Keywords:

AT89C51,TheLCDdigitaltubedisplay,Totalmileage,Speed,Hallsensors

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1背景意义

1.1.2相关研究

1.2国内外研究现状

1.3本文主要内容及技术指标

1.3.1作品基本要求

1.3.2本文主要内容

1.3.3主要技术指标

2.1方案设计论证与比较

2.1.1速度测量原理

2.1.2传感器的选择方案

2.1.3显示模块的选择方案

模块化的编程方案

数码管的显示方案论证：

动态显示和静态显示

2.2主要言元器件的介绍

2.2.1AT89C51简介

3.13.1.2系统方框图

3.1.3系统原理框图

3.3各模块软件设计

3.1.1系统软件框图

把各程序模块子程序设计都列进来

3.1.4系统软件设计流程图

3.1.5里程及速度处理子程序流程图

4.1系统硬件概述

4.2系统硬件总框图

4.3系统工作原理及功能描述

4.3.1系统的工作原理

5.1系统的硬件调试

5.1.1硬件调试工具（proteus）

5.1.2

5.2系统的软件调试

5.2.1软件调试工具（Keil）

5.3调试结果

6.1创新点

6.2要达到课题要求其难点

6.3不足与展望

参考文献

附录A系统protel电路图

附录B源程序

1绪论

1.1课题背景意以及相关研究

1.1.1背景意义

新生事物不会因传统的存在而停止它前进的步伐，电子数码科技今天已渗透到工业，农业，民用的产品的点点滴滴。

随着居民生活水平的不断提高，自行车的使用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、锻炼的首选工具。

因此，人们正希望自行车的功用越强大，能给人们带来更多的方便。

新概念多功能自行车里程表直接用数字显示速度、里程，另外还有时间显示以及超速报警。

通过对多功能自行车里程表的设计，可以锻炼我们的动手能力和初步了解有关工程设计方面的一些思路和方法。

可以给我们以后的就业带来更多的机会，同时还可以满足当今社会对单片机开发人才的大量需求。

1.1.1相关研究

多功能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趋势而迅速发展的，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，让人能清楚地知道当前的速度、时间、里程等物理量。

本设计利用89C51单片机设计一种基于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瞬时速度、平均速度、超速报警、累计总里程等计量功能。

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数码管进行显示，或通过切换显示，使得多功能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。

1.2国内外相关研究情况

目前市面上多功能自行车的速度表和里程表都是机械的，均由机械传动计算出结果,再通过机械表盘显示出来,误差较大。

看起来不够直观与方便。

如果能用LED直接显示出来里程数或速度值，就可节省用户的时间及精力处理自行车行进过程中的突发事件。

从保护环境和经济条件许可等因素综合来看，自行车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。

日本式轻型电动车的发源地：

日本的工程师开发出了一辆能自平衡的电动自行车，也就是说靠发动机控制它能自己站住。

他们的最终目标是制造出一辆高性能自行车作为小汽车的一种便利的替代品。

为了监测自行车的稳定性，工程师还在其后侧贴上了LED指示灯，然后在后面支起摄像机监控指示灯的位移。

研究人员说，调整后发动机的加速度和前发动机的转向控制相对简单，因为数据反馈能用一条清晰的物理定义来解释，从而控制系统就能计算出发动机必要的调整量。

1.3．本课题研究的主要内容及技术指标

1.3.1作品基本要求

设计一个可以适用自行车的轻便、省电、全天候野外使用的自行车里程表的基计要求。

总里程〈999.9km；

可以轮流显示或选择显示（用十进制数）：

总里程——当前行驶里程；

瞬时速度——当前平均速度km/h；

平均速度——本次行驶中的平均速度；

时间——当前行驶累计时间，时、分、秒；

电源不高于5V，体积小、结构可靠，便于安装及使用。

1.3.2主要研究内容

（1）用LCD作为该装置的动态显示设备,动态扫描LED数码管显示。

里程表的显示内容以数字为主，利用LED数码管可基本满足使用要求，且成本较低。

串行静态LED数码管显示。

把单片机的串行口设置为方式0（同步移位寄存器），输出显示信息，可实现LED数码管的静态显示，其亮度令人满意；

（2）要求具有超速提醒功能；

（3）要求具有总行驶里程记录和显示功能；

（4）要求该表具有自行车行驶瞬时速度、平均速度、超速报警、累计总里程等计量功能，可通过切换显示，提供给用户安全行驶的一些基本信息。

1.3.3主要技术指标

（1）使用单片机的汇编语言或C语言在Keil软件里编写程序，使系统能够实现里程表的基本功能；

（2）设计指标：

6位数码管显示；

（3）成果演示：

在Proteus软件里完成系统的。

2方案设计与讨论

2.1方案的设计与比较

2.1．1速度测量原理

测量自行车的速度的原理有两种：

（1）测量一定时间间隔t1里自行车车轮转过的圈数qs。

假设车轮周长为tc，则速度V=tc*qs/t1

（2）测量自行车车轮转过一圈的时间t2，则速度V=tc/t2

本里程表是根据原理2计算速度的。

2.1.2传感器的选择

（1）红外对管。

把红外对管分别安装在自行车车轮的两侧，当车轮转动时辐

条会阻挡红外对管的光路，接收管输出低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。

红外对管的优点是测量精度高，缺点是安装比较复杂和容易受外来光线、

灰尘等的影响。

（2）开关型霍尔传感器。

霍尔传感器是利用霍尔效应把磁输入信号转换成电信号的器件。

把开关型霍尔传感器安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，传感器输出一个无抖动的低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。

霍尔传感器的优点是稳定和安装简易，缺点是成本较高。

利用霍尔型非接触式转速传感器对里程进行测量。

将霍尔元件安装在车前叉

的一侧，在轮圈侧面贴一个磁片。

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，单片机根据脉冲数计算里程。

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准确测量；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，安装较为复杂，这样就会给用户带来很多不便。

霍尔元件不但不受天气的影响，即使被泥沙或灰尘覆盖对测量也不会有影响。

而且安装方便，不受光线、泥水等因素影响的优点。

霍尔传感器是一种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，它们的结构牢固，体积小，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。

（3）干簧管。

干簧管是一种磁敏的有触点无源电子开关元件，应用在里程表上的原理与开关型霍尔传感器类似，把干簧管安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，干簧管闭合，单片机根据此信号可计算里程、速度等。

干簧管的优点是成本低廉和安装简易，缺点是比较脆弱和不够稳定。

本里程表选用霍尔传感器。

2.1.3显示模块的选择

（1）动态扫描LED数码管显示。

里程表的显示内容以数字为主，利用LED数码管可基本满足使用要求，且成本较低。

串行静态LED数码管显示。

把单片机的串行口设置为方式0（同步移位寄存器），输出显示信息，可实现LED数码管的静态显示，其亮度令人满意。

（2）LCD液晶显示模块。

液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

本里程表使用LCD数码管作为显示模块。

2.2主要言元器件的介绍

2.2.1AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

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。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

　　P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

　　P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

　　口管脚备选功能

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2/INT0（外部中断0）

　　P3.3/INT1（外部中断1）

　　P3.4T0（记时器0外部输入）

　　P3.5T1（记时器1外部输入）

　　P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

　　P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

　　RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

　　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

　　XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

　　振荡器特性:

　　XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

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。

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。

流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。

（1）电流传感器必须根据被测电流的额定有效值适当选用不同的规格的产品。

被测电流长时间超额，会损坏末极功放管（指磁补偿式），一般情况下，2倍的过载电流持续时间不得超过1分钟。

（2）电压传感器必须按产品说明在原边串入一个限流电阻R1，以使原边得到额定电流，在一般情况下，2倍的过压持续时间不得超过1分钟。

　（3）电流电压传感器的最佳精度是在原边额定值条件下得到的，所以当被测电流高于电流传感器的额定值时，应选用相应大的传感器；当被测电压高于电压传感器的额定值时，应重新调整限流电阻。

当被测电流低于额定值1/2以下时，为了得到最佳精度，可以使用多绕圈数的办法。

　（4）绝缘耐压为3KV的传感器可以长期正常工作在1KV及以下交流系统和1.5KV及以下直流系统中，6KV的传感器可以长期正常工作在2KV及以下交流系统和2.5KV及以下直流系统中，注意不要超压使用。

　（5）在要求得到良好动态特性的装置上使用时，最好用单根铜铝母排并与孔径吻合，以大代小或多绕圈数，均会影响动态特性。

（6）在大电流直流系统中使用时，因某种原因造成工作电源开路或故障，则铁心产生较大剩磁，是值得注意的。

剩磁影响精度。

退磁的方法是不加工作电源，在原边通一交流并逐渐减小其值。

　（7）传感器抗外磁场能力为：

距离传感器5～10cm一个超过传感器原边电流值2倍的电流，所产生的磁场干扰可以抵抗。

三相大电流布线时，相间距离应大于5～10cm。

　（8）为了使传感器工作在最佳测量状态，应使用图1－10介绍的简易典型稳压电源。

　（9）传感器的磁饱和点和电路饱和点，使其有很强的过载能力，但过载能力是有时间限制的，试验过载能力时，2倍以上的过载电流不得超过1分钟。

　（10）原边电流母线温度不得超过85℃，这是ABS工程塑料的特性决定的，用户有特殊要求，可选高温塑料做外壳。

　　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、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

　　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（可达μm级）。

取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

　按照霍尔器件的功能可将它们分为:

霍尔线性器件和霍尔开关器件。

前者输出模拟量，后者输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:

直接应用和间接应用。

前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁