基于单片机控制的车速里程表设计.docx
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基于单片机控制的车速里程表设计
（2011届）
专科毕业设计（论文）资料
题目名称：
基于单片机控制的车速里程表
设计
学院（部）：
电气与信息工程学院
专业：
机电一体化技术
学生姓名：
班级：
学号
指导教师姓名：
职称
最终评定成绩：
湖南工业大学教务处
（2011届）
毕业设计（论文）
基于单片机控制的车速里程表设计
学院（部）：
电气与信息工程学院
专业：
机电一体化技术
学生姓名：
班级：
学号
指导教师姓名：
职称
最终评定成绩
2011年6月
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
模拟多通道压力系统是利用压力传感器采集当前压力并反映在显示器上，它可以分析压力过量程，并发出报警。
并采用电子秤原理可根据输入单价准确的计算出物体的金额。
本篇论文讨论了简单的倒计时器的设计与制作，对于倒计时器中的四位LED数码显示器来说，我为了简化线路、降低成本，采用以软件为主的接口方法，即不使用专门的硬件译码器，而采用软件程序进行译码。
关键词单片机，AT89S51，LED数码管显示器，keilC51，倒计时器
ABSTRACT
Permeateinthesocialrealmalongwiththecalculatorinrecentyears,singleslicetheapplicationofthemachinejustatconstantlyalignmentthorough,arouseatraditionalcontrolanexaminationadayanewmoonbenefitrenewalinthemeantime.Insolidlythehourtheexaminationthesingleslicethatcontrolswithautothemachinetheapplicationthesystem,singleslicemachineusuallyBeacorepartstouse,onlysingleslicethemachineaspectknowledgeisnotenough,returnshouldaccordingtoconcretethehardwarestructure,andaimatconcreteapplicationthesoftwareof[with]theobjectcharacteristicscombinetomakeperfect.Imitatingmanypassagepressuresystemsesistomakeuseofpressuretospreadthefeelingmachinetocollectcurrentpressurecombinethereflectionisonthedisplay,itcananalyzethepressuresurfeitdistance,eruptingtoreporttothepolice.Combinetheadoptionelectronicssteelyardprinciplecanaccordingtoinputtheamountofmoneythattheunitpricecomputesanobjectaccurately
Thisthesisdiscussthatpourthedesignandcreationofthetimerinbrief,forpourfourLEDfiguresdisplaysinthetimertosay,Iamforthesakeofthesimplificationcircuit,declinelowcost,adopttotakesoftwareastheconnectoflordapeople'smethod,donotusespecializedhardwaretotranslatethecodemachinenamely,butadoptthesoftwareproceduretocarryontranslatingcode.
Keyword：
singleslicemachine，AT89S51，TheLEDfigurestubedisplay，KeilC51，Pourtimer
目录
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2车速里程表的简介组成及原理1
1.3设计的整体思路3
第2章硬件的设计6
2.1单片机简介6
2.2AT89C52系列单片机的介绍7
2.3里程表各部分电路介绍9
2.3.1霍尔传感器电路9
2.3.2定时计数器电路11
2.3.3外部中断12
2.3.474HC573驱动器13
2.3.5LED显示模块电路15
第3章软件的设计17
3.1普遍系统的总体设计17
3.2单片机应用软件的一般设计17
3.3车速里程表的软件设计19
3.3.1总体设计思路19
3.3.2子程序和主函数的设计20
第4章软件调试23
4.1程序的检测与调试23
4.2PROTEUS仿真过程25
结束语28
参考文献29
致谢30
附录一硬件设计原理图31
附录二程序清单32
附录三元器件清单38
毕业设计诚信声明39
序言
本文介绍以单片机和霍尔传感器为核心的车速里程表设计。
霍尔传感器采集脉冲信号，单片机进行控制与计算，LED模块进行显示，最终汽车的速度里程数据直观的显示给用户。
速度里程表是用于远距离连续测量汽车行驶速度和距离的仪表。
它分为电源、霍尔传感器、驱动器和显示器3部分。
目前，车速里程表普遍使用在汽车和摩扦车上，一般采用指针显示，是一种机械测量装置，测试精度相对。
本文介绍的车速里程表是由电源稳压系统供电，AT89C52单片机为中央处理器，结合高精度的控制电路，方便地实现了智能化、高精度、高可靠性、高效率的车速里程表设计，方便而实用。
车速里程表广泛应用于各类机车，包括厂矿企业所使用的电机车和汽车、摩托车等。
传统的机械式里程表虽然稳定可靠，但功能单一，体积较大。
随着电子技术的迅猛发展，电子式里程表得以广泛应用。
一种以单片机为核心的里程表，它不仅可以显示车辆行驶的及时速度和总里程，也可显示一段时间的阶段里程，并且具有较强的再开发能力，比如添加时钟、音乐等其他功能。
这一切都是因为利用了单片机系统强大的数据存储和处理控制功能。
第1章绪论
单片机现在渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
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，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
1.1课题背景
本题目根据车速、里程的测量原理，以MCS-51系列单片机为核心器件，组成点阵式的液晶显示屏，通过编程显示车速、里程与油位。
按照设计要求熟悉系统硬件电路、接口电路，完成硬件电路的电路板的设计，完成该系统的程序设计，提交程序设计框图及程序设计清单。
1.2车速里程表的简介组成及原理
汽车车速里程表分为滚轮计数器和点距液晶屏式两种，由指示汽车行驶速度的车速表和记录汽车所行驶过距离的里程计组成的，二者装在共同的壳体中，并由同一根轴驱动。
普通车速表一般为磁感应式。
滚轮计数器是过去常用的纯机械式仪表，通过一根软轴，一头连到变速箱输出轴，另一头连到里程表;而现在更常用的电子式仪表，它一般是在变速箱输出轴或车轮上装一个转速传感器，用读出的转速通过控制模块内嵌的计算公式来换算成车速以及历程。
不管是哪种方式，归根结底，数据都是来自于传动系统输出端的转速（变速箱输出轴或车轮），知道了车轮的转速，比如每分钟转多少圈，再将车轮的周长。
车速里程表实际上由两个表组成，一个是车速表，另一个是里程表。
传统的车速表是机械式的，典型的机械式里程表连接一根软轴，软轴内有一根钢丝缆，软轴另一端连接到变速器某一个齿轮上，齿轮旋转带动钢丝缆旋转，钢丝缆带动里程表罩圈内一块磁铁旋转，罩圈与指针联接并通过游丝将指针置于零位，磁铁旋转速度的快慢引起磁力线大小的变化，平衡被打破指针因此被带动。
这种车速里程表简单实用，被广泛用于大小型汽车上。
不过，随着电子技术的发展，现在很多轿车仪表已经使用电子车速表，常见的一种是从变速器上的速度传感器获取信号，通过脉冲频率的变化使指针偏转或者显示数字 里程计是由若干个计数转鼓及其转动装置组成的。
为了使用方便，有的车速里程表同时设有累计里程计和区间里程计，累计里程计用来记录汽车累计行驶里程，区间里程计用来记录汽车单程行驶里程。
区间里程计有一个归零按钮，可以随时复位至零，重新累计。
车速里程表是用来指示汽车行驶速度和累计行驶里程的仪表，由车速表和里程表两部分组成，普通车速表一般为磁感应式，其结构如下路所示。
车速表主要由永久磁铁、铝罩、护罩、刻度盘和表针等组成，永久磁铁与主动轴紧固在一起，主动轴由来自变速器输出轴的挠性软轴驱动，指针、铝罩固接在中心轴上，刻度盘固定在表外壳上。
不工作时，铝罩在游丝的作用下，使指针位于“0”位。
当汽车行驶时，软轴驱动主动轴带动“U”形永久磁铁旋转，在铝罩上感应出电涡流而产生磁场，这个磁场与永久磁铁的旋转磁场相互作用产生钮矩，使铝罩向永久磁铁旋转方向转过一定角度，直到由游丝的弹力所产生的反方向扭矩与之平衡。
车速越高，产生的扭矩越大，指针在刻度盘上摆动的角度就越大，即指示的车速就越高。
里程表主要由蜗轮蜗杆和数字轮组成，当汽车行驶时，主动轴经三对蜗轮蜗杆驱动数字轮上的最右侧的第一个数字轮（一般为1/10Km），任一个数字轮与左侧相邻的数字轮传动比都为10：
1，这样显示的数字呈十进位递增，便自动累积了汽车总的行驶里程。
图1.1
图1.1汽车速度里程表
1.3设计的整体思路
设计包括硬件设计和软件设计，其中硬件是基础软件是核心，软件的数据通过硬件进行处理和控制，最终实现用户的功能。
一、硬件介绍
本设计的硬件包括：
AT89C52芯片：
程序的处理和控制中心。
74HC573驱动器：
存储和所存段选、位选数据。
SignalGenerator脉冲发生器：
模拟霍尔传感器，向芯片外部中断提供脉冲。
RESPACK8八位排阻：
将P0口拉成高电平。
7SEG-MPX8-CC-BLUE八位共阴极数码管（蓝色）：
显示速度和路程数据。
二、主要技术指标
1、计算速度和路程。
2、存贮历史里程数据。
3、量程记满时清除历史里程数据。
4、显示及时速度。
三、实现上述功能的软件设计流程图1.2如下：
图1.2软件设计流程图
各部分介绍如下：
1、初始化：
打开外部中断和定时器0中断，当有脉冲来的时候就进入中断程序。
2、外部中断：
记录一个脉冲时间time；计算一个脉冲时间的速度，五个速度作为一个数组，高低速判断；开启T0，记脉冲数为n。
3、定时器0中断：
记50毫秒时间赋值给t.
4、处理函数：
给出速度和路程的计算公式。
v=0.9*pi*r/time
s=0.00025*pi*r*n
显示程序：
用三位数显示速度，四位数显示路程。
第2章硬件的设计
2.1单片机简介
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统.尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:
CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存.同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备.而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上.
单片机也被称为微控制器（Microcontroler）,是因为它最早被用在工业控制领域.单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来.最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中.INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳.早期的单片机都是8位或4位的.其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评.此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统.
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
1.在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量.采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大.例如精密的测量设备（功率计,示波器,各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统.例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等.
3.在家用电器中的应用可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在.
4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等.
5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等.此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途.单片机学习:
目前,很多人对汇编语言并不认可.可以说,掌握用C语言单片机编程很重要,可以大大提高开发的效率。
2.2AT89C52系列单片机的介绍
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes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应用场合
。
主要性能参数：
1.与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
2.18K字节可重擦写Flash闪速存储器
3.1000次擦写周期
4.全静态操作：
0Hz-24MHz
5.三级加密程序存储器
6.256*8字节内部RAM
7.32个可编程I/O口线
8.3个16位定时/计数器
9.8个中断源
10.可编程串行UART通道
11.低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述：
AT89C52提供以下标准功能：
8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
引脚如图2.1所示。
振荡器反相放大器如图2.2所示。
图2.1AT89C52引脚图
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
图2.2振荡器反相放大器原理图
中断：
AT89C52共有6个中断向量：
两个外中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0，1，2）和串行口中断。
所有这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE的置位或清0来控制每一个中断的允许或禁止。
IE也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。
AT89C52编程方法：
1.在地址线上加上要编程单元的地址信号。
2.在数据线上加上要写入的数据字节。
3.激活相应的控制信号。
4.在高电压编程方式时，将
/Vpp端加上+12V编程电压。
5.每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加入一个ALE/
编程脉冲。
每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。
重复1-5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。
AT89C52的极限参数：
工作温度：
-55℃to+125℃
储藏温度：
-65℃to+150℃
任一引脚对地电压：
-1.0Vto+7.0V
最高工作电压：
6.6V
直流输出电流：
15.0mA
2.3里程表各部分电路介绍
本次里程表的设计，硬件电路主要由霍尔传感器电路，里程指示电路，里程数据存储电路，时钟电路，LED显示模块及74LS07驱动器构成。
2.3.1霍尔传感器电路
1.霍尔传感器工作原理
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。
图2.3霍尔效应示意图
2.霍尔效应
如图2.3在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。
3.霍尔元件
根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用，原理图如图2.4。
4特点
1内置斩波放大器
2可选范围广，支持各种应用：
检测两极、检测S极、检测N极（*1）、动态“L”、动态“H”（*1）、Nch开路漏极输出、CMOS输出。
3宽电源电压范围：
2.4V~5.5V
4低消耗电流：
5.0μA典型值、8.0μA最大值。
5工作温度范围：
－40℃~＋85℃，磁性的温度依赖性较小。
6采用小型封装：
SNT-4A,SOT-23-3
7无铅产品
标准电路
图2.4霍尔效应原理图
本设计中轮子转一圈霍尔传感器发送八个脉冲。
2.3.2定时计数器电路
图2.5定时计数器的结构图
从定时计数器的结构图2.5可以看出于定时器有关的8位寄存器一共有6个。
其中16位的定时计数器分别由两个8位专用寄存器组成，即T0由TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1构成。
出了这两个16位的计数器外，在定时器中还有两个特殊功能寄存器，一个是八位定时器方式寄存器TMOD，另一个是八位定时器控制寄存器TCON。
TMOD确定T0、T1的工作方式，其格式如下
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
MI
M0
本设计中TMOD=0x01，定时器0为定时、方式一（16为计数器）。
TCON控制定时器的启、停标志定时器的溢出和中断。
格式如下。
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
本设计中：
IT0=1，表示外部中断0触发方式控制为边沿触发方式，当第一个机器周期采样到INT1为低电平时，则IE1置1。
IE1=1,表示外部中断1正在向CPU申请中断。
2.3.3外部中断
原理图如下图2.6
图2.6外部中断原理图
于中断有关的特殊功能寄存器有4个，分别为中断源寄存器（即专用寄存器TCON、SCON的相关位）、中断源允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP。
中断源允许控制寄存器IE格式如下：
EA
--
ET2
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
本设计中：
EA=1，开总中断；EX0=1，允许外中断0中断。
ET0=1，允许T0中断。
中断请求标志寄存器
TCON中的中断标志
TCON为定时器T0和T1的控制寄存器，同时也锁存T0、T1的溢出中断标志位及外部中断INT0、INT1的中断标志等
TF1
TF0
IE1
IT1
IE0
IT0
本设计中：
IT0=1,外部中断0触发方式为边缘触发方式。
IP格式如下：
--
--
PT2
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
本设计中：
PX0=1,外部中断0为高优先级中断。
2.3.474HC573驱动器
SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。
如下图2.7器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。
当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上操作电压范围：
2.0V~6.0V低输入电流：
1.0uACMOS器件的高噪声抵抗特性。
图2.7SL74HC573管脚功能
表2.174HC573功能表如下
输入
输出
输出使能
锁存使能
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
不变
H
X
X
Z
表2.174HC573功能表
74HC573逻辑图如下图2.8
图2.874HC573逻辑图
本设计中通过控制74HC573的打开和关闭来锁存段选和位选数据。
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