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1、 目 录1 绪 言11.1 课题背景11.2 课题的主要任务及容12 电动电动自行车的速度里程表总体方案设计22.1 任务分析与实现22.2 电动自行车的速度里程表硬件方案设计22.3 电动自行车的速度里程表软件方案设计43 电动电动自行车的速度里程表硬件电路设计53.1 概述53.2 传感器及其测量系统53.2.1 霍尔传感器的测量原理53.3 单片机的原理及应用73.3.1 单片机原理简介73.3.2 单片机的引脚功能介绍83.3.3 单片机中断系统介绍103.3.4 单片机定时/计数功能介绍113.4 其他器件的介绍123.4.1 存储器的介绍123.4.2 74LS74芯片的介绍133
2、.4.3 74LS244芯片的介绍143.5 单片机外围电路的设计143.5.1 时钟电路的设计143.5.2 复位电路的设计153.5.3 显示电路的设计163.5.4 报警电路的设计174 电动电动自行车的速度里程表软件程序设计184.1 概述184.2 电动自行车的速度里程表总体程序设计184.3 中断子程序的设计204.4 数据处理子程序的设计204.5 显示子程序的设计225 系统调试与分析246 结论与展望266.1结论266.2 展望26致 27参考文献28附 录29 1 绪 言1.1 课题背景电动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
3、，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动电动自行车，电动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，电动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，人们希望电动自行车的功用更强大，能给人们带来更多的方便。电动自行车里程速度表作为电动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MCS-51系列单片机设计一种体积小、操作简单的便携式电动自行车的速度里程表，它能自动地显示当前电动自行
4、车行走的距离及运行的速度。 1.2 课题的主要任务及容本课题主要任务是利用霍尔元件、单片机等部件设计一个可用LED数码管实时显示里程和速度的电动自行车的速度里程表。本文主要介绍了电动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；继而具体介绍了电动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；然后阐述了该电动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
5、计进行了系统的总结。 具体的硬件电路包括AT89C52单片机的外围电路以及LED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。 2电动自行车的速度里程表总体方案设计2.1总体设计方案 采用AT89C51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AT89C51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LED显示器显示出来。传感器是获取自然或生产领域息的关键器件，是现代信息系统和各种设备不可缺少的信
6、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。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，而且包括计算、定时、信息处理等功能当轮子每转一圈，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12即P3.2外部中断0端输入，传感器每获取一个脉冲信号即对系统提供一次
7、计数中断。每次中断代表车轮转动一圈，中断数n轮圈的周长为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。当里程键按下时，里程指示灯亮，LED切换显示当前里程，与当速度键按下时，速度指示灯亮，LED切换显示当前速度，若电动自行车超速，系统发出报警信号，指示灯闪烁。里程数据自动记忆，也可用于电动电动自行车、摩托车、汽车等机动车仪表上。2.2 电动自行车的速度里程表硬件方案设计测速，首先要解决是采样的问题。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
8、、光电传感器和光电编码器。里程测量传感器的选择也有以下几种方案：使用光敏电阻对里程进行测量、利用编码器对车轮的圈数进行测量、利用霍尔传感器对里程进行测量、利用干簧管型传感器测量里程。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。单片机由于将CPU、存和一些必要的接口集成到一个芯片上，
9、并且面向控制功能将结构作了一定的优化，所以它有一般芯片不具有的特点：1. 体积小、重量轻；2. 电源单一、功耗低；3. 功能强、价格低；4. 全部集成在一块芯片上，布线短、合理；5. 数据大部分在单片机传送，运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高。目前，单片机被广泛的应用于测控系统、工业自动化、智能仪表、集成智能传感器、机电一体化产品、家用电器领域、办公自动化领域、汽车电子与航空航天器电子系统以及单片机的多机系统等领域。在设计中选用的是AT89C52单片机。外部信号霍尔传感器外部存储器AT89C52单片机里程显示速度显示报警部分2.3 电动自行车的速度里程表软件方案设计通过软件控制单片机的功能是单
10、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，遵循模块化设计的原则，采用自顶向下的设计方法。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。系统软件总体流程图如图2.3所示。 初始化P3.0=1?计算里
11、程显示里程计算速度显示速度N开始3 电动自行车的速度里程表硬件电路设计3.1 概述电动自行车的速度里程表的硬件电路设计是基础部分，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，两大主要器件就是传感器和单片机。传感器是获取自然或生产领域息的关键器件，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。
12、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。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，而且包括计算、定时、信息处理等功能。3.2 传感器及其测量系统本次设计信号的捕获采用的是霍尔传感器。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围宽，可达55150。按照霍尔器件的功能可将
13、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、非磁的物理量例如力、力矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 3.2.1 霍尔传感器的测量原理霍耳效应：1879年E.H. 霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(v)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方
14、向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的积累，从而形成附加的横向电场。 通有电流 I 的金属或半导体板置于磁感强度为 B 的均匀磁场中，磁场的方向和电流方向垂直，在金属板的第三对表面间就显示出横向电势差 U H 的现象称为霍耳效应。U H 就称为霍耳电势差。 实验测定，霍耳电势差的大小，和电流 I 及磁感强度B成正比,而与板的厚度d 成反比。即霍耳电势差 UH = RHIB/
15、d , 霍尔转速传感器：霍尔转速传感器的外形图和与磁场的作用关系如2图所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。霍尔传感器检测转速示意图如图3。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。霍尔电流传感器本身已经存在滤波电路，输出无须再加装滤波，可直接供单片机的05V的 AD采集或直接送到单片机的中断输入引脚，信号非常稳定，而且抗干扰能力很强。 霍尔电流传感器反应速度一般在7微妙，不用考虑单片机循环判断的时间.若在圆盘上贴上多块磁钢，则圆盘每转一圈，输出的脉冲信号将相应增加，单位时间测到的脉冲数将增多，测出的转速也将更加精细。本设计建模时采用一个圆盘上贴一个磁钢进行模拟。实际制作中可以贴上多块磁钢，即可以克服因车轮转速太慢而在设定时间测不到脉冲的问题。
