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1、南华大学船山学院课程设计（或论文）第 1 页， 共 27 页引言数字里程表是用于远距离连续测量行驶速度和距离的仪表。它分为传感器、单片机和显示器三部分。本文介绍的数字里程表是采用以 AT89C51 单片机为中央处理器，结合高精度的采样电路、 控制电路、显示电路，方便地实现了智能化、 高精度、高可靠性、高效率的自行车里程表的设计，并且使用方便。如今，随着现代电子电路的快速发展，以及电子行业对现有电子工程技术的不断需求，特别是对实际操作实践的电子人才的需求越来越多，所以加强个人动手能力重视实践应该是电子发展需求的必然趋向。实践动手能力的培养是一种综合能力，这种能力当然是在一定难度的前提下完成的，通
2、过一定数量的实践才能逐步形成的。因此在培养实践能力的同时，要通过实践来不断的发现问题和解决问题的途径和方法，从而提高实践能力。近年来，随着单片机档次的不断提高，功能的不断完善，其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大，特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而生辉增色。单片机应用技术已成为一项新的工程应用技术。南华大学船山学院课程设计（或论文）第 2 页， 共 27 页1 设 计 思 路假设车轮的半径为 R，R 的值根据车轮半径的不同由编程是内部设定或键盘输入给定，则 L=2*3.14*R。在轮圈上安装一个永久磁铁，则轮子每转一圈，通过开关型霍尔传感器的电平就会发生一次跳变，跳变产生
3、一个脉冲信号，从引脚 P3.5 计数器 T1 端输入，并通过计数器对其进行计数为 N 在规定的周期 T 时间内的路程 S=N*L，而在该周期内的速度 V=S/T，当前的总路程为 lc=lc+S。计时功能由时间芯片 DS1302 来选取，如果当时间不符合时，则由键盘对时间进行初始化设置来调整时间，然后通过定时器来完成时间计时功能，键盘还可以对不同规格的自行车半径来作选择。在 LCD 上需显示的内容为 time，sd，lc。由 AT89C51 控制显示数据，实时刷新。2 系统功能原理及硬件组成2.1 主要器件2.1.1 主控制器本实例中的单片机采用 AT89C51。AT89C51 是一种带 4K
4、字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K字节闪存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 1000 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。外形及引脚排列如图2.1 所示。南华大学船山学院课程设计（
5、或论文）第 3 页， 共 27 页图 2.1 AT89C51 外 形 及 引 脚 排 列单片机 AT89C51 的引脚功能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 P0 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。
6、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
7、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南华大学船山学院课程设计（或论文）第 4 页， 共 27 页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 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断
8、 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（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
9、。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
10、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） 。 南华大学船山学院课程设计（或论文）第 5 页， 共 27 页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。2
11、.1.2 霍尔传感器里程测量传感器的选择方案有：使用编码器对自行车车轮的圈数进行测量、使用红外光敏电阻对里程进行测量、利用霍尔传感器对自行车里程进行测量。编码器的安装相对来说比较复杂；红外光敏电阻不仅对光敏感，还对环境和天气的要求也高，这些因素都能严重影响测量的效果；而霍尔传感器完全能避免上述的不足之处，由霍尔元件加整形电路构成的霍尔开关系统，不仅安装方便，不受光线和环境的影响，而且具有输出响应快，数字脉冲性能好，既简单又经济适用，所以本设计采用霍尔传感器来对里程进行测量。霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁敏传感器。在置于磁场中的导体或半导体通入电流 I，若电流垂直磁场 B，则在与磁场和电流
12、都垂直的方向上会出现一个电势差 Uh，这种现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。因为它具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强以及体积小、使用寿命长等一系列特点，因此被广泛应用于测量、自动控制及信息处理等领域。霍尔效应原理图如图 2.1 所示。XYZBILU hbd南华大学船山学院课程设计（或论文）第 6 页， 共 27 页图 2.2 霍尔效应原理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
13、盘上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。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，该传感器是一个3 端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，工作电压范围宽，使用非常方便。A44E 的外形如图 2.3 所示。A 4 4 E1 2 31-Vcc 2-GND 3-OUT图 2.3 A44E 外形图霍尔传感器检测转速示意图如下图示。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。图 2.4 测速原理图霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图 2.5
14、 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。南华大学船山学院课程设计（或论文）第 7 页， 共 27 页图 2.5 霍尔元件产品图和管脚图2.1.3 显示电路显示设计采用 LM016L 液晶模块，该点阵的屏显成本较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。在本设计中用来显示速度路程和时间。LCD 模块引脚及功能如下图。图 2.6 LM016L 引脚VSS：接地VDD(VCC)：电源电路，+5VVEE(VO)：液晶驱动电压南华大学船山学院课程设计（或论文）第 8 页， 共 27 页RS：寄存器选择(为“1”时，选数据寄存器 DR，为“0”时选指令寄存器 IR)RW：读写信号E：使能，
15、片选，下降沿触发DB0-DB7：数据线3.1.4 时间芯片本设计时间芯片采用的了 DS1302，DS1302 是由美国 DALLAS 公司推出的一种具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，具有可对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时等的功能，工作电压为 2.5V5.5V。主要的特点是采用串行数据传输，即使掉电亦不丢失，在 DS1302 内部有一个 318 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302与AT89C51的连接线有三条线：RST引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc2作为备用电源，芯片外接晶振X2，为芯片提供计时脉冲。3.1.5键盘矩阵键盘是 4*4 的矩
16、阵键盘，在设计中是用来调整时间的，从上述知道当时间芯片DS1302 的时间不准确时，就可以通过键盘来对时间进行调整，当然键盘还能对不同规格自行车的半径进行选择。2.2 系统硬件构成图外部信号霍尔传感器外部存储器AT89C51单片机里程显示速度显示图 2.7 系统的原理框图南华大学船山学院课程设计（或论文）第 9 页， 共 27 页3 数 字 里 程 表 软 件 设 计3.1 概 述所谓的软件设计就是指把软件需求变换成软件具体设计方案（即模块化结构）的过程。模块化结构设计是指根据要求和硬件设计的结构，将整个系统的功能分成多个小的功能模块，再根据小的功能模块进行程序编写的过程。所以在本设计中的软件设计的思想主要是模块化设计，包括一个主模块和三个子模块(数据采集子模块、控制子模块、LCD显示子模块)，对各个子模块进行逐一设计，主模块完成对各个子模块的初始化，调用控制子模块、显示子模块。数据采集子模块采用中断方式工作，同时在编程中采用C 语言编写，使用了许多技巧，使运算做到高精度、快速。3.2
