单片机自行车测速仪设计方案.pdf

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1、1/25 霍尔测速仪的设计摘 要本设计主要阐述一种基于单片机与霍尔传感器等元件的测速仪设计。以AT89C51 单片机为核心，实现对自行车里程、速度、时间、温度等参数的测量，并能简单的将里程及速度用LCD 实时显示。在本文中详细介绍了测速仪的硬件电路和软件设计。硬件部分利用霍尔传感器将每秒内的脉冲数传入单片机系统，然后经单片机系统计算处理并将过处理结果送LCD 显示。软件的设计采用模块化结构，使程序的逻辑关系更加简洁。使硬件在软件的控制下协调运作。仿真，所设计的硬件电路及软件程序是正确的，实际的硬件电路中也基本上能够满足设计要求。关键词：里程/速度，时间，温度，霍尔元件，单片机，LCD 2/25

2、 目录1 绪论1.1 课题研究的目的和意义1.2 课题的发展简况1.3 研究的主要内容2 系统总体方案设计2.1 系统方案2.2 单片机介绍2.3时钟芯片介绍2.4 温度传感器介绍2.5 测速传感器介绍2.6 显示器介绍3 系统硬件设计3.1 单片机外围电路设计3.1.1 AT89C51单片机简介3.1.2 单片机外围电路图3.2 时钟模块设计3.2.1 时钟芯片介绍3.2.2 DS1302硬件连接图3.3 温度模块设计3.3.1 温度传感器介绍3.3.2 DS18B20硬件连接图3.4 速度模块设计3.4.1 霍尔元件介绍3.4.2 霍尔传感器硬件连接图3.5 显示模块设计3.5.1 LCD

3、芯片介绍3.5.2 LCD硬件连接图3.6主电路图4 软件设计4.1 主程序设计4.2 计算速度里程程序设计4.3 温度显示程序设计4.4 时钟芯片程序设计5 结论参考文献附录致谢文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8

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10、水平与西方国家还存在着一定的差距，人们使用的交通工具主要还是自行车，它轻巧便捷、使用简单、环保，深受大多数人的喜爱，同时也可以作为休闲运动工具，是人们锻炼身体的一种重要的工具。但随着社会的发展，人们追求的是集成更多功能于一体的自行车，它能显示当前车子行驶的速度、里程、行车时间、最高行驶速度，甚至还有GPS 全球定位系统、MP3、短信、新闻播报等娱乐功能。本文就是以此为基础，设计一款简单低成本多功能的测速仪，旨在解决自行车驾驶者在行驶时能够了解当前的行驶状态，并且根据周围环境，能够做出正确的判断和操作，提高了驾驶的安全性。另外自行车运动需一款测速装置，以了解运动情况，特别是对于运动员，他们需要一

11、种能对实时运动情况进行测量并记录的仪器，通过记录的数据，运动员可以分析自己的训练成绩及训练过程，根据分析结果，可以调整自己的训练步骤。并根据外界环境如温度、风速等进行适当调节运动方式，以达到最佳运动效果。测速装置是对运动中几个参数进行测定。现自行车测速仪的设计种类繁多，但是多数的测速装置都是由机械式或模拟数字电路来实现的，都存在体积大、精度低、不直观、功耗大、功能少等缺点。本文所述测速系统是以单片机为核心实现的，具有功能多、功耗小、直观准确以及可显示时间、总里程、温度、速度等优点。1.2 课题的发展简况随着微型计算机可靠性提高和价格下降，用单片机测量电机转速技术已经成熟，但是这种技术目前主要还

12、是用于工业生产方面，测速装置用于生活中还是少之又少。欲提高测量精度，必须先测出准确的转速，而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求，必须采用数字测速的方法。转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M 法测频法）、T 法测周期法）和MPT 法频率周期法），该系统采用了M 法 对自行车进行实时速度的测量，显示出速度值。(2 能够计算单次使用自行车的路程。(3 能测量出当前环境的温度，以供使用者决定是否适宜进行运动。(4 显示行车里程，实时时间，并且具有断电保护的功能。文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7

13、W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5

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19、W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D35/25 2 系统总体方案设计2.1 系统方案系统主要分成四个模块，分别是时钟模块、温度模块、速度模块、显示模块。温度及速度模块通过外部传感器对相应参数进行测量，将物理信号转换为电信号输入单片机，单片机对输入的电信号进行处理，最后通过显示器输出显示。本设计中用到的主要元件包括单片机、时钟芯片、温度传感器、速度传感器以及液晶显示器。控制系统的方案计框图如图1 所示。该方案是以单片机为核心，通过速度传感器将所感应到的速度传送到单片机当中，通过单片机的处理计

20、算并通过显示器将所计算的速度和里程显示出来。时间和温度的显示是通过时钟芯片和温度传感器并以单片机为核心通过显示器显示而按键用于调整时间。图 21 系统框图2.2 单片机介绍单片机普遍认为是在一块硅片上集成了中央处理器、存储器和各种输入、输出接口，这样的一块芯片具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。系统所使用的是通用型单片机，它可以把可开发资源全部提供给使用者。8 位 AT89C51 CHMOS 工艺单片机被设计用于处理高速计算和快速输入/输出。MCS51 单片机典型的应用是高速事件控制系统。商业应用包括调制解调器，电动机控制系统，打印机，影印机，空调控制系统，磁盘驱动器和医疗设备。汽

21、车工业把MCS51 单片机用于发动机控制系统，悬挂系统和反锁制动系统。AT89C51 尤其很好适用于得益于它的处理速度和增强型片上外围功能集，诸如：汽车动力控制，车辆动态悬挂，反锁制动和稳定性控制应用。由于这些决定性应用，市场需要一种可靠的具有低干扰潜伏响应的费用-效能控制器，服务大量时间和事件驱动的在实时应用需要的集成外围的能力，具有在单一程序速度传感器单片机显示器按键时钟芯片温度传感器文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4

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23、:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4

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25、:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4

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27、:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4

28、W8Z5 ZA7G4W8H6D36/25 包中高出平均处理功率的中央处理器。拥有操作不可预测的设备的经济和法律风险是很高的。一旦进入市场，尤其任务决定性应用诸如自动驾驶仪或反锁制动系统，错误将是财力上所禁止的。重新设计的费用可以高达500K 美元，如果产品族享有同样内核或外围设计缺陷的话，费用会更高。另外，部件的替代品领域是极其昂贵的，因为设备要用来把模块典型地焊接成一个总体的价值比各个部件高几倍。为了缓和这些问题，在最坏的环境和电压条件下对这些单片机进行无论在部件级别还是系统级别上的综合测试是必需的。Intel Chandler 平台工程组提供了各种单片机和处理器的系统验证。这种系统的验证处

29、理可以被分解为三个主要部分。系统的类型和应用需求决定了能够在设备上执行的测试类型。2.3 时钟芯片介绍时钟芯片种类非常多，有内置晶振及充电电池类型，还有外置晶振类型，如现在流行的DS1302、DS1307、PCF8485、SB2068等等。由于DS1302 时钟芯片的电路接口简单，价格低廉、使用方便，被广泛地采用。在系统中采用了DS1302 时钟芯片，该实时时钟电路是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能，采用普通32.768kHz晶振。DS1302 时钟芯片是美国DALLAS公司推出的一种高性能

30、、低功耗、带RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。DS1302 内部有一个 31 8 的用于临时性存放数据的RAM 寄存器。DS1302是 DS1202 的升级产品，与DS1202 兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。2.4 温度传感器介绍温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器，它是温度测量仪表的核心部分。由于品种繁多，所以在工业应用中温度传感器分类的方式方法有很多种。由于DS18B20 测试环境温度，数据直观、成本低廉，精度可达0.

31、1，所以在设计中采用了DS18B20温度传感器。DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912 位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和 750 ms内完成 9 位和 12 位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20 的信息仅需要一根口线 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。(2 多个 DS18B20可以并联在惟一的总线上，实现多点组网功能。(3 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5。(4 零待机功耗。(5 报警搜索命

32、令识别并标志超过程序限定温度 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.5 测速传感器介绍测速传感器是对被测物的运行速度进行测量并转化成可输出信号的传感器。测速传感器包括测量线速度传感器和测量转速度传感器。而测量转速的方式很多，常见的有：霍尔传感器例如你提到的那一种）、光电传感器还分反射式与透射式）、以旋转编码器等等。设计中采用了霍尔传感器进行测速，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。霍尔传感器44E 系列是 Allegro MicroSystems 公司生产

33、的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达-40150。它由电压调整电路、反相电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC 门输出极构成，通过使用上拉电阻可以将其输出接入CMOS 逻辑电路。2.6 显示器介绍由于设计中的需显示英文字符，且显示的数据比较多，所以不宜采用数码管显示。而应该采用液晶屏显示，现在液晶显示屏种类繁多，12864、1602 等都是常用的液晶显示屏。而12864 顾名思义像素是128*64，能显示8*4 个汉字，因型号不同，有的带汉字库，有的不带，能显示图像效果，功能比1602 强大。1602 一般只用于显示字母、数字和符号能显示16*2 个

34、字符，具有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单，价格低廉。由于考虑到设计中不需汉字显示且显示字符足够。因此，系统文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4

35、W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码

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38、:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4

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40、:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D38/25 采用 1602液晶显示。3 系统硬件设计3.1 单片机外围电路设计3.1.1 AT89C51单片机简介管脚说明如图 2 所示：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0 口为一个 8 位漏级开路双

41、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

42、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

43、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 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）文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6

44、D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 H

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46、D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 H

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48、D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 H

49、K2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6D3文档编码:CN7W8L1H8B4 HK2Q1D4W8Z5 ZA7G4W8H6

50、D39/25 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