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1、编号 毕业设计 （ 2013 届本科）题 目： 简易自行车数字里程表的设计 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 作者姓名： 指导教师： 职称： 完成日期： 2013 年 6 月 8 日二一三 年 六月目 录摘 要6ABSTRACT61 引言72设计要求及分析72.1 设计要求72.2 设计分析72.3 总体方案83 系统硬件设计83.1 单片机模块83.2 霍尔传感器103.3 显示部分113.4 键盘控制133.5 电源电路133.6 总电路图144 软件编程实现144.1 系统软件框图144.2 数据算法154.2.1 频率测量154.2.2 数据算法165测量结果
2、及分析166 总结17参考文献19致 谢20附 录211 硬件电路及实物图212 程序源代码清单23 简易自行车数字里程表的设计摘 要本文介绍的速度与里程表设计以STC89C52单片机系统和霍尔传感器为核心，由霍尔传感器、单片机ST8C9C52RC、LCD1602液晶显示模块、数据存储电路和键盘控制组成。设计里程和速度显示采用LCD模块，里程数通过EEPROM来存储。本里程表的设计具有结构简单，成本低廉，显示清晰，稳定可靠等优点。并且可进行扩充，加入时速表的功能，更加方便的了解你现在所处的情况。关键词：STC89单片机、LCD1602液晶显示、霍尔传感器、EEPROM存储器ABSTRACTTh
3、isthesisdescribesthedesignofspeedandmilestonestoSTC89C52single-chipmicrocomputersystemandHallsensoratthecore.ThesystemiscomposedofHallsensors,SCMSTC89C52RC,LCD1602LCDmodule,datastoragecircuitandthekeyboardcontrolcomponent.WedesignedthatdisplaymileageandspeedbyLCDmodule,storemileagedisplaybyEEPROM.De
4、signofthismeterhastheadvantagesofsimplestructure,lowcost,cleardisplay,stableandreliable,andsoon.Atthesametime,itcanbeextendedandaddthefunctionofspeedmeter.Itismoreconvenienttoknowthesituationwhichyouarestayingatthatmiment.Key words : STC89C52；LCD1602；Hall sensor；EEPROM memory1 引言我国是自行车大国，随着人们生活水平的不断
5、提高，自行车已经不仅仅是运输、代步的工具，其辅助功能也变得越来越重要。因此，人们希望自行车的娱乐、休闲、锻炼的功能越来越多，能带来大家更多的健康与快乐。在这个背景下，自行车里程表作为自行车的一大辅助工具迅速发展起来、科学、美观、合理设计自行车里程表有一定的实用价值。它能合理计算出速度及里程数，使运动者运动适量，达到健康运动与代步的最佳效果。随着自行车里程表的发展，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。如佛山高明华劲电子公司的自行车里程表MS-601，能动态显示行驶里程、骑车时间
6、、实时车速等。在这种形势之下本设计根据现实需要和能够满足大众日常自行车锻炼、娱乐的需求，设计了一款简单实用的简易数字式自行车里程表。本里程表的设计具有结构简单，成本低廉，显示清晰，稳定可靠等优点。并且可进行扩充，加入时速表的功能，更加方便的了解你现在所处的情况。2设计要求及分析2.1 设计要求（1）设计一个基于单片机制作的简易自行车里程表，并用液晶屏显示内容。（2）能够记录和实时显示自行车行驶路程。（3）能够显示自行车行驶的时间。（4）能够显示自行车的实时速度。（5）能够显示自行车的实时加速度。2.2 设计分析本设计中，我们以单片机为控制核心，采用霍尔传感器检测自行车轮胎的运转情况，用LCD液
7、晶屏显示自行车的里程。计数的正确性决定了本装置的精度，如何在复杂的环境中得到正确的计数脉冲，是本设计的难点，初步的解决办法是对收到的脉冲以一高一低为信号进行计数的算法处理。2.3 总体方案系统设计总体框图如图2.1所示 霍尔传感器单片机模块键盘控制显示模块图2.1 功能实现框图3 系统硬件设计3.1 单片机模块STC89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于8
8、9C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：1.电源正常；2.时钟正常；3.复位正常。在STC89C52单片机的40个引脚中：电源引脚2根，晶振引脚2根，
9、控制引脚4根，可编程输入输出引脚32根。工作电源：电源是单片机工作的动力源泉，对应的接线方法为：40脚（VCC）电源引脚，工作时接+5V电源，20脚（GND）为接地线。复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合“电容电压不能突变”的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K。当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机器周期的高电平。晶振电路:时钟电路为单片机产生
10、时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的级时歇,方便定时操作)。控制引脚EA接法。EA/VPP（31脚）为内外程序存储器选择控制引脚，当EA为低电位时，单片机从外部
11、程序存储器取指令；当EA接高电平时，单片机从内部程序存储器取指令。STC89S52单片机内部有4KB可反复擦写1000次以上的程序存储器，因此我们把EA接到+5V高电平，让单片机运行内部的程序，我们就可以通过反复烧写来验证我们的程序了。图3.1 STC89C52RC的引脚图u VCC：供电电压。 u GND：接地。u RST：复位输入。u PSEN：外部程序存储器的选通信号。u XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。u XTAL2：来自反向振荡器的输出。u P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。u P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8
12、位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。u 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。u 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。P3口作为STC89C52的一些特殊功能口，管脚备选功能。在STC89C52RC单片机中集成有EEPROM电子擦除式只读存储器。EEPROM(Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory)即电子擦除式只读存储器，它是一种非挥发性存储器，是可用户更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和
13、重编程（重写）。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。电可擦除只读存储器EEPROM的主要优点是能在应用系统中进行在线改写，并能在断电情况下保存数据而不需保护电源。因此，在智能仪表、控制装置、分布式监测系统子站、开发装置中得到广泛应用。3.2 霍尔传感器霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为，宽度为，厚度为，当它被置于磁感应强度的磁场中，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
14、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和磁感应强度乘积成正比的电势，即，其中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，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。 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，
15、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。 A44E霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。图3.2 霍尔传感器A44E霍尔传感器管脚介绍：1VCC;2GND;3OUT.元件特点：一致性好、稳定性能稳定、可靠性高、响应速度高，可和各种逻辑电路直接接口可实现功能：无触点开关、位置/速度检测与控制、流量检测典型应用领域：纺织机械、缝纫设备、家用电器
16、、安全报警装置、汽车电子、直流无刷电机u 极限参数：（TA=25）u 电源电压VCC4.5-28V u 输出负载电流IO25mAu 贮存温度范围TS -65150u 工作温度范围TA-40853.3 显示部分本设计的显示模块采用LCD1602。与LED数码管相比，液晶显示器的显示效果相对较好，液晶显示器显示不仅直观，而且界面具有人机交互美观的特点。而且具有低功耗，容易控制，占用CPU资源少这些优点，从而成为一些显示器的首选。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一
17、个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。 因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值。 3.3 系统显示部分连接图 LCD1602工业字符型液晶，能够同时显示即32个字符。（16列2行）注：为了表示的方便 ，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。1602采用标准的16脚接口，其中：u VSS：为电源地 u VDD：接5V电源正极 u V0：为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产
18、生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。u RS：为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。u RW：为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。u E(或EN)：端为使能(enable)端。u D0D7：为8位双向数据端。u 1516：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。3.4 键盘控制键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段，是单片机系统设计中一种主要的信息输入接口，合理的设计，不仅可以节省系统的设计成本，更可使仪器设备的操作变得更为简单、方便，很大程度上提高系统综合性能。本设计中分别设置
19、了S1,S2,S3,SR四个按键他们的功能分别是：u SR：复位、清零和数据调节选择。u S1：数字调节时加一。u S2：数字调节时减一。u S3：开始；暂停。图3.4 控制键盘电路图3.5 电源电路因为单片机供电电压为+5V所以必须要用稳压电源做电压保护。该电源为稳压电源，可将电压稳定在+5V。图3.5 电源电路图注意事项：电源不要超过20V DC 20V AC。电流不要大于3A，防止意外。3.6 总电路图图3.6 系统总电路图4 软件编程实现4.1 系统软件框图如图4.1所示,本系统软件采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、频率测量模块、速度、里程计数模块、LCD显示模块、速度计算模块
20、、里程显示模块、数据存储、读取模块、定时器中断服务模块以及其他功能模块组成。检测脉冲信号开始初始化读取EEPROM数据显示数据是否有键按下计算里程、速度、加速度秒表计时存储到EEPROM轮圈数值设置秒表计时数据清零YNYY NN检测脉冲调用子程序调用子程序图4.1 系统软件功能实现框图4.2 数据算法4.2.1 频率测量用于频率测量的方法有很多，频率测量的准确度主要取决于所测的频率、范围以及被测对象的特点.而测量所能达到的精度，不仅仅取决于作为标准器使用的频率源的精度，也取决于所使用的测量设备和测量方法.该测设计能实时地将所的速度与累计里程数显示出来，主要是将传感器输入到单片机的脉冲信号的频率
21、（传感器将不同车速转变成不同频率的脉冲信号）实时地测量出来，然后通过单片机计算出速度和里程，再将所得的数据存储到EEPROM数据存储器，并由LCD1602显示模块显示所测瞬时速度、平均速度、加速度与里程等。设计时，应综合考虑测速精度和系统反应时间。本设计用测量脉冲频率来计算里程，因而具有较高的测距精度。在计算里程时取了自行车的理想状态。实际中，误差控制在几米之内，相对于整个里程来说不是很大。另外，还应尽量保证其他子模块在编程时的通用性和高效性。4.2.2 数据算法首先我们把磁钢放在自行车的转轴上，而霍尔元件就放在与其水平的转轴上，当我们完成安装后，转动自行车的转轴，磁钢也就跟着一起转动，从而使
22、霍尔传感器周围的磁场发生变化，这种变化将会导致霍尔电压变化从而产生一个脉冲电压。由于磁钢共分为2片，磁场将会改变2次，磁场强度大时输出高电平，磁场低时输出为低电平。所以将会产生2个方波，既每输出2个方波代表自行车转动了一周。用键盘选择调节好自行车车轮半径，通过圆周长公式得到车轮周长。再通过霍尔传感器将输出的脉冲次数算出路程（车轮周长乘以车轮转动圈数）。得出路程后，再通过两个相邻方波上升沿之间的时间可以算出速度（每秒钟产生方波次数乘以车轮周长），进而可以算出瞬时加速度。单片机计算出来的速度和里程的数据，通过LCD1602显示模块直观显示。总里程数会自动保存到EEPROM数据存储器，当自行车开动，
23、单片机开机经过初始化后显示出来，这样以来用户可以清楚的知道自己的车子已经运行了多少米了。而速度的显示则是在计算出速度里程后立刻显示出来，体现实时性。5测量结果及分析实物运行图如图 5.1所示。图5.1 实物运行图测量结果如表所示，实地采集数据(注：自行车车轮外直径为20英寸，约合50.8厘米，周长为160厘米；使用的计时工具为数字式秒表,；测试场地为标准100米跑道)表5-1 数据测量表实际路程（米）100100100100100测量路程（米）101104103102102路程误差（米）14322表5-2数据测量表实际时间（秒）33244239测量时间（秒）33”0623”9243”0439”
24、10时间误差（秒）0.060.080.040.10本设计中的数字式里程表路程精确度为米（m），而使用的霍尔测速器只有两个磁钢，也就是说必须使得自行车按绝对直线前行100米，刚好轮圈转过62.5圈。但是测量过程中自行车由人推行前进存在系统误差，但路程的测量结果在尽量降低系统误差的情况下，所产生的误差在可接受的百分之五的范围内。本设计中的数字式里程表时间精度为秒（S），使用的测量工具为手持式数字式秒表，需要手动开始和结束。存在着系统误差，但是时间的测量结果在尽量降低系统误差的情况下，所产生的误差在可接受的千分之一的范围内。由于测量条件有限，而本设计中速度和加速的显示为瞬时值，所以无法测量。按照设计
25、理论，误差在允许范围之内。6 总结本文对自行车里程表作了细致、全面、规范的分析；对总体相应的软、硬件进行了设计、制作及调试，并贯穿至设计的全过程。对文中所提到的各种算法都进行了处理，并得出结论。所做工作如下：（1）对设计中所需要的元件分析其原理和性能，极其应用和发展。（2）详细介绍本自行车里程表硬件设计的方案，电路图，并附上说明。（3）详细介绍软件设计方法，并给出各部分的程序清单。（4）对本设计进行实物验证调试。在本装置的研制过程中，充分考虑了作为便携装置其电源的提供、功率的损耗、体积的大小、价位的高低、使用及携带的方便性等因素。最终设计实现了设计要求中的功能，具有一定的实用性。但是设计之初对
26、所要实现的显示内容和方式考虑欠佳，以至于最后完成时显示效果欠佳，今后将努力完善。由于个人技术原因和时间问题，本设计中没有再进一步的进行功能扩展，如实时温度测量等。参考文献1郑莉,董渊,张瑞丰,C+语言程序设计M.清华大学出版社.20032高峰,单片微型计算机原理与接口技术M.科学出版社.20073 Hall sensor（霍尔传感器原理） website: 4王兆安,黄俊,电力电子技术M.机械工业出版社.20005 刘卫国,C语言程序设计实践教程M. 中国铁道出版社.2008 6 C51单片机开发试验手册M 河北省世界贸易中心7 胡向东,刘京诚,传感器与检测技术M.机械工业出版社.20098
27、王宏文,自动化专业英语教程M.机械工业出版社.20079 邹宜侯,窦墨林,潘海东,机械制图M.清华大学出版社.200610 杨庆芬,张闪,李同锴,大学物理M.中国铁道出版社.200711余孟尝,数字电子技术基础简明教程M.高等教育出版社.200612杨素行,模拟电子技术基础简明教程M.高等教育出版社.200613 STC89C52RC website: www.mcu-14 STC89C52RC Data sheets.website:15其他 查阅与霍尔传感器、LCD1602、单片机相关文献和资料致 谢四年大学生活即将结束，在这四年中，我收获了知识，收获了友谊，更收获了为人处事的道理。感谢学
28、校为我提供了自我发挥的舞台，我在这里尽情展现自己的才能。在这个大家庭里，我和其他的同学共同生活，共同学习。其实生活的道路一直不是这么平坦的，在前进的道路上，我遇到了很多的困难和挫折，但是凭借着自己的毅力和周围老师、同学的帮助，我最终都努力地克服了。感谢学院的各级领导，为我们创造良好的学习氛围，感谢各位老师和我的朋友，以及物理084班的各位同学们，你们的关心与帮助使我能够更好地成长。感谢我的各位专业授课老师，正是你们的辛勤工作，使我对本专业产生了浓厚的兴趣，而且学到了很多的知识，掌握了很多的方法。你们的谆谆教诲使我有志于在本专业继续深造。 感谢我的毕业设计指导老师张志成老师，您的指导和教诲使我完
29、成了本次毕业论文。您严谨的教学态度、乐观的生活态度深深地影响着我，是您细心认真地指导我的毕业设计，指出我的不足之处，以使我及时修改更正。父母是我生命中最重要的人，我今天取得的成绩与他们为我的付出是分不开的。他们一如既往的支持，是我前进的最大动力，是我成功的基石，感谢你们多年来为我的付出。16附 录1 硬件电路及实物图2 程序源代码清单22#include#includeEeprom.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit en=P27;sbit rw=P26;sbit rs=P25;sbit S=P32;sbit k1
30、=P10;sbit k2=P11;sbit k3=P12;uchar R,t=0;uchar a,v,L;uint ls,s,s2=0;uchar sec,min,num;/*-ms级延时-*/void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/*-lcd1602写指令-*/void write_com(uchar com)rs=0;P0=com;delay(5);en=1;delay(5);en=0;/*-lcd1602写数据-*/void write_data(uchar dat)rs=1;P0=dat;delay(5);e
31、n=1;delay(5);en=0;/*-lcd1602写字符-*/void lcd_write_char(uchar l_row,uchar l_num,uchar dat)if(l_row=0)write_com(0x80+l_num);else if(l_row=1)write_com(0xc0+l_num);write_data(dat); /*-lcd1602写字符串-*/void lcd_write_string(uchar l_row,uchar l_num,uchar *dat)uchar l_i;for(l_i=0;l_i999) s=0;a=L-v;if(Lv)a=a;v=
32、L;#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define cmd_read 0x01#define cmd_write 0x02#define cmd_erase 0x03#define dtime 0x81#define isp_address 0x2000sfr isp_data=0xe2;sfr isp_addrh=0xe3;sfr isp_addrl=0xe4;sfr isp_cmd=0xe5;sfr isp_trig=0xe6;sfr isp_contr=0xe7;/*-关闭ISP/IAP/EEPROM函数-*/void isp_close()isp_contr=0;isp_cmd=0;isp_trig=0;isp_addrh=0;isp_addrl=0;/*-EEPROM读字节-*/uchar eep_read(uint addr)uchar dat;isp_contr=dtime;isp_cmd=cmd_read;isp_addrl=addr;isp_addrh=addr8;isp_trig