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1、内江师范学院本科毕业设计目 录1绪论12总体硬件电路22.1硬件设计原理22.2系统总体概述23硬件模块设计43.1速度传感测量模块43.1.1霍尔传感器设计原理43.1.2霍尔传感器简介43.1.3传感器原理图设计53.2单片机最小系统模块73.2.1单片机AT89S52简介73.2.2单片机AT89S52功能特性73.2.3单片机最小系统原理图83.2.4单片机AT89S52编程方法93.3液晶显示模块93.3.1液晶LCD1602参数93.3.2液晶原理图设计113.4掉电存储模块113.4.1主要参数113.4.2硬件原理图123.5键盘模块133.6声光报警模块134系统软件设计14
2、4.1系统程序总体流程图144.2主要模块程序设计154.2.1频率测量模块程序设计154.2.2液晶显示程序的设计174.2.3速度、里程计算程序的设计175结束语18参考文献19附录20致谢23摘要汽车是现代生活中不可或缺的一种重要交通工具，里程表又是汽车不可缺少的部分，传统的车速表是机械式的，这种里程表简单实用，被广泛应用于各种类型汽车上。随着电子技术发展，现在很多轿车已经使用电子车速表。新概念的速度里程表最大的变化就是用大屏幕的液晶代替了以前的指针式表盘，直接用数字显示，速度，里程，以及其他一些比如油耗，时钟等参数，最直观的呈现给用户。本设计采用单片机实现的里程表，是从变速器上的速度传
3、感器获取信号，通过脉冲频率的变化来获取速度和里程。本设计可嵌入到汽车产品内部，取代老式的机械零件，不仅体积小，功能强，而且实现了智能化，使用方便。关键词：里程表；单片机；速度传感器AbstractCar is an indispensable modern life is a kind of important traffic tools, milestones is car essential part, the traditional speed is the table, the mechanical odometer is simple, practical, and is widel
4、y used in various types of cars. As the electronic technology development, now a lot of cars have used the electronic speed table. The new concept of speed milestones the biggest change is a big screen with the liquid crystal replaces the previous pointer type directly dial, with digital display, sp
5、eed, mileage, and other such as oil consumption, the clock, the most intuitive parameters such as the present to the users. This design uses the single chip microcomputer milestones, the speed sensor from transmission for signal, through the pulse frequency changes to get the speed and mileage. This
6、 design can embed to cars, replacing old inside the product of mechanical parts, not only small volume, the function is strong, and realize the intellectualized, easy to use. Key words：Milestones；MCU；Speed sensor251绪论汽车是现代生活中不可或缺的一种重要交通工具，里程表又是汽车不可缺少的部分，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
7、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内一块磁铁旋转，罩圈与指针连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。这种里程表简单实用，被广泛应用于各种类型汽车上。随着电子技术发展，现在很多轿车已经使用电子车速表。本设计的出租车里程表设计以单片机和速度传感器为核心。传感器将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行控制和计算，在采用LCD模块进行显示，使得汽车的速度与里程等数据能直接显示给使用者。该设计能实时地将所测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（传感器将不同车速转变成不同频率
8、的脉冲信号）实时地测量出来，考虑到信号的衰减、干扰等影响，在信号送入单片机前应对其进行放大整形，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串口数据存储器，并由LCD显示模块交替显示所测速度与里程。本设计的里程数的算法是一种大概的算法（假设在一定时间内自行车是匀速行进）。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速度，因而具有较高的测速精度。在计算里程时取了汽车的理想状态。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。为了保证系统的实时性，系统的速度转换模块和显示数据转BCD码模块都采用快速算法。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。
9、本设计的速度和里程值采用LCD显示，并包含两个小数位。2总体硬件电路2.1硬件设计原理为了更好的实现系统得功能，硬件电路的设计应该遵循以下原则：优化硬件电路采用软件设计与硬件设计相结合的方法；尽管采用软件来实现硬件系统的功能时，也许响应时间会比单纯使用硬件时长，而且还要占用微处理器(MCU)的时间；但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性。所以，在设计本系统得时候，在满足可靠性和实时性的前提下，尽可能的通过软件来实现硬件功能。可靠性及抗干扰设计根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长。而且，所用芯片数量越少，地址和数据总线在电路板上受干扰的可能性也
10、就越小。因此，系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。灵活的功能扩展功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善以及进行功能升级。进行功能扩展时，应该在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件完成。对于本系统而言，就是要求在系统硬件不变的情况下，能够通过修改软件程序，完成功能的升级和扩展。根据第提出的系统设计方案，结合以上三条原则，确定了系统硬件的设计。出租车里程表主要由以下一些功能模块构成：键盘模块、LCD液晶显示屏模块、掉电存储模块、里程检测模块、声光报警模块等。该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。AT8
11、9S52单片机、LCD液晶显示电路、里程检测单元是整个电路的核心，它们实现系统的功能要求。2.2系统总体概述本系统由信号采集处理模块、单片机AT89S52、系统化LCD显示模块、声光报警模块、掉电存储模块、系统软件组成。其中信号采集处理模块以霍尔传感器为核心的速度传感器，将不同的转速信号转换成相应的脉冲信号，并送到单片机的外部中断0引脚；对单片机进行设置，使内部的定时器/计数器timer0工作在定时状态，timer1工作在计数状态，利用内部定时器T0对脉冲输入引脚外部中断0进行控制，这样就能精确地检测到设定时间内加到外部中断0引脚的脉冲数，一个脉冲即代表着车子前进一个轮长，对脉冲数进行处理就可
12、得到里程和速度的数据；将数据送到LCD1602显示模块进行显示；如果速度超过一定的设定值，将实现声光报警。根据系统功能要求，首先要进行的是总体方案的设计于论证，构思一个符合实际要求的系统，经过验证后，系统结构框图如图1所示。该系统由速度传感测量模块、键盘模块、LCD显示模块、掉电存储模块、声光报警模块和单片机小系统构成。功能选择后启动测量，大片及实时采集、处理后显示。单片机键盘控制里程检测单元掉电存储单元LCD显示声光报警图 1 系统总体结构框图3硬件模块设计3.1速度传感测量模块3.1.1霍尔传感器设计原理霍尔效应：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(
13、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向垂直的方向上会产生另一个电压()，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生的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 的现象称为霍尔效应。 就称为霍尔电势差。 实验测定，霍尔电势差的大小，和电流I及磁感强度B成正比,而与板的
14、厚度d成反比。即霍尔电势差。3.1.2霍尔传感器简介霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图2所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是电源，地，输出。图 2 CS3020外形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，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获
15、得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。3.1.3传感器原理图设计霍尔转速传感器：霍尔转速传感器的外形图和与磁场的作用关系如图3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。图 3 霍尔转速传感器的外形图霍尔传感器检测转速示意图如图4。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 4 霍尔传感器检测转速示意图霍尔电流传感器本身已经存在滤波
16、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7us，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，单位时间内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内测不到脉冲的问题。根据系统要求设计原理图如图5所示：图 5 传感器原理图设计3.2单片机最小系统模块3.2.1单片机AT89S52简介单片机是为了工业控制需要满足而诞生的，是
17、自动控制系统的核心部件，因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小，功能多、价格低、使用方便、系统设计灵活等优点，应用领域不断扩大，除了工业控制，智能化仪表，通讯，家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。单片机AT89S52实物图如图5所示：图 6 单片机AT89S523.2.2单片机AT89S52功能特性AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。此外，AT89S52可降至0Hz静
18、态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8k字节在系统可编程Flash。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。下面是AT89S52的PDIP的封装图如图7所示：图 7 单片机AT89S52的PDIP封装图3.2.3单片机最小系统原理图单片机能正常运行的最少器件构成的系统，就是单片机最小系统。AT89S52片内有4KB的程序存储器，因此只需要外接晶体振荡器和复位电路就
19、可以构成最小系统。则设计的单片机最小系统原理图如图8所示。该最小系统可供使用的资源有以下4种：由于片外没有扩展存储器和外设，P0、P1、P2、P3都可以作为用户I/O接口使用。片内数据存储器有128B，地址空间为00H 7FH。内部有4KB程序存储器，地址空间为0000H 0FFFH。有两个定时器/计数器T0和T1、一个全双工的串行通信接口、5个中断源。图 8 单片机最小系统3.2.4单片机AT89S52编程方法编程前，须按编程模式表设置好地址、数据及控制信号；顺序如下： 在地址线上加上要编程单元的地址信号。 在数据线上加上要写入的数据字节。 激活相应的控制信号。 将端加上+5V编程电压。 每
20、对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序机密位，加上一个编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，大多数约为50 。改变编程单元的地址和写入的数据，重复步骤，直到全部文件编程结束。3.3液晶显示模块3.3.1液晶LCD1602参数主要技术参数：表 1 液晶LCD1602技术参数显示容量：162个字符芯片工作电压：4.55.5V工作电流：mA（5.0V）模块最佳工作电流：5.0V字符尺寸：2.954.35（WH）mm接口信号说明：表 2 液晶LCD1602引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10 D3Data I/O3VL液晶显示编压
21、信号11 D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12 D5Data I/O5R/W读写数据选择端（H/L）13 D6Data I/O6E使能信号14 D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光电源正极8D1Data I/O16BLK背光电源负极外形尺寸：图 9 液晶LCD1602外形尺寸3.3.2液晶原理图设计本设计的显示部分采用LCD1602，该模块与单片机的接口电路如图10所示。LCD1602是8位段码式液晶显示模块，它内部集成有LCD控制器、LCD驱动器和RAM，因而可方便显示数据的编程。图 10 液晶LCD1602原理图3.4掉电存储模块3.4.1主要参数特
22、性：与400KHz I2总线兼容1.8到6.0伏工作电压范围低功耗CMOS技术写保护功能当：WP为高电平时进入写保护状态页写缓冲器自定时擦写周期1,000,000编程/擦除周期可保存数据100年8脚DIP、SOIC封装温度范围：商业级、工业级和汽车级概述：24C02是一个2k位串行CMOS的，内部含有256个8位字节，24C02运用先进的CMOS技术实质上减少了器件的功耗，24C02有一个16字节页写缓冲器，该器件通过总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。管脚配置：图 11 24C02管脚配置管脚描述：表3 24C02管脚描述管脚名称功能A0、A1、A2器件地址选择SDA串行数据/地址SC
23、L串行时钟WP写保护Vcc+1.8V6.0V工作电压Vss地3.4.2硬件原理图24C02与单片机的接口电路及电路设计如图12所示：图 12 24C02硬件原理图3.5键盘模块硬件设计时，为了更好实现系统功能，应采用软件设计和硬件设计相结合的方法，硬件设计时应充分考虑软件的编写和优化系统反应时间。根据以上要求，设计键盘时不应该使用查询方式，而使用中断方式，这样设计可以大大优化系统反应时间，不用在没有按键按下时，对键盘进行扫描；而只需在有按键按下时进入中断中进行处理。根据系统功能要求，只需在键盘上加入一个四输入与门，则按键原理图如图13所示。图 13 键盘原理图3.6声光报警模块在该设计中，当速
24、度超过一定设定值时，会发出声光报警。该声光报警由8个不同颜色的发光二极管和蜂鸣器构成；当速度超过设定值时，不同颜色发光二极管之间闪烁，同时蜂鸣器发出声音，进行报警，提醒车主车速超过设定值。则该设计的原理图如图14所示。图 14 声光报警模块电路4系统软件设计4.1系统程序总体流程图本系统软件采用模块化设计方法。整个系统有初始化模块，频率测量模块，速度，里程显示模块，汉字显示以及其它功能模块组成。本设计中的速度和里程计算都采取了近似处理。系统软件总体流程如图13所示。否是 开始初始化显示汉字 延时清屏显示汉字键盘控制速度、里程检测计算数据存储速度、里程显示速度大于设定值？声光报警图 15 系统软
25、件总体流程4.2主要模块程序设计4.2.1频率测量模块程序设计霍尔传感器产生的脉冲被送到单片机的外部中断0。内部定时/计数器Timer0工作在定时状态，Timer1工作在计数状态。Timer0和Timer1均工作在模式1。本设计中Timer0产生0.5秒的定时。Timer1将对0.5秒内对加到外部中断0脚的脉冲进行计数。假设0.5秒内Timer1计数到N个脉冲。则圆盘的转动频率为每秒。Timer0工作在模式1时，TL0、TH0计数寄存器各使用8位，而28=256，设置计数初值时，把计数起点的值处以256，将余数放入TL0计数寄存器，将商数放入TH0计数寄存器。本设计所采用12MHz的晶振，定时
26、器所计数的脉冲的周期为1us。设计每50ms产生一次定时中断，需计数50000个脉冲，则装入计数寄存器的计数初值为65536-50000=15536，装入TH0计数寄存器的初值为15536/256=60(03CH), 装入TL0计数寄存器的初值为176(0B0H)。程序流程图如下图14所示：F1=0Timer0中断子程序开始初始化设定计数器初值，并启动定时器赋初值，并启动F1=0？是否40H加140H=9 ?否是停止计数，取出计数值将计数值累加到DATA2CY=0 ?是否DATA3加1返回主程序主程序Timer关闭定时器F1=1返回图 16 频率测量模块流程图4.2.2液晶显示程序的设计本设计
27、中速度、里程的数据由液晶显示模块显示，所用的液晶显示模块是LCD1602，首先必须对液晶显示模块进行初始化，编写相应的字库，编写读写程序等。液晶显示程序的设计包括了初始化程序、清屏程序、写指令代码子程序、写显示数据子程序、读显示数据子程序、中文显示子程序、数字显示程序以及中文字库和数字字库等的编写。4.2.3速度、里程计算程序的设计本设计中霍尔传感器产生的脉冲被送到单片机的外部中断0。内部定时计数器Timer0工作在定时状态，Timer1工作在计数状态。Timer0和Timer1均工作在模式1。本设计中Timer0产生0.5秒的定时。Timer1将对0.5秒内对加到T1脚的脉冲进行计数。假设0
28、.5秒内Timer1计数到N个脉冲。则圆盘的转动频率为。若是将磁钢贴于汽车的轮轴上，则汽车轮子每转一圈，霍尔器件产生一个脉冲。对脉冲频率进行处理，即可转化为车速。对脉冲数进行累加再乘以轮子的长度，即可得到里程数据。本程序对汽车运行的实际情况进行模拟。设计程序时可假设汽车轮子的周长L，最后在显示屏显示的速度单位是km/h，里程单位是km。速度的计算如下：若0.5秒计数到N个脉冲，则轮子的转动频率为2N,车速为2N2m/s，也即2N23.6km/h 。设计中作近似处理。显示时先显示百位，再依次显示十位、个位。DATA2,DATA3存储计数到的脉冲总数，DATA2能存储255个脉冲，每次计数溢出，则
29、DATA3加1，DATA3里的数据权重为256.这样两个字节的数据能计数最多65536个脉冲，也即131072 米 。130多公里。实际制作里程表时只要适当增加数据缓冲区的数量，即可对最大显示里程进行扩充。程序设计过程中，对里程数据的显示作了近似处理。5结束语本设计以AT89S52为核心，通过霍尔传感器来检测汽车的运转情况进而实现检测汽车的速度，里程的计算及里程的累计，存储，最后用液晶LCD1602能直观的将速度与里程显示给用户，并且在速度高于一定的值时可自动向用户报警，从而达到智能速度里程表。设计的过程中，遇到的最大问题就是时间相对而言比较紧凑，主要还是因为自己没有把时间把握好，显得有些手忙
30、脚乱的，本设计的成果还远远没有达到实际应用中需要的理想效果，还可以有许多功能可以添加，如24时间时间显示，手动秒表，省电模式（显示屏无信号自动关闭）。通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，进而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。整个设计过程可以说不是很顺利，因为有很多知识已经淡忘，还有很多新的东西没有掌握，所以这次设计在不断的复习、学习中度过，使我受益匪浅，也使我对单片机的运用有了进一步的了解和掌握，也为今后的学习生活和工作打下良好的基础。参考文献1 沈文AVR单片机C语言开发入门指导M北京：清华
31、大学出版社,2003：78-80.2 康华光.陈大钦电子技术基础（模拟部分第四版）M北京：高等教育出版社，2002.3：352-355.3 康华光.邹寿彬电子技术基础（数字部分第四版）M北京：高等教育出版社，2003.6：82-87.4 唐颖.单片机原理及应用及C51程序设计M北京：北京大学出版社，2008.8：140-146.5 姜威.实用电子系统设计基础M. 北京：北京理工大学出版社，2008.1：121-126.6 杨旭.C语言程序设计案例教程M. 北京：人民邮电出版社，2005.1：92-128.7 里克.C与指针M. 北京：人民邮电出版社，2003.9：88-898 黄坚.自动控制原
32、理及其应M. 北京：高等教育出版社，2009.7：1-9.9 余成波.传感器与自动检测技术（第二版）M. 北京：高等教育出版社，2009.7：122-135.10 郭天祥.51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略M. 北京：电子工业出版社，2009.1:65-69.附录原理图：PCB板图：源程序：致谢忠心感谢我的指导老师江绍明老师在毕业设计中对我的悉心指导，她严谨精致的治学态度，渊博的知识，孜孜不倦的工作热忱和诲人不倦的精神，无私的奉献精神使我深受启迪！在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。从导师的身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我
33、要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。感谢工程技术学院的老师对我成长的关心和帮助。在这我也要特别感谢我的家人，他们是支持我前进的动力；他们的关爱使我对生活充满信心，勇敢地面对生活、学习中的各种压力，才使我安心完成学业。在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示衷心的感谢！声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内江师范学院或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在内江师范学院读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归内江师范学院所有，特此声明。