自行车测速仪的设计说明书.docx

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自行车测速仪的设计说明书

《电子线路综合设计》

课

程

设

计

说

明

书

题目：

__自行车测速________

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、等参数的测量，并能简单的将里程及速度用1602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1602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，霍尔元件，单片机，1602

Abstract

　　ThisdesignmainlyelaboratedbasedonMCUandHallelementofspeedinstrumentdesign.TakeSTCMCUasthecore,Hallelementspeed,realizestothebicyclemileage,speed,timemeasurement,andasimplebicyclemileageandspeedwiththe1602realtimedisplay.ThehardwarepartusingtheHallelementwillbikepersecondpulsenumberofincomingMCUsystem,andthenbythesinglechipmicrocomputersystemcalculationprocessingandprocessingresulttothe1602display.Programdesigninordertofacilitatetheexpansionandthechange,thesoftwaredesignusesthemodularstructure,makethelogicrelationsmoreconcise.Makehardwaretocoordinatetheoperationunderthesoftwarecontrol.Simulationexperimentsshowthatthedesignedhardwarecircuitandsoftwareprogramarecorrect,practicalhardwarecircuitalsobasicallycansatisfythedesignrequirement,butduetotheknowledge,inpracticetherearestillsomeproblemsinthehardwarecircuit.

Keywords:

Mileage/speed,time,Hallelement,MCU,1602

1.设计要求：

（1）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。

2.系统总体方案设计

2.1系统方案

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算并通过显示器将所计算的速度和里程显示出来。

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AT89C51CHMOS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。

IntelChandler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。

2.31602LCD的基本参数及引脚功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图10-54所示：

图10-541602LCD尺寸图

1602LCD主要技术参数：

显示容量:

16×2个字符

芯片工作电压:

4.5—5.5V

工作电流:

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压:

5.0V

字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

引脚功能说明

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表10-13所示:

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据

2

VDD

电源正极

10

D3

数据

3

VL

液晶显示偏压

11

D4

数据

4

RS

数据/命令选择

12

D5

数据

5

R/W

读/写选择

13

D6

数据

6

E

使能信号

14

D7

数据

7

D0

数据

15

BLA

背光源正极

8

D1

数据

16

BLK

背光源负极

表10-13：

引脚接口说明表

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

1602LCD的指令说明及时序

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表10-14所示：

序号

指令

RS

R/W

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

清显示

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

2

光标返回

0

0

0

0

0

0

0

0

1

*

3

置输入模式

0

0

0

0

0

0

0

1

I/D

S

4

显示开/关控制

0

0

0

0

0

0

1

D

C

B

5

光标或字符移位

0

0

0

0

0

1

S/C

R/L

*

*

6

置功能

0

0

0

0

1

DL

N

F

*

*

7

置字符发生存贮器地址

0

0

0

1

字符发生存贮器地址

8

置数据存贮器地址

0

0

1

显示数据存贮器地址

9

读忙标志或地址

0

1

BF

计数器地址

10

写数到CGRAM或DDRAM）

1

0

要写的数据内容

11

从CGRAM或DDRAM读数

1

1

读出的数据内容

2.4霍尔传感器的应用及简介

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点。

A3144E系列单极高温霍尔效应集成传感器是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器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。

它是一种单磁极工作的磁敏电路，适用于矩形或者柱形磁体下工作。

可应用于汽车工业和军事工程中。

霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图所示。

磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

a霍尔元件和磁钢b管脚图

霍尔传感器的外形图

霍尔传感器测量原理：

测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而进行脉冲计数。

霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图所示，当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。

霍尔传感器测量原理

转速测量方法：

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）。

系统采用了第一种方法（测频法）。

由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。

根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在自行车的轮毂上，随着自行车轮子的转动，磁钢也随着轮子同步转动，在自行车车体上安装一个霍尔传感器，当车轮转动时，受磁钢的影响霍尔传感器会输出脉冲信号，其频率和转速成正比。

脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：

V=N*L

式中：

V为自行车车速；N为车轮单位时间内的脉冲数；L车轮的周长。

根据上式即可计算出自行车当前的速度。

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。

其大小和外磁场及电流大小成比例。

霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。

霍尔传感器硬件连接图

图为霍尔传感器的的硬件连接图，可测量外界磁信号。

车轮每转一圈，则霍尔传感器能感应到固定在车轮上磁钢发出的信号。

其中out引脚为霍尔传感器的脉冲输出引脚，且必须接入上拉电阻。

霍尔传感器的图

3系统硬件设计

3.1单片机最小系统

单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平（PCB画板时已经接死），所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。

单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。

复位电路由22UF的电容和1K的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF电容和10K电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF的电容和1K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。

二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。

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个机周期的高电平.

晶振电路:

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uS级时歇,方便定时操作）

3.2自行车测速仪原理图

3.3自行车测速仪PCB图

4结论

系统的设计与制作工作已经全部完成，基本达到和满足了预期的目的和要求。

系统的调试与仿真结果基本符合设计要求。

动态显示、显示内容的实时更新等方面达到预期的目标，但是由于时间仓促、条件有限，设计结果还存在一些缺陷，还存在诸如：

显示内容的单一、抗干扰能力差、霍尔传感器的精度差、人性化设计不全面等等。

通过此次毕业设计，学到了许多以前不了解的知识，积累了不少宝贵的经验。

这个设计主要经历了以下几个过程：

广泛查阅资料、总体思路的确定、方案的确定、设计PCB制板及硬件电路的完成、软件的调试、系统的调试、还包括设计说明书的定稿，我认为整个过程是一个联系非常紧密的过程，前一过程的结果为后一过程奠定了基础。

在整个过程中，我们不仅对单片机控制系统的每一个细节有了比较深入的掌握，而且对关于系统扩展的相关知识有了感性的认识，不仅掌握了大量的专业知识，更学会了系统模块化设计的基本思想。