毕业论文基于单片机的自行车健身系统的设计说明

1、基于单片机的自行车健身系统的设计诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作与全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致中所罗列的容以外，论文中创新处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XX大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 年 月 日基于单片机的自行车健身系统的设计XXXX专业 X班 学号X指导教师 X讲师摘 要随着居民生活水平的不断提高，自行车不再仅仅是普通的运输、

2、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。自行车里程/速度计能够满足人们最基本的需求，让人们能清楚地知道当前的速度、里程等物理量。本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车健身系统的设计。以 STC89C52 单片机为核心，A44E 霍尔传感器测转数，实现对自行车里程/速度的测量统计，并通过公式计算出骑车者消耗的卡路里数，单位采用cal。采用 24C02 实现在系统掉电的时候保存里程信息，并能将自行车的里程数与速度用LCD实时显示。文章详细介绍了自行车健身系统的硬件电路和软件设计。硬件部分利用霍尔元件将自行车每转一圈的脉冲数传入单片机系统，然后单片机系统将信号经过处理送显示。软件部分用C语言

3、进行编程，采用模块化设计思想。该系统硬件电路简单，子程序具有通用性，完全符合设计要求。关键词：里程/速度霍尔元件单片机LCD显示Design of Bicycle Fitness System Based on MCUAbstractWith the developing of peoples life, the bicycle is not only the universal tool of transportation and substitute for walking, but becomes the first choice of entertainmenting and exer

4、cising. The bicycle mileage/speed can fulfill the basic need of peoples life, so that they can learn the speed and the mileage of the bicycle. In these paper, the bicycle mileage/speed design based on the Hall element is elaborated. By STC89C52 as kernel, using A44E Hall element to measure revolutio

5、n, the measure and statistic are achieved. The range informations are saved by 24C02 when the power is off, the bicycle speed can be displayed on LCD. In this article, the hardware circuit and software design of bicycle mileage/speed instrument are introduced in detail. About the hardware, the pulse

6、 number is transmitted of one cycle of the bicycle into Single Chip Microcomputer system. Then the signal processed by Single Chip Microcomputer system is sent to display scream. About the software, in assemble language, the program is designed in the mode of modules. The system has simple hardware,

7、 common sub-program, and meet the demand of design.Key words:Mileage / SpeedHall ElementSingle Chip MicrocomputerLCD 目 录前 言1第1章 绪论1第1.1节 选题背景2第1.2节 研究目的与研究方法2第2章 系统方案设计4第2.1节 总体方案4第2.2节 方案的确定6第2.3节 自行车健身系统软件方案的设计6第3章 硬件电路的设计8第3.1节 概述8第3.2节 单片机与电路的设计8第3.3节 传感器与其测量系统19第3.4节 其它器件的介绍21第4章 软件程序的设计25第4.1节

8、 概述25第4.2节 总体程序的设计25第4.3节 中断子程序的设计26第4.4节 数据处理子程序的设计28第4.5节 显示子程序的设计29第5章 系统仿真与调试31第5.1节 自行车健身系统的仿真31第5.2节 自行车健身系统的调试32第5.3节 调试故障与原因分析34结 论36附 录一37附 录二38附 录三39附 录四41参考文献46致4743 / 47前言单片机自20世纪70年代问世以来，作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已对人类社会产生了巨大的影响。目前，单片机的应用已经渗透到国民经济与人们生活中的各个领域。各类导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与

9、数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的手机充电器电风扇录像机摄像机全自动化洗衣机的控制，以与遥控玩具电子宠物等等，这些都离不开单片机。随着居民生活水平的不断提高，自行车不再仅仅是普通的运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。因此，人们希望自行车的功用更强大，能给人们带来更多的方便。自行车里程速度表作为自行车的一大辅助工具也正是随着这个要求而迅速发展的，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。本设计采用了STC89C52单片机设计一种体积小、操作简单的便携式自行车健身系统，它能自动地显示当前自行车

10、行走的距离与运行的速度。亮点在于它能够计算并显示出骑车者消耗的热量，单位为焦耳。本文主要介绍了自行车健身系统的设计思想、电路原理、方案论证以与元件的选择等容，整体上分为硬件部分设计和软件部分设计。具体的硬件电路包括STC89C52单片机的外围电路以与LCD显示电路等。软件设计包括：芯片的初始化程序、定时中断采样子程序、显示子程序等，程序采用C语言编写，软件设计的思想主要是自顶向下，模块化设计，各个子模块逐一设计，再分别进行调试，最后联调整个程序，判断是否达到预期的要求，得出结论。仿真部分是整个设计的重要一环，也是设计能否实现的关键。第1章 绪论第1.1节 选题背景自行车被发明与使用到现在已有两

11、百多年的历史，这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车，自行车发展的目的也从最早的交通代步的工具转换成休闲娱乐运动的用途。我国也是自行车大国。1791年，法国人西弗拉克发明了最原始的自行车。它只有两个轮子而没有传动装置，人骑在上面，需用两脚蹬地驱车向前滚动。1801年，俄国人阿尔塔马诺夫设计出世界上第一辆用踏板踩动的自行车。1817年德国人德雷斯在自行车上装了方向舵，使其能改变行使方向。1839年，格兰人麦克米伦制造出木制车轮，装实心橡胶轮胎、前轮小、后轮大、坐垫较低、装有脚踏板和曲柄连杆装置，骑者可以双脚离开地面的自行车。同年，麦克米伦又将木制

12、自行车改为铁制自行车。1887年，德国曼斯公司将无缝钢管首先用于自行车生产。1888年英国人邓洛普用橡胶制造出胎，用皮革制造出外胎，以次作为自行车的充气轮胎。从此，基本奠定了现代自行车的雏形。时至今日，自行车已成为全世界人们使用最多，最简单，最实用的交通工具。随着居民生活水平的不断提高，自行车不再仅仅是普通的运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。因此，人们希望自行车的功用更强大，能给人们带来更多的方便。自行车的辅助工具也正是随着这个要求而迅速发展的，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。我的设计正满足了这个需

13、求。本设计能显示自行车实时的速度和里程，甚至具有测量、显示骑车者热量消耗等功能。第1.2节 研究目的与研究方法1.2.1研究目的转速的测量方法很多，而模拟量的采集和模拟量处理一直是转速测量的主要方法。目前这种测量方法已不能适应现代化科技发展的要求。随着大规模与超大规模集成电路的发展，使得全数字测试仪越来越普与，其转速测试仪也可以全数字化处理。在测量围和测量精度方面都有很大提高。因此，本次设计的目的是：在自行车上，利用STC89C52系列单片机设计一种全数字化的自行车里程速度计，并从提高测量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供参考。本设计以单片机为中心，设计全数字化

14、的自行车速度里程计这个测试仪采用全数字化结构，操作使用方便，能够精确的为用户提供速度和行程的数值。本设计采用STC89C52单片机作控制，利用霍尔元件等器件设计一个可用LED数码管显示当前自行车行驶的距离与速度并具有显示骑车者消耗热量功能的自行车健身系统，使其作为自行车的一种辅助工具，让自行车的功用更强大，给人们带来更多的方便1。1.2.2研究方法本系统总体思路如下：假定轮圈的周长为L，在轮圈上安装m个永久磁铁，则测得的里程值最大误差为L/m。经综合分析，本设计中取m=1。当轮子每转一圈，通过开关型霍尔元件传感器采集到一个脉冲信号，并从引脚P3.2中断0端输入，传感器每获取一个脉冲信号即对系统

15、提供一次计数中断。每次中断代表车轮转动一圈，中断数n与轮圈的周长L的乘积为里程值。计数器T1计算每转一圈所用的时间t，就可以计算出即时速度V。再通过一定的计算公式得出骑车者消耗的卡路里值。要求达到的各项指标与实现方法如下：1. 利用霍尔传感器产生里程数的脉冲信号。2. 对脉冲信号进行计数。实现：利用单片机自带的计数器T1对霍尔传感器脉冲信号进行计数。3. 对数据进行处理，要求用LCD显示里程总数、即时速度、骑车者消耗的卡路里值。实现：利用软件编程，对数据进行处理得到需要的数值。第2章 系统方案设计第2.1节 总体方案本设计的系统采用STC89C52芯片，用霍尔元件将车轮的转速转换成电脉冲，经过

16、处理后送入单片机。里程与速度的测量，是经过STC89C52的定时/计数器测出总的脉冲数和每转一圈的时间，再经过单片机的计算得出，计算结果通过LCD1602显示器显示出来。传感器是获取自然或生产领域息的关键器件，是现代信息系统和各种设备不可缺少的信息采集工具。磁传感器是一种将磁学量信号转变为电信号的器件或装置。随着信息产业、工业自动化、医疗仪器等的飞速发展和计算机应用的普与，需要大量的传感器将被测或被控的非电信号转换成可与计算机兼容的电信号。作为输入信号，这就给磁传感器的快速发展提供了机遇，形成了磁传感器的产业。其中最具代表的磁传感器就是霍尔传感器，在自动检测系统中，利用霍尔传感器测转数是一种最

17、基本的测量工作。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHz）、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽与烟雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。取用各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度围宽，可达551502。测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。要测速，首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。使用单片机进行测速，可以

18、使用简单的脉冲计数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，将脉冲送入单片机中进行计算，即可获得转速的信息。常用的测速元件有霍尔传感器、光电传感器和光电编码器3。（1）霍尔传感器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、CS3020、CS3040等，这类传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，通常是集电极开路（OC门）输出，工作电压围宽，使用非常方便。A44E的外形如图2.1所示：1-Vcc 2-GND 3-OUT图2.1 A44E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，只要在转轴的齿轮盘上粘上一粒磁钢，霍尔元件固定

19、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。如果在齿轮盘上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。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4。（2）光电传感器光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以红外光电传感器为例，当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间

20、时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。该系统在自行车后轮的轴处保持着与轮子旋转切面平行的方向延伸附加一个铝盘，在这个铝盘的边沿处挖出若干个圆形过孔，把传感器的检测部分放在圆孔的圆心位置。每当铝盘随着后轮旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。（3）光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。第2.2节 方案的确定光敏电阻对光特别敏感，当白天行驶时，外界光源将导致光敏电阻发出错误信号；光

21、敏电阻对环境的要求相当高，如果光敏或发光二极管被泥沙或灰尘所覆盖，光敏电阻就不能再进行准确测量；而编码器必须安装在车轴上，安装较为复杂；霍尔元件或干簧管不但不受天气的影响，即使被泥沙或灰尘覆盖也不会有影响，而且安装方便。所以本设计采用霍尔元件对里程与速度进行测量，既简单易行，又经济适用。本系统的硬件系统原理框图如图2.2所示：STC89C52单片机外部信号霍尔传感器外部存储器速度显示热量显示图2.2 硬件系统原理框图第2.3节 自行车健身系统软件方案的设计硬件是基础，软件是灵魂。通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可读性。程序遵循模块化设计的原则，采用自顶

22、向下的设计方法。即先考虑整体目标，明确整体任务，然后把整体任务分成一个个子任务，子任务再分成子子任务，这样逐层细分，同时分析层次间的关系与同一层次各任务间的关系，最后拟订出各任务的细节。模块化设计使程序的可读性好、修改与完善方便。软件设计包括主程序、行车过程中里程和速度计算子程序、延时子程序、中断服务子程序、显示子程序等等。中断子程序是将传感器产生的信号接入外部中断0，将经过74LS74分频后的信号接入外部中断1，利用中断和定时器对分别对里程进行累加、每转一周的时间进行测量。数据处理子程序是将进入单片机的脉冲信号与实际要显示值之间有一定的对应关系，经过软件编程显示所需要的值。显示子程序是将数据

23、处理的结果送显示器显示。本系统软件总体流程图如图2.3所示：图2.3 软件总体流程图第3章 硬件电路的设计第3.1节 概述自行车里程/速度计的硬件电路设计是本次毕业设计的基础部分，它包括信号的捕获、放大、整形，单片机的计算处理，数码管的实时显示和单片机外围基本电路的设计。而本章的两大主要器件就是传感器和单片机了。传感器在人们研究自然现象、规律以与生产实践活动中，起着非常重要的作用。特别是在当今，科学技术的发展使人类进入了一个信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息。传感器是获取自然或生产领域息的关键器件，是现代信息系统和各种设备不可缺少的信息采集工具。磁传感器是一种将磁

24、学量信号转变为电信号的器件或装置。随着信息产业、工业自动化、医疗仪器等的飞速发展和计算机应用的普与，需要大量的传感器将被测或被控的非电信号转换成可与计算机兼容的电信号。作为输入信号，这就给磁传感器的快速发展提供了机遇，形成了磁传感器的产业。其中最具代表的磁传感器就是霍尔传感器，在自动检测系统中，利用霍尔传感器测转数是一种最基本的测量工作。自从1971年微型计算机问世以来，随着大规模集成电路技术的不断进步，微型机主要向两个方向发展：一个向高速度，高性能的高档微型计算机方向发展。一个向稳定可靠，小而廉价的单片机方向发展。所谓的单片机，就是把中央处理器CPU、只读存储器ROM、定时/计数器以与I/O

25、 接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，可见它的功能非常强大。单片机是本次设计的核心部件，它是信号从采集到输出的桥梁，而且肩负计算、定时、信息处理等功能。下面我们就具体介绍一下硬件电路设计的过程。第3.2节 单片机与电路的设计3.2.1单片机的介绍单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、随机存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器ROM（Read-only Memory）、基本输入/输出（Input/Output）接口电路。定时器/计数器等部件都制作在一块集

26、成芯片上，构成一个完整的微型计算机从而实现微型计算机的基本功能。单片机部结构示意图如图3.1所示：定时/计数器中断系统CPU存储器并行I/O口串口I/O口TXDRXDTINTP0-P3图3.1 单片机部结构示意图1.中央处理器（CPU）中央处理器是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能。2.部存储器部存储器包括部数据存储器（部RAM）和部程序存储器。存储器是由大量的寄存器所组成，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。3.定时/计数器单片机的定时器和计数器是同一结构，只是计数器记录的是单片机外部发生的事件，由单片机的外部电路提供计数信号；而定时器是由单片机部提供一个非常稳定的计数信号。4.中断

27、系统中断系统在计算机中起着十分重要的作用，是现代计算机系统中广泛采用的一种实时控制技术，能对突发事件进行与时处理，从而大大提高系统的实时性能。5.串行I/O接口串行I/O口的数据各位按顺序传输，其特点是需要一对传输线，成本低；但速度慢，效率低，适合静态显示。6.并行I/O接口并行I/O接口的数据所有位同时传送。其特点是传输速度快，效率高；但传送多少位就需要多少根传输线，因此传送成本高，适合动态显示。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能COMOS8

28、的微处理器，俗称单片机。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5。引脚如图3.2所示：图3.2 STC89C52引脚图STC89C52具体介绍如下： 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1（Pin19）：片振荡电路的输入端XTAL2（Pin18）：片振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP（Pin9）：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG（Pin30）：地址锁存允许信号PSEN（Pin29）：外部存储器读选通信号E

29、A/VPP（Pin31）：程序存储器的外部选通。接低电平，从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.73.2.2电路设计（1）时钟电路

30、的设计时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。STC89C52片由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。常用的时钟电路有两种方式，一种是部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本设计采用第一种方式。单片机部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和电容，就构成一个稳定的自激振荡器。单片机部时钟方式的振荡电路如图3.3所示：图3.3 单片机片振荡电路电路中的电容C1和C2

31、常选择为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。而外接晶体的振荡频率的大小，主要取决于单片机的工作频率围，每一种单片机都有自己的最大工作频率，外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率即可。此外，如果单片机有串行通信，则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶体。本设计晶振采用12MHz，则计数周期为：（3·1）（2）复位电路的设计STC89C52单片机的复位输入引脚RET为STC89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在

32、的时钟电路工作后，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机部则初始复位。只要RET保持高电平，则循环复位。只有当RET由高电平变成低电平以后，才从0000H地址开始执行程序。本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图3.4所示，是常用复位电路之一。单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，该高电平使全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V加到了RET/VPD端从而复位称为手动复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清

33、零，只有SBUF寄存器状态不确定。图3.4 按键复位电路工作原理：上电瞬间，RC电路充电，RST引脚出现高电平，只要RST端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位6。（3）显示电路的设计在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表与很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软件都比较简单，但硬件电路复杂。在单片机系统中应用LCD液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：显示质量高由于液晶显示

34、器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比一样显示面积的传统显示器要轻得多。功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。本设计采用的显示器是LCD1602，它的相关介绍如下：1.液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样

35、即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。2.液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动、单纯矩阵驱动和主动矩阵驱动三种。3.液晶显示器各种图形的显示原理线段的显示点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行有16字节，共16×8=128个点组成，屏

36、上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角就会显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理7。字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组

37、成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号与每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号与每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设

38、立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完LCD就可以得到一个完整的汉字。4.主要技术参数如表3.1所示：表3.1 LCD1602主要技术参数显示容量16×2个字符芯片工作电压4.55.5工作电流2.0mA（5.0v）模块最佳电压5.0v字符尺寸2.95×4.35（WXH）mm5.引脚接口说明如表3.2所示：表3.2 LCD1602引脚接口编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数

39、据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V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为寄存器选择，高电平时进行读写操作，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

40、平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。LCD1602分为带背光和不带背光两种，基本控制器大部分为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3.5所示：图3.5 LCD1602带背光与不带背光的外形尺寸差别6.LCD寄存器的选择如表3.3所示：表3.3 LCD寄存器的选择ER/WRS功能说明100写入命令寄存器101写入数据寄存器110读取忙碌标志与RAM地址111读取RAM数据0X不动作7.1602LCD的指令说明与时序1602液晶模块部的控制器共有11条控制指令，控制指

41、令如表3.4所示：表3.4 1602控制指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清除显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为

42、高电平、0为低电平）指令1：清除显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，

43、高电平时双行显示F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。8.显示电路的设计电路本设计中LCD1602的数据总线接STC89C52单片机的P0口，控制引脚RS接P2.7口，R/W接P2.6口，E接P2.5口。VL是对比控制引脚，电压在05V之间，BLA和 BLK是背光电源的正负极，使用时需要连接限流电阻，电流大小可以控制背光亮度。液晶显示电路如图3.6所示：图3.

44、6 液晶显示电路第3.3节 传感器与其测量系统本次设计信号的捕获采用的是霍尔传感器，霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场与其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHz）、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽与烟雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度围宽，可达55150。按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开

45、关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体。通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以与工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。3.3.1霍尔传感器的测量原理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

46、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、测量线性围大、抗干扰能力强以与体积小、使用寿命长等一系列特点，因此被广泛应用于测量、自动控制与信息处理等领域。霍尔效应原理图如图3.7所示：图3.7 霍尔效应原理图3.3.2集成开关型霍尔传感器A44E集成霍尔开关由稳压器A、霍尔电势发生器(即硅霍尔片)B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五个基本部分组成，如图3.8（a）所示。(1)、(2)、(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。在电源端加电压Vcc，经稳压器稳压后加在霍尔电势发生器的两端，根据霍尔效应原理，当霍尔片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者

47、相垂直的方向上将会产生霍尔电势差VH输出，该VH信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压(相对于地电位)，使三极管导通，此时OC门输出端输出低电压，通常称这种状态为开 。当施加的磁场达到释放点时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC门输出高电压，这种状态为关 。这样两次电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。工作点与释放点的差值一定，此差值称为磁滞，在图3.8 集成开关型霍尔传感器此差值，V0保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍尔开关传感器优良特性之一。传感器主要特性是它的输出特性，即输入磁感应强度B与输出电

48、压V0之间的关系。A44E集成霍尔开关是单稳态型，由测量数据作出的输出特性曲线如图 3.8(b)所示8。测量时 在1、2两端加5V直流电压,在输出端3与1之间接一个2kW的负载电阻，如图3.9所示：图3.9 集成霍尔开关接线图第3.4节 其它器件的介绍3.4.1存储器的介绍AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM。部含有256个8 位字节，ATMEL公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个16 字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。AT24C02支持I2C总线数据传送协议。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控

49、制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端 A0、A1和A2可以实现将最多8个24C02器件连接到总线上。管脚图如图3.10所示：图3.10 24C02管脚图SCL串行时钟：AT24C02串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，这是一个输入管脚。SDA串行数据/地址：CAT24WC02双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收。SDA 是一个开漏输出管脚可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或（wire-OR）。WP 写保护：如果WP管脚连接到Vcc所有的容都被写保护，只能读。当WP管脚连接到Vss或悬空，

50、允许器件进行正常的读/写操作。本次设计采用的24C02是为了防止掉电时里程数据的丢失，由于24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传输数据，所以只用两根线SCL和SDA与单片机传输数据。在软件编程时采用程序包来控制24C02发送或接受数据9。3.4.2芯片74LS74的介绍74LS74是D触发器的一种,它是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元。触发器具有两个稳定状态，即"0"和"1"，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。由于其状态的更新发生在CP脉冲的边沿故又称之为上升沿触发的边沿

51、触发器，D触发器的状态只取决于时针到来前D端的状态。D触发器应用很广，可用做数字信号的寄存、移位寄存、分频和波形发生器等。引脚图如图3.11所示：图3.11 74LS74引脚图在本论文中74LS74芯片起分频的作用。当车轮每转一圈，霍尔传感器输出一个低电平脉冲，通过74LS74进行二分频后，定时器T1的开启时间为车轮转1圈的时间，这样就可以算出自行车的速度。分频前后对比图如图3.12所示：图3.12 分频前后对比图由图可见，二分频后的波形的高或地电平的时间正好是霍尔传感器开关的一个周期，霍尔传感器输出脉冲到，即接收到对圈数计数的脉冲。经74LS74二分频后的信号输入到，部定时计数器测得每转一圈

52、所用的时间，通过计算即可得里程值和即时速度。其逻辑图如图3.13所示，可以看出74LS244由2组组成、每组由四路输入、输出构成。每组有一个控制端高或低电平决定该组数据被接通还是断开10。图3.13 74LS244逻辑图第4章 软件程序的设计第4.1节 概述在硬件设计完毕之后，接下来就是设计中最核心和最为主要的软件部分设计。所谓软件设计就是把软件需求变换成软件的具体设计方案（即模块结构）的过程。模块化结构设计即是根据要求和硬件设计的结构，将整个系统的功能分成许多小的功能模块，再根据这些小的功能模块进行程序编写的过程。这样的设计方法，使得系统的整个功能和各部分的功能趋于明朗化。当系统出现问题，就

53、可以根据功能设置找出问题的根源，从而更快地解决问题。所以说，在整个设计过程中，软件设计必须与硬件设计紧密地结合在一起。 基于霍尔传感器自行车里程/速度计的软件设计包括上电初始化程序、中断子程序、速度调用子程序、里程调用子程序、LED显示子程序、延时子程序等几大部分。由于要实现很多功能，所以采用模块化设计，下面就其主要部分分别加以分析。第4.2节 总体程序的设计在主程序模块中，需要完成对各接口芯片的初始化、自行车里程和速度的初始化、中断向量的设计以与开中断、循环等待等工作。另外，在主程序模块中还需要设置启动/清除标志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，并对它们进行初始化。然后主程序将根据各标志寄存器

54、的容，分别完成启动、清除、计程和计速等不同的操作。P1.0和P1.1口分别用于显示里程状态和速度状态。P1.2、P1.3、P1.6和P1.7口分别用于设置轮圈的大小，低电平有效。P3.0是用于里程和速度切换的，低电平为显示速度，高电平为显示里程。中断0用于对轮子圈数的计数输入，轮子每转一圈，霍尔传感器输出一个低电平脉冲。将根据里程寄存器中的容计算和判断出行驶里程数。中断1用于控制定时器T1的启/停，当输入为0时关闭定时器。此控制信号是将轮子圈数的计数经二分频后形成。这样，每次定时器T1的开启时间刚好为转一圈的时间，根据轮子的周长就可以计算出自行车的速度11。其程序流程如图4.1所示：图4.1

55、程序流程图第4.3节 中断子程序的设计定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。为此在单片机部有两个定时计数器，以对其中的计数结构进行计数的方法，来实现定时或计数功能。当结构发生计数溢出时，即表明定时时间或计数值已满，这时就以计数溢出信号作为中断请求，去置位一个溢出标志，作为单片机接受中断请求的标志。这种中断请在单片机芯片部发生的，因此无须在芯片上设置引入端。关中断开始现场保护开中断中断处理关中断现场恢复开中断中断返回定时/计数器控制寄存器TCON是8位寄存器，地址为88H，可以位寻址。其高4位用于定时/计数器中断控制，低4位借给外部中断，用做中断标志和触发方式选择位。本设计采用定时中断，对自

56、行车的里程和速度进行计数。中断子程序流程图如图4.2所示：图4.2 中断子程序流程图第4.4节 数据处理子程序的设计4.4.1里程计算子程序外中断0服务程序用于对单片机P3.2口输入的圈脉冲进行计数，为十六进制计数器。60H为低位，62H为高位。每次计数一次后，对里程数据进行一次存储操作。当车轮每转一圈，通过霍尔元件将脉冲数输入单片机，通过计数器计出脉冲数，再用乘法子程序算出里程数。里程处理子程序流程图如图4.3所示：点亮里程指示灯开始将车圈数转换成里程显示里程值返回图4.3 里程处理子程序流程图4.4.2速度计算子程序外中断1服务程序用于处理轮子转动一圈后的计时数据。当标志位（00H）为1时，说明计数溢出，放入最大时间值（为#0FFH）；当标志位为0