课程设计自行车里程表

1、太原工业学院本 科 课 程 设 计 （论 文） 自行车里程表题 目 _指导教师_辅导教师_学生姓名_学生学号_081电子信息科学与技术自动化与电子学院_院（部）_专业_班20111227_年 _月 _日 自行车里程表摘 要：本文介绍的速度与里程表设计以单片机最小系统和霍尔传感器为核心。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与计算，再采用LED模块进行显示，使得电动自行车的速度与里程数据能直观的显示给使用者。 本系统由霍尔传感器、RC滤波电路、单片机AT89S51、系统化LED显示模块、数据存储电路和键盘控制组成。其中霍尔传感器包含信号放大和波形整形。对待测信号进行放大的

2、目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的TTL信号；通过单片机的设置可使内部定时器T1对脉冲输入引脚T0进行控制，这样能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中速度显示采用LED模块，通过速度换算得来的里程数采用I2C总线并通过E2PROM来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程本文先对里程表设计当中所需设备作了详细介绍，对设计中存在的问题进行了说明；而后对硬件和软件部分的设计和实现作了认真的分析；然后给出了系统的建模过程及相应的系统模型，在此基础上进行了控制仿真，并对仿真效果进行了比较。本

3、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：单片机最小系统，LED数码管，霍尔传感器，RC滤波器,EEPROM存储器 目 录第一章 概 述4第二章 硬件设计42.1系统组成结构框图52.2具体硬件电路及工作原理52.3 AT89C2051单片机简介6 2.3.1芯片概述62.4其他外围硬件电路7 2.4.1电源电路7 2.4.2霍尔传感器8 2.4.3 4位串行静态显示电路8第三章 软件设计93.1主程序设计93.2 外中断0和 T1定时溢出中断服务子程序设计103.3 速度/里程显示控制子程序设计10

4、3.4系统完整源程序11参考文献11附录 12附录1 整体电路图12附录2 源程序13致谢 19总结 19 第一章 概述 本设计介绍的速度与里程表设计以单片机和光电传感器为核心。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与计算，再采用LED模块进行显示，使得电动自行车的速度与里程数据能直接的显示给使用者。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

5、数据存储器，并由LED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，平均速度与时间的乘积即为里程数）。本系统由信号预处理电路、单片机AT89C2051、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的TTL信号；通过单片机的设置可使内部定时器T1对脉冲输入引脚T0进行控制，这样能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中速度显示采用LED模块，通过速度换

6、算得来的里程数采用I2C总线并通过E2PROM来存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。    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。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。本设计的速度和里程值采用6位显示，并包含两个小数位。 第二章 硬件设计 2.1系统组成结构框图根据功能要求，首先要进行

7、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，如图2.1所示。系统由测量模块、功能选择模块、显示模块、供电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。霍尔传感器开关功能选择显 示功能指示灯2051 单 片 机 稳压器+5V电池组充电电路发电机图2.1 系统组成结构框图2.2具体硬件电路及工作原理具体硬件电路如图2.2所示。 图2.2 系统硬件电路原理图速度和里程由开关型霍尔传感器测量，已知自行车轮子的周长（本系统采用的是1.8m，设为L）,轮子每转动一圈，传感器采样一个下降沿信号并送到单片机的外中断0产生一次中断，全书加1，两个相邻下降沿信号的时间由单片机定

8、时器1计时（设为T），哪么计算当前速度（设为V）和行驶里程（设为S）的公式为： V=1.8/T, S=1.8m*所行驶的圈数S1是单片机的复位开关，系统采用按键电平复位开关；S2是电源开关，并由灯D1指示；S3为速度和里程切换开关；S4为限速切换开关，可以根据自身需要选择不同的最大超速速度；S5为里程单位切换开关。P1.4输出低电平时，控制D2亮，表示此时显示的里程值为km/h,P1.5输出低电平时，控制灯D3亮，提示速度太慢；P1.6输出低电平时，控制灯D4亮，表示此时的显示值时里程（否则为速度）；P1.7控制超速报警电路，其为高电平表示行驶速度正常，为低电平时，三极管9012导通，驱动蜂鸣

9、器报警。2.3 AT89C2051单片机简介2.3.1芯片概述AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。   AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口

10、，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。管角配置图2.3所示。图2.3 2051引脚图主要功能介绍（1） 兼容MCS51指令系统（2） 15个双向I/O口（3） 两个16位可编程定时/计数器（4） 时钟频率0-24MHz（5） 两个外部中断源（6） 可直接驱动LED（7） 低功耗睡眠功能（8）

11、可编程UARL通道（9） 2k可反复擦写(>1000次）Flash ROM（10） 6个中断源（11） 2.7-6.V的宽工作电压范围（12） 128x8bit内部RAM（13） 两个串行中断（14） 两级加密位（15） 内置一个模拟比较放大器（16） 软件设置睡眠和唤醒功能可见。2051可以为很多的嵌入式控制应用提供高度灵活而且价格低廉的方案，特别适合小系统。本系统仅用到单片机的10个I/O口，所以选用2051单片机做主系统。2.4其他外围硬件电路 2.4.1电源电路 如图2.4所示。发电机发出+15V的交流电，经整流滤波后，再给镍氢电池组充电，充电采用恒流方式。已充电的电池组经780

12、5稳压，给霍尔传感器和单片机系统供电。由图2.4 电源电路原理图于充电电流可达400500mA,且充电时间较长，所以三极管选用功率高的C8050。5K的电位器用于调节充电电流，避免电流过大烧坏元件。当然，实验设计过程中为了简便，我们可以不用电机。直接用4个1.5V的电池组经7805稳压后得到+5V电压给单片机系统和霍尔传感器供电。2.4.2霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔效应把磁输入信号转换成电信号的器件。本系统采用JK8002D霍尔接近开关，他是一种非接触型无触点开关，系统通过它探测外部的磁场的强弱变化，继而控制开关输出。磁场由外部的磁钢产生。JK8002D霍尔接近开关的内部原理图和输入/输

13、出特性如图（5）和图（6）所示。JK8002D霍尔接近开关的输入量是磁感应强度B，当B值达到一定的程度(如Bl)时，霍尔开关内部的触发器翻转，其输出电平状态也随之翻转。当探头与磁钢距离由远而近为8mm时，霍尔元件输出端输出一个无抖动的低电平（约为0.2V），当两者距离足够远时，霍尔元件输出端输出一个无抖动的高电平（约为3.7V），所以输出信号可直接到单片机的外中断0的引脚。 2.4.3 4位串行静态显示电路当单片机的UART口部进行串行通信时，可设置其工作于同步移位寄存器方式0，以输出显示信息，实现n位LED的静态显示，这样做只占用了很少的I/O口线。系统中，4各共阳极得LED数码管和4片 7

14、4LS164构成4位数字显示电路，74LS164将串行输入的显示信息转换成并行输出，驱动数码管显示。74LS164在低电平输出时允许通过的电流为8mA，故不必添加驱动电路即可获取理想亮度。与动态扫描方式相比较，该方式无须CPU做不停的扫描，频繁地为显示服务，节省了CPU的时间，软件世界也比较简单。显示电路如图2.5所示。图2.5 4位串行静态显示电路原理图 第三章 软件设计3.1主程序设计主程序流程图见图3.1。开机后系统自检，正常时LED显示“”，同时等待自行车行驶。轮子开始转圈后，系统进行记录和计算，并根据速度/里程开关的选择显示数值。N系统初始化主程序P3.2=0？Y开始初始显示P1.0

15、=1?N显示里程显示速度Y图3.1 主程序流程图3.2 外中断0和 T1定时溢出中断服务子程序设计外中断0服务子程序用于对输入脉冲的个数即轮子转圈的次数计数。每计数一次，系统保存圈数值的同时保存定时器的计时值，并根据功能开关键实时显示相应的值。T1定时溢出中断服务子程序用于实时统计记一次数的经历时间。T1定时的基准时间设为20ms,假设记一次数中T1中断的次数为C，1.8/（20C）ms即当前自行车行驶的速度。用内部定时加外中断的方法实现了对输入脉冲信号的测量，这是本系统最关键的程序部分。3.3 速度/里程显示控制子程序设计最大允许速度由限速切换开关S4控制，超速(>20千米/小时)使单

16、片机的P1.7输出低电平报警。若行驶速度太慢（<0.5m/s）,灯D3不断闪烁，LED交替显示“Erro”、“Sudu”和当前速度值，以引起骑车者的注意。速度显示值的单位有km/h和每m/s,由功能键S5切换。对于里程值，为了较精确地显示，程序设置了不同里程范围时所显示的小数点后数字的位数：里程为10m99m,显示2位小数；里程为100m999m，显示1位小数。3.4系统完整源程序如附录2参考文献：1 张毅坤，陈善久.单片微型计算机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2002.2 张友德，赵志英，徐时亮.单片微机原理应用与实验.上海：复旦大学出版社，2000.3 伟福Lab2000

17、P系列单片机仿真实验系统说明书.4 郑学坚 周斌 微型计算机原理和应用 北京：清华大学出版社5 陈为 单片机原理 附录附录1 整体电路图附录2 源程序自行车里程表 /* 各引脚用途及系统功能说明P1.0 速度和里程切换：1显示速度，0显示里程P1.1 限速度切换：1 10m/s；0 8m/sP1.2 km/h和 m/s的切换：P1.4 指示显示器单位为km/hP1.5 速度太慢灯闪烁警告P1.6 0时灯亮，指示里程；为以灯不亮，显示速度P1.7 超速度报警 距离最大值为9999m6H圈、 38H圈、 22C圈、 15B6圈0m=<S<10m 10m=<S<100m 10

18、0m=<S<1000m 1000m=<S<10000m周长0707H 00B4H 0012H 0012H/0AH/变量定义/XIAOSHU EDU 57H ； 小数点位数单元 GEWEI EDU 40H ； 显示单元SHIWEI EDU 41H ； BAIWEI EDU 42H ；QIANWEI EDU 43H ； QSHU1 EDU 43H ； QSHU0 EDU 61H ； 自行车圈数存储单元高位QSHU0 EDU 62H ； 自行车圈数存储单元低位SJIAN0 EDU 6CH ； T1定时溢出存储单元高位SJIAN1 EDU 6DH ； T1定时溢出存储单元低位/

19、主程序/ ORG 000H AJMP START ORG 0003H AJMP INTEX0 ORG 001BH AJMP IT11 ORG 0030HSTART: MOV SP,#75H ； 设置堆栈指针 MOV SCON,#00H ； 串行口工作方式 MOV GEWEI,#0AH ； 开机显示 MOV SHIWEI,#0AH MOV BAIWEI,#0AH MOV QIANWEI,#0AH ACALL DIS11 SETB P3.2 ； 外中断0为输入查询方式 JB P3.2 ； 等待第一个有效脉冲（下降沿）到来 ACALL CLEARRAM ； 调用系统准备显示初始化子程序STLOOP:

20、 JNB P1.0,ST1 ； p1.0=0,显示速度 ACALL DISPLAYS ； P1.0=1, 显示里程 SJMP STLOOP ； 循环显示ST1: ACALL DISPLAYV ； 第一个下降沿来后显示速度 AJMP STLOOP ； 循环显示/系统准备显示初始化子程序/CLEARRAM: MOV TMOD,#10H ； T1用于定时，工作于模式1 MOV TH1,#0B1H ； 定时20ms初始值 SETB P1.2 ； P1.2-P1.0为输入 SETB P1.1 SERB P1.0 CLR A ； 相应内RAM空间清零 MOV 21H,A ； 速度/里程的BCD码高位清0

21、MOV 22H,A ； 速度/里程的BCD码低位清0 MOV QSHU1,A ； 圈数空间清0 MOV QSHU0,A MOV 6AH,A ； T1溢出次数暂存单元高位清0 MOV 6BH,A ； T1溢出次数暂存单元低位清0 MOV SJIAN0,A ； 计数器空间清零 MOV SJIAN1,A MOV XIAOSHU,#01H ； 默认显示3位小数 SETB IT0 ； 设置外中断为边沿触发方式 SETB PT1 ； T1优先级最高 SETB EA ； 开总中断 SETB ET1 ； 开T1中断 SETB EX0 ； 开外0中断/外中断0服务子程序/INTEX0: PUSH ACC ； 累

22、加器堆栈保护 PUSH PSW ； 状态字堆栈保护 INC QSHU0 ； 圈加1 SETB P1.7 ； 置1不报警 CLR A ； 清A CJNE A,QSHU0,SUBX0 ； 计数没溢出转SUBX0 INC QSHU1 ； 溢出进位（61H加1）SUBX0: CLR TR1 ； 关计时，读轮子转一圈的时间 MOV 6AH,SJIAN0 ； 时间暂存 MOV 6BH,SJIAN1 MOV TH1,#0B1H ； 定时器T1重付初值 MOV TL1,#0DFH CLR A MOV SJIAN0,A ； 清计时空间 MOV SJIAN1,A SETB TR1 ； 重新计时 POP PSW ；

23、 状态字恢复 POP ACC ； 累加器恢复 RETI ； 中断返回/T1定时器溢出时中断服务子程序/IT11: PUSH ACC ； 堆栈保护 PUSH PSW INC SJIAN1 ； 定时20毫秒溢出次数 MOV A,SJIAN1 ； 读一圈定时的次数 CJNE A,#0BBH,SUBT1 ； 速度太慢（<0.5）,处理 AJMP SUBT2 SUBT1: JC SUBT2 INC 69H ； （69H）为奇数，LED显示“Erro” MOV A,69H ； 再显示具体速度的值 JB ACC.0 ERRO ； （69H）为偶数，LED显示“Sudu” MOV GEWEI,#05H

24、； 再显示具体速度的值 MOV SHIWEI,#0BH MOV BAIWEI,#0DH MOV QIANWEI,#0BH MOV XIAOSHU,#0BH ACALL DIS11 SJMP FS12ERRO: MOV GEWEI,#0CH MOV SHIWEI,#OBH MOV BAIWEI,#0BH MOV QIANWEI,#0DH ACALL DIS21；“Erro”或“sudu”和具体速度大值交替闪烁显示FS12: MOV R2,#01H ； CLR P1.5 ACALL DELAY2 SETB P1.5 ACALL DELAY2 DJNZ R2,FLASHSUBT2: MOV TH1,

25、#0B1H MOV TL1,#0DFH SETB TR1 POP PSW POP ACC RETI/里程显示控制子程序/DISPLAYS:CLR P1.6 ACALL JULI MOV A,QSHU1 CJNE A,#02H,DIAOYONG AJMP PANDYDIAOYONG:JNC PANDY1 AJMP BUDYPANDY: MOV A,QSHU0 CJNE A,#2CH,PANDY2 AJMP PANDY1PANDY2: JC BUDYPANDY1: MOV R6,#00h MOV R7,#0AH ACALL JULI2 ACALL BCDC ACALL FENKAI ACALL D

26、IS21 ACALL DELAY1 RETBUDY: MOV R6,#00h MOV R7,#01h ACALL JULI2 ACALL BCDC ACALL FENKAI ACALL DIS11 ACALL DELAY1 ACALL DELAY1 RET/速度显示控制子程序/DISPLAYV:SETB P1.6 ACALL SUDU ACALL BCDC ACALL FENKAI MOV XIAOSHU,#01H RET/处理子程序1/JULI: PUSH PSW PUSH ACC MOV R2,QSHU1 MOV R3,QSHU0 JNZ GAO MOV A,QSHU0 CJNE A,#0

27、6H,PAN1 AJMP PAN2PAN1: JNC PAN2 AJMP CZ707PAN2: MOV A,QSHU0 CJNE A,#38H,PAN3 AJMP GAOPAN3: JC CZB4GAO: AJMP CZ12CZ707: MOV R6,#07H MOV R7,#07H MOV XIAOSHU,#01H AJMP KAISHICZB4: MOV R6,#00H MOV R7,#0B4H MOV XIAOSHU,#02H AJMP KAISHICZ12: MOV R6,#00H MOV R7,#00H MOV XIAOSHU,#03H KAISHI为两字节乘两字节程序段KAISHI

28、: MOV A,R3 MOV B,R7 MUL AB MOV R4,B MOV R5,B MOV A,R3 MOV B,R6 MUL AAB ADD A,R4 MOV R4,A CLR A ADDC A,B MOV B,R7 MUL AB ADD A,R4 MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,B MOV R3,A CLR A RLC A XCH A,R2 MOV B,R6 MUL AB ADD A,R3 MOV R3,A MOV A,R2 ADDC A,B MOV 50H,R2 MOV 51H,R3 MOV 52H,R4 MOV 53H,R5 POP PSW POP ACC RE

29、T/处理里程子程序2/Juli2: PUSH PSW PUSH ACC MOV R2,50H MOV R3,51H MOV R4,52H MOV R5,53HDIVD11: CLR C MOV A,R3 SUBB A,R7 MOV A,R2 SUBB A,R6 JC DVD11 SETB OV RETDVD111: MOV B,#10HDVD211: CLR C MOV A,R5 MOV R5,A MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV A,R3 RLC A MOV R3,A XCH A,R2 XCH A,R2 MOV F0,C CLR C SUBB A,R7 MOV R1,A

30、 MOV A,R2 SUBB A,R6 ANL C,/F0 JC DVD311 MOV R2,A MOV A,R1 MOV R3,A INC R5DVD311: DJNZ B,DVD211 MOV A,R4 MOV R2,A MOV A,R5 MOV R3,A CLR OV MOV 30H,R2 MOV 31H,R3 POP ACC POP PSW NOP RET/十六进制转换乘BCD子程序/BCDC: PUSH ACC PUSH PSW MOV R6,30H MOV R7,31H CLR A MOV R3,A MOV R4,A MOV R5,A MOV R2,#10HHB322: MOV A

31、,R7 RLC A MOV R7,A MOV A,R6 RLC A MOV R6,A MOV A,R5 DA A MOV R5,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,R3 DJNZ R2,HB322 MOV 20H,R3 MOV 21H,R4 MOV 22H,R5 POP PSW POP ACC NOP RET/算速度十六进制值子程序/SUDU: PUSH PSW PUSH ACC JB P1.2,KM SJMP JUBUKM: MOV R2,#00H MOV R3,#04H MOV R4,#0F1H MOV R5,#0A0H C

32、LR P1.4 SJMP QUANJUJUBU: MOV R2,#00H MOV R3,#001H MOV R4,#05FH MOV R5,#090H CLR P1.4QUANJU: MOV A,6BH JB P1.1,XIAN10 CJNE A,#0BH,BUXIANG SJMP JC0XIAN10: CJNE A,#09H,BUXIANG SJMP JC0BUXIANG: JC JC0 SJMP BUJGJC0: MOV A,6AH CJNE A,#00H,BUJG AJMP JIANGGAOJIANGGAO: CLR P1.7 MOV GEWEI,#0CH MOV SHIWEI,#0BH

33、 MOV BAIWEI,#0BH MOV QIANWEI,#0DH ACALL DIS21 ACALL DELAY1 MOV GEWEI,#0EH MOV SHIIWEI, #0EH MOV BAIWEI,#0EH MOV QIANWEI,#0EH ACALL DIS21 ACALL DELAY1 SJMP QUANJUBUJU: MOV A,6BH CJNE A,#0AFH,LING0 AJMP LING1LING0: JC LING1 AJMP BUJINGLING1: MOV A,6AH CJNE A,#00J,BULING0 AJMP BULING1BULING0: JC BULING

34、1BULING: MOV SJIAN0,#00H MOV SJIAN1,#00H RET /4字节除2字节除法子程序/BULING1: MOV R6,6AH MOV R7,6BHDIVD: CLR C MOV A,R3 SUBB A,R7 MOV A,R2 SUBB A,R6 JC DVD1 SETB OV RETDVD1: MOV B,#10HDVD2: CLR C MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,A4 RLC A MOV R4,A MOV A,R3 RLC A MOV R3,A XCH A,R2 XCH A,R2 MOV F0,C CLR C SUBB A,R7

35、 MOV R1,A MOV A,R2 SUBB A,R6 ANL C,/F0 JC DVD3 MOV R2,A MOV A,R1 MOV R3,A INC R5DVD3: DJNZ B,DVD2 MOV A,R4 MOV R2,A MOV A,R5 MOV R3,A CLR OV MOV 30H,R2 MOV 31H,R3 POP ACC POP PSW SETB P1.7 NOP RET/压缩BCD码转乘非压缩BCD码子程序/FENKAI: MOV R7,#02H MOV R0,#GEWEI MOV R1,#21HFENKAI1: MOV A,R1 ANL A,#0F0H SWAP A MO

36、V R0,A INC R0 MOV A,R1 ANL A,#0FH MOV R0,A INC R0 INC R1 DJNZ R7,FENKAI1 RET/延时子程序/DELAY1: MOV R6,#0FFHDEL: MOV R7,#0FFH DJNZ R7,$ DJNZ R6,DE; RETDELAY2: MOV R6,#02FH MOV R7,#0FFH DJNZ R7,$ DJNZ R6,DEL2 RET/4位串行静态显示子程序/DIS21: MOV R7,#04H MOV R0,#GEWEILED1_21: MOV A,R0 MOV DPTR,#DATA_7SEG22LED1_221: MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI INC R0 DJNZ R7,LED1_21 RETDATA_7SEG22DB081H,0EDH,043H,049H,02DH,019