自行车速度里程表设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1.项目简介...........................................................1

1.1产品设计的背景................................................1

1.2产品设计的意义................................................1

2.总体设计和方案论证................................................2

2.1总体设计......................................................2

2.2方案论证......................................................3

3.系统硬件设计.......................................................8

3.1传感器及其测量系统............................................9

3.2单片机最小系统...............................................12

3.3主要功能模块.................................................16

4.产品软件设计.....................................................20

4.1主程序设计...................................................20

4.2中断子程序设计...............................................22

4.3数据处理子程序的设计.........................................23

4.4时钟程序设计.................................................23

5.模拟乒乓球游戏机设计的结论........................................24

5.1系统仿真.....................................................25

5.2仿真结果.....................................................25

附录1元件的清单....................................................27

附录2原理图........................................................28

附录3PCB图........................................................29

附录4作品实物照....................................................30

附录5源代码........................................................31

参考资料............................................................37

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自行车速度里程表的设计与制作

1项目简介

1.1产品设计的背景

我国车辆仪表走过了100多年的发展历程，目前正处在不断开发和发展之

中。目前汽车仪表正在经历由模拟电路电子式向步进电动机式全数字车辆仪表

方向转型。随着集成电子技术迅猛发展，国内目前的主流仪表产品均采用专用

集成电路。

我国是自行车大国，随着人们生活水平的逐渐提高，人们对于生活质量的

要求也日益增加，尤其是对健身的要求。自行车在中国普遍作为代步工具。而

在国外，自行车却是一项十分受欢迎的健身运动。因为它无污染，价位低廉，

老少皆宜。而且在运动过程中可以充分享受到大自然，对于忙碌的现代人来说，

无疑是一种较好的放松方法。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公里数,使运动者运动适量,达到健康运动与代步的最佳

效果.码表能尽可能真实地反映骑行状况，便于车手及时调整自己的举动，也便

于收集骑行数据供自己或队友们进行参考和对比。

自行车码表一般由安装于前车圈钢条上的感应磁铁、前叉上的感应器、顺

着前叉蜿蜒而上的连接线、置于握把上面的码表座和座上面的码表。码表的工

作原理是：车圈旋转时感应器捕捉到感应磁铁带来的信息，通过连接线传输至

码表，码表对此进行处理后计算出时速、里程等信息并显示。它能够让我们比

较精确的知道自己的当前速度、骑行时间、单次里程、总里程、平均速度、最

高速度等。

1.2产品设计的意义

本设计就是针对普通运动员在运动中不能很好的把握自己达到了多大的速

度，行驶了多远的距离，达到了一个什么样的成绩而设计的。以往的码表只能

进行测量速度，里程，时间，温度等数据，虽然能实现很多的功能，但是有些

太过于专业，其中的一些功能不适合自行车业余爱好者，浪费资源，而且性价

比也低，不能很好的把握当前运动量，从而影响娱乐和锻炼的效果。而本设计

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却能实现娱乐和锻炼的双重效果，而且相对业余爱好者性价比更高。

2总体设计思路和方案

2.1总体设计思路

本设计的任务是：以通用51单片机为处理核心，用传感器将车轮的转数转

换为电脉冲，进行处理后送入单片机。里程及速度的测量，是经过51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，其结果

通过LCD显示器显示出来。

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提供一次计数中断。每次中断代表

车轮转动一圈，中断数n轮圈的周长为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。

要求达到的各项指标及实现方法如下：

（1）利用霍尔传感器产生里程数的脉冲信号。

（2）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、即时速度运行时间等。

最终实现目标：自行车的速度里程表具有里程、速度测试与显示功能，采

用单片机作控制，显示电路可显示里程、速度时间等。结合以往的文献，并根

据本设计的要求，码表要实现显示当前车速，单次里程，骑行时间，总里程以

及电子时钟等功能。因此，本设计可以分为信号采集、信号处理、数据显示、

按键控制及时钟处理等五个模块组成。总体设计图如图2-1所示。

图2-1总体设计思路

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2.2设计方案

2.2.1数据采集模块

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。

（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，A44ECS3020、CS304、0

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，工作电压范围宽，使用非常方便。A44E的

外形如图2-2所示。

图2-2A44E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。

（2）光电传感器

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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。

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。

2.2.2信息处理模块

单片机是大规模集成电路技术发展的产物，他将中央处理器（CPU）、存储

器（ROM/RAM)输入输出接口、定时器/计数器等主要计算机部件集成在一块芯片

上，目前单片机是计算机系统中的一员。单片机配上适当的外围设备和软件，

便构成一个单片机应用系统。它简化了仪器仪表的硬件结构，增强了控制功能，

提高了测量速度和测量精度。它的控制系统中有多个处理单元，各自完成特定

的任务，I/O口线多，并具有位操作能力。因此经常的应用于各种控制系统中。

由于本设计要实现的功能码表能够显示当前车速、单次里程及骑行时间、

总里程、电子时钟等内容，所以使用单片机最小系统进行信息处理就能完成，

而且单片机成本较低，使用方便，所以本次设计采用单片机最小系统作为信息

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处理模块。

单片机实质上是一个芯片。在实际应用中，通常很少将单片机直接和被控

对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件

和软件，才能构成一个单片机应用系统。图2-3为单片机的基本架构

图2-3单片机的基本机构

2.2.3按键控制模块

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。

（1）独立式按键结构

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用

一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典

型应用如图7.4所示。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键

必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。

（2）矩阵式键盘

I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，行线与列线发生短路。特点：①

占I/O端线较少；②软件结构教复杂。适用于按键较多的场合。

（3）键盘扫描控制方式

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程序控制扫描方式：键处理程序固定在主程序的某个程序段。特点：对CPU工

作影响小，但应考虑键盘处理程序的运行间隔周期不能太长，否则会影响对键输入响应的

及时性。

定时控制扫描方式：利用定时/计数器每隔一段时间产生定时中断，CPU响

应中断后对键盘进行扫描。

特点：与程序控制扫描方式的区别是，在扫描间隔时间内，前者用CPU工

作程序填充，后者用定时/计数器定时控制。定时控制扫描方式也应考虑定时时

间不能太长，否则会影响对键输入响应的及时性。

⑶中断控制方式

中断控制方式是利用外部中断源，响应键输入信号。

特点：克服了前两种控制方式可能产生的空扫描和不能及时响应键输入

的缺点，既能及时处理键输入，又能提高CPU运行效率，但要占用一个宝贵的

中断资源。

根据实际情况本设计使用普通的独立开关按键来给单片机脉冲信号，通过

按键输出给单片机的脉冲信号来实现初始化设置和菜单的切换。

2.2.4显示模块

（1）LED数码管

图2-4LED数码管

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LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成的"8"字形的器件，如图2-

4所示，共有两种不同的接线法，分别为共阴极接法和共阳极接法，LED要正常

显示就要驱动电路来驱动各个码段，静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，

缺点是占用的I/O口多，因此增加了硬件电路的复杂性。因此动态驱动是最为

常见的一种驱动方式。虽然LED数码管显示比较清晰，但是耗能比较多，软件

编程也比较复杂，工作量比较大，所以本设计不采用LED数码管作为显示模块。

（2）LCD液晶显示

LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽相互垂

直（相交成90度).由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也

被扭转90度。当液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，改变光通过率从而

实现多灰阶显示。液晶显示的偏转角度比较小，使用时很容易出现拖尾的现象，

亮度和对比度不是很明显，液晶会出现“坏点”问题，还有寿命有限等缺点，

但是，LCD使用时非常节能，辐射指标也比普通的CRT要低些，不会出现任何的

几何失真，液晶显示器的可视面积大，较高精细的画质。

经过综合考虑，本设计选用LCD液晶显示器作为显示器件。

2.2.5时钟模块

用单片机内部的计时器计时来显示时间，需要单片机每次开机时都要重新

设置时间，使用比较麻烦。而且通过单片机内部计时器计时比较占用单片机的

内存。而通时钟芯片计时，单片机断电仍会有时钟保留，不用每次开单片机时

设置时间，使用比较方便。同时时钟芯片具有存储功能，当单片机断电时，里

程等信息可以存储到时钟芯片内，方便于我们下次开机时对累计里程的读取，

可以实现累计总行驶里程的计算。所以本设计中我们采用读取时钟芯片的信息

来显示时钟。

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附

加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方

式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、

星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作

电压宽达2.5～5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源

充电方式，提供了对后背电源进行电流充电的能力。图2-5为DS1302的外部引

脚。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能

实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。

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图2-5DS1302的外部引脚分配

3系统硬件设计

自行车多功能测速码表的硬件电路设计是本次毕业设计的基础部分，它包

括信号的采集、单片机的计算处理、按键的调节控制、1602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、规律以及生产实践活动中，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

产领域中信息的关键器件，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及，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/计数器以及I/O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

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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。

3.1传感器及其测量系统

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

它们可以检测磁场及其变化，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、水汽及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μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度范围宽，

可达－55℃～150℃。

3.1.1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、测量线性范围大、抗

干扰能力强以及体积小、使用寿命长等一系列特点，因此被广泛应用于测量、

自动控制及信息处理等领域。图3-1为霍尔效应原理图。

Z

Y

I

XB

d

L

b

Uh

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图3-1霍尔效应原理图

把霍尔传感器固定在车轮支架上，小磁铁固定在车轮的辐条上，车轮转动

中当小磁铁靠近霍尔传感器时(大约距离在4—5mm),传感器的输出端会有一个

脉冲信号输出到单片机。这样就可以把速度信号转变成高低脉冲信号，然后使

用单片机对脉冲信号进行处理，从而获得速度信息。图3-2利用霍尔传感器进

行速度测量。

两个脉冲之间的距离即为自行车车轮转过一圈的距离S=PI*D，所以在进行

测量时只需输入轮胎的实际直径尺寸，通过计算便可精确的得出自行车的车速

S/T及行驶里程S*（N-1）。其中，T为两个脉冲之间的时间间隔，N为行驶期间

产生的脉冲数。

图3-2利用霍尔传感器进行速度测量

3.2.2信号测量系统

本设计采用的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，图3-5

（a）为集成霍尔开关组成。(1)、(2)、(3)代表集成霍尔开关的三个引出端点。

差分放大器是基本放大电路之一，由于它具有抑制零点漂移的优异性能，

因此得到广泛的应用，并成为集成电路中重要的基本单元电路，常作为集成运

算放大器的输入级。图3-3差分放大器电路图。

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图3-3差分放大器电路图

施密特触发器是一种阈值开关电路，具有突变输入——输出特性的门电路。

被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改

变。

利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的

周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即

可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。图3-4为施密特波形

图。

图3-4施密特波形图

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

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二者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，在此差值内，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与输出电压V0之间的关系。A44E集成霍尔开关是单稳态型，图3-5(b)

为由测量数据作出的输出特性曲线。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2k的负载电阻。

VO/V

(1)

A12工作点

VCCOUT

(3)9(ON)

B

CD6(V)

释放点

E3

(OFF)B/mT

(2)

GND05101520

(a)(b)

图3-5集成开关型霍尔传感器

3.2单片机最小系统器

3.2.1单片机原理简介

单片微型计算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(CentralProcessingUnit)随机存储器、RAM(Rand

omAccessMemory)、只读存储器ROM(Read-onlyMemory)、基本输入/输出(input/o

utput)接口电路。定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，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。图3-6为单片机内部结构示

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意图。

图3-6单片机内部结构示意图

（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）内部存储器

内部存储器包括内部数据存储器（内部RAM）和内部程序存储器。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内部提供

一个非常稳定的计数信号。

（4）中断系统

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，能对突发事件进行及时处理，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；

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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。

3.2.2单片机的引脚功能

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程

Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易性存储器技术制造，与工业80C51产

品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常

规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得

AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

图3-7为89S52最小系统。89S52的主要引脚功能如下：

P0.0～P0.7：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/数据总线

复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，

对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序

存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激

活内部上拉电阻。

P1.0～P1.7：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲

极可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部

的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

P2.0～P2.7：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲

极可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内

部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

P3.0～P3.7：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲

极可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P3写“1”，通过内

部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

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图3-7为89S52单片机最小系统

ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8

位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1／

6的固定频率输出的正脉冲，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。

PSEN：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，PSEN有效(低电平)，

以实现外部ROM单元的读操作。

EA：访问程序存储控制信号。当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限

定在外部程序存储器；当EA信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存

储器开始，并可延至外部程序存储器。

RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为

有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

XTALl和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用

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于外接石英晶体和电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VSS：地线。

VCC：+5V电源。

3.3主要功能模块

3.3.1按键控制部分

本设计采用普通独立开关按键。设计中要用到6个按键，分别是复位按键

以及调节控制部分的5个按键。按键A：时钟设置时更改“时”，直径设置时更

改“十位”；按键B：时钟设置时更改“分”的十位，直径设置时更改“个

位”；按键C：时钟设置时更改“分”的个位；按键OK：确认更改设置；按键Me

nu，正常工作时更改显示模式，在总里程、速度、时间、骑行时间等进行切换。

图3-8为按键控制部分的电路设计。

图3-8系统按键设计

3.3.2输出显示模块

(1)1602LCD基本参数

显示容量：16×2个字符,芯片工作电压：4.5-5.5V,芯片工作电流：2.0mA,

模块最佳工作电压：5.0V，字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm

(2)引脚功能说明

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1602LCD采用标准的14脚或16脚接口，图3-9为1602引脚图，各引脚说

明如下：

图3-9LCD与单片机接口电路

1602采用标准的16脚接口，其中：VSS为电源地；VDD接5V电源正极；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

（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比

度）；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；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；

E(或EN)端为使能(enable)端；D0～D7为8位双向数据端；BLA为LED背光正极；BLK

为LED背光负极。

3.3.3时钟模块

(1)结构及工作原理

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历

和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路

提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可自

动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。DS1302

与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根I/O线：复位

（RST）、I/O数据线、串行时钟（SCLK）。时钟/RAM的读/写数据以一字节或

多达31字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息

时，功耗小于1mW。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了

主电源/后备电源双电源引脚，本设计的后备电源采用的是3v的纽扣电池。同

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时提供了对后备电源进行涓流充电的能力。

图3-10DS1302内部结构图

图3-10为DS1302的内部结构，主要组成部分为：移位寄存器、控制逻辑、

振荡器、实时时钟以及RAM。虽然数据分成两种，但是对单片机的程序而言，其

实是一样的，就是对特定的地址进行读写操作。

(2)引脚及功能

图3-11DS1302封装图

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DS1302封装图如图3-11所示DS1302。的引脚排列,其中VCC1为后备电源VC，C2

为主电源。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，有两

种功能：一、接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；二、提供终

止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初

始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止

此次数据传送。上电运行时，在VCC>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有

在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，

后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。

（3）数据输入输出(I/O)

在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，

数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK

脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。

3.3.4电源模块

由于AT89S52的工作电压要求是+5V，为了给单片机提供稳定的工作电压，

我选用了能提供+12V直流电压源，所以需要设计一个简单的电源电路，进行电

平转换，将+12V电压降为+5V，图3-12电源降压电路。

图3-12电源降压电路

电源稳压芯片7805是一种典型的组合装封三端稳压集成电路模块，带金属

基板散热安装片，该模块多用于有处理器的5V电源的处理板。输入电压可达直

流12V，输出5V（正负5%）以内。78是产品系列名，05是输出5V。而

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C1/C2/C3/C4则作为输入端和输出端的滤波电容。而+5V处就是为AT89S52和其

他外围电路提供电源。

4产品软件设计

在硬件设计完毕之后，接下来设计核心就是软件部分设计。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，就可以根据功

能设置找出问题的根源，而不需要从头到尾检查整个程序，这样便可以更快地

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。

主程序开始后，初始化LCD，程序进入欢迎界面，然后单片机向DS1302时

钟芯片读取累计总里程数据，接着是时钟和车轮直径的设置。接着是开中断，

定时器开始计时。最后设置120S如果速度为0自动显示时钟信号。

从霍尔传感器A44E获得的数字量信号直接送至单片机的P3.2（INT0）引

脚，为单片机提供有效的输入信号。当该引脚为高电平时，一直处于等待状态，

等到该引脚为低电平时才开始测频率。通过单片机内部计数器统计出脉冲数，

我们开始时设置过车轮的直径为D，这样车轮周长L=PI*D，使用T0的计时模式

计算两个脉冲之间的时间间隔T。每两个脉冲之间的距离即为轮胎的周长，则可

由V=L/T计算出当圈地速度。通过记录行驶过程中的霍尔传感器产生的脉冲数

N来计算行驶里程S=(N-1)*L。同时计算累计行驶里程，S0’=S0+S，并将累计

行驶里程存入DS1302芯片的RAM中，以便将累计行驶里程保存下来。

4.1主程序设计

软件设计采用自上向下、逐步细化的设计方法。首先，根据功能要求进行

总体功能设计。其次，对各个功能模块进行细化，设计各个功能模块的功能函

数。最后，编写代码实现各个功能函数。注意代码编写过程中尽量减少函数之

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间的耦合。

图4-1为主程序设。单片机开始工作后首先进行初始化，然后提示设定时

间，接着提示设定轮胎直径，之后进行中断相关设定，最后进入消息循环。当

有中断产生时，单片机停止当前主程序的执行，转而执行相应的中断服务程序。

当中断服务程序执行结束，单片机返回主程序，继续停留在消息循环模块。

图4-1软件主程序流程图

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4.2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。在单片机内部有两个定时/

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

请求是在单片机芯片内部发生的，因此无须在芯片上设置引入端。

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，对自行车的里程和速度进行计数。图4-2

为中断子程序流程图。

图4-2中断子程序流程图

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4.3数据处理子程序的设计

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内，通过计数器

计出脉冲数，再用乘法子程序算出里程数。图4-3为里程处理子程序流程图。

图4-4为速度处理子流程图

4.4时钟程序设计

时间模块主要实现对当前时间的设定，图4-5为时间调节程序流程图。

（1）初始化时间时可以预先设定一个时间，然后在此时间基础上进行修改；

（2）每按下按键A一次，小时数加1，当小时数超过24时，重新从0开始

增加；

（3）每按下按键B一次，分钟的十位加1，当分钟十位超过5时，重新从0

开始增加；

（4）每按下按键C一次，分钟的个位加1，当分钟个位超过9时，重新从0

开始增加；

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（5）当按下OK键，则保存当前时间设定，并退出时间设定模式；

（6）设置DS1302数据模块，使用DS1302读写指令将设定好的时间数据写

入时钟寄存器，并开始计时。

初始化时间

接收按键信号

按键A调整按键B调整按键C调整按键OK确定设置

小时分钟的十位分钟的个位并退出设置模式

设置DS1302时钟数据

图4-5为时间调节程序流程图

5系统测试结果及分析

为了减少资源的浪费和避免焊接过程中产生不必要的错误，在焊接硬件电

路前对硬件电路设计的可行性和软件编程的正确性进行了仿真实验。采用的调

试系统为PROTEUS。

PROTEUS系统仿真平台与开发平台是由英国Labcenterelectronics公司

开发的，是目前世界上最完整的系统设计与仿真平台之一。PROTEUS可以实现数

字电路、模拟电路及微控制系统与外设的混合电路系统的电路仿真、系统协同

仿真和PCB设计等全部功能。PROTEUS软件能够对各种处理器进行实时仿真、调

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试与测试的EDA工具，真正实现了在没有目标原形时就可以对系统进行调试与

验证。

5.1系统仿真

在构思好电路原理图和编好程序之后就要对其进行系统仿真。

当完成原理图布线后，利用PROTEUSISIS编辑环境所提供的电器规则检查

命令对设计进行检查，并根据系统提供的错误检查报告修改原理图。直到通过

电器规则检查为止。

单片机系统的仿真是PROTEUSVSM的一大特色，同时，本仿真系统将源代码

的编辑和编译整合到同一设计环境中，这样使得用户可以在设计中直接编辑代

码，并且很容易地查看到用户对源程序修改后对仿真结果的影响。

源代码通过编译无误后，就可以进行仿真，在仿真过程中不断完善电路和

程序的功能最后达到本次设计的目的。

5.2仿真结果

累计总里程是当前行驶里程加上以前累计行驶总里程，每1分钟存储一次

总里程。在系统刚开始运行时，已经记录下了以往骑行累计总里程的数值，当

次累计总里程的计算均是采用当次行驶里程加上系统运行前的累计总里程。图

5-1是初始时间设置可通过按键模块调节时间的准确度.图5-2设置轮胎直径，

通过按键模块的A/B键调节十位与个位。图5-3显示当前时间，通过单片机向

DS1302读取时间信号最后显示在LCD。图5-4显示当前速度及当次行驶里程。

图5-5显示当次骑行时间图。图5.6显示累计行驶总里程及在DS1302中的存储

值。

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附录1元件的清单

规格名称标号数量

22uF电解电容C11

22pF陶瓷电容C2,C32

12MHZ晶振J11

KEY1按键K1,K24

10K电阻R11

1K电阻R11

10K电位器RP11

ADXL345传感器U