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毕业设计

摘 要

    近年来人民生活水平不断提高，随着居民生活水平的不断提高，各种动力车（汽车、摩托车、电瓶车）走进来千家万户，同时也造成大量的资源浪费和污染。随着国家“节能减排”口号的提出,因此自行车将再次被人们推上生活的舞台，它不再是人们简单的代步工具而会在生活给人们的娱乐和锻炼带来新的工具。自行车的一些物理量（如速度、里程等）会成为人们迫切知道的，自行车的测速系统就会是人们所必需的，使人们清楚地了解当前的自行车速度和里程等物理量。本论文主要阐述一种基于ATC52单片机的测量自行车的速度和里程等一些物理量的系统设计。用霍尔传感器采集自行车的转数脉冲，以 ATC52 单片机为控制核心，通过LED数码管实时显示出自行车的里程及速度。本文主要讲述了该设计的测速系统的硬件电路设计部分和相应软件的设计。硬件电路部分主要是通过霍尔传感器采集自行车转动时的脉冲信号，并将其传入单片机，单片机将其进行一定的处理并送至LED数码管进行实时显示。软件部分根据我们所学的一些简单的汇编语言进行必要的编程和调试。其优点硬件电路简单，软件设计完善，测量速度快、精度高、性价比较高等特点，充分发挥了单片机的测速功能。

关键词：测速；霍尔传感器；单片机；LED 

Bicycle speed system based on single chip microcomputer

Abstract

　　　In recent years, people's living standards improved, with the continuous improvement of living standards, a variety of vehicles (cars, motorcycles, electric vehicle) into thousands of households, but also caused a lot of waste of resources and pollution. The country put forward the slogan of "energy-saving emission reduction". Therefore, the bike will becomethe ordinary people'stransportation, transport tool, and as they become　entertainment, leisure,exercise equipment. The speed of the bicycle, mileage and other physical quantities will become an urgently to know, will speed system of bicycle is theneeds of the people, let them know the current speed, mileage. This paper mainly expounds a kind of design velocimetry system MCU and Holzer device, the speed of the bicycle mileage based on. Based on ATC52 single chip microcomputer as control core, using the Holzer sensor testing bicycle speed,through the LED display the bicycle mileage and speed. This article mainly introduces the design of hardware circuit design of bicycle speed system and the corresponding software. The hardware circuit part mainly uses the Holzer sensorpulse signal to the microcontroller bike every turn, processed and sent to the LED display chip system. The software part use of assembly language programming and debugging the necessary. The utility model has the advantages of simple hardware circuit, software design and perfect, fast measuring speed, high accuracy, higher cost performance characteristics, give full play to the function of speed measurement chip.

Keywords: Holzer velocimetry; sensor; MCU; LED

引言

今天距自行车的发明已经有二百多年的历史，在二百年的自行车都在不断地发展和创新，原来大架自行车已经变成了今天各式各样的休闲运动性自行车，它不再是最古老的运输方式，成为了人们现在运动娱乐工具。

 “节能减排”口号的提出后，人们的节约意识和保护环境观念的不断提高，一些污染严重的动力车被人们慢慢的淘汰，自行车成为了人们的首选，不仅给人们带来出门的便利，也为人们休闲、娱乐带来了新的快乐。未来人们所需的测试系统不仅是可以显示车速、里程和时间，而且同时可以测量骑手的心脏率和其热量消耗，自行车功能的强大也成为人们所必须的，自行车车速里程是骑车人们希望知道的。故此自行车的测速系统的研究和发展将大大满足人们的需求。在自行车运动渐渐进入人们的生活，自行车的车速里程表系统将会迅速发展。将来它不仅仅能显示车速里程和时间，还能测量骑车人的心跳和其热量消耗等情况，让人们更好的了解自己的身体状况，也许不就的将来会出现智能自行车系统，它可以根据骑车人的心跳等一些情况为人们制定出符合自己的锻炼强度和饮食规范。本设计运用了ATC51单片机霍尔式传感器和LED数码显像管设计出一款能简单测量自行车速度和骑行距离的里程表。 

第1章 系统方案分析

§1.1  课题的主要任务和内容

该课题主要利用霍尔元件采集自行车在转动时所产生的脉冲信号，并将这些信号传给单片机，经处理后传至LED数码管显示出自行车的里程和当前的速度。本文主要论述自行车测速器的传感器电路原理、设计思路和论证方案等。大至上可分为硬件电路的设计部分和软件程序的设计部分。

本文针对该研究课题的进行了详细的论证，其包含硬件电路部分和软件部分的主要设计；详细论述该自行车测速系统的硬件电路的设计，主要包含了霍尔传感器采集信号、单片机的中心控制和LED数字电路的显示设计等。接下来简述了该测速系统的软件部分的设计，主要包括各个元件的初始化、核心程序的处理以及数码显示程序的设计；最后通过仿真软件对该设计进行仿真验证，并针对设计和仿真过程中出现的问题作进一步的分析，解决问题，实现该系统的设计。最后对设计出的系统做出总结。

软件部分主要包含：采样子程序、核心处理程序、显示程序软件及芯片的初始化程序等，该部分设计思路由采集到核心程序再到显示程序，各个模块用汇编语言逐一设计。 

硬件部分主要由霍尔元件对信号的采集、单片机对信号的分析处理以及LED数码管对信号的显示等。

§1.2 任务分析与实现

该设计任务主要是用霍尔传感器采集自行车转动时所产生的脉冲信号，经过电路的处理送入作为处理核心的单片机的中断端口，经过单片机的定时/计数器计算出总的脉冲数和每转一圈的的时间，通过模数转化传给LED数码显示管进行显示。

该测试系统整体思路：当永久磁体经过开关型霍尔元件时，霍尔器件会捕捉到一个脉冲信号，我在自行车的车圈上安装一个永久磁块时，每当自行车车圈转动一圈，霍尔元件就会采集到一个脉冲信号，经过电路把该脉冲信号传至单片机外部中断0的P3.2的端口，此时单片机会对该测速系统进行一次计数，每次进行计数便说明自行车车轮转动了一周。与此同时的，单片机的定时/计数器会记录一周所用的时间T。假定车圈的周长为L，L除以时间T便可以得到当前的速度V,L与中断数N的乘积便是自行车所行走的距离（里程）。

实现方法和要求如下：

第2章   硬件电路设计

§2.1 概述

驱动电路

传感器

该自行车测速系统主要实现功能是:ATC52单片机接收一个霍尔传感器的脉冲信号,单片机基于外部中断,根据内部定时器的记数算出自行车车速和里程并通过转换后送至LED显示。框图如下：

LED显示

单 片 机 

ATC52

 图  系统硬件电路

传感器是采集信号获取各种信息的关键器件，随着计算机的普及和工厂自动化程度发展，大量的传感器被人们应用。单片机是核心CPU主要对传感器传来的脉冲信号进行处理并将其输出和驱动其他模块。驱动电路是将单片机传来的信号按照控制要求进行处理和转换，让信号便于加在控制端和公共端之间，使信号开通和关断。LED显示电路主要接受单片机传来的信号显示出自行车的速度和里程。 

§2.2 单片机简介

ATC52芯片的简介

    ATC52是一个高性能的的CMOS 8位单片机，具有低电压性能，片内含有256位字节的随机存储器（ROM）和8K字节的可反复擦写FLASH只读存储器。芯片由MEL公司生产，具有高密度、非易失性存储技术的特点，片内含有8位的处理器和FLASH存储单元，能够兼容MCS-51的指令系统，此单片机在电子行业具有广泛的应用。

简介：

1)32个双向I/O口；

2)8KB可反复擦写的FLASH只读存储器；

3)256×8bit的内部RAM;

4)兼容MCS51指令系统；

5)有PDIP、PQIP、TQFP和PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求；

6)低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

7)时钟频率0-24MHZ;

8)3个16位的可编程定时/计数器中断；

9)2个串行中断，可编程UART串行通道；

10)2个读写中断口线，3级加密位；

11)2个外部中断源，共8个中断源；

其引脚图所下：

ATC52管脚分布

各个引脚功能的介绍如下表:

§2.3 霍尔器件概述

霍尔元件是一种以霍尔效应为原理的磁传感器，现在已经形成了样式各样的磁性传感器，并被人们广泛应用于生产和生活。霍尔传感器有很多优点，它们不受灰尘、烟雾和水汽的影响；它们体积小、重量轻、结构牢固、便于安装、使用时小功耗、高频率、耐振动且使用寿命长。

霍尔元件可分为输出模拟量的霍尔线性器件和输出数字量的霍尔开关器件。前者具有高精度和线性度好的优点；后者无磨损、无触点、无抖动、无回调、输出波形清晰、位置重复精度高（可达um级）。

   对于霍尔器件的应用人们可以直接应用，也可以间接地应用。直接应用是利用它的霍尔特性直接测出被测对象的磁场或磁特性；间接应用是通过人为设置磁场，并以该磁场为被测对象的载体，从而将我们所需的各种物理量转化为我们能检测和控制的电量进行测量。

   本设计应用开关型集成霍尔传感器，它是把霍尔元件测量的信号处理成一个高电平或低电平的数字信号输出。霍尔开关电路又被称为霍尔数字电路，它由稳压器、差分放大器、霍尔片、施密特触发器和输出级等组成。

    利用霍尔元件测磁场的方法非常简单，只需把霍尔元件做成各式各样的探头，放在被测磁场中，霍尔器件只对垂直于霍尔片表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。用磁场作为被传感物体的一些物理量信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个5×4×2.5（mm3）的钕铁硼Ⅱ号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 

 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。

§2.4 显示电路的设计

本设计中采用LED数码管的显示。LED显示技术已经被人广泛应用到了生活和生产中，生活中我们所见到的显示屏有80%以上都是利用LED显示的。常见的LED数码管为"8"字型的，共有8段。每段对应一个发光二极管。在每段加上合适的电压后该段就会亮，因此在不同的段加上电压就会显示不同的数字。实物如图

  图 数码管

这种常见的LED数码管分为共阳极和共阴极两种类型。共阳极型LED数码管就是发光二极管的阳极连接在一次，通常情况下公共阳极接正电压。当某个发光二级管的阴极接低电平时，该发光二极管便被点亮。 

内部结构如下：

共阳型LED

共阴极型LED数码管的发光二极管的阴极连接在一起，通常情况下，该公共端接地。当某个发光二级管的阴极接高电平时，该发光二极管便被点亮。 

内部结构如下：

共阴型LED

 为了让LED数码管能如我们想象那样显示不同的数字及符号，就需要把某些段的发光二极管点亮，某些段不亮。为了实现这种想法，我们为每段数码管提供一些代码，这些代码被人们称为段码或字型码。下表为LED段码表：

                                     LED段码表 

 数码管通常有静态显示和动态显示两种显示方式。所谓的静态显示就是表示无论多少位LED数码管，都同时处于显示状态。LED数码管处于静态工作时，共阳极（或共阴极）的公共端到+5V(或接地)；每位的段码线（a~dp）分别与一个8位的I/O口锁存器输出相连。静态显示无闪烁、亮度高、软件操作简单；但所需要用的I/O口较多，增加了电路的复杂性，一直显示也不符合节约的理念，因此本设计才用了动态显示方式。

 动态显示方式就是指根据显示的需要选择不同的数码管进行显示。在多位LED显示的情况下，为了使设计电路简化，一般会把所有显示段的段码线并联在一起接到一个8位I/O口进行控制，同时把各个的共阳极（或共阴极）接到相应的I/O口上进行控制，实现各个数码管的位选通。

系统各模块电路设计分析

2.5.1 霍尔传感器采集信号电路

 在自行车车轮上安装个强磁体，自行车在行走时，当磁铁接近霍尔传感器的时候，霍尔传感器产生脉冲，脉冲接到单片机的外部中断0的引脚P3.2上，没来一次脉冲就进行一次计数。工作电路图如下：

2.5.2 ATC52工作电路

ATC52工作的最小系统是在单片机外面接上一个晶振电路和一个复位电路，同时给单片机接上电源和地，单片机便可以工作了。

工作原理图如下：

2.5.3 ATC52复位电路

为了确保单片机和系统各部分电路处于初始状态，并从初始状态开始进行工作，在单片机在启动的过程中都需要对其进行复位。ATC52单片机复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统振荡器稳定后，且单片机处于正常工作状态时，如果RST引脚上维持一个高电平，并且该高电平持续了2个机器周期(24个振荡周期)以上，此时单片机便接受复位信号并会将系统进行复位。

本设计采用按键手动脉冲复位方式，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。复位电路软件程序或者硬件发生错误的时候，产生一个复位信号，控制单片机从0000H单元开始执行程序，重新执行软件程序 。复位电路如图所示。

2.6.4 ATC52的晶振电路

时钟信号在单片机中扮演者非常重要的角色，时钟频率为单片机的各功能部件运行提供基准。时钟频率可以直接制约单片机的速度，另一方面，时钟电路质量的好坏也制约单片机系统的稳定。

虽然每个单片机都有内部时钟，但是由于制造的误差、温度的变化和较低制造精度，不能满足本设计要求，故采用外部晶振的方式为该设计提供时钟源。把由晶振和电容C1、C2并联共同组成的谐振电路，接到放大器的反馈的回路中，内部振荡器产生自激振荡，一般晶振可在2-12MHz之间任选。该电路对外接的电容值没有作严格的要求，但电容器的大小一般都会对振荡器频率的高低、振荡器的稳定、起振的快速性和温度的稳定性有所影响。因此当外接晶振时，C1、C2通常选30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1、C2的典型值为47pF，这里C1、C2均为20pF。

时钟周期是外接晶振的倒数，时钟周期为（1/12us），是ATC52单片机中最小的，最基本的单位。

2.6.5 显示电路的设计

数码管的段码a,b,c,d,e,f,g,dp分别与单片机的P0.0～P0.7端口相连，控制数码管使其显示不同的字形；由4个PNP三极管控制数码管的位选通，分别接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4端口上，程序中通过控制P2.0～P2.3端口的输出电平便可以控制各个数码管的显示和关闭。如P2.0输出低电平时，则三极管T1导通，+5V电源加到第一个数码管的COM端，那么第一个数码管DG1就会显示出相应的数字，显示的数字由单片机P0.0～P0.7输出段码决定，当P2.0输出高电平时，三极管T1截止，数码管DG1就不显示，从而实现数码管位选通控制。同理，当P2.1输出低电平时，则数码管DG2显示。

第3章 软件程序设计

§3.1  概述

   完成硬件电路部分的设计后，便是与之相呼应的软件部分的设计，软件部分的设计是本设计的核心，没有软件的支持，硬件只是一个摆设。根据硬件电路部分的要求和本设计实现的要求设计出软件部分的具体方案。该部分的整体设计理念是实现各个模块的系统化，既是把整个大的系统根据设计要求和功能的不同分割成一个个小的功能模块，再根据不同的小模块的要求设计它们的程序框图进而用汇编语言编写出各自的程序，再把各个小的功能模块连起来实现系统的整体功能。当整个系统出现问题时，可以根据功能各个排除，找出问题的所在，快速解决问题，使系统更好的工作。在整个软件设计过程中，一定要与硬件电路部分相结合，硬件设计是软件设计的基础，只有紧密结合硬件部分才能设计出好的软件程序。    

该系统的软件设计部分包含各个元件的初始化程序、信号采集和传送的程序、中断子程序、核心单片机处理程序和LED数码管显示程序等部分。各个部分相互联系，各部分的功能又有所不同，因此采用了模块化的设计。

§3.2 总体程序设计

在系统的主程序设计模块中，主要完成对各个元件芯片的初始化、和接口引脚的初始化、中断和定时向量的设计、系统中速度和里程子程序的调用、循环等工作。此外，主程序模块的设计过程中还要对里程寄存器、速度寄存器和标志寄存器进行设计和初始化。主程序会根据各个标志寄存器包含的内容完成各部的启动，数据的清除、里程的计数以及速度的实时记录等操作。

单片机端口P1.0用来控制自行车里程的状态显示，P1.1用来控制自行车速度的实时显示状态。端口P1.2、端口P1.3、端口P1.6和端口P1.7用来记录自行车车圈转动的圈数，P1口低电平有效。端口P3.2用于对自行车里程显示和速度显示的切换，设定为低电平时显示自行车实时速度，高电平时显示自行车所行进的里程。单片机的外部中断0记录自行车车轮转动的圈数，每当自行车车轮子转动以圈，霍尔传感器就会采集并输出一个脉冲信号。脉冲信号传入单片机，由此将根据里程寄存器内容，计算出自行车所行驶的里程。单片机外部中断1的端口用来控制定时/计数器T1的开与关，输入为0的时候关闭定时器，相反，为1时开启定时器。因此定时/计数器每次开启时间正好是自行车车轮子转动一圈的时间，故此可以用车轮子的周长与时间的商算出自行车当前的行驶速度。其程序流程如下图所示：

图3.1 主程序流程图

§3.3 中断子程序设计

 为了满足主程序中定时与计数的需要，我们应该设计定时中断子程序。ATC52单片机内部包含了两个定时/计数器，利用这两个定时/计数器对系统的进行计数，分别实现了计时与计数等一些功能。每当定时时间和计数数值满时，单片机就会产生溢出信号，此时用该溢出信号作为中断请求来置位出一溢出标志，该标志便是单片机接受中断请求的标志。这个中断请求过程都是在单片机内部自行发生的，因此我们不用在单片机芯片上接出入端。 

    图 中断子程序流程图

定时/计数器控制寄存器（TCON)是一个8位的以可位寻址寄存器，储存地址是88H。其中高4位多用于定时/计数器的中断控制，低4位常会借给外部中断，做为中断标志与触发方式的选择位。设计采用了定时中断的方式，对自行车的行驶里程与实时速度进行计数。中断子程序流程图如上图所示。  

§3.4 显示子程序的设计

本设计采用了LED数码管动态显示放（既是动态扫描显示接口电路），动态显示的接口电路就是把所有数码显示管的8个段码线并联在一起接在单片机的8个I/O上，各个LED数码管的公共极分别接在一个I/O口上，可以受单片机的控制。当单片机输出字型码时，所有的LED数码管接受到是一样的，显示出的字码也是相同，但是到底哪个数码管显示取决于为控制端（即数码管的COM）。通过段选通和位选通的控制实现对自行车当前速度和行驶里程的显示。

该设计中选用了P2口的P2.0引脚、P2.1引脚、P2.2引脚、P2.3引脚控制LED数码管的位选通，使不同数码管处于显示状态；P0口中的P0.0～P0.7引脚控制LED数码管的段选通，使数码管显示不同的数字。并用一些汇编语言进行编程，对个端口进行初始化，并划出显示数据的存储单元，实现各个LED数码管的正常显示。显示流程图如下：

  显示子程序流程图

第4章 结 论

该研究课题主要是让我们以ATC52单片机作为核心，采用霍尔传感器收集信号，并能通过LED数码管显示等理论，研究开发一个能实时记录和显示的自行车车速和行驶里程的仪表。本设计整体上主要分为硬件电路部分和软件程序部分，硬件电路部分主要考虑电路的可实施性、方便性和各个器件的耐用性、经济性。因此精选各个器件。简化电路，节省空间，进而达到电路的最优设计。软件部分的设计采用了模块化设计的理念，对一个大的系统进行分割处理，使其明了、简单，更增强各个程序的可读性。并通过软件的仿真验证了系统设计的可行性。

设计中涉及到了自行车里程与速度的计算，计算公式如下：

 速度V = 自行车车圈周长 L  转动一圈的时间T

 里程 S =自行车车圈周长 L  转动的圈数N 

根据此公式最终计算出里程和速度并用LED显示数码管显示。其中转动一圈的时间T为定时/计数器的开启时间，车轮转动的圈数N为单片机内部中断数。

本次设计的优点：设计电路简单、成本低，基本上满足啦人们的需求，并且可以在其他的一些里程和速度的测量中应用，为未来的发展提供了很好的保障。该设计的不足之处是没有设计自动发电的供电装置。我们可以利用自行车车轮转动为动力来设计一个发电装置，为该测试装置供电，这样不用外部提供电源，更好的响应了国家提出的“节能减排”的。在此方面加以改进和研究一定会受到人们光的关注和喜爱的。

致 谢

本次毕业设计过程里让我学到了很多东西，在这短短的几月的设计里我获益良多。在我刚拿到论文题目的时候，自我感觉该课题的研究很简单，在导师开会的时候也提到我的课题很简单，但在我自己设计的过程遇到了很多问题，理论分析分析的不明了，自己对单片机的很对知识掌握不牢，不能对其融会贯通，不能把课本上的理论知识应用到实际的设计中。在设计的过程中，我一边学习书本上的理论知识，一边去请教但是有关单片机在生活和生产中的一些应用，最终在老师和身边同学的帮助下，我对自己的课题有了新的认识，并在他们的帮助和指导下完成了这次的设计。

在这里我首先要感谢我的指导老师，每当我在设计过程中遇到难题和不明白的地方，她都会在百忙之中抽出时间为我悉心的解答，是指导老师不厌其烦的讲解和耐心的教导，才让我能顺利的完成这次设计。其次，我还要感谢我身边的同学，尤其是我们一组的同学，在我遇到难题时，他总是主动伸出援手，帮我解决难题；在我有些软件不会用不明白时，也是他们在我身边为我指导，在他们的帮助下，我解决了一个又一个的难题。同时也让我感到合作的意义，增加了wide团队合作意识。最后，要感谢学校的培养和学校的领导的关心和照顾。

毕业设计虽然已经结束，但他给我留下的回忆是难忘的，其中有艰辛的劳动，有和同学们一次合作的快乐，在设计的过程中使师生的感情进一步升华，使同学之间的友谊进一步的增加，并且感觉每天都过得很充实和愉快。

参考文献

[1] 张毅刚，彭喜元，彭宇等.单片机原理及应用技术[M]： 高等教育出版社，2010.

[2] 楼然苗，李光飞. 51系列单片机设计实例[M]. 北京航空航天大学出版社，2006.

[3] 徐晨，陈继红等.微机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4] 姜秀英,姜涛等.传感器与自动检测技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5] 阎焕忠, 王长涛, 马斌. 单片机控制里程转速表的设计. 沈阳建筑工程学院学报（自然科学版）,2002.

[6] 曲家骇，王季秩，伺服控制系统中的传感器[M]. 机械工业出版社. 1998.

[7] 张福学. 传感器使用电路150例.中国技术出版社,1992.

[8] 张友德，赵志英，涂时亮.单片机微机原理，应用与实验[M].上海：复旦大学出版社，2003：122-136.