单片机的自行车测速系统的设计
单片机的自行车测速系统的设计[20200128193727]
摘要
本论文主要研究一种使用霍尔传感器对自行车进行测速的设计。以AT89C52单片机为核心，霍尔传感器测转数，实现对自行车里程、速度、时间、温度的测量统计。文章详细介绍了自行车的速度里程表的硬件电路和软件设计。硬件部分利用霍尔传感器把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运算并显示。软件部分用汇编语言进行编程，使用模块化设计思想。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。
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关键字:里程/速度；霍尔元件；单片机；LED显示
引言
一 系统的框图及原理 2
（一） 系统框图 2
（二） 系统原理 2
（三） 方案论证 2
二 硬件电路设计 3
（一） 单片机简介 3
（二） 单片机最小系统 3
1 时钟电路的设计 3
2 复位电路的设计 4
（三） 传感器的介绍 5
1 霍尔传感器简介 5
2 信号采集电路 5
（四） 显示 6
1 LED简介 6
2 显示电路 6
三 软件程序设计 7
（一） 总体程序设计 7
(二) 中断子程序设计 8
（三） 显示子程序设计 9
四 仿真图 11
总结 12
致谢 13
参考文献 14
附录 15
(一) 总体电路图 15
（二） PCB 图 16
（三） 源程序 17
引言
自行车已经有200多年的历史了，随着人们生活娱乐水平的不断提升，自行车不再仅仅是运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的第一选择。如今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，动感单车，死飞等等一系列自行车衍生出来的产品出现在人们的生活中。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。使自行车能发挥更多的作用，更方便人们的日常生活。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AT89C51系列单片机设计一种体积小、操作简单的便携式自行车的速度里程表，它能自动地显示当前自行车行走的距离及运行的速度。
一、系统的框图及原理
（一）系统框图
系统框图如图1所示
图1 系统原理框图
先用霍尔传感器把轮毂的转数的外部信号转换为电信号，进行处理后传输给单片机。经过公式测出总的脉冲数和每转一圈所需的时间，经过单片机的计算得出，里程和速度通过LED显示器显示出来。
（二）系统原理
本系统总体思路如下：设定轮圈的周长为L，在轮毂上安装m个磁铁，则测得的里程值最大误差为L/m。本设计中设定m=1。当轮毂每转一圈，通过霍尔元件传感器得到一个脉冲信号，并从引脚P3.2中断0端输入，当传感器获取一个脉冲信号，系统就提供一次计数中断。每次中断代表轮毂转动一圈，中断数n轮圈的周长为L的乘积则为里程值。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。具体实现方法如下：
1. 利用霍尔传感器获得里程数的脉冲信号。
2. 对脉冲信号进行转换。
3. 对数据进行计算，用LED显示里程总数和即时速度。
（三）方案论证
对于传感器，我们有多种选择。光敏电阻对光线很敏感，如果白天行驶时，外界光源就会使光敏电阻产生错误信号；光敏电阻对环境的要求也很高，如果光敏或发光二极管被泥土或者灰尘覆盖住，光敏电阻就不能再进行准确测量；而传感器必须安装在轮毂上，安装起来比较复杂。霍尔传感器不但不受天气的影响，被泥土或灰尘覆盖也不会有影响，而且安装方便。所以本设计中使用霍尔传感器。
二 硬件电路设计
（一）单片机简介
单片机是一种集成在芯片上的微型计算机，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/计数器等部件都集成在一块芯片上，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。单片机内部结构示意图如图2所示。
图2 单片机内部结构示意图
（二）单片机最小系统
1、时钟电路的设计
AT89C52片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。本设计采用内部时钟方式。
单片机里面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。单片机内部时钟方式的振荡电路如图3所示。
图3 单片机片内振荡电路
电路中的电容C11和C9常定为30P左右。对于外接电容虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器是否稳定。而外接晶体的振荡频率的大小，主要还是看单片机的工作频率范围，每种单片机都有自己的极限频率，外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率就可以了。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
S
2、复位电路的设计
本系统采用的复位电路按键复位，如图4所示，是常用复位电路之一。手动复位是指单片机复位通过按动按钮产生高电平复位。上电接通电源时，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，高电平会使单片机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序再执行一次，按动按钮就可以了。按下按钮会直接把+5V加到了RET/VPD端从而复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部归零，只有SBUF寄存器状态是不确定的。
图4 复位电路
（三） 传感器的介绍
1、霍尔传感器简介
使用霍尔传感器获取脉冲信号，其机械结构也可以做得简单一点，只要在转轴的齿轮盘上安装一颗磁铁，当轮毂转动时霍尔元件靠近磁铁，就会有信号产生，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号。如果在齿轮盘上安装多颗磁铁，可以实现旋转一周，获得多个脉冲信号。不过安装磁铁时要注意霍尔传感器对磁场很敏感的，安装之前可以用手接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常常用来信号采集的是A44E，这个传感器是一个3端器件，外形与三极管很像，只要连接电源、地，就可以工作了，工作电压范围宽，使用非常方便。A44E的外形如图5所示。
引脚1接地，引脚2接电源，引脚3接输出。
图5 A44E外形图
2、信号采集电路
霍尔传感器接线图如图6所示。
图6 集成霍尔接线图
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。
（四） 显示电路
1、LED简介
本设计使用动态扫描显示接口电路，动态显示接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连接起来，每个显示器的公共极COM都受到独立的I/O线控制。CPU向字段输出口送出字型码时，所有显示器接收到相同的字型码，哪个显示器亮，则取决于COM端。我们就可以采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，每个显示器都可以轮流亮起来。在轮流点亮的过程中，每个显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），由于人的视觉影响和发光二极管的余辉效应，而且只要扫描的速度足够快，就不会使人感到闪烁感。七(八)段LED显示器如图7所示。
摘要
本论文主要研究一种使用霍尔传感器对自行车进行测速的设计。以AT89C52单片机为核心，霍尔传感器测转数，实现对自行车里程、速度、时间、温度的测量统计。文章详细介绍了自行车的速度里程表的硬件电路和软件设计。硬件部分利用霍尔传感器把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运算并显示。软件部分用汇编语言进行编程，使用模块化设计思想。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。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:里程/速度；霍尔元件；单片机；LED显示
引言
一 系统的框图及原理 2
（一） 系统框图 2
（二） 系统原理 2
（三） 方案论证 2
二 硬件电路设计 3
（一） 单片机简介 3
（二） 单片机最小系统 3
1 时钟电路的设计 3
2 复位电路的设计 4
（三） 传感器的介绍 5
1 霍尔传感器简介 5
2 信号采集电路 5
（四） 显示 6
1 LED简介 6
2 显示电路 6
三 软件程序设计 7
（一） 总体程序设计 7
(二) 中断子程序设计 8
（三） 显示子程序设计 9
四 仿真图 11
总结 12
致谢 13
参考文献 14
附录 15
(一) 总体电路图 15
（二） PCB 图 16
（三） 源程序 17
引言
自行车已经有200多年的历史了，随着人们生活娱乐水平的不断提升，自行车不再仅仅是运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的第一选择。如今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，动感单车，死飞等等一系列自行车衍生出来的产品出现在人们的生活中。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。使自行车能发挥更多的作用，更方便人们的日常生活。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AT89C51系列单片机设计一种体积小、操作简单的便携式自行车的速度里程表，它能自动地显示当前自行车行走的距离及运行的速度。
一、系统的框图及原理
（一）系统框图
系统框图如图1所示
图1 系统原理框图
先用霍尔传感器把轮毂的转数的外部信号转换为电信号，进行处理后传输给单片机。经过公式测出总的脉冲数和每转一圈所需的时间，经过单片机的计算得出，里程和速度通过LED显示器显示出来。
（二）系统原理
本系统总体思路如下：设定轮圈的周长为L，在轮毂上安装m个磁铁，则测得的里程值最大误差为L/m。本设计中设定m=1。当轮毂每转一圈，通过霍尔元件传感器得到一个脉冲信号，并从引脚P3.2中断0端输入，当传感器获取一个脉冲信号，系统就提供一次计数中断。每次中断代表轮毂转动一圈，中断数n轮圈的周长为L的乘积则为里程值。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。具体实现方法如下：
1. 利用霍尔传感器获得里程数的脉冲信号。
2. 对脉冲信号进行转换。
3. 对数据进行计算，用LED显示里程总数和即时速度。
（三）方案论证
对于传感器，我们有多种选择。光敏电阻对光线很敏感，如果白天行驶时，外界光源就会使光敏电阻产生错误信号；光敏电阻对环境的要求也很高，如果光敏或发光二极管被泥土或者灰尘覆盖住，光敏电阻就不能再进行准确测量；而传感器必须安装在轮毂上，安装起来比较复杂。霍尔传感器不但不受天气的影响，被泥土或灰尘覆盖也不会有影响，而且安装方便。所以本设计中使用霍尔传感器。
二 硬件电路设计
（一）单片机简介
单片机是一种集成在芯片上的微型计算机，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/计数器等部件都集成在一块芯片上，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。单片机内部结构示意图如图2所示。
图2 单片机内部结构示意图
（二）单片机最小系统
1、时钟电路的设计
AT89C52片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。本设计采用内部时钟方式。
单片机里面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。单片机内部时钟方式的振荡电路如图3所示。
图3 单片机片内振荡电路
电路中的电容C11和C9常定为30P左右。对于外接电容虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器是否稳定。而外接晶体的振荡频率的大小，主要还是看单片机的工作频率范围，每种单片机都有自己的极限频率，外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率就可以了。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
S
2、复位电路的设计
本系统采用的复位电路按键复位，如图4所示，是常用复位电路之一。手动复位是指单片机复位通过按动按钮产生高电平复位。上电接通电源时，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，高电平会使单片机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序再执行一次，按动按钮就可以了。按下按钮会直接把+5V加到了RET/VPD端从而复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部归零，只有SBUF寄存器状态是不确定的。
图4 复位电路
（三） 传感器的介绍
1、霍尔传感器简介
使用霍尔传感器获取脉冲信号，其机械结构也可以做得简单一点，只要在转轴的齿轮盘上安装一颗磁铁，当轮毂转动时霍尔元件靠近磁铁，就会有信号产生，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号。如果在齿轮盘上安装多颗磁铁，可以实现旋转一周，获得多个脉冲信号。不过安装磁铁时要注意霍尔传感器对磁场很敏感的，安装之前可以用手接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常常用来信号采集的是A44E，这个传感器是一个3端器件，外形与三极管很像，只要连接电源、地，就可以工作了，工作电压范围宽，使用非常方便。A44E的外形如图5所示。
引脚1接地，引脚2接电源，引脚3接输出。
图5 A44E外形图
2、信号采集电路
霍尔传感器接线图如图6所示。
图6 集成霍尔接线图
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。
（四） 显示电路
1、LED简介
本设计使用动态扫描显示接口电路，动态显示接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连接起来，每个显示器的公共极COM都受到独立的I/O线控制。CPU向字段输出口送出字型码时，所有显示器接收到相同的字型码，哪个显示器亮，则取决于COM端。我们就可以采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，每个显示器都可以轮流亮起来。在轮流点亮的过程中，每个显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），由于人的视觉影响和发光二极管的余辉效应，而且只要扫描的速度足够快，就不会使人感到闪烁感。七(八)段LED显示器如图7所示。
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