基于单片机的自行车里程计系统设计.docx

电子信息工程专业课程设计任务书题目：基于单片机的自行车里程计系统设计设计内容设计制作和调试一个由8052MCU组成的自行车里程计系统。通过这个过程学习熟识单片机的外围扩展、键盘限制和七段数码管的运用，驾驭51系列单片机限制和测试方法。设计以STC89C51单片机为核心，以霍尔传感器做为输入、运用独立键盘限制显示停止/起先、清零，以LED为显示方式的自行车里程计，完成基本要求。1）数码管显示：自行车里程；2）键盘限制里程计的起先、停止和清零；设计步骤一、总体方案设计其中，采纳51系列MCU构成典型电路。选用适当的霍尔传感器器件。选择独立键盘和4位共阴极数码管。二、硬件选型工作三、硬件的设计和实现1 .选择计算机机型（采纳51内核的单片机）；2 .设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）；3 .接口电路；4 .其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）四、软件设计1 .安排系统资源，编写系统初始化和主程序模块；2 .编写相关子程序；3 .其它程序模块（显示与键盘等处理程序）。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。课程设计说明书要求1 .课程设计说明书应采纳学院统一印制的课程设计（论文）说明书封面，书写应仔细，字迹工整，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。2 .论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达准确，并提出自己的见解和观点。3 .课程设计说明书应有书目、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应包括程序清单、系统方框图和电路原理图。4 .课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思索内容和引用的相关学问。5 .要求打印B5纸，排版要求请向指导老师索取。6 .每组单独一个题目，每组上限5人。时间支配课程设计支配时间4周。课程设计题目于15周下发。课程设计完成后于18周四下午下班前送交电子信息办公室（试验楼三楼），届时指导老师支配短暂答辩辅导时间和地点答疑请干脆与指导老师联系。目录一、设计任务和要求2二、设计目的2三、设计的详细实现31 .系统概述32 .STC单片机的原理与应用43霍尔传感器电路设计74 .USB供电电路设计95 .按键电路设计106 .显示电路设计107,复位电路设计118 .晶振电路设计129 .总电路原理图1310 .软件程序设H14四、系统调试与仿真23五、心得体会和建议24六、附录26七、参考文献27基于单片机的自行车里程计系统设计报告一、设计要求1 .设计背景我国是自行车大国，随着人们生活水平的渐渐提高，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，自行车却是一项特别受欢迎的健身运动。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共享受到大自然，对于劳碌的现代人来说，无疑是一种较好的放松方法。在中国这种状况也在渐渐发生变更。因此爱好自行车运动的人特别须要一款装置，以知道自己的运动状况。并依据外界条件，如温度等进行适当的调整，已达到最佳运动的效果。2 .设计详细要求设计一个自行车车轮半径已知，用霍尔传感器测定出自行车的里程，并通过数码管显示出来的自行车里程表系统。二、设计目的1.通过单片机原理与接口技术专业课程设计，完成一个课题的理论设计和试验调试任务，既加深专业学问的理解，又能培育专业实践技能，提高分析解决问题和解决问题的实力。3 .培育从文献和调查探讨中获得学问的实力，提高学生从别人阅历，从其他学科找到解决问题的新途径的悟性。4 .培育综合运用本专业基本理论、基本学问和基本技能的实力，使自己获得从事本专业工程技术工作的基本训练。5 .培育勇于探究，严谨推理，实事求是，用实践来检验理论、全方位地考虑问题等科学技术人员应具有的素养。6 .提高对工作仔细负责、一丝不苟，对同学友爱团结、协作攻关，对新事物能潜心考察，勇于开拓，勇于实践的基本素养。7 .进一步熟识驾驭计算机和EDA工具软件的实力。三、设计的详细实现1 .系统概述自行车的速度里程表的硬件电路设计是基础部分，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，两大主要器件就是传感器和单片机。传感器是获得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行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，须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供应了机遇，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。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，而且包括计算、定时、信息处理等功能。本设计中，我们以STC公司STC89C52单片机为限制核心，采纳霍尔传感器检测自行车轮胎的运转状况，通过肯定的抗干扰处理和计算后，由LED显示自行车的里程。本设计中，计数的正确性确定了本装置的精度，如何在困难的环境中得到正确的计数脉冲，是本设计的难点，初步的解决方法是在硬件上进行合理的滤波，软件上进行肯定的算法处理。其原理很简洁，因为车轮的直径已知，车轮的圆周长便是恒定不变的。由此可以计算出霍尔传感器每发出一次计数脉冲自行车所走过的里程数。系统原理框图如图3.1。霍尔传感器外部信号STC89C52单片机里程显不图3.1自行车里程计系统原理框图2 .STC单片机的原理与应用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(CentralProcessingUnit)>随机存储器RAM(RandomAccessMemory)、只读存储器ROM(Read-OnIyMemOry)、基本输入/输出(InPUt/0UtPUt)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。冻结，单STC89C52是一种低功耗、高性能CM0S8位微限制器,具有8K在系统可编程FlaSh存储器。在单芯片上，拥有灵活的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式限制应用系统供应高敏捷、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM,MAX810复位电路，2个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89X52可降至OHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电闲模式下，止工作，允定时器/计口、中断接掉电爱护RAM内容振荡器被片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。STC89C51管脚图如图3.2所示。图3.2STC89C52引脚图STC89C52的主要管脚功能如下：PO.0-P0.7：PO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。Pl.O-Pl.7：Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2.0P2.7：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3.0P3.7：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。ALE：地址锁存限制信号。在系统扩展时，ALE用于限制把PO输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。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运用。PSEN：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，睛有效（低电平），以实现外部RoM单元的读操作。EA：访问程序存储限制信号。当丽信号为低电平常，对RoM的读操作限定在外部程序存储器；当丽信号为高电平常，对RoM的读操作是从内部程序存储器起先，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号持续两个机器周期以上的高电平常即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTALI和XTAL2：外接晶体引线端。当运用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当运用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS：地线。VCC：+5V电源。3.霍尔传感器电路设计本次设计信号的捕获采纳的是霍尔传感器。霍尔器件具有很多优点，它们的结构坚固、体积小、重量轻、寿命长、安装便利、功耗小、频率高（可达IMHz）、耐振动、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、输出波形清楚、无抖动、无回跳、位置重复精度高。依据霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，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：干脆应用和间接应用。A44E集成霍尔开关封装引脚图如图3.3所示。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,依据霍尔效应原理，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肯定，此差值称为磁滞，在此差值内，VO保持不变，因而使开关输出稳定牢靠，这也就是集电成霍尔开关传感器优良特性之一。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IkW的负载电阻，如图3.4所示。(a)(b)图3.4集成霍尔开关接线图A44E输出端OUT连到单片机外部中断O上，当磁铁靠近A44E时输出端产生一个低电平信号，使CPU产生一次中断计一次数。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。本设计中取"1。当轮子每转一圈，通过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，传感器每获得一个脉冲信号即对系统供应一次计数中断。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。里程S二周长L*圈数n电源总是电路设计不行缺少的部分，本次设计采纳了USB电源供电。USB接口可以向外供应电源，且是5V的电压，特别适合于TTL信号的系统，特殊是单片机系统。可以运用这个电源为USB供电，这样便削减了电源设计，简化了USB系统结构。在USB总线系统中，USB主机和USB集线器可以通过VBUS和GND两根电源线向外供应电源，电源一般4.755.25VoUSB协议中规定，每个USB端口最大数据电流为500mA。USB端口具有高输出功率和低输出功率之分，同样，USB设备可以依据电流的消耗分为高功率消耗设备和低功率消耗设备。高功率消耗设备一般须要100500mA的电流，低功率消耗设备一般需OlOOmA的电流。电路图如图3.5所示。图3.5USB供电电路5 .按键电路设计键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送吩咐的功能，是人工干预的主要手段。键盘是单片机系统设计中一种主要的信息输入接口，合理的设计，不仅可以节约系统的设计成本，更可使仪器设备的操作变得更为简洁、便利，很大程度上提高系统综合性能。本次设计中通过按键Sl来限制里程计的起先和停止，通过按键S2使里程计清零。电路图如图3.6所示图3.6按键电路6 .显示电路设计显示模块可以采纳液晶显示器或者数码管显示器，但数码管具有低功耗，简洁限制，占用CPU资源少这些优点，考虑到成本缘由，选择了4位的七段共阴极数码管显示已经完全足够。本设计中运用4个单位数据管，数码管的阳极全部连接在一起，然后与Ul原件74HC573锁存器的数据输出端相连,所存起的数据输入端连接单片机的PO口低四位，PO口同时加了上拉电阻，数码管中WEI,WE2,WE3,WE4是它们的位选端，每一个数码管对应一个位选端，与U2原件74HC573的数据输出端的低四位相连，U2的数据输入端也连接到单片机的POo两个锁存器的锁存端分别与P2.6和P2.7相连。单片机限制锁存器的锁存端，进而限制锁存器的数据输出，这种时分限制的方法便可便利地限制随意数码管显示随意数字。电路图如图3.7所示。%hc1一2-3一 4T二6-s-二U厂二 f 4 cdpb xvf74 HC57374 HC573图3.7显不电路7 .复位电路设计复位是单片机的初始化操作，它是由外部的复位电路来实现，只需给单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使其复位。电路图如图3.8所示。8 .晶振电路设计晶振电路用于产生单片机工作时所需的时钟限制信号。通过单片机的引脚XTALLXTAL2跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。时钟频率干脆影响单片机的速度，晶振电路的质量也干脆影响单片机系统的稳定性。晶振电路电路图如图3.9所不。9 .总电路原理图TQt1-±Li三l主程序流程图如图3.10所不结束LED显示里程计数器起先计数计数器清零变更计数器状态(停止/开启)图3.10主程序流程图显示子程序设计本设计中运用4个单位数据管，数码管的阳极全部连接在一起，然后与Ul原件74HC573锁存器的数据输出端相连,所存起的数据输入端连接单片机的PO低四位，PO口同时加了上拉电阻，数码管中WEI,WE2,WE3,WE4是它们的位选端，每一个数码管对应一个位选端，与U2原件74HC573的数据输出端的低四位相连，U2的数据输入端也连接到单片机的PO口o两个锁存器的锁存端分别与P2.6和P2.7相连。先打开Ul锁存器，限制段选端，输出须要显示的数字。然后关闭Ul锁存器，打开U2锁存器，限制位选端，如此依次使四个数码管显示该位的数字。显示子程序如下：voiddisplay(ucharqian,ucharbai,ucharshi,ucharge)dula=l;P0=tableqian;送千位段选数据duIa-O;PO=Oxff;送位选数据前关闭全部显示，防止打开位选锁存时wela=l;原来段选数据通过位选锁存器造成混乱PO=Oxfe;送位选数据wela=0;delayms(5);延时dula=l;Portablebai;送百位段选数据duIa=O;PO=Oxff;weIa=I;PO=Oxfd;wela=0;delayms(5);dula=l;PO=tableshi;送十位段选数据dula-0;PO=Oxff;wela=l;PO=Oxfb;weIa-O;deIayms(5);dula=l;P0=tablege;送个位段选数据dula-0;PO=Oxff;weIa=I;PO=Oxf7;wela-0;delayms(5);)里程计算子程序对单片机P3.2口输入的圈脉冲进行计数，计数器0打开但不打开中断，通过读取计数值进行限制。里程计算子程序流程图如图3.11。图3.11里程计算子程序流程图里程计算子程序如下：uintreadO(uchartl,thl,th2;uintval,1c;while(1)thl=THO;tI=TLO;th2=TH0;if(thl=th2)break;)val=thl*256+tl;读取计数器0所计数值lc=val*2;计算自行车行驶的里程数return1c;)总程序include<reg52.h>/52系列单片机头文件#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitdula=P26;申明Ul锁存器的锁存端sbitWela=P2/;申明U2锁存器的锁存端sbitkeyl=P36;申明独立键盘1sbitkey2=P37;申明独立键盘2ucharcodetable=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71);voiddelayms(uint);voiddisplay(ucharqian,ucharbai,ucharshi,ucharge)显示子函数(dula=l;PO=tableqian;送千位段选数据dula-0;PO=Oxff;送位选数据前关闭全部显示，防止打开位选锁存时wela=l;原来段选数据通过位选锁存器造成混乱PO=Oxfe;送位选数据wela=0;delayms(5);延时dula=l;Portablebai;送百位段选数据duIa=O;PO=Oxff;weIa=I;PO=Oxfd;wela=0;delayms(5);dula=l;PO=tableshi;送十位段选数据dula-0;PO=Oxff;wela=l;PO=Oxfb;wela=O;delayms(5);dula=l;P0=tablege;送个位段选数据duIa=O;PO=Oxff;weIa=I;PO=Oxf7;wela=0;delayms(5);)voiddelayms(uintxms)(uinti,j;for(i=xms;i>0;i-)/i=xms即延时约xms毫秒for(j=110;j>0;j-);uintreadO(uchartl,thl,th2;uintval,lc;while(1)(thl=THO;tI=TLO;th2=TH0;if(thl=th2)break;)VaI=thl*256+tl;读取计数器0所计数值lc=val*2;计算自行车行驶的里程数return1c;)voidmain()uchara,b,c,d;uintnum;TM0D=0x05;设置计数器0为工作方式1(00000101)THO=O;将计数器寄存器初值清零TLO=O;TRO=I;while(1)(if(keyl-=O)(delayms(10);if(key1=0)(while(!keyl);TRO="TRO;num=read();if(key2=0)(delayms(10);if(key2=0)(THO=O;TLO=O;while(!key2);)if(num>=10000)(num=0;THO=O;将计数器寄存器值清零TLO=O;a-num/1000;b=num%1000/100;c=num%1000%10010;d-num%10;display(a,b,c,d);)四、系统调试与仿真本次试验采纳的是UViSiOn3软件进行调试。KeilC51是美国KeilSOftWare公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再运用C来开发，体会更加深刻。KeilC51软件供应丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全WindoWS界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率特别之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，简洁理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种Keil软件图标是手工汇编，另一种是机器汇编,目前已极少运用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51,随着单片机开发技术的不断发展，从普遍运用汇编语言到渐渐运用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil供应了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UViSiOn）将这些部份组合在一起。运行KeiI软件须要PentiUnl或以上的CPU,16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WlN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。驾驭这一软件的运用对于运用51系列单片机的爱好者来说是特别必要的，假如你运用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不运用C语言而仅用汇编语言编程，其便利易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。连机调试就是在样机中全速运行系统软件，视察系统运行状况，并依据运行结果修改限制参数，或对软件、硬件方案作必要的修改，重复调试过程，直到系统能满意各项性能性能指标要求。五、心得体会和建议该设计通过对设计出来的板子进行调试，验证了理论分析结果的正确性。此次课程设计经过为小组同学的不懈努力，目前基本达到了预期的要求。通过对整个系统的调试，可得到如下结论：本系统是一个可测量自行车里程自行车里程表，能够通过数码管显示出自行车所行使的里程并能通过按键限制里程表清零，停止，启动。理解了自行车里程依据以下公式求得：里程二脉冲总数义车轮周长通过试验证明本次设计符合设计的要求，能实现对里程的显示并能人工限制里程表，功能性较强，具有肯定的实践意义，将会在很多场合应用。不过，这个设计还是有它的不足之处。首先就是没能实现对自行车速度的测定，在实际应用中不便利，这些还须要我们接着努力完善。在设计之前，参考了一些相关的资料。在设计中又参考了所学单片机的学问与单片机应用设计举例，有了设计系统的基本框架。加之在网上找了一些相关资料最终设计出自行车里程表的电路原理图，有了基本的思路。但着手设计时，又出现了很多未预料到的问题，例如元件的选择：在选择单片机时，是采纳MCS-51系列的哪种型号的单片机。在8031、8051、8751三种型号中我们选择了8051o8051是在8031的基础上发展的，又集成了4KB的ROM,而8751是在8031的基础上增加了4KB的EPROMo相对而言8051更适合我们所设计的系统，因而我们选择应用较为广泛的89C52单片机。在电源电路的设计中用了USB接口来实现，使系统供电更加便利。这次试验过程中我受益匪浅，培育了我的设计思维，增加了动手操作的实力。更让我体会到实现温度限制功能后的喜悦。本次设计还是有很多的不足之处，比如说本次设计的自行车里程表的功能并不强大等问题。我们在以后可以设计功能更为强大的自行车里程表，比如说我们可以添加测量自行车的瞬时速度等功能，只是由于时间以与个人的实力问题我们短暂还难以设计出这样的电路,这就有待于今后我们在学习中仔细领悟。六、附录表1元器件清单序号名称编号型号数量1电阻R3,R7,R8,R9,R17IOK52电阻Rl,R2,RIO,R19IM43电阻R6,RH,R16IK34电阻R4,R51825排阻Pl10K*816电容C4,C530pF27电容C2,C320pF28电容Cl10419电解电容CJl,CJ3IOuF210发光二极管D9,DlOLED211晶振Yl11.0592MHZ112晶振Y26MHZ113数码管LEDLED4LG2821BH414独立按键SI,S2,S22SW-P315自锁式按键S3SW-P116锁存器Ul,U274HC573217带并行D12PDIUSBD121总线的USB接口器件18单片机89C52STC89C521七、参考文献1.杨振江、冯军单片机原理与实践指导中国电力出版社20082 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