自动化毕业论文 自行车里程表的设计.doc

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滤波电路单片机系统化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信号通过单片机的设置可使内部定时器对脉冲输入引脚进行控制这样能精确地算出加到引脚的单位时间内检测到的脉冲数设计中速度显示采用模块通过速度换算得来的里程数采用总线并通过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数码管霍尔传感器滤波器存储器1目录第一章绪论课题背景发展及意义系统设计概述各章节的安排第二章自行车里程表的设计方法与基本原理霍尔传感器单片机最小系统频率测量法数码管存储器键盘控制滤波器第三章硬件实现的设计方法与原理系统概述系统总框图各部分硬件图显示部分第四章自行车里程表软件实现方法软件编程实现数据处理键盘控制部分程序第五章制作电路板绘制电路原理图制作板第六章总结实现功能心得体会参考文献致谢2第一章绪论课题背景发展及意义我国是自行车大国随着人们生活水平的不断提高自行车已经不仅仅是运输代步的工具其辅助功能也变得越来越重要因此人们希望自行车的娱乐休闲锻炼的功能越来越多能带来大家更多的健康与快乐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随着自行车里程表的发展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让人能清楚地知道当前的速度时间里程等物理量如佛山高明华劲电子公司的自行车里程表能动态显示行驶里程骑车时间实时车速等系统设计概述本设计中我们以ATMEL公司AT89S51单片机为控制核心采用霍尔传感器检测自行车轮胎的运转情况通过一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决定了本装置的精度如何在复杂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办法是在硬件上进行合理的滤波软件上进行一定的算法处理本装置中还可用上届毕业生的成果人体脉搏测量仪的设计与实现本装置将不仅能测量自行车的里程还能测量骑车人的心脏工作情况从这个角度上本设计更符合用户的需要本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3各章节的安排第一章叙述了自行车里程表的背景发展意义以及本自行车里程表的概述第二章介绍了自行车里程表的设计方法与研究主要是对设计中所需设备的详细介绍包括霍尔传感器单片机最小系统频率测量算法数据存储器及数码管具体为介绍霍尔传感器的基本原理及其应用和发展单片机最小系统的基本结构工作原理及其性能频率测量的算法及其实现数据存储器的引脚极其性能LED数码管的工作原理第三章是本论文的自行车里程表的硬件设计部分介绍了自行车里程表的总体设计思想电路图及其原理硬件实现第四章是自行车里程表的软件实现部分主要介绍单片机编程实现频率测量的功能第五章是绘制电路原理图制作图第六章为总结和展望介绍了本论文实现的功能阐述本课题的现实意义以及对未来自行车里程表技术的展望4第二章自行车里程表的设计方法与基本原理霍尔传感器霍尔传感器是一种能实现磁电转换的传感器用它们可以检测磁场及其变化霍尔传感器具有许多优点它们的结构牢固体积小寿命长安装方便功耗小频率高耐震动不怕灰尘油污及盐雾等的污染或腐蚀霍尔开关器件具有无触点输出波形清晰无抖动位置重复精度高等优点霍尔效应在一块半导体薄片上其长度为宽度为厚度为当它被置于磁感应强度的磁场中如果在它的相对的两边通以控制电流且磁场方向与电流方向正交则在半导体另外两端将产生一个大小与控制电流方向和磁感应强度乘积成正比的电势即其中为霍尔元件的灵敏度该电势就称为霍尔电势半导体薄片就是霍尔元件由于霍尔元件具有在静止状态下感受磁场的能力且结构简单形小体轻频带宽可从直流到微波动态特性好动态范围大寿命长和可进行非接触测量等优点故在检测技术自动控制技术和信息处理等方面得到日益广泛应用霍尔传感器在未来发展中的趋势将是高灵敏度高精度和高稳定度它将在微电子技术发展的基础上更加飞速的发展单片机最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统对系列单片机来说最小系统一般应该包括单片机晶振电路复位电路单片机最小系统的结构5单片机要正常运行必须具备一定的硬件条件其中最主要的就是三个基本条件电源正常时钟正常复位正常在单片机的个引脚中电源引脚根晶振引脚根控制引脚根可编程输入输出引脚根工作电源电源是单片机工作的动力源泉对应的接线方法为脚电源引脚工作时接电源脚为接地线复位电路由电容串联电阻构成由图并结合电容电压不能突变的性质可以知道当系统一上电脚将会出现高电平并且这个高电平持续的时间由电路的值来决定典型的单片机当脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位所以适当组合的取值就可以保证可靠的复位一般教科书推荐取取当然也有其他取法的原则就是要让组合可以在脚上产生不少于个机器周期的高电平晶振电路时钟电路为单片机产生时序脉冲单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的如果单片机的时钟电路停止工作晶振停振那么单片机也就停止运行了当采用内部时钟时连接方法如下图所示在晶振引脚脚和脚引脚之间接入一个晶振两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号电容的容量一般在几十皮法如典型的晶振取因为可以准确地得到波特率和波特率用于有串口通讯的场合产生精确的级时歇方便定时操作控制引脚接法脚为内外程序存储器选择控制引脚当为低电位时单片机从外部程序存储器取指令当接高电平时单片机从内部程序存储器取指令单片机内部有可反复擦写次以上的程序存储器因此我们把接到高电平让单片机运行内部的程序我们就可以通过反复烧写来验证我们的程序了单片机最小系统的性能相对于增加的新功能包括在线编程功能这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离是一个强大6易用的功能最高工作频率为大家都知道的极限工作频率是就是说具有更高工作频率从而具有了更快的计算速度具有双工串行通道内部集成看门狗计时器不再需要像那样外接看门狗计时器单元电路双数据指示器电源关闭标识全新的加密算法这使得对于的解密变为不可能程序的保密性大大加强这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯兼容性方面向下完全兼容全部字系列产品比如等等早期兼容产品也就是说所有教科书网络教程上的程序不论教科书上采用的单片机是还是还是等等在上一样可以照常运行这就是所谓的向下兼容频率测量法用于频率测量的方法有很多频率测量的准确度主要取决于所测的频率范围以及被测对象的特点而测量所能达到的精度不仅仅取决于作为标准器使用的频率源的精度也取决于所使用的测量设备和测量方法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数据存储器并由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位显示并包含两个小数位7我们所用的霍尔传感器是一块集成芯片它结合了采样和放大功能与一体首先我们把磁钢放在自行车的转轴上而霍尔元件就放在与其水平的转轴上当我们完成安装后转动自行车的转轴磁钢也就跟着一起转动从而使霍尔传感器周围的磁场发生变化这种变化将会导致霍尔电压变化从而产生一个毫伏级的方波再通过其内部的整形和放大产生出一个适合外部电路的脉冲电压由于磁钢共分为片磁场将会改变次磁场强度大时输出高电平磁场低时输出为低电平所以将会产生个方波既每输出个方波代表自行车转动了一周例如我们的自行车车轮在时通过计算得出车轮的周长由于每一圈霍尔传感器将输出个脉冲当自行车行驶时会转动次这样每将回产生个脉冲单片机对这个脉冲计数当达到这个数时单片机将会产生中断通过单片机计算出来的速度和里程的数据必须通过码的转换才能输出给显示模块总里程数的显示是设定出现在电动自行车开动单片机开机经过初始化后显示出来这样以来用户可以清楚的知道自己的车子已经运行了多少公里了而速度的显示则是在计算出速度里程后立刻显示出来体现实时性数码管与液晶显示器相比数码管虽没有液晶显示器那样的显示效果也没有液晶显示器做图形界面具有人机交互美观的特点但是有其自己的特点它具有低功耗容易控制占用资源少这些优点从而成为一些显示器的首选数码管由个发光二极管组成行成一个日字形它门可以共阴极也可以共阳极通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字符它可以显示从到的数字这足以满足设计要求由霍尔传感器采集的脉冲数据信号通过滤波后向单片机提供数据脉冲单片机再对其进行记数当达到先前所设计的计数值的时候单片机就申请中断从而使单片机响应中断程序既使其输出一个信号代表此时自行车已经行驶了这时在经过显示单元电路使数码管显示当第二个信号来的时8候电路实现加一的功能后在送显示这样就实现了显示里程的目的存储器一即电子擦除式只读存储器它是一种非挥发性存储器是可用户更改的只读存储器其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程重写不像芯片不需从计算机中取出即可修改在一个中当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的的寿命是一个很重要的设计考虑参数的一种特殊形式是闪存其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程电可擦除只读存储器的主要优点是能在应用系统中进行在线改写并能在断电情况下保存数据而不需保护电源因此在智能仪表控制装置分布式监测系统子站开发装置中得到广泛应用键盘控制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键盘分两大类编码键盘和非编码键盘编码键盘由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施每按一次键键盘自动提供被按键的读数同时产生一选通脉冲通知微处理器一般还具有反弹跳和同时按键保护功能这种键盘易于使用但硬件比较复杂对于主机任务繁重之情况采用可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案非编码键盘只简单地提供键盘的行列与矩阵其他操作如键的识别决定按键的读数等仅靠软件完成故硬件较为简单但占用较多时间有独立式按键结构矩阵式按键结构首先确定键盘编码方案采用编码键盘或非编码键盘随后确定键盘工作方式采用中断或查询方式输入键操作信息然后设计硬件电路非编码键盘系统中键闭合和键释放的信息的获取键抖动的消除键值查找及一些保护措施的实施等任务均由软件来完成9滤波器滤波电路是直流电源的重要组成部分它一般是由电容等储能元件组成用来滤除单向脉动电压中的谐波分量从而得到比较平滑的直流电压图所示为桥式整流简单滤波电路由图可以看出滤波电容并联于整流电路的输出端即与并联整流电路的负载为容性其工作原理为设时接通电源当由零逐渐上升时二极管图桥式整流电容滤波的原理电路图工作波形导通截止电流方向如图中箭头所示电流一路流过负载一路向电容充电充电极性为上正下负由于电源内阻及二极管导通电阻均很小即充电时间常数很小所以充电进行的很快两端的电压随很快上升到峰值即当由峰值开始下降时充电过程结束由于电容两端的电压这时四只二极管均被反偏截止电容向负载放电从而10使通过负载的电流得以维持放电时间常数取值愈大两端的电压下降愈缓慢输出波形愈平滑直到下一个半周到来且时才正偏道通仍截止放电过程结束又开始给充电如此周而复始的充电放电在负载上便得到如图所示的输出电压第三章硬件实现的设计方法与原理系统概述本系统是由数据采集单片机控制系统键盘显示数据存储部分构成其中数据的采集是由霍尔传感器来完成的它的输出是矩形脉冲经过滤波后就向单片机系统提供转速信号其中关键的处理由单片机系统来完成单片机将对脚的信号进行计数当计数的脉冲达到的时候申请中断对外输出信号输出的信号由显示部分送进行显示显示当前的行驶里程情况在本次行驶过后数据存入中以便下次行驶时在其基础上继续计数送出显示总共的里程数以达到记忆的目的键盘的作用是提供人对整个系统的控制它将实现整个系统开关显示器的开关部分单元电路的控制以上所诉就是整个系统的总体设计思想利用霍尔元件对里程进行测量将霍尔元件安装在车前叉的一侧在车圈侧面等间隔贴多个磁片当磁片经过霍尔元件时霍尔元件输出端的电压发生变化产生脉冲单片机根据脉冲数来计算里程霍尔元件不受天气的影响即便被泥沙或灰尘覆盖对测量也不会有任何影响由霍尔元件加整形电路构成的霍尔开关系统具有输出响应快数字脉冲性能好安装方便性能可靠不受光线泥水等因素影响价格便宜的优点该设计能实时地将所测的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11行放大整形然后通过单片机计算出里程再将所得的数据存储到数据存储器并由显示模块交替显示所测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里程值采用位显示系统总框图图系统总框图12各部分硬件图显示部分本设计的显示模块包括和个显示管等器件的作用相当于位选的功能当的输入分别为时分别选择不同的段译码器从而在不同位上显示不同的数字图是显示模块框图图显示模块框图图为系统显示部分的电路系统中用的选择七段译码器以驱动显示图中字符相对应的地方表示其引脚相连13图系统显示部分连接图第四章自行车里程表软件实现方法软件编程实现系统软件框图如图所示本系统软件采用模块化设计方法整个系统由初始化模块频率测量模块速度里程计算模块数据转码模块速度显示模块里程显示模块数据存储读取模块定时器中断服务模块以及其他功能模块组成14图系统软件框图数据处理本设计所用的霍尔传感器是一块集成芯片它结合了采样和放大功能于一体首先我们把磁钢放在自行车的转轴上而霍尔元件就放在与其水平的转轴上当我们完成安装后转动自行车的转轴磁钢也就跟着一起转动从而使霍尔传感器周围的磁场发生变化这种变化将会导致霍尔电压变化从而产生一个级的方波再通过其内部的整形和放大产生出一个适合外部电路的脉冲电压由于磁钢共分为片磁场将会改变次磁场强度大时输出高电平磁场低时输出为低电平所以将会产生个方波既每输出个方波代表自行车转动了一周比如我们的自行车车轮在时通过计算得出车轮的周长由于每一圈霍尔传感器将输出个脉冲当自行车行驶时会转动次这样每将回产生个脉冲单片机对这个脉冲计数通过单片机计算出来的速度和里程的数据必须通过码的转换才能输出给显示模块总里程数的显示是设定出现在电动自行车开动单片机开机经过初始化后显示出来这样以来用户可以清楚的知道自己的车子已经运行了多少公里了15键盘控制键盘是实现人机对话的必要设备用户可用键盘向计算机输入数据或命令本系统采用独立键盘接口独立式按键是指直接用口线构成单个的按键电路每一个独立式按键单独占用一根口线其接口电路如图所示独立式按键接口电路配置灵活软件结构简单但每个按键要占用一根口线适用于按键数量少的键盘电路中按键输入低电平有效按键未按时有上拉电阻保证此时输入为高电平图独立式按键接口电路部分程序键盘扫描部分程序16延时有键按下处理程序延时有键按下延时有键按下17存储器部分程序定义空指令延时程序18工作指示程序初始化程序起始信号程序结束信号程序写控制程序读控制程序19时钟发生程序读程序写地址和内容程序20延时子程序21显示部分程序22需读出的字节数不位2324252627强力单片机技术项目交易网强力单片机技术项目交易网强力单片机技术项目交易网28强力单片机技术项目交易网强力单片机技术项目交易网强力单片机技术项目交29串口30频率测量部分程序本设计我们把片磁钢放在自行车的转轴上由于磁钢共分为片磁场将会改变次磁场强度大时输出高电平磁场低时输出为低电平所以将会产生个方波既每输出个方波代表自行车转动了一周一般的自行车车轮在时通过计算得出车轮的周长由于每一圈霍尔传感器将输出个脉冲当自行车行驶时会转动次这样每将回产生个脉冲单片机对这个脉冲计数当达到这个数时单片机将会产生中断外部信号由引脚输入每产生依次负跳变计数器加每输入个脉冲时计数器发生溢出中断在中断服务程序中将取反依次计数方式工作模式的模式字为不用的低位可以任意取但不能进入模式现取31计算的计数初值的初值位为部分程序四位数里程数32开机后显示全零待脉冲稳定后再检测计数3334第五章制作电路板绘制电路原理图主要步骤进入环境使用菜单建立新设计数据库文件使用菜单在打开窗口选择图标建立新原理图文件将原理图打开35设置画图环境添加元件库将所需元件从元件库中取出来放置在图纸上并且调整好位置使用连线工具将元件连起来设置元件属性对元件进行编号进行电气规格检查建立网络表为制作电路板图做准备电路原理图如下制作板使用画电路板工作步骤如下准备原理图这一步是利用绘制电路原理图并用提供的各种功能及命令编辑原理图文件启动时参数设计进入编辑环境后要先指定元件的布置参数板层参数布线参数等其实这些参数不是每一项都要指定有些参数接受默认植即可而且这些参数经过设置之后符合个人的习惯以后就无须再改动了装入原理图及元件封装36该环节是在准备好的电路原理图的基础上进行的元件的封装也就是元件的外形每个元件都对应电路板上的几个焊盘对于每个装入的元件必须有相应的外形封装这样才能保证电路板布线的顺利进行元件在电路板上的布置放置了电路板的物理尺寸即确定了电路板的板边之后才可以装入电路原理图在装入电路原理图之后程序自动装入所有元件并自动元件放在电路板边框内这时根据器件的布局需要把其中零乱的器件布置好自动布线和手工调整的自动布线功能非常强大只要把有关参数设置适当元件位置布置合理自动布线的成功率几乎不过自动布线也有不如人意的地方可以通过手工调整来弥补检查印刷电路板存储及输出保存设计好的文件可以通过自带的一些菜单功能进行检查也可以生成的突来检查最后可以打印输出板如下图所示37第六章总结实现功能本文对自行车里程表作了细致全面规范的分析对总体相应的软硬件进行了设计制作及调试并贯穿至设计的全过程对文中所提到的各种算法都进行了处理并得出结论所做工作如下对设计中所需要的元件分析其原理和性能极其应用和发展详细介绍本自行车里程表硬件设计的方案电路图并附上说明详细介绍软件设计方法并给出个部分的程序清单给出对本设计进行仿真调试的过程心得体会在本装置的研制过程中充分考虑了作为便携装置其电源的提供功率的损耗体积的大小价位的高低使用及携带的方便性等因素本装置不受人群时间地点等的影响对任何人都适用而且还能快速准确地测量本产品成本低技术含量高其稳定性可靠性已经过实践的考验本装置是将我们的学习知识和社会的需求结合创作出来的38参考文献曲家骇王季秩伺服控制系统中的传感器机械工业出版社张友德赵志英涂时亮单片机微机原理应用与实验上海复旦大学出版社谢自美电子线路设计实验测试武汉华中科技大学出版张福学传感器使用电路例中国技术出版社年邬宽民单片机外围器件实用手册数据传输接口器件分册北京北京航空航天大学出版社王贵悦新编传感器实用手册水利电力出版社自行车电子里程表的初步设计刁文兴数字式汽车里程表的设计诸德宏潘天红朱湘临江苏镇江基于单片机的汽车里程表设计刘清波蔡淑珍孙业歧河北保定电子车速里程表的单片机实现方案王锁弘山东威海采用技术设计的电子车速里程表戈素贞浙江绍兴单片机在转速测量中的应用黄继武其它查阅与霍尔传感频率测量单片机相关文献和资料39致谢白驹过隙转眼三年的学习生活就将结束了本论文是在钱松老师的悉心指导下完成的老师严谨的治学态度务实的工作作风孜孜不倦的学习精神令我敬佩至深受益非浅钱老师很忙但还是抽出时间来指导我们修改我们的论文且从来都是不厌其烦地为我们解答各种问题特别是在我论文完成的这段时间在这里我要特别谢谢钱老师其次感谢我的同学和朋友他们给予了我无私的帮助和无穷的精神动力在我遇到知识上的或技术上的难点时他们总是能给我及时的援助感谢我同宿舍的其他同学谢谢他们在这大学三年里给我的帮助和关心最后特别感谢父母和亲人在我求学过程中自始至终的支持