基于单片机的自行车里程表及速度仪的毕业设计

第三章 硬件电路的设计

3.1 相关元器件及其简介

3.1.1 AT89C51单片机简介

AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有2K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，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AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89C51具有以下标准功能，4k字节Flash，128字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C51 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

3.1.2 LCD液晶显示模块

液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。本里程表使用常见的1602字符型LCD模块。1602可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7和RS、R/W、E三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。 LCD液晶显示模块如图3-1所示

图3-1 LCD液晶显示模块

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LCD采用标准的14脚（无背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示。

编号 1 2 3 4 5 6 7

符号 VSS VDD VL RS R/W E D0

表3-1 引脚接口说明表 引脚说明 编号 电源地 8 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读写/选择 使能信号 数据

9 10 11 12 13 14

符号

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 数据

第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 3.1.3传感器的选择

测速传感器是对被测物的运行速度进行测量并转化成可输出信号的传感器。测速传感器包括测量线速度传感器和测量转速传感器。而测量转速的方式很多，常见的有：光电传感器、干簧管、霍尔传感器等。

1、红外光电传感器。把红外对管分别安装在自行车车轮的两侧，当车轮转动时，辐条会阻挡红外对管的光路，接收管输出低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。红外对管的优点是测量精度高，缺点是安装比较复杂和容易受外来光线、灰尘等的影响。

2、干簧管。干簧管是一种磁敏的有触点无源电子开关元件应用在里程表上的原理与开关型霍尔传感器类似，把干簧管安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，干簧管闭合，单片机根据此信号可计算里程、速度等。干簧管的优点是成本低廉和安装简易缺点是比较脆弱和不够稳定。 本里程表选用开关型霍尔传感器，稳定、安装简易。

3、开关型霍尔传感器。霍尔传感器是利用霍尔效应把磁输入信号转换成电信号的器件。把开关型霍尔传感器安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，传感器输出一个无抖动的低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。霍尔传感器的优点是稳定和安装简易，缺点是成本较高。设计中采用了霍尔传感器进行测速，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

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3.1.4霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。 对于一个给定的霍尔器件，Vh将完全取决于被测的磁场强度B。 霍尔效应原理图如图3-1所示

图3-1 霍尔效应原理图

一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右

把开关型霍尔传感器安装在自行车贴近车轮的支架上，磁钢安装在辐条上，当磁钢靠近霍尔传感器的时候，传感器输出一个无抖动的低电平，单片机根据此信号可计算里程、速度等。出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。

近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类，一类是线性元件，另一类是开关类元件。

霍尔传感器包括以下几个系列：szxrdt霍尔传感器，szxrdt霍尔电流变送器，szxrdt霍尔电流传感器。

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。

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3.2 总体设计方案

3.2.1 系统总体设计思路

本系统实现自行车运行过程中对行驶里程、当前瞬时速度、平均速度进行测量和显示。总体设计思路如图3-4所示。系统电源模块、信号采集输入模块、模拟控制器模块、显示模块、四部分。 电源模块信号采集输入模块模拟器控制图3-3 总体设计思路

显示模块

系统工作时，传感器采集到信号，用按键代表脉冲、或者用频率输入代表信号输入，传输给单片机，单片机计数器统计脉冲个数，定时器记录相应时间长度，经过运算，将行驶里程、平均速度送给LCD显示，当前瞬时速度送给7段数码管显示。 3.2.2 方案设计与讨论 一、速度测量原理

测量自行车的速度的原理有两种：测量一定时间间隔t，自行车车轮转过的圈数q。假设车轮周长为c，则速度V=c*q/t测量自行车车轮转过一圈的时间t，则速度V=c/t本里程表是根据第一个原理计算速度的。

二、动态扫描LED数码管显示。

里程表的显示内容以数字为主，利用LED数码管可基本满足使用要求且成本较低。但是用动态扫描的方式驱动数码管亮度太低在阳光下几乎看不见显示内容失去使用价值。 串行静态LED数码管显示。把单片机的串行口设置为方式0同步移位寄存器，输出显示信息，可实现LED数码管的静态显示，其亮度令人满意。但由于要使用74HC164/74LS164串并转换芯片驱动LED数码管因此会带来体积大、成本高、功耗高等的缺点。LCD液晶显示模块。液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

本里程表使用1602 LCD作为显示模块。外加四个七段管LED用来显示5秒内的当前速度（近似瞬时速度）

【功能描述】 以AT89C51型单片机为核心实时测量并显示自行车行驶过程中的各项参数，包括当前行驶累计时间、当前行驶累计里程（m）、当前速度（m/s）

、平均速度（m/s）、当前行驶时间

等，各参数分屏显示。本里程表具有时钟功能，不安装在自行车上时也可作为时钟使用实用性高。 【操作说明】 本例子所采用的是27#比赛公路自行车，换算成公制，外径700mm，半径为350mm，探测器安装在距离轴心200mm处，探测到一次，车轮转动2.15m，轮胎具体规格700*28C，28是指

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