基于单片机的数字里程表课程设计.doc

南华大学船山学院课程设计（或论文）引言数字里程表是用于远距离连续测量行驶速度和距离的仪表。它分为传感器、单片机和显示器三部分。本文介绍的数字里程表是采用以AT89C51单片机为中央处理器，结合高精度的采样电路、 控制电路、显示电路，方便地实现了智能化、 高精度、高可靠性、高效率的自行车里程表的设计，并且使用方便。如今，随着现代电子电路的快速发展，以及电子行业对现有电子工程技术的不断需求，特别是对实际操作实践的电子人才的需求越来越多，所以加强个人动手能力重视实践应该是电子发展需求的必然趋向。实践动手能力的培养是一种综合能力，这种能力当然是在一定难度的前提下完成的，通过一定数量的实践才能逐步形成的。因此在培养实践能力的同时，要通过实践来不断的发现问题和解决问题的途径和方法，从而提高实践能力。近年来，随着单片机档次的不断提高，功能的不断完善，其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大，特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而生辉增色。单片机应用技术已成为一项新的工程应用技术。1设计思路假设车轮的半径为R，R的值根据车轮半径的不同由编程是内部设定或键盘输入给定，则L=2*3.14*R。在轮圈上安装一个永久磁铁，则轮子每转一圈，通过开关型霍尔传感器的电平就会发生一次跳变，跳变产生一个脉冲信号，从引脚P3.5计数器T1端输入，并通过计数器对其进行计数为N在规定的周期T时间内的路程S=N*L，而在该周期内的速度V=S/T，当前的总路程为lc=lc+S。 计时功能由时间芯片DS1302来选取，如果当时间不符合时，则由键盘对时间进行初始化设置来调整时间，然后通过定时器来完成时间计时功能，键盘还可以对不同规格的自行车半径来作选择。 在LCD上需显示的内容为time，sd，lc。由AT89C51控制显示数据，实时刷新。2系统功能原理及硬件组成2.1主要器件2.1.1主控制器本实例中的单片机采用AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2.1所示。图2.1 AT89C51外形及引脚排列单片机AT89C51的引脚功能VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.1.2霍尔传感器里程测量传感器的选择方案有：使用编码器对自行车车轮的圈数进行测量、使用红外光敏电阻对里程进行测量、利用霍尔传感器对自行车里程进行测量。 编码器的安装相对来说比较复杂；红外光敏电阻不仅对光敏感，还对环境和天气的要求也高，这些因素都能严重影响测量的效果；而霍尔传感器完全能避免上述的不足之处，由霍尔元件加整形电路构成的霍尔开关系统，不仅安装方便，不受光线和环境的影响，而且具有输出响应快，数字脉冲性能好，既简单又经济适用，所以本设计采用霍尔传感器来对里程进行测量。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。霍尔效应原理图如图2.1所示。图2.2 霍尔效应原理图使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的齿轮盘上粘上一粒磁钢，霍尔元件固定在前叉上，当车子转动时霍尔元件靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在齿轮盘上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于信号采集的有A44E，该传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，工作电压范围宽，使用非常方便。A44E的外形如图2.3所示。1-Vcc 2-GND 3-OUT图2.3 A44E外形图 霍尔传感器检测转速示意图如下图示。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲，通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。图2.4 测速原理图霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图2.5所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。图2.5 霍尔元件产品图和管脚图2.1.3显示电路显示设计采用LM016L液晶模块，该点阵的屏显成本较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。在本设计中用来显示速度路程和时间。LCD模块引脚及功能如下图。图2.6 LM016L引脚 VSS：接地 VDD(VCC)：电源电路，+5V VEE(VO)：液晶驱动电压 RS：寄存器选择(为“1”时，选数据寄存器DR，为“0”时选指令寄存器IR) RW：读写信号 E：使能，片选，下降沿触发 DB0-DB7：数据线3.1.4 时间芯片 本设计时间芯片采用的了DS1302，DS1302是由美国DALLAS公司推出的一种具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，具有可对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时等的功能，工作电压为2.5V5.5V。主要的特点是采用串行数据传输，即使掉电亦不丢失，在DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302与AT89C51的连接线有三条线：RST引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc2作为备用电源，芯片外接晶振X2，为芯片提供计时脉冲。3.1.5键盘矩阵键盘是4*4的矩阵键盘，在设计中是用来调整时间的，从上述知道当时间芯片DS1302的时间不准确时，就可以通过键盘来对时间进行调整，当然键盘还能对不同规格自行车的半径进行选择。2.2系统硬件构成图外部信号霍尔传感器外部存储器AT89C51单片机里程显示速度显示图2.7 系统的原理框图3数字里程表软件设计3.1概述所谓的软件设计就是指把软件需求变换成软件具体设计方案（即模块化结构）的过程。模块化结构设计是指根据要求和硬件设计的结构，将整个系统的功能分成多个小的功能模块，再根据小的功能模块进行程序编写的过程。所以在本设计中的软件设计的思想主要是模块化设计，包括一个主模块和三个子模块(数据采集子模块、控制子模块、LCD显示子模块)，对各个子模块进行逐一设计，主模块完成对各个子模块的初始化，调用控制子模块、显示子模块。数据采集子模块采用中断方式工作，同时在编程中采用C语言编写，使用了许多技巧，使运算做到高精度、快速。3.2主程序在主程序模块中，要完成对各个接口芯片的初始化、里程和速度的初始化等工作。源程序见附录1。4 Proteus仿真4.1概述Proteus中的电路仿真是在ISIS 原理图设计模块中延续下来的，利用Proteus的交互式仿真功能，用户可以清楚的观察电路的工作情况。Proteus原理图仿真分析的首要任务是从元件库中选取绘制电路所需元件，查找所需元件，将元件放置在绘图区，同时编辑元件的参数，然后连线。再利用电器规则对设计进行检查直到通过其检查为止。在源代码通过编译无误后就可以进行仿真。4.2仿真电路图图4.1 数字里程表仿真图结束语随着电子技术的发展，以及计算机技术和通信技术的广泛应用，车辆不断地向智能化发展，整个社会交通系统也提供越来越智能的服务，车辆的信息系统也日趋纷繁复杂，车辆仪表系统将能提供更丰富的信息和更人性化的功能，因此种类更多，功能更强大面调试更简便的车辆仪表需要开发研制。在本系统的设计过程中，相互的综合各个方面的要求和深入的比较。主要采用AT89C51单片机，A44E霍尔传感器等各种器件设计出了数字里程表电路，配以程序可以实现速度里程和时间的显示。当然本系统远远不能满足车辆公司将来新产品的生产要求，在数字仪表以及电子控制的领域里，也还有很多的新东西等待我们去探索和研究。我相信不久的将来，一定能研发出更先进更漂亮的多功能数字里程表等电子仪表。参考文献1 张洪润.单片机应用技术教程M.清华大学出版社.20062 康华光.电子技术基础M.高等教育出版社.20003 阎石.模拟电子技术基础M.华中科技大学出版社.20054 刘乐善.微型计算机接口技术及应用M.华中科技大学出版社.20055 李光飞.51系列单片机设计实例M.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6 侯玉宝. 基于Proteus的51系列单片机设计与仿真M 北京：电子工业出版社，2002.谢辞在课程设计完成之际，我真心地感谢在设计之中给我帮助的汪老师和各位同学们。在这两个星期中，汪老师给予了耐心的指导。在学习和设计的过程，我了解并深入的掌握了Protel原理图的绘画，和单片机的编程方面的技巧和知识。在课程设计完成的过程中，很多同学在资料和知识方面给了我很大的帮助，在此深表谢意。附录1基于单片机的数字里程表源程序#include#define uchar unsigned char/*引脚定义：P20=SW1 时钟设置时更改“时”，直径设置时更改十位P21=SW2 时钟设置时更改“分”的十位，直径设置时更改个位P22=SW3 时钟设置时更改“分”的个位P23=Enter 确认更改设置P32=Disp 正常工作时更改显示模式*/sbit P20=P20;sbit P21=P21;sbit P22=P22;sbit P23=P23;sbit P32=P32;sbit RS=P37;sbit RW=P36;sbit E=P35;sbit busy=P17;/*变量定义：i 延时变量qsls 圈数临时变量，用于判断里程显示选用m还是km作为单位qs 圈数sj 累计行驶时间，单位为秒totallc 累计里程pjsd 平均速度ssji 定时器T120ms中断次数，用于计算速度等sji 本次速度对应的20ms中断次数sjiold 上次速度对应的20ms中断次数aa 加速度sd2 当前速度mxsd 用于更新最大速度mxsd2 最大速度对应的20ms次数tc 轮胎周长*s 字符串显示子程序字符指针line 字符串显示子程序列数row 字符串显示子程序行数com 写控制字dat 显示码字gw 累计里程、当前速度、累计时间、最大速度、平均速度、加速度的个位sw 累计里程、当前速度、累计时间、最大速度、平均速度、加速度的十位bw 累计里程、当前速度、累计时间、最大速度、平均速度、加速度的百位qw 累计里程、当前速度、累计时间、最大速度、平均速度、加速度的千位ww 累计里程、累计时间的万位sww 累计里程、累计时间的十万位ssj 定时器T0 50ms中断次数，每20次sj加1cgw 当前时间（时钟）的个位csw 当前时间（时钟）的十位cbw 当前时间（时钟）的百位cqw 当前时间（时钟）的千位cww 当前时间（时钟）的万位csww 当前时间（时钟）的十万位cww2 当前时间（时钟）的辅助万位MODE 显示模式tr1 轮胎设置变量1（十位）tr2 轮胎设置变量2（个位）*/unsigned int i,qsls;unsigned long qs,sj,totallc,pjsd,ssji,sji,sjiold,aa,sd2,mxsd,mxsd2,tc;uchar *s,line,row,com,dat,gw,sw,bw,qw,ww,sww,ssj,cgw,csw,cbw,cqw,cww,csww,cww2,MODE,tr1,tr2;/*void wait()* 该函数的作用是对LCD进行检测,看LCD是否处于忙的状态.当bflag=1时表示忙,此时不可以向LCD进行读写操作.而当busy=0时,表示可以向它读写数据.*/void wait()P1=0xff;RW=1; RS=0; doE=0;E=1;while(busy=1);/*void dispone()* 该函数的作用是向LCD写入数据并显示出来.*/void dispone(dat)P1=dat;RW=0; RS=1; E=0; E=1; wait();/*void wrcom()* 该函数的作用是向LCD写入控制字.*/void wrcom(com)P1=com;RW=0; RS=0; E=0; E=1; wait();/*void init_LCD()* 该函数的作用是初始化LCD.*/void init_LCD()wrcom(0x01); wrcom(0x06); wrcom(0x38); wrcom(0x0c); /*void dispmore()* 该函数的作用是向LCD写入一串数据,并把数据串显示出来.*/void dispmore(line,row,uchar dat,i) /格式为dispmore(第几行，第几列，开始要显示的字符地址，显示几个字符）;uchar com;s=dat;if(line=1) com=0x80+row-1; wrcom(com);while(i-)!=0&com=0x8f) dispone(*s); com+;s+;else com=0xc0+row-1; wrcom(com);while(i-)!=0&com=0xcf) dispone(*s);com+;s+;/*void ttimep()*累计行驶时间数据处理及显示子程序*/void ttimep()sww=sj/36000;ww=sj%36000/3600;qw=sj%3600/600;bw=sj%600/60;sw=sj%60/10;gw=sj%10;wrcom(0xc1); dispone(T); dispone(i); dispone(m); dispone(e);dispone( );dispone( ); dispone(sww+0x30);dispone(ww+0x30);dispone(:); dispone(qw+0x30);dispone(bw+0x30);dispone(:); dispone(sw+0x30);dispone(gw+0x30);/*void timer1()*T1中断服务子程序，每20ms中断一次，ssji加1，根据公式S=tc*qs和V=tc/ssj计算累计里程和*/void timer1() interrupt 3ssji+;TH1=0xb1;TL1=0xdf;/*void lcp()*累计里程数据处理和显示子程序，若999m则单位为km*/ void lcp() qsls=100000/tc;if(qsqsls)sww=qs*tc/10000000;ww=qs*tc%10000000/1000000;qw=qs*tc%1000000/100000;bw=qs*tc%10000000/10000;sw=qs*tc%10000/1000;wrcom(0x81);dispone(S);dispone( );dispone( );dispone( );dispone( );dispone(sww+0x30);dispone(ww+0x30);dispone(qw+0x30);dispone(.);dispone(bw+0x30);dispone(sw+0x30);dispone( );dispone(k);dispone(m);elseqw=qs*tc%100000/10000;bw=qs*tc%10000/1000;sw=qs*tc%1000/100;gw=qs*tc%100/10;wrcom(0x81); dispone(S); dispone( );dispone( );dispone( );dispone( );dispone( );dispone( );dispone(qw+0x30);dispone(bw+0x30);dispone(sw+0x30);dispone(.);dispone(gw+0x30);dispone( );dispone(m);/*void pjsdp()*外部中断0（干簧管）中断服务程序*/void int0() interrupt 0EX0=0;qs+;/圈数+1TR1=0;sjiold=sji;/停止T1计时sji=ssji;if (mxsd!=0)/更新最大速度 if (sjimxsd) mxsd=sji; else mxsd=sji;TH1=0xb1;/重置T1定时常数TL1=0xdf;ssji=0;TR1=1; /T1重新开始计时switch(MODE) case 0:wrcom(0x01);lcp();ttimep();break; case 1:wrcom(0x01);sdp();mxsdp();break; case 2:wrcom(0x01);pjsdp();ap();break; case 3:wrcom(0x01);dispmore(1,5,Time Now,8);clkp();break; default:break;for(i=0;i3) MODE=0;switch(MODE) case 0:wrcom(0x01);lcp();ttimep();break; case 1:wrcom(0x01);sdp();mxsdp();break; case 2:wrcom(0x01);pjsdp();ap();break; case 3:wrcom(0x01);dispmore(1,5,Time Now,8);clkp();break; default:break;for(i=0;i19)sj+;ssj=0;cgw+;if(cgw9)cgw=0;csw+; if(csw5)csw=0;+cbw; if(cbw9)cbw=0;+cqw; if(cqw5)cqw=0; cww2+;if(cww223)cww2=0;csww=cww2/10;cww=cww2%10;if (MODE=0) lcp();ttimep();if (MODE=3) clkp();/*void main()*主程序，初始化LCD，显示欢迎信息，更改时钟、直径设置，开中断、计时器等*/void main()init_LCD();dispmore(1,1,-Digital Meter-,16);for(i=0;i25000;i+);dispmore(2,1, Welcome ,16);for(i=0;i25000;i+);dispmore(2,1, Welcome. ,16);for(i=0;i25000;i+);dispmore(2,1, Welcome. ,16);for(i=0;i25000;i+);dispmore(2,1, Welcome. ,16