自行车速度里程计(软件设计)

自行车速度里程计（软件设计）
本科生毕业设计
论文题目 : 自行车速度里程计(软件设计) 姓名 :
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年月日
自行车速度里程计(软件设计)
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The Software Design of Bicycle Speed Odometer
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2015年 06 月08日
摘要
随着人们自身和外界慢慢向前发展，自行车在人们手中也从最开始的交通工具，变成了休闲、娱乐还有锻炼的工具。

自行车作为现代人们环保出行的工具，应该具备更多的功能，例如速度和里程显示等。

自行车一旦有了速度里程计，骑车人就可以轻松地知道自己当下的骑行状况，更有安全感。

这篇论文主要介绍如何对自行车速度里程计进行的软件设计。

在设计的过程中，主要是考虑对51系列单片机进行编程设计，使其在霍尔元件和LED显示器等的配合下，实现速度和里程的显示。

软件部分采用整体到局部的设计思路，分模块设计。

设计模块的子程序有:主程序、计算子程序、中断服务子程序、延时子程序和显示子程序等几大主要子程序。

设计的软件编程用简单易学的C语言编写，可读性和可移植性强。

本设计能测量直径为559mm、610mm、660mm、711mm常见的四种自行车车轮的速度和里程，适用范围较广。

关键词:速度和里程; 软件设计;C语言; LED
I
ABSTRACT
With the slowly forward development of people themselves and the outside world, the bicycle in people’s hand changes from the beginning transportation tool to the tool of leisure, entertainment and exercise. The bicycle, as a tool of people’s
environment friendly traveling, should have more function, such as speed and mileage’s display. The bicycle once has speed and mileage design, the man who rides a bicycle can easily know his riding condition and has a better sense of security. The article mainly introduces how to design the software of bicycle speed odometer. In the process of the design, how to programming 51 series Single Chip Microcomputer is taken in account, in order to achieve speed and mileage’s display with the help of Hall element and LED display. The thinking of software is from whole to part, the software is divided into module design. The subroutines of design module are main routine, calculating subroutine, interrupt service subroutine, delay subroutine and display subroutine and so on. The software is designed with easy and easily learning C language, readability and portability are strong. The design can measure four diameters of bicycle’s wheel which diameters are 559mm, 610mm,
660mm, 711mm, so it applies widely.
Key words: speed and mileage; software design; C language; LED
II
目录
摘要..............................................................
I
ABSTRACT (II)
第一章绪论........................................................
1
1.1论文的目的、背景和意义 (1)
1.2自行车速度里程计的发展现状和方向 (1)
1.3论文研究的主要内容和提出的问题 (2)
第二章总体方案设计................................................
3
2.1任务的原理分析与实现 (3)
3 2.2硬件方案介绍.................................................
2.3软件设计 (4)
第三章下位机软件设计..............................................
6
3.1概述 (6)
3.2总体程序设计 (6)
3.3中断子程序的设计 (8)
3.4数据处理子程序的设计 (9)
3.4.1速度计算子程序 (9)
9 3.4.2 里程计算子程序.........................................
3.5显示子程序的设计 (10)
第四章上位机硬件基础 (12)
4.1传感器 (12)
4.2单片机模块 (12)
4.3其他器件的介绍 (13)
4.3.1 74LS74芯片的介绍 (13)
4.3.2存储器的介绍 (13)
4.3.3 74LS244芯片的介绍 (13)
第五章系统的调试与仿真...........................................
14
5.1 Proteus ISIS仿真软件介绍 (14)
5.2 Keil软件介绍 (14)
5.3仿真调试 (14)
结论 (19)
致谢.............................................................
20
参考文献...........................................................
21
附录一.............................................................
22
附录二.............................................................
23
东华理工大学毕业设计(论文) 第一章绪论
第一章绪论
1.1论文的目的、背景和意义
自行车从一开始发明，就不断地改变和发展，经历了近两个世纪的改变后，才将笨拙的木马车转变成现在各式灵活休闲运动自行车，自行车已经不再是人们出行的主要交通工具，转而变为人们休闲娱乐的选择。

然而现在常见的自行车的一般功能已经无法满足人们，人们想要更多和更实用、时尚的功能。

于是，跟汽车相似的自行车速度里程计便应运而出了。

现在的汽车发展得越来越好，功能也是五花八门，不仅有速度里程计，出租车还有计价器等，自行车的功能也应该更多元化。

自行车一旦有了速度里程计，骑车人就能准确地判断此刻的速度，知道自己已经骑行了多少路程。

这样就能更好地为安全锻炼提供更全面的信息，更好地体现自行车作为休闲娱乐运动的选择的价值。

人们现在的生活出行虽然很大程度上不需要自行车，但是人们的娱乐和锻炼仍离不开自行车，而自行车的速度里程计给人们带来了极大的好处。

现在的自行车速度里程计里面含有非常精细的科学技术，使其功能更加全面和准确。

虽然在市场上可以买到完整的自行车速度里程计装置，价格也便宜，用起来很方便，但由于自行车速度里程计的基本组成含有了单片机、数字电路及自动检测多个主要组成部分，因此有必要进行自行车速度里程计的设计和研究，并且扩展其功能及其他应用，具有一定的现实意义。

1.2自行车速度里程计的发展现状和方向
自行车不耗汽油，非常节能，十分环保，而且价格便宜。

在世界上的许多国家都倡导自行车出行，低碳环保。

现在市面上，不论是国内还是国外，都有现成的产品销售，有点功能还是比较齐全的，不仅有显示速度和里程的功能，有的还有GPS 全球定位等强大的功能。

未来的发展趋势可能更加智能化比如加入mp3和短信收发功能，使得自行车速度里程计更人性化，相信会吸引更多人的眼球。

陕西理工学院的丁敏在2012年12月发表的一篇期刊文章，题名《电动自行车里程速度计的设计》中，用的是LCD液晶显示器显示速度和里程，虽然液晶显示器
显示信息量大、长寿命，但是LED数码显示器有亮度高、稳定性好、响应时间快和容易编程等特点，应该是更好的选择。

对于现在越来越讲究简单出行的年轻人来说，更是一个更好的选择。

1
东华理工大学毕业设计(论文) 第一章绪论 1.3论文研究的主要内容和提出的问题
论文研究的主要内容是利用单片机和霍尔元件等器件设计一个可用LED数码实时显示速度和里程的自行车速度里程计，并且可以通过按键进行切换显示速度和里程。

通过编程使单片机具有测量速度并计算里程的功能，并通过按键切换两种功能。

论文论述了如何运用软件编程，配合单片机、霍尔元件、24C02外部存储器和LED显示器等硬件实现对自行车速度和里程的显示。

论文主要阐述如何根据硬件电路图，设计出符合要求的单片机的软件程序。

设计开始研究时，遇到的一些问题:
(1)、如何运用软件设计，编写程序统计车轮每转一圈的时间;
(2)、如何编写速度和里程的计算程序;
(3)、如何将各个子程序连接成一个整体。

2
东华理工大学毕业设计(论文) 第二章总体方案设计
第二章总体方案设计
2.1任务的原理分析与实现
本设计的原理是:用霍尔元件测量车轮的转数，记录下脉冲数送给51系列的单片机。

然后通过单片机内部定时/计数器完成对脉冲总数和每转一圈时间的统计，随后经过已编程处理过的单片机计算出即时速度和里程，最后通过单片机送LED显示。

本设计总体思路如下:首先调查市场上常见的几种自行车轮子的直径。

调查后发现轮子的直径如果换算成周长，其值不大。

因而，选择一个轮子，在轮圈上只安装一个磁钢，里程的误差也只在一个车轮的周长。

霍尔元件测量车轮的转数，总的脉冲数即转数乘以车轮周长，就可以算出当下的里程数。

计数器全程记录下每转一圈的时间，用车轮周长除以转一圈的时间就可以得出即时的速度。

为了简化电路，本设计设置速度和里程显示在同一数码管上，于是需要一个开关切换速度和里程。

本设计还加入了超速报警的部分，超过设定的安全速度，蜂鸣器就发出报警声音。

预期问题和解决方法:
(1)(单片机脉冲信号的获取;
方法:将永久性磁铁安放在轮圈上，通过霍尔元件记下并传递脉冲数给单片机。

(2). 如何实现脉冲信号的计数;
方法:利用单片机内含的计数器。

(3). 如何在系统掉电后，仍能保存自行车的里程数;
方法:利用硬件和软件编程，对单片机进行设置。

2.2硬件方案介绍
本设计得到自行车的速度和里程，就要想办法将车轮的转数转化成能显示在LED上的速度和里程。

传感器就是实现把被测量的量转换成某种可以输出的物理量。

可以采用脉冲计数法，这种方法既简单，又操作方便。

于是，可以想到两种传感器:光电传感器和霍尔传感器。

由于光电编码器，安装较复杂，而且对光线要求非常严格，故将其排除，不使用。

然而根据查找的资料发现，光电传感器的光电器件不能被泥沙或灰尘等污物遮盖，一旦被遮盖，光电器件就无法接收到光源传来的光信号。

但是在实际的自行车骑行的场合经常充满了灰尘，如果使用光电传感器就无法保证测量的准确性。

所以综上所述，本设计选择霍尔传感器。

3
东华理工大学毕业设计(论文) 第二章总体方案设计
本设计选择霍尔传感器，不仅经济实惠，而且安装简单，几乎不受外界环境的干扰。

安装霍尔传感器，开始将霍尔元件，即接收磁场信号的元件，固定在车轮的前叉口上，而磁钢，即磁性很强的永久性磁铁，粘在能正面接触霍尔元件的地方，牢牢地固定，防止脱落。

而且还要保证磁钢靠近霍尔元件时，能产生脉冲信号，否则，将磁钢换个方向。

这样霍尔传感器算是固定好了。

单片机是在一块半导体硅片上集成了控制器、运算器、存储器和各种输入/
[1]输出接口的集成芯片。

单片机主要应用于测控领域，用于实现各种控制和
测量。

因为单片机上包含了内存和一些接口，而且它的功能和结构经过历代的心血，已经具备优良的性能:
1. 小而灵活方便、便宜，方便嵌入各种产品;
2. 可靠性好，抗干扰能力强，适应温度范围宽，能在恶劣环境下可靠地工作;
3. 实时控制能力强;
4. 易扩展，很容易和灵活地构成各种智能型系统;
5. 具有通信接口，可方便地构成多机和分布式控制系统。

设计中采用的单片机为AT89C51，系统原理图如图2.1所示。

AT89C51外部信号速度显示
里程显示霍尔传感单器片
机
外部存储报警部分
器
图2.1 系统的原理图
Figure2.1 The principle diagram of system
2.3软件设计
本设计要使硬件系统实现速度和里程的显示，不仅硬件系统要搭得准确合理，而且软件编程也应该合理恰当。

本设计的程序设计原则采用总体到局部的方案，一个一个模块地设计编程，最后将所有的模块连成一个完整的整体。

本设计的软件部分的所有模块应该包括速度里程计算模块、延时模块、中断模块和显示模块等几大主要模块。

速度里程计算模块按照预先设置好的速度由车轮周长除以转完一圈的时间决定，而里程则由车轮周长乘以总的旋转圈数决定，从而设定所需要的程序。

4
东华理工大学毕业设计(论文) 第二章总体方案设计
延时模块按照预先参考的书籍资料，设定单片机隔一定的时间显示，防止LED 显示器因显示过快而导致显示的不清晰，显示模糊，便于人们读取信息。

中断模块可以使单片机处理一些复杂的情况，比如说当计数器计数溢出时，这时的中断子程序，就可以使单片机正常地工作。

显示模块主要控制LED显示器如何显示速度和里程的数据，如何控制各个LED 的引脚，如何同时控制4个LED显示同一数据。

软件部分总体流程图如图2.2所示。

开始
初始化
N
P1.0=1?
计算速度计算里程
显示速度显示里程
图 2.2 软件总体流程图
Figure 2.2 The general flowchart of software
5
东华理工大学毕业设计(论文) 第三章下位机软件设计
第三章下位机软件设计
3.1概述
软件设计同硬件设计一样，也是非常重要的环节。

如果软件没有设计好，硬件电路设计得再怎么完美，也无济于事。

所以软件设计在本次的设计过程中扮演着同样重要的角色。

软件设计采用整体到局部的设计原则，分模块设计。

这样在后续的检查错误时，更能准确地判断错误的模块，并将其改正，目标更明确。

本设计的软件部分由初始化程序、中断子程序、速度调用子程序、里程调用子程序、LED显示子程序、延时子程序等部分组成。

3.2总体程序设计
总体程序的软件设计应当考虑到各个子程序之间的连贯性，过渡时恰当流畅。

单片机的初始化及其他芯片的初始化、速度和里程的初始化、循环等待及中断向量的设置，都需要在软件总体程序设计中解决。

在总体程序设计时，还需要对速度、里程寄存器等寄存器进行初始化。

本设计中，车轮的四个直径559mm、610mm、660mm、711mm分别通过单片机的P1.2、P1.3、P1.6和P1.7与单片机联系在一起，然而P1.0用于速度和里程的切换。

从而联系这些硬件电路设计程序。

主程序流程图如图3.1所示。

6
东华理工大学毕业设计(论文) 第三章下位机软件设计
开始
初始化
N P1.2=1?
Y N
P1.3=1?
Y N
P1.6=1?
Y N
P1.7=1?
Y
出错提示
将车圈周长调入21H
开中断，启动定时器
N
P1.0=1?
Y
调用速度处理子程序调用里程处理子程序
图3.1 主程序流程图
Figure 3.1 The process flow chart
7
东华理工大学毕业设计(论文) 第三章下位机软件设计 3.3中断子程序的设计当考虑到定时时间和计数值会满的必然发生的情况，这时就需要设置定时中断。

单片机中有两个定时/计数器，它们都有定时器和计数器两种工作模式，因此有四种工作方式。

当发生计数溢出时，就可以用计数溢出信号为中断请求标志，设置其为单片机中断请求的标志。

本设计对自行车的速度和里程进行计数采用的是定时中断。

定时/计数器控制寄存器TCON的地址为88H，可以位寻址，是一个8位寄存器。

TCON的低4位作为
外部中断，是中断标志和触发方式选择位，高4位的作用是控制定时/计数器的中断。

中断子程序流程图如图3.2所示。

开始
关中断
现场保护
开中断
中断处理
关中断
现场恢复
开中断
中断返回
图3.2中断子程序流程图
Figure3.2 Interrupt subroutine flow chart
8
东华理工大学毕业设计(论文) 第三章下位机软件设计 3.4数据处理子程序的设计
3.4.1速度计算子程序
要编写程序计算速度，就必须知道车轮转一圈的时间。

用定时器计出车轮转一圈的时间，用车轮的周长除以每转一圈的时间就能得出自行车的速度。

处理轮子转动一圈后的计时数据需要用到外中断1服务程序。

当标志位(00H)为1时，计数溢出，放入最大时间值(为#0FFH);当标志位为0时，将计数单元(TL1、TH1、6CH、6DH)的值放入68H,6BH单元。

速度处理子程序流程图如图3.3所示。

开始
速度初始化
计算速度
N
是否超速,
Y
报警显示速度
返回
图3.3 速度处理子程序流程图
Figure3.3 Speed calculation subroutine flow chart
3.4.2 里程计算子程序
9
东华理工大学毕业设计(论文) 第三章下位机软件设计
车轮旋转时，霍尔元件将接收到脉冲数输入到单片机P3.2口，用计数器计量脉冲数，计数一次，进行存储一次，最后用总的脉冲数乘以车轮周长即得里程数，因为本设计车轮转一圈只有一个脉冲数。

用到的中断0服务程序，60H为低位，62H为高位。

里程计算子程序流程图如图3.4所示。

开始
里程初始化
将车圈数转换成里程
显示里程值
返回
图3.4 里程计算子程序流程图
Figure3.4 Mileage calculation subroutine flow chart
3.5显示子程序的设计
LED显示有动态显示和静态显示两种方式，本设计采用动态扫描显示接口电路。

动态显示是利用人的视觉暂留现象，因为每个显示器的点亮时间极短，给人的感觉就是同时显示的。

设计电路时，把a-h端的8个笔划端连在一起，单个显示器COM端各自独立地受I/O线控制，它还决定哪个显示器显示传输过来的字形。

LED显示器有两种不同的结构:一种是阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器;另一种是阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器。

本次设计采用共阴极接法，如图3.12所示。

8个发光二极管组成八段LED显示器，其中7个发光二极管分别是字型“8”的各个笔画段的一段，dp发光二极管为另一个小数点。

本设计中是一个接一个逐步实现四个LED的实现，P0.0,P0.7引脚组成段选信号，而P2.0~P2.3组成位选信号，通过软件编程实现四个LED的显示。

显示子程序流程图如图3.5所示。

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东华理工大学毕业设计(论文) 第三章下位机软件设计
开始
显示单元首址
取显示数据求下一位位选码
取段码表首址修改显示单元地
址送段码到P0口
送位选到P2口
N
调用延时
4位显示结束
Y
返回
图3.5 显示子程序流程图
Figure3.5 Display subroutine flow chart
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东华理工大学毕业设计(论文) 第四章上位机硬件基础
第四章上位机硬件基础
4.1传感器
传感器是一种可以将被测量转换成方便应用的某种物理量的元件，它的输入量可以是物理量、化学量甚至是生物量，输出量是某种便于检测到的如:电量等的物理量，输出量和输入量存在某种特定的关系。

设计中采用的传感器是霍尔传感器，这种传感器的优点是不怕灰尘、泥沙和油污等污物，安装简单，寿命长，其工作温度可以是可达-55? —150?，耐温性好，能使用的场合更广。

4.2单片机模块单片微型计算机(Single Chip Microcomputer，简称单片机)，又称
MCU(Microcontroller Unit)，也称微控制器;是将计算机的基本部分微型化，集成在一个晶体芯片上，构成一台功能独特、完整的微型计算机，可以实现微型计算机的基本功能;单片机片内含有如中央处理器CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read Only Memory)、并行I/O接口、串行I/O接口、定时/计数器、中断控制、系统时钟
[1]和系统总线等。

内部结构示意图如图4.1所示。

INT T
定时器/计数器中断系统
CPU 并串TXD行行I/OI/OP0-P3 T
XD 接接
口口RXD 存储器
图4.1 单片机内部结构示意图
Figure 4.1 The internal structure schematic diagram of MCU
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东华理工大学毕业设计(论文) 第四章上位机硬件基础 4.3其他器件的介绍
4.3.1 74LS74芯片的介绍
74LS74是一种D触发器，是二进制存储器件，有两个稳定状态，在外界信号影响下，可由稳定状态“1”翻转到稳定状态“0”，或反之。

74LS74的当前状态取
决于前一状态。

4.3.2存储器的介绍
24C02是一个电可檫除存储器，内部存储空间为2K。

它有主器件和从器件之分，主器件可用作接收器，从器件可用作发送器，而且24C02内部的写缓冲器是
16字节。

4.3.3 74LS244芯片的介绍
74LS244在本设计中的作用是驱动数码管。

在设计中接入芯片74LS244，为了
放大电流，这样LED才能正常工作，逻辑图如图3.9。

它分成2组，每组含有四路输入/输出，每组还有一个控制端决定数据的接通或断开的状态。

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东华理工大学毕业设计(论文) 第五章系统的调试与仿真
第五章系统的调试与仿真
5.1 Proteus ISIS仿真软件介绍
Proteus软件是1988年由英国Labcenter公司研发的EDA(电子设计自动化)工具软件，它集成了高级原理布图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计及自动布线;它运行于Windows操作系统上，可实现完整的电子电路、嵌入式系统软/硬件设计与仿真;Proteus软件主要分为ISIS和ARES两个功能软件;ISIS是智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台;ARES是高级PCB布
[2]线编辑软件。

5.2 Keil软件介绍
Keil是美国Keil Software公司出品的兼容单片机C语言软件开发系统。

Keil 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发51系列单片机。

人们可以编辑C或汇编源程序，并可以将其转换成HEX文件。

5.3仿真调试
通过Proteus软件完成对电路原理图的绘制，然后编好程序，下载到单片机中，观察LED显示器，看是否能实现所需的功能。

绘制原理图的步骤，如图5.1。

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东华理工大学毕业设计(论文) 第五章系统的调试与仿真
开始
新建设计文档
设置编辑环境
放置元器件
调整
原理图布线
建立网络表
电器检查
N
是否合格,
Y
存盘、报表输出
结束
图5.1 原理图设计流程图
Figure 5.1 Schematic design flow chart
利用Proteus软件自带的电器规则检查命令对完成连线的原理图进行检查，一直修改到没有错误为止。

在编好的程序下载到单片机后，经过多次下载和修改程序，最后得到完整的、正确的和能实现功能的C语言程序。

仿真的具体步骤如下:
(1)、先在Proteus软件上，画好原理图:先调出原理图所需的器件，布局好各个器件的位置，然后连线;
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东华理工大学毕业设计(论文) 第五章系统的调试与仿真
(2)、自己先检查原理图是否有简单的错误，然后用Proteus自带的电器规则检查命令对完成的原理图进行检查;
(3)、用Keil uVision4进行软件编程，编程采用C语言;
(4)、在桌面先建文件夹，以“我的keil”命名;打开Keil软件，如图5.2所示;
图5.2 Keil的初始图
Figure5.2 The initial figure Keil
(5)、点击Keil界面的“NEW”图标，出现“Text1”编辑图框;
(6)、输入程序，点击界面上方的“Target Options…”图标，将晶振改为
12MHz，将“Create HEX Files”打钩，然后点击OK，最后点击“Rebuild All Target”既可转换成HEX文件，点击保存图标，选择存储路径“我的keil”保
存。

保存成功如图5.3;
图5.3 转换成功信息图
Figure5.3 Information graph of transformation success
(7)、在Proteus原理图界面，双击单片机芯片，添加编写好的程序HEX文件;
(8)、按下直径为559毫米按键，因为设置轮子每秒转2圈，速度就为3.5米/秒，观察LED的显示，如图5.4(a)，LED的显示也是3.5米/秒，说明软件设计很准确。

然后分别按下直径为610毫米、660毫米和711毫米的按键，观察到的LED 显示如图5.4(b)、(c)和(d)，结果和计算的一样，说明此次速
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东华理工大学毕业设计(论文) 第五章系统的调试与仿真度的软件部分设计
没有问题;最后分别切换到里程显示，经观察说明里程部分的软件设计也没问题。

(a)
(b)
(c)
(d)
图5.4 速度的显示图
Figure5.4 The figure of the speed
在使用Proteus进行仿真和调试的过程中，也遇到一些问题，不过都一一解决。

现将问题和解决方案列举如下:
(1)在绘制电路原理图时，遇到如何在电路中体现自行车的车轮旋转，经
讨论和研究，决定用霍尔等效元件。

此元件可以设置每秒的脉冲数，可以相对真实地模拟车轮的旋转。

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东华理工大学毕业设计(论文) 第五章系统的调试与仿真
(2)在编程的时候，由于对选用的单片机认识不深，结果在选择单片机库
的时候，选择错误，应该选择51系列的单片机库。

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东华理工大学毕业设计(论文) 结论
结论。