华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）
3. 对数据进行处理，要求用LED显示里程总数和即时速度。 实现：利用软件编程，对数据进行处理得到需要的数值。
最终实现目标：自行车里程/速度计具有里程、速度显示功能，采用单片机作控制，可根据车圈的不同，设置常用的四种尺寸，显示电路可显示里程及速度。整个设计过程包括硬件电路的设计，软件的编程，系统的调试，调试通过后，利用Proteus软件进行系统仿真。
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2 自行车里程速度计的设计方法与原理
2.1 硬件方案设计
测速，首先要解决的是采样和时间的问题。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数，只要轮轴每旋转一圈，产生一个或固定的多个脉冲，将脉冲送入单片机进行计算，即可获得转速信息。常用的测速元件有霍尔传感器、光电传感器和光电编码器[1]。
光电传感器对光特别敏感，当白天行驶时，外界光源将导致光敏电阻发出错误信号，而且光敏电阻对环境的要求相当高，如果光敏电阻或发光二极管被泥沙或灰尘所覆盖，光敏电阻就不能再进行准确测量；而编码器必须安装在车轴上，安装比较复杂；霍尔传感器或干簧管不但不受天气的影响，即使被泥沙或灰尘所覆盖也不会有影响，而且安装方便。所以本设计采用霍尔元件对里程与速度进行测量，既简单易行，又经济适用。
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，当车轮转动时霍尔元件靠近磁钢，就有信号输出。如果在齿轮盘上粘上多粒磁钢，就可以实现车轮转动一周，获得多个脉冲输出。在年磁钢时要注意，霍尔传感器对磁感方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向试试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。
时间可以由单片机的定时功能确定。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统,图2-1所示。
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图2-1 单片机内部结构示意图
1）中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机的最核心部件，主要完成运算和控制功能。 2）内部存储器
内部存储器包括内部数据存储器（内部RAM）和内部程序存储器（ROM），存储器是由
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大量的寄存器所组成，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。
3）定时/计数器
单片机的定时器和计数器是同一结构，只是计数器记录的是单片机外部发生的事件，由单片机外部电路提供计数信号；而定时器是由单片机内部提供的一个非常稳定的计数信号。
4）中断系统
中断系统在计算机中起着十分重要的作用，是现代计算机系统中广泛采用的一种实时在技术，能对突发事件进行及时处理，从而大大提高系统的实时性能。
5）串行I/O接口
串行I/O接口的数据各位按顺序传输，其特点是需要一对传输线，成本低，但速度慢，效率低，适合静态显示。
6）并行I/O接口
并行I/O接口的数据所有位同时传输。其特点是传输速度快，效率高；但传输多少位就需要多少根传输线，因此传送成本高，适合动态显示。
单片机由于将CPU、内存和一些必要的接口集成在一个芯片上，并且面向控制功能将结构作了一定的变化，所以它具有一般芯片不具有的特点：
1）体积小、重量轻； 2）电源单一、功耗低； 3）功能强、价格低；
4）全部集成在一块芯片上，布线短、合理；
5）数据大部分在单片机内部传送，运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高。 目前，单片机被广泛的应用于测控系统、工业自动化、智能仪表、集成智能传感器、机电一体化产品、家用电器领域、办公自动化领域、汽车电子与航空航天电子系统以及单片机的多机系统领域。
显示主要用LED显示器。LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。显示器常作为单片机系统中最简单的输出设备，用以显示单片机系统的运行结果与运行状态等。常用的显示器主要有LED数码显示器、LCD液晶显示器和CRT显示器。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。单片机系统中通常使用8段LED数码显示器[3]，其外形及引脚如图2-2所示。
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图2-2 LED数码显示器
由图可见8段LED显示器由8个发光二极管组成。其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示不同的数字，包括A～F等英文字母和小数点“．”等字样。
LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称为共阳极LED显示器，如图2-3所示；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称为共阴极LED显示器。如图2-4所示。
图 2-3共阴极
图2-4 共阳极
共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合从而显示各种字符。8个笔划段dpgfedcba对应于1B（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。
2.2 软件方案设计
随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单
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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，Keil提供了包括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。可以模拟51系列单片机及派生产品的片内部件，支持软件模拟和用户系统实时调试两种功能。在这个环境下，可以完成编辑、汇编、编译、仿真与调试等整个开发流程。Keil既可以对汇编语言源程序进行汇编，也可以对C51语言源程序编译。
通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可行性，遵循模块化设计原则，采用自顶向下的设计方法。模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。
软件设计包括主程序、延时子程序、中断服务子程序、显示子程序以及行车过程速度和里程计算子程序等。
2.3 仿真软件
Proteus嵌入式系统仿真与开发平台是目前世界上最先进、最完整的的嵌入式系统设计与仿真平台。它是一种可视化的支持多种型号单片机，并且支持与当前流行的单片机开发环境连接调试的软硬件仿真系统。Proteus除了具有和其他EDA工具一样的原理图、PCB自动或人工布线及电路仿真功能外，针对微控制系统与外设的混合电路的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真也做到了一体化和互动效果，是目前电子设计爱好者广泛使用的的电子线路设计与仿真软件Protel和Multisim功能的联合进一步扩展。是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EAD工具，真正实现了在没有目标原型时就可对系统进行设计、测试与验证[4]。
Proteus软件由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES是一款高级的布线编辑软件。Proteus支持许多通用的微控制器，如PIC系列、AVR系列、8051系列等；同时它还支持ARD、PLD及各种外围芯片的仿真，如基于HD44780芯片的字符LCD、RAM等；具有单步运行、断点设置等调试功能；能与常用编译器如Keil、IAR、Proton等协同调试；有直流电流表/电压表、交流电压表/电流表、示波器逻辑分析仪、频率计等虚拟仪器，为仿真中的测量记录提供了方便；支持图形化分析功能，具有频率特性、傅里叶分析等图形方式，可将仿真曲线精美地绘制出来。
Proteus针对微处理器的仿真方面，不仅可以进行硬件仿真，甚至可以进行软件仿真，即Proteus可直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件代码级的调试，同时配合虚拟仪表如示波器、逻辑分析仪等进行测量和检验。单从仿真角度来看，Proteus除具有基本仿真功能之外还具有两个独特之处：一是对动态元件的实时仿真，即“人机交互”的仿真；二是虚拟仪表箱的功能，能对电路及各元器件参数进行实时测量，增加了系统真实性。目前，Proteus已成为流行的单片机系统设计与仿真平台，应用于各种领域。
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