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2024年2月8日发(作者：)
天津工业大学
毕业设计（论文）
题目：汽车速度及里程电子显示系统设计
姓 名 刘志刚
学 院 机械工程学院
专 业 测控技术与仪器
指导教师 李雅峰
职 称 讲 师
2012年6月1日
天津工业大学毕业设计（论文）任务书
题目
学生姓名
课题类型
刘志刚
汽车速度及里程电子显示系统设计
学院名称 机械工程学院
设计类
专业班级 测控082
汽车是现代生活中不可或缺的一种重要交通工具，传统的指针式里程表伴随着汽车的诞生就一直为人们喜爱，不过，新生事物不会因传统的存在而停止它前进的步伐。数码科技在今天已渗透到工业，农业，民课题意义 用等产品的点点滴滴。新概念的车速里程表最直观的变化就是用大屏幕的液晶取代指针式表盘，直接用数字显示速度和里程，以及其他一些诸如油耗、时钟、环境温度等参数，直观的呈现给使用者。同时，它还具有成本低廉，显示清晰，稳定可靠等优点。
1～3周：资料调研
4～5周：分析毕业设计课题，进行总体设计
6～9周：进行具体的相关设计
任务与进10周：中期检查
度要求 10～13周：系统具体设计
14周：撰写毕业设计论文
15周：毕业设计论文修改
16周：答辩
[1] 赵负图.现代传感器集成电路[M].北京:人民邮电出版社,
2000.534-535.
[2] 张毅坤 ，陈善久 ，裘雪红.单片微型计算机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998年.
[3] 全润，张亚凡，邓洪敏.传感器原理及应用[M].北京：清华大学出版主要参考文献
社，2008年
[4] 冯寿亭，李迪．基于嵌入式计算机和DSP的数控系统以及其通信实现[J]．组合机床与自动化，2005
[5] 来清民主编.传感器与单片机接口及实例［M］.北京航空航天大学出版社.
[6] 何希才．传感器及其应用[M]．北京：国防工业出版社，2001·
[7] 万福君 凌文玉 王乃厚等.单片微机原理系统设计与开发应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1995.46-52.
起止日期
备注
2012.03.01 至2012.06.06
院长 教研室主任 指导教师
毕业设计（论文）开题报告表
2012年3月10日
机械工程测控技术与仪姓名 刘志刚 学院 专业 班级 测控082
学院 器
题目 汽车速度及里程电子显示系统设计 指导教师 李雅峰
一、 与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：
概述传统的转速里程表的功能有两个，一是用指针指示汽车行驶的瞬时车速，二是用机械计数器记录汽车行驶的累计里程。
现在的汽车仪表自动化程度很高，老式的机械软轴传动的仪表已经淘汰取而代之的是现在的液晶仪表盘，不可能再通过拨数码轮调整里程表。司机又需要增加里程数时，用这种跑表器就可以很轻松地实现。这种跑表器使用中规模集成电路设计而成，体积小巧，运行稳定，适用于各种电子传感器的汽车上使用。 这种小巧的仪器有着比其它同类产品明显的优点： 1、电路设计精湛，严密。使用了高性能的集成电路和电子元件，保证电路有高度的品质；使用最优化的电路设计，考虑到尽可能多的不利的使用环境，使仪器能在电压、温度、湿度、灰尘污染等复杂的变化因素多的条件下都能稳定工作。 2、可靠性好。为了提高电路工作的可靠性，不但元件经过精心筛选，而且经过2400个小时的烤机试验，它的外壳小巧，可以方便地装在口袋中，随时可以拿出来使用。 3、操作简单，使用方便。只需要插到点烟器上，不用下车,一切OK。4、使用安全，放心。即使接反，也不会损坏仪器，更不会损坏车上任何东西. 5、速度可以调整。你可以把速度调整到最高，也可以调整到一个固定值，比如300迈. 依据车型不同，速度有所不同，可以通过调整仪器上速度旋钮改变速度
二、进度及预期结果：
起止日期
3月1日
至
6月06日
完成课题的现有条件
审查意见
主要内容
1～3周：资料调研
4～5周：分析毕业设计课题，进行总体设计
6～9周：进行具体的相关设计
10周：中期检查
10～13周：系统具体设计
14周：撰写毕业设计论文
15周：毕业设计论文修改
16周：答辩
预期结果
完成开题报告
完成合理的方案设计
完成中期检查
完成设计
基本完成论文的撰写
修改并完成论文
学校图书馆查阅的资料、上网查找的资料、指导老师提供的资料以及现场的实地参观学习。
指导教师： 年 月 日
主管领导： 年 月 日
学院意见
毕业设计
题目
学生姓名
评审项目
天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表
（设计类）
汽车速度及里程电子显示系统设计
刘志刚 学生班级 测控082
指标
能体现本专业培养目标，题目大小、难度适中；学生工指导教师姓名 李雅峰
满分
10
10
评分
选题
作量饱满，能得到较全面训练。
题目与生产、科研等实际问题结合紧密。
能独立查阅文献以及从事其它形式的调研，能较好地理课题调研
文献检索
外文应用
解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息从中获取新知识的能力。
能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。
设计图纸（插图）简洁、规范、无差错，设计栏目齐全合理，能正确使用国家标准单位。
设计说明书（论文）结构严谨，表达清楚，文字通顺，15
5
15
15
20
10
100
设计说明用语正确，基本无错别字和病句，书写格式符合规范。
书（论文）
能根据毕业设计目标进行实验设计，对数据的运算及处理正确无差错，对实验结果的分析准确。
设计具有创新性或实用价值。
合计
意见及建议
评阅人签名：
年 月 日
天津工业大学毕业设计（论文）成绩考核表
学生姓名
题目
刘志刚 学院名称 机械工程学院 专业班级 测控082
汽车速度及里程电子显示系统设计
1．毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：
指导教师签字： 年 月 日
2．毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：
成绩：
答辩主席（或组长）签字： 年 月 日
3．毕业设计（论文）总成绩：
成绩：
a.指导教师
给定成绩
b.评阅教师
给定成绩
c.毕业答辩成绩
总成绩
(a×0.5+b×0.2+c×0.3)
摘 要
里程表应用广泛，机械式里程表有其不足之处。设计智能自动化的里程表，利用霍尔效应原理，在电机中嵌入霍尔传感器，采用脉冲检测的方法实现测量行驶速度与里程，使用倍频电路提高系统的测量精度。可以实现超速报警及用户自设定初始上限速度，既可以实现测速也可以利用变频器来控制电机转速，实现了自动化和智能化。
本文介绍了霍尔传感器测速的原理，设计了基于单片机STC89C52RC的汽车速度及里程的电子显示系统。完成了汽车速度及里程测量系统的硬件电路设计、霍尔传感器测量电路的设计、显示电路的设计。机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出幅度为12V的脉冲。经光电隔离器后成为输出幅度为5V转数计数器的计数脉冲。在显示电路设计中，通过LCD1602实现在液晶上直观地显示汽车的速度及里程的数值。并对该系统的硬件电路、显示电路进行了调试。与软件配合，实现了显示、报警功能。仿真实验表明所设计的硬件电路及软件程序是正确的，满足设计要求。
关键词：脉冲检测；霍尔传感器；单片机；STC89C52RC；LCD
ABSTRACT
Intelligent odometer is designed using hall effect to avoid the defect of mechanical
odometer. The speed and mileage are measured by the hall sensor by method of pulse
detection. The double frequency circuit used can improve the precision of the system.
User interface of the sysem is designed. It can automatic alarm if the speed exceeds the
limit. The max speed can be setup by the user. The speed can be measured as well as
controled in the system.
This article describes principles of Hall sensor speed, STC89C52RC design based
on single-chip electronic display system of vehicle speed and mileage. Completed
vehicle mileage and speed measurement system of hardware circuit design, circuit
design, Hall-effect sensor measurement design of display circuit. Axis every week,
have a certain number of pulses, consists of Hall device circuit parts 12V pulse output
range. Optical isolators as outputs over 5V revolution counter counting pulses. In the
design of display circuit, in via LCD1602 on liquid crystal Visual display of speed and
mileage of the car's value. Hardware circuit, display circuit and the system for
debugging. With the software, enables display and alarm function. Simulation
experiments show that the design of hardware circuit and software programs correctly,
meet design requirements.
Keywords: pulse detection; Hall sensors; Single chip microcomputer; STC89C52RC;
LCD
目 录
第一章 绪论............................................................................................. 1
1.1
立题的目的和意义 ............................................................................................. 1
1.2
应用与发展前景 ................................................................................................. 1
1.3
设计任务与要求 ................................................................................................. 2
1.3.1 设计任务....................................................................................................... 2
1.3.2 设计要求....................................................................................................... 2
1.4
小结 ..................................................................................................................... 2
第二章 课题方案设计 ............................................................................ 3
2.1
系统总体设计要求 ............................................................................................. 3
2.2
系统模块结构的选择 ......................................................................................... 3
2.2.1 霍尔测速模块选择....................................................................................... 3
2.2.2 计数器模块选择........................................................................................... 3
2.2.3 显示模块选择............................................................................................... 3
2.2.4 报警模块选择............................................................................................... 3
2.2.5 电源模块选择............................................................................................... 3
2.2.6 单片机模块选择........................................................................................... 4
2.3
速度测量方案选择 ............................................................................................. 4
2.4
小结 ..................................................................................................................... 4
第三章 系统总体设计 ............................................................................ 5
3.1
总体硬件设计 ..................................................................................................... 5
3.1.1 硬件原理图................................................................................................... 5
3.1.2 硬件电路设计总图....................................................................................... 5
3.2
系统子模块简介 ................................................................................................. 6
3.2.1 传感器部分................................................................................................... 6
3.2.3 处理器........................................................................................................... 7
3.2.4 LCD显示部分............................................................................................... 8
3.2.5 外接报警部分............................................................................................... 8
第四章 软件设计 .................................................................................... 9
4.1 程序设计步骤 .......................................................................................... 9
4.2
程序流程图 ......................................................................................................... 9
4.2.1 主程序流程图............................................................................................... 9
4.2.2 中断服务流程图......................................................................................... 11
4.3
软件程序设计 ................................................................................................... 12
4.3.1 主程序设计................................................................................................. 12
4.3.2 中断服务程序设计..................................................................................... 14
4.3.3 显示程序设计............................................................................................. 14
4.3.4 报警程序设计............................................................................................. 16
4.3.5 转速程序的设计......................................................................................... 16
4.3.6 软件程序基础知识准备............................................................................. 17
第五章 软件调试 .................................................................................. 18
5.1
PROTEUS及KEIL软件简介 ............................................................................... 18
5.1.1 Proteus软件................................................................................................. 18
5.1.2 Keil软件 ...................................................................................................... 18
5.2
应用KEIL软件进行程序调试 .......................................................................... 18
5.3
PROTEUS软件仿真 ............................................................................................. 19
5.3.1仿真步骤...................................................................................................... 19
5.3.2仿真实例...................................................................................................... 19
5.4
硬件软件联合调试 ........................................................................................... 22
5.4.1 联调步骤..................................................................................................... 22
5.4.2 搭接检查步骤............................................................................................. 22
第六章 结论........................................................................................... 24
参考文献 ..................................................................................................... 25
附录1 源程序 ........................................................................................... 26
附录2 硬件实物图 .................................................................................... 30
外文文献 ..................................................................................................... 30
外文翻译 ..................................................................................................... 57
谢 辞 ........................................................................................................ 80
天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
第一章 绪论
汽车是现代生活中不可或缺的一种重要交通工具，传统的指针式的里程表伴随着汽车的诞生就一直为人们接受，不过，新生事物不会因传统的存在而停止它前进的步伐，数码科技在今天已渗透到工业，农业，民用等产品的点点滴滴。新概念的车速里程表最直观的变化就是用大屏幕的液晶取代指针式表盘，直接用数字显示时速，里程，以及其他一些诸如油耗、时钟、环境温度等参数。直观的呈现给使用者。
由于单片机体积小，可以把它做到产品的内部，取代老式机械零件，缩小产品体积，增强功能，实现智能化。因此广泛的被用在智能产品中。
本文先对里程表设计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；对硬件和软件部分的设计和实现作了认真的分析；给出了系统的建模过程及相应的系统模型，并对仿真结果进行了分析。
1.1 立题的目的和意义
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,它具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点,在机车控制系统中占有非常重要的地位。
测速装置在控制系统中占有非常重要的地位,对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。在此主要介绍应用霍尔传感器通过测量磁场强度,来得到稳定的脉冲方波信号,实现电机转速的测量转速是电动机极为重要的一个状态参数,在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,速度测量的精度直接影响系统的控制情况,它是关系测控效果的一个重要因素。不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。
1.2 应用与发展前景
随着微型计算机可靠性提高和价格的下降，用单片机测量电机转速已日趋普遍。我们知道,欲提高测量精度,必须先测出准确的转速,而原先在可控硅调速电路中采用的测速发电机方式已不能满足要求,必须采用数字测速的方法。转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。转速检测方式采用霍尔脉冲法测量转速有两种简单的方式。本文采用频率法，检测的是输入脉冲数,这种方式又称频率法。它测出一定时间内输入的脉冲的个数。
在控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低，构- 1 -
天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
造简单，性能好。在电气控制系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身要具有较强的抗干扰能力。
由于需要采用霍尔传感器的应用领域，如汽车、电机、手机和电脑都已经采用了该器件，而且这些市场在未来几年的增长较为稳定，而其他一些新的应用市场又不足以与上述几个市场相比，因此霍尔传感器在全球总的市场容量是较为稳定的，每年的增长率保持在5%到10%之间。因为各种应用电机的部件、节气门位置的检测、各种阀体位置的检测都会用到霍尔传感器。而且，在中国市场中，国外厂商为了降低成本，陆续将零部件拿到中国进行设计和生产，这也进一步提升了中国市场霍尔传感器的应用量。
随着它在消费电子市场上的应用越来越广，如何控制功耗和成本将是厂商面临的挑战。而且，它还面临生产测试技术方面的挑战。
1.3 设计任务与要求
1.3.1 设计任务
根据学校毕业设计的要求，设计一个功能满足设计要求、工作稳定、以单片机为核心的汽车速度及里程表显示系统，由于种种原因不能真正把设计放到汽车上模拟，所以只能够用简单的电机代替。能够实现在电机工作时转速的测量，并在发生故障时能及时的发出报警信号。本设计包括完整的硬件设计和相应的软件设计。
1.3.2 设计要求
根据学校毕业设计的要求，设计一个功能满足设计要求、工作稳定、以单片机为核心的测量速度和里程的显示系统。本设计要求做一个单片机最小系统，能够实现在电机工作时转速的测量，同时选用合适的显示器件，使系统具备实时显示功能，并在发生故障时能及时的发出报警信号。根据题目的要求，设计了以下方案并对各方案进行了论证与分析。本设计包括完整的硬件设计和相应的软件设计。
1.4 小结
本章主要对本设计的立题目的及意义进行了介绍并且对设计的要求进行了总结 。
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天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
第二章 课题方案设计
2.1 系统总体设计要求
设计一个功能满足设计要求、工作稳定、以单片机为核心的测量转速和里程的显示系统。
2.2 系统模块结构的选择
2.2.1 霍尔测速模块选择
采用霍尔元件传感器即霍尔片；霍尔片可分为贴片型和直插型。由于贴片型不常用，因此选择直插型。选型号为A3144的霍尔片作为霍尔测速模块的核心，该霍尔片体积小，安装灵活，可用于测速，且与普通的磁钢片配套使用，价格一般为2.5~3元。
2.2.2 计数器模块选择
可以采用片外计数器和片内计数器两个方案。片外计数器的方案是指采用8253等片外的专用计数芯片进行脉冲计数。片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。
使用片内的计数器的优点在于降低单片机系统的成本。每到一个脉冲将会产生一个T1的计数，T1的中断溢出次数就是所需要计的脉冲数。特点在于：使用了内部的T1作为外部脉冲的计数器，并且为了避免计数器的溢出，将T1的初值设为0。
2.2.3 显示模块选择
数码管显示器件相对便宜，但是耗能大、编写程序相对麻烦，工作量大。
LCD显示器工作原理简单，编程方便，节能环保。所以采用LCD1602液晶显示器作为显示模块核心。
2.2.4 报警模块选择
采用电磁式蜂鸣器作为报警主要器件。该方案不论在硬件和焊接方面还是在编写软件方面都简单方便，而且成本低廉。
2.2.5 电源模块选择
采用USB供电。该方案实施简单，电路搭建方便，可作为单片机开发常备电源使用。
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天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
2.2.6 单片机模块选择
选用 STC89C52RC的单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富，有各种不同的规格，引脚还可编程确定功能
因为本次设计的目标是测速系统的应用，所以我选用了51系列的单片机，因为51的架构十分典型。选择51系列单片机我认为主要考虑以下方面：1.价格便宜；2.开发简单；3.自己动手焊接相对容易。
2.3 速度测量方案选择
转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。
传感器采用霍尔器件将电机的转速转化为脉冲信号，处理器采用STC89C52RC单片机。计数器采用单片机片内计数器完成对脉冲的计数，显示器采用字符型液晶显示器LCD1602进行显示。
系统工作过程：机轴上安装一个一个圆盘，圆盘的边缘安有一个磁钢，测量转速的霍尔传感器靠近边缘的磁钢，机轴每转一周，产生一定的脉冲个数，霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将数据处理后，通过LCD1602显示出来。测量转速传感器由磁钢、霍尔元件组成。将一非磁性圆盘固定装在电机转轴上，再用502胶水将圆块状磁钢黏贴在圆盘靠近边缘的位置，磁钢采用永久磁。
图2-1 霍尔传感器检测信号图
2.4 小结
本章通过总体设计进行对方案选择的最终确定，研究了霍尔测速、计数器、显示、报警、电源、单片机等各部分模块的可行性方案。
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天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
第三章 系统总体设计
3.1 总体硬件设计
汽车转速及里程表显示系统工作过程是：机轴每转一周，产生一定量的脉冲个数，由霍尔器件电路部分输出。经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。同时传感器电路输出幅度为12v的脉冲经光电耦合后降为5v，保持同STC89C52RC逻辑电平相一致。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。CPU将该值数据处理后，在LCD1602上显示出来。一旦超速，CPU通过蜂鸣器发出声音报警信号。
3.1.1 硬件原理图
以单片机STC89C52RC为控制核心，用霍尔集成传感器作为测量转速的检测元件，最后用字符型液晶显示器LCD1602显示，用小型直流电机模拟汽车显示转速和里程的显示系统，这是一种数字式测量方法。系统硬件原理图如图3-1所示。
电机霍尔传感器声音报警
光电耦合计数器单片机LCD
显
示
器
3.1.2 硬件电路设计总图
在原理图基础上对各部分进行了详细的设计，硬件电路图如图3-2所示。
图3-1 硬件原理图
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天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
图3-2 硬件电路图
3.2 系统子模块简介
本文介绍一种STC89C52RC单片机测量汽车速度及里程的方法。系统以单片机STC89C52RC为控制核心。用霍尔集成传感器作为测量汽车速度及里程的方法检测元件，经过单片机数据处理，用字符型液晶显示器LCD1602显示汽车速度及里程。另外系统还可完成对电机的开关控制。组成单片机速度及里程测量系统的有传感器、处理器、计数器和显示器四个部分组成。
3.2.1 传感器部分
主要分为两个部分。第一部分是利用霍尔器件将电机转速转化为脉冲信号；第二个部分是使用光耦，将传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。
用于测量的A3144集成霍尔开关，磁钢用直径D=5mm，长度为L=3mm的磁钢。A3144是由稳压电源，霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。- 6 -
天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
它是一种单磁极工作的磁敏电路，适合于矩形或者柱形磁体下工作。可应用于汽车工业和军事工程中。管脚图和接线图如3-3所示。
（a）霍尔片管脚 (b)管脚接线
图3-3 霍尔片管脚图和管脚接线图
3.2.2 计数器
片内计数方案是指采用单片机的内部计数器完成对脉冲的计数过程。
3.2.3 处理器
处理器是单片机，采用的是STC89C52RC单片机。STC89C52RC是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and
Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能的微处理器，俗称单片机。其引脚图如图3-4所示。
STC89C52RC具有如下功能特性：
（1）兼容MCS—51指令系统；
（2）32个双向I/O口；
（3）两个16位可编程定时/计数器；
（4）1个串行中断；
（5）两个外部中断源；
（6）4k可反复擦写(>1000次）Flash ROM；
（7）128x8bit内部RAM；
（8）6个中断源；
（9）低功耗空闲和掉电模式；
(10)软件设置睡眠和唤醒功能。
图3-4 STC89C52RC的引脚图
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3.2.4 LCD显示部分
选用LCD1602。显示部分有两个功能，在正常的情况下，通过LCD显示当前的汽车速度，当汽车速度超出一定的范围后，通过蜂鸣器进行报警。实物图如图3-4所示。
图3-5 LCD1602液晶显示实物图
3.2.5 外接报警部分
在单片机应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警。用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400μs，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200μs翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。电磁式蜂鸣器实物图如3-6所示。
图3-6 电磁式蜂鸣器
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天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
第四章 软件设计
4.1 程序设计步骤
第一步分析问题，明确任务要求，对于复杂的问题，还要讲要解决的问题抽象成数学模型，即用数学表达式来描述。
第二步确定算法，即根据实际问题和指令系统的特点确定完成这一任务须经历的步骤。
第三步根据所选择的算法，确定内存单元的分配：使用那些寄存器：程序运行中的中间数据及结果存放在那些单元，以利于提高程序的效率和运行速度：然后制定出解决问题的步骤和顺序，画出程序的流程图。
第四步根据流程图，编写源程序。
第五步上机对原程序进行编译、调试。
4.2 程序流程图
电机转速测量需要经过的4个基本步骤：1是控制方式；2是确定计数方式；3是信号输入方式；4是计数值的读取；通过STC89C52RC，单片机完成对电机转速脉冲计数的控制，读取寄存器完成转速频率的确定。电机脉冲信号连到INT0引脚。
本系统采用STC89C52RC中的INT0中断对转速脉冲计数。定时器T0工作于定时方式，工作于方式1。每到1s读一次外部中断INT0计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（4-1）可计算出电机的转速。
当直流电机通过传动部分带圆盘旋转时，霍尔传感器根据圆盘上得磁片获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片机系统定时/计数器INT0计数，定时器T0定时。定时器T0完成100次溢出中断的时间T除以测得的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。
汽车速度计算公式：
n=2·m/(N1·T·N)(m/sec) （4-1）
其中：n为直流电机转速,N为磁钢数，N1为T0中断次数，m为INT0在规定时间内测得的脉冲数，T为定时器T0定时溢出时间，2为假定的汽车轮子的周长。
4.2.1 主程序流程图
主程序工作过程如下。
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天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
先进行初始化设置各定时器初值，然后判断是否启动系统进行测量。如果是，就启动系统运行。如果不是就等待启动。启动系统后，霍尔传感器检测脉冲到来后，启动外部中断，每来一个脉冲中断一次，记录脉冲个数。同时启动T0定时器工作，每1秒定时中断一次，读取记录的脉冲个数，即电机转速。再进行数值的判断，若数值高于80m/sec则报警并返回初始化阶段，否则就进行正常速度液晶显示。
开始
初始化
是否启动
等待中断
数据滤波处理
是否达到报警器的值
显示处理
图4-1 主流程图
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天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文）
4.2.2 中断服务流程图
在处于中断服务程序阶段，首先进行关中断设置。其次进行对INT0位进行的脉冲个数计数的数值读取。再次对INT0、T0进行赋初值并且进行关中断设置。最后进行中断返回。
一、外部计数中断
关闭中断
计数器+1
判断是否为1次，1次则为电机转一圈
初始化计数器
转圈计数器+1
开外部中断INT0
返回
图4-2 外部中断流程图
- 11 -
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二、定时器中断
关T0中断
重新装入计时数值
计时数值+1
判断是否为20次，20次则为1秒
关INT0中断，把转圈数赋值给数据处理参数
LCD显示
开中断
返回
图4-3 定时器中断流程图
4.3 软件程序设计
4.3.1 主程序设计
主程序在对定时器、计数器、堆栈等进行初始化后即判断标志位是否为1，如果为1，说明要求对数据进行计算处理，首先将标志位清零，以保证下次能正常判断，然后进入数据处理程序，由于这里的闸门时间为1s，由于转轴上安装- 12 -
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有1只磁钢，每旋转一周可以得到1个脉冲，可得到每秒钟的转速。所得数据乘以汽车车轮的周长即可得到当前汽车的速度。计算得到的结果是二进制的整数，要将数据送往显示缓冲区需要将该数转化为BCD码。运算得到的是压缩BCD码，需要将其转换为非压缩BCD码，从标号CBCD开始的一段程序即作了这样的处理。
定时器T0用作20ms定时发生器，在定时中断程序中进行数码管的动态扫描，同时产生1s的闸门信号。1s闸门信号的产生是通过一个计数器Count，每次中断时间为20ms，每计50次即为1s，到了1s后，即清除计数器Count，然后关闭作为计数器用的INT0，读出TH0、TL0中的数值，分别送入SpCount和SpCount+1单元，将T0中的值清空，置标志位为1，要求主程序进行速度值的计算。这里还有一个细节，用作1s闸门信号产生的Count每次中断都会加1，而INT0却有一个周期是被关闭的，因此，计数值是51而不是50。
/*------------------------主函数-------------------------*/
void main()
{
}
int_all();//全局初始化
{
}
disp_count();//数据处理
if(zhuan>=80)
//转速警告
{
}
if(zhuan<80)
{
}
write_command(0x80);
for (i=0;i { } write_data(display[i]); //LCD显示 delay(5); warning=0; warning=1; while(1) - 13 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 4.3.2 中断服务程序设计 一、外部计数中断 /*-------------------外部中断0计数程序-------------------*/ void counter(void) interrupt 0 { EX1=0; //关外部中断0 z++; //转圈计数加1 EX1=1; //开外部中断0 } 二、定时器中断 /*-----------------内部中断0计时计数程序-----------------*/ void Timer_0(void) interrupt 1 { TH0=0x65; //50ms定时 TL0=0xF3; msec++; if(msec==20) //50*20=1S { zhuan=z; x+=z; disp_count(); //数据处理 displaytolcd(); msec=0; z=0; } } 4.3.3 显示程序设计 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪个位置显示字符。 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 向LCD输入的数据有两种，一种是指令，一种是数据。指令是负责初始化LCD与LCD显示字符是什么位置。命令与数据是RS端的高低电平来确定。数据开始的时候是由LCDCS高电平开始，低电平结束。 - 14 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 显示子程序 向LCD1602写命令 向LCD1602写数据 结束显示 图4-4 显示流程图 /*--------------------向LCD1602写命令--------------------*/ void write_command(uchar command) { } /*-------------------------------------------------------*/ /*--------------------向LCD1602写数据--------------------*/ void write_data(uchar data0) { } - 15 - rs=0; //选择写命令 P0=command; //向LCD写命令 lcdcs=1; //信号使能端高电平 lcdcs=0; //信号使能端低电平 rs=1; //选择写数据 P0=data0; //向LCD写数据 lcdcs=1; //信号使能端高电平 lcdcs=0; //信号使能端低电平 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 4.3.4 报警程序设计 蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。 蜂鸣器程序设计思路：本程序通过在输出一个音频范围的方波，驱动实验板上的蜂鸣器发出蜂鸣声，其中Delay延时子程序的作用是使输出的方波频率在人耳朵听觉能力之内的20KHZ以下，如果没有这个延时程序的话，输出的频率将大大超出人耳朵的听觉能力，我们将不能听到声音。更改延时常数，可以改变输出频率，也就可以调整蜂鸣器的音调。 代码为: if(zhuan>=80) { } if(zhuan<80) { } warning=0; warning=1; 4.3.5 转速程序的设计 测速的方法决定了测速信号的硬件连接，测速实际上就是测频，因此，频率测量的一些原则同样适用于测速。 通常，可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法，就是给定一个闸门时间，在闸门时间内计数输入的脉冲个数；测脉宽法是利用待测信号的脉宽来控制计数门，对一个高精度的高频计数信号进行计数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在±1误差的问题，第一种方法适用于信号频率高时使用，第二种方法则在信号频率低时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。 /*-----------------------数据处理------------------------*/ void disp_count() { unsigned long long_x; zhuan=zhuan*2; display[7]=(zhuan/1000+'0'); //转换转速的千位 display[8]=(zhuan/100%10+'0'); //转换转速的百位 display[9]=(zhuan/10%10+'0'); //转换转速的十位 display[10]=(zhuan%10+'0'); //转换转速的个位 long_x=x*2; - 16 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） } display_up[6]=(long_x/100000000+'0'); //里程的亿位 display_up[7]=(long_x/10000000%10+'0'); //里程的千万位 display_up[8]=(long_x/1000000%10+'0'); //里程的百万位 display_up[9]=(long_x/100000%10+'0'); //里程的十万位 display_up[10]=(long_x/10000%10+'0'); //里程的万位 display_up[11]=(long_x/1000%10+'0'); //里程的千位 display_up[12]=(long_x/100%10+'0'); //里程的百位 display_up[13]=(long_x/10%10+'0'); //里程的十位 display_up[14]=(long_x%10+'0'); //里程的个位 4.3.6 软件程序基础知识准备 针对STC89C52RC单片机，头文件STC89x52.h给出了特殊功能寄存器SFR所有端口的定义。其次,C语言编程基础： 十六进制表示字节0x5a：二进制为01011010B；0x6E为01101110。 如果将一个16位二进数赋给一个8位的字节变量，则自动截断为低8位而丢掉高8位。 TMOD=(TMOD&0xf0)|0x05;表示给变量TMOD的低四位赋值0x5，而不改变TMOD的高四位。 While(1);表示无限执行该语句，即死循环。语句后的分号表示空循环体，也就是{;} 在引脚输出方波编程方法：（比如P3.2引脚） #include//该头文档中有单片机内部资源的符号化定义，其中包含P3.2// void main(void)//void表示没有输入参数，也没有函数返值，这入单片机运行的复位入口// { While(1)//非零表示真，如果为真则执行下面循环体的语句// { P3_2=1;//给P3_2赋值1，引脚P3.2就能输出高电平VCC// P3_2=0;//给P3_2赋值0，引脚P3.2就能输出低电平GND// }//由于一直为真，所以不断输出高、低、高、低……，从而形成方波// } - 17 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 第五章 软件调试 5.1 Proteus及Keil软件简介 5.1.1 Proteus软件 Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。 一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。 5.1.2 Keil软件 KeilC51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。 KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 5.2 应用Keil软件进行程序调试 软件的调试必须在开发系统的支持下进行。先分别调试通过各个模块程序,然后调试中断服务程序,最后调试主程序,将各部分连接进行调试。调试的范围可以由小到大,逐步增加,必要的中间信号可以先做设定。通常交叉使用单步运行,断点运行,连续运行等多种方式,每次执行完毕后,检查CPU执行现场,RAM的有关内容,I/O接口的状态等。发现一个问题,解决一个问题,直至全部通过。 - 18 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 首先新建一个工程项目文件;其次为工程选择目标器件;再次为工程项目设置软硬件调试环境；并创建源程序文件并输入程序代码，及保存创建的源程序项目文件；最后把源程序文件添加到项目中。 5.3 Proteus软件仿真 在Proteus软件中画出原理图,向单片机中加入需要调试的程序的HEX文件,便可以进行调试了。 5.3.1仿真步骤 利用Proteus实现单片机系统开发过程一般分为四步： 1.在Proteus平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等（简称Proteus电路设计）； 2.在Keil平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件（*.hex）（简称Proteus软件设计）； 3.再次在Proteus平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真（简称Proteus仿真）； 最后仿真正确后，安装实际单片机系统电路，并将目标代码文件（*.hex）下载到实际单片机中运行、调试。若出现问题，可与Proteus设计与仿真相互配合调试，直至运行成功（简称实际产品安装、运行与调试）。实践证明：按照Proteus仿真通过的设计来安装的实际系统，只要安装正确、元器件无误，焊接牢靠，基本都能顺利通过。 5.3.2仿真实例 首先，进行参数的选定。本系统主芯片采用的STC89C52RC，由于Keil中没有该芯片，所以用AT89C51代替。因此选定该型号。 - 19 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 图5-1 芯片型号选择 其次，在Option For Target Target 1中选择生成HEX文件。 图5-2 HEX文件生成 运行的第一步，点击运行程序。确认运行程序无误，即没有错误和警告。 图5-3 确认程序无误 - 20 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 点击生成工程文件并生成HEX文件。 图5-4 已生成HEX文件 可通过Debug中的Run和Step来对程序的对应代码进行一一调试。 图5-5 程序运行调试 - 21 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 通过程序加入芯片，在Proteus软件里仿真的效果图。 图5-6 仿真显示图 5.4 硬件软件联合调试 5.4.1 联调步骤 第一步安装Keil与Proteus； 第二步把Proteus安装目录下文件复制到Keil安装目录的C51BIN目录中； 第三步修改Keil安装目录下文件，在C51字段加入TDRV5= ("Proteus VSM Monitor-51 Driver")打开Proteus，画出相应电路。在Proteus的Tools菜单中选中Use remote debug monitor； 第四步在Keil中编写MCU的程序及进入Keil的Proteus菜单Option for target 工程名。在Debug选项中右栏上部的下拉菜选中 Proteus VSM Monitor-51 Driver。 第五步即最后在Keil中进行Debug，同时在Proteus中查看直观的结果。 5.4.2 搭接检查步骤 首先检查元件的好坏；按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。 其次放置各元件；按电路图的位置将各元件安置好，首先放置核心元件，然- 22 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 后再放其他元件，特别注意顺序不能颠倒。 再次电路接线；在保证电路元器件完好及各元器件放置无误合理的情况下，开始对电路连接布线，由于本设计用面包板搭件，所以布线要无跨线并且工整。 - 23 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 第六章 结论 本文给出了一种用单片机和霍尔传感器测量汽车速度及里程的测量系统,克服了传统方法测量的不足,可以实现每秒对汽车速度进行测量。该测速系统具有测量速度快，测量精度高的优点。不但可应用于汽车的速度测量，而且可应用于其它要求转速精确测量系统中。 主要通过学习了霍尔传感器、STC89C52RC单片机、LCD1602显示等知识，查阅了相关资料，实现了“汽车速度及里程电子显示系统”的基本设计要求。本系统实现了题目基本部分以及扩展部分的要求，可达到设计的基本条件要求。所设计的系统具有以下功能： 1．对于设计采用STC89C52RC单片机作为测量转速和里程的主CPU芯片，系统硬件设备结构简单合理，成本低，实时性好。 2．测速系统采用霍尔传感器作为敏感速率信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测量，充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。 3．针对采用LCD1602显示测速值和里程，直观、稳定，易于实现，并应用KEIL进行了软仿真，调试结果表明所设计的软件程序正确。 4．测速系统的功能还有待进一步扩充，如判别转速方向的能力；电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间。 正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。 - 24 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） 参考文献 [1] 赵负图.现代传感器集成电路[M].北京:人民邮电出版社, 2000.534-535. 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Definition. The algebraic sum, CAB,of two fuzzy sets with membership ~ is a fuzzy set with membership function functions A and B AB(x)A(x)B(x)A(x)B(x), xX. We write CAB=(x,AB(x))|xX. algebraic product, CAB, of two fuzzy sets with membership ~ is a fuzzy set with membership function function A and B AB(x)A(x)B(x), xX. We write C(x,AB(x))|xX. Definition. The bounded sum, CAB, of two fuzzy sets with membership ~ is a fuzzy set with membership function function A and B AB(x)min1,A(x)B(x). We write C(x,AB(x))|xX. Definition. The bounded difference, C=AB, of two fuzzy sets with ~ is a fuzzy set with membership function membership function A and B AB(x)max0,A(x)B(x)1 We write C(x,AB(x))|xX The Cartesian product of fuzzy sets is defined as follows. - 31 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） Defintion. Let A1,…,An be fuzzy sets in X1,…, Cartesian product is then a fuzzy set in the space X1…Xn with a membership function A...A(x)minA(xi)|x(x1,x2,...xn),xiXi. 1niiDefintion. The mth power of a fuzzy set A1 is a fuzzy set with the membership function Am(x)(A(x))m, xiXi. The Fuzzy AND and Fuzzy OR operators combine the logical AND and OR operators with the arithmetic norm. fuzzy AND of two fuzzy sets A and B is defined as CAB with membership function 1 C(x)ABminA(x),B(x)(1)(A(x)B(x)) 2where can be varied between 0 and 1 in order to weight the logical AND against the arithmetic mean. For =1 the fuzzy AND reduces to the logical AND and for =0 the fuzzy AND operator reduces to the arithmetic mean. fuzzy OR of two fuzzy sets A and B is defined as CAB with menbership function 12C(x)ABmaxA(x),B(x)(1)(A(x)B(x)),[0,1] 18.2.3 Defuzzification Operations In many practical applications we would like to obtain a crisp decision from the fuzzy analysis of the problem. For example, in a problem where a company uses fuzzy logic to decide on one of many marketing companies the result of the fuzzy analysis should be exactly one rly, in a control problem (e.g. the classic pole-balancing problem) we would like a crisp decision for the force which should be applied to the cart. The following operators are commonly used to extract a crisp decision from a fuzzy set. - 32 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） Definition. The minimum grade operator returns that support value which has the maximum grade (degree of truth). If there is no unique support value corresponding to be the maximum grade then it returns any one of these. Definition. The minimum grade operator returns that support value which has the minimum there is no unique support value corresponding to be the maximum grade then it returns any one of these. In many cases a small variation in the membership function can cause a very big variation in the decision (conclusion). For example , if we have a non-convex fuzzy set, then a small variation might change the decision from the one maximum to the other. This can be problematic, especially in the case of control problems where it can be a major cause of instability. Hence, for control problems one often uses the centroid of the fuzzy set for the crisp control strategy. Definition. The centroid c (or centre of mass) of a fuzzy set, F with membership function F(x) for xX is defined by c:xXxF(x)xXF(x) in the case of a discrete membership function and by c:xXxF(x)xXF(x) in the case where F(x) is continuous. For some applications it can be useful to obtain a crisp set from a fuzzy set. For example, when trading with stocks, one might want to use fuzzy logic inference to decide which stocks should be sold. Definition. The -cut operator returns a crisp set with a grade of 0 for support values with grade less than and 1 for support values which have a grade larger than or equal to . Definition. The -cut operator returns a crisp set with a grade 1 for the support values which have the highest grade and 0 for the remaining support values. Example. Consider the discrete fuzzy set - 33 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） F(1,0.85),(2,0.7),(3,0.1),(4,0.44),(5,0.87),(6,0.2),(7,0.19). The maximum grade is 5, the minimum grade is 3, the centroid is 3.343, the -cut with =0.7 returns the crisp set {(1,1),(2,0),(3,0),(4,0),(5,1),(6,0),(7,0)} and the -cut with =0.3 returns the crisp set {(1,1),(2,1),(3,0),(4,0),(5,1),(6,0),(7,0)}. There are a number of other defuzzification operators described in the literature, for example the weighted average method (only applies to symmetrical membership functions), the centre of sums, centre of largest area and frist (or last) details and examples we refer to the literature (Ross [175]). 18.2.4 Fuzzy Concepts as Fuzzy Sets It is often convenient to have implemented fuzzy concepts like large, small, near, greater than and less than as fuzzy sets on a given universe. For example, the profit made on a product might, for arguments sake, be between 0% and 100%. We would like to implement the concept large as a fuzzy set. A simple way of doing this is to assume that the fuzzy set has points on a straight line with grade 1 for 100% profit and grade 0 for 0% profit. Similarly, we could define the concept, small, as a fuzzy set with a straight line as the menbership function which gives grade 1 for 0% profit and grade 0 for 100% profit. Definition. The concept small is represented by a fuzzy set, S with membership function S(x)xxmax xminxmaxand the concept large is represented by a fuzzy set L with membership function L(x)xxmin. xmaxxmin- 34 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） Another useful concept is near. For example, the profit on a certain product might be near 40%. We choose to implement near, as a fuzzy set whose membership function is given by a normal distribution with width 10% of the size of the universe. Definition. Consider a universe, X. The concept near p, with pX, is represented by a fuzzy set, N, with membership function 1(xp)2exp() N(x)222where the variance, , is chosen by default as (xmaxxmin). If 0,then we find the crisp is equal to the Dirac-Delta function. Gaussian membership function are also used in fuzzy pattern recognition. Suppose we have a one-dimensional universe on the real line, i.e.,X=.Consider two fuzzy sets A and B having normal Gaussian membership functions A(x)exp((xa)2a2), B(x)exp((xb)2b2) An inner product can be defined (Ross [175]) yielding (ab)2 ABexp()A(x0)B(x0) 2(ab)where x0:abba abIf the two fuzzy sets are identical, then the inner product equals one. Finally we define the fuzzy concepts greater than less than. For example , the profit on a certain product might be greater than 20%. We use a Fermi-Dirac distribution whose transition is at 40% to represent this fuzzy concept. Definition. Consider a universe,X. The concept, greater than p, with pX is represented by a fuzzy set, G, with menbership gunction - 35 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） G(x)[1exp((xp))]1 where those slope is chosen by default as 0.1(xmaxxmin). For 0 we recover the crisp greater than which is the step function 1forall G(x)|00forall18.2.5 Hedging xpxp A linguistic hedge or a modifier is an operation which modifies the meaning of a term. Concentration and dilation hedges are frequently used in fuzzy inference. Typical linguistic terms for concentrators are extremely and very. This shifts the emphasis towards larger support they increase the restrictiveness of the fuzzy set. Definition. A linguistic hedge is an operation that modifies the meaning of a term or, more generally, of a fuzzy set. If A is a fuzzy set then the modifier m generates the (composite) term Bm(A). Mathematical models frequently used for modifiers are concentration conA(x)(A(x))2 dilation dilA(x)(A(x))2 Example. Assume we choose the following membership function for the fuzzy set, 1H, corresponding to the linguistic term the weather is hot H(T)T,T[0:40]. 40The grade of membership (degree of truth) given to various temperatures is given in the following table T 0 0 5 0.125 10 0.25 15 0.375 20 0.5 25 0.625 30 0.75 35 0.825 40 1 H(T) - 36 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） This membership function will give a support of 0.5 to a temperature of 200C, 0.75 to 300C and 0.825 to 350C. The set of very temperatures should give only higher temperatures significant support. The membership function for the fuzzy set very hot, very H, can be obtained from the membership function of H by using a hedge veryH(T)(H(T))2 The grade of membership for very hot is given in the following table T 0 0 5 10 15 20 0.25 25 30 35 40 1 veryH(T) 0.016 0.063 0.141 0.391 0.563 0.681 Only the temperatures 350C and 400C have a 0.6-levvel support for very hot while 250C,300C,350Cand 400C all have a 0.6-level support for hot. The hedging thus restricts(or compressed) the fuzzy set around high temperatures. A commonly used mathematical expression for hedging is hedgeH(T)(H) with >1 for compression and <1 for dilation. For example, we could use the following hedge allocation for compression and dilation: hedge vaguely 0.05 slightly 0.25 somewhat 0.5 very 2 extremely 3 exactly Another hedge commonly used is a contrast enhancer - 37 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） enhH22(H(T))212(1H(T))forotherwiseH(T)[0,]12 From information theory we knonw that we can define the missing information of a probability by distribution by the shannon entropy S(x):(p(x)logp(x)) xX18.2.6 Quantifying Fuzzyness where the base of the logarithm, , determines the units of information. If =2, then the unit of information is the bit (binary digit). We would expect this since in this case we know with certainty that the solution is x0 (with probability 1) and hence there is no missing information. Similarly, if the probability distribution is p(x)1sizeofX for all x then the missing information is a maximum. We can define the entropy of a fuzzy set F(x,F(x))|xX by (F):S(F)S(F) with S(F)F(x)log(F(x)) xXwhere is a positive constant. Thus the entropy is a suitable measure for fuzzyness. Example. Consider the following two discrete fuzzy sets A(1,0.4),(2,0.8),(3,1.0),(4,0.7),(5,0.3) and B(1,0.0),(2,0.1),(3,1.0),(4,0.2),(5,0.1) - 38 - 天津工业大学2012届本科生天津工业大学毕业设计（论文） Then the 2(A)=3.46 bits, while 2(B)=1.66 bits. As we would expect, A is much more fuzzy than B. 18.2.7 C++ Implementation of Discrete Fuzzy Sets In the following header file fuzzy.h we implement the function described above as methods within the class Fuzzy. The function name near is replaced by closeTo since near is used in some C++ compilers as keyword. We supply 3 constructors. The default constructor Fuzzy() which allows the user to create an array of fuzzy sets, a constructor allowing the user to create a fuzzy set of a certain size and covering a range from xMax to xMin on the support axis, If the user does not specify the support-range then it is assumed to be [0,1] as specified by the defult valuses of the corresponding arguments. The support range can be altered at a later stage via the methed setDomain. The last constructor is the copy constructor. The method fillGrades sets all grades equal to the supplied fill-value. The method normalize normalizes the fuzzy set (i.e. the largest grade will be 1). The method rectangle fills all the grades of the fuzzy set whose support is between left and right with 1 and all others with zero. For example, the concept crisp faster than 100 for a universe of cruising speeds between say 100 and 200 could be defined by the rectangle Fuzzy fasterThan100(201,1,200); gle(100,200); The methods triangle() and trapezoid() can be used to define a discrete fuzzy set with trianglar and trapezoidal membership functions, respectively. For example,we could define the fuzzy value for optimal cruising speed by a triangle and the range of acceptable cruising speed by a trapezoid Fuzzy optimalSpeed(201,0,200), acceptablrSpeed(201,200); le(100,110,120); - 39 -
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