電動自行車?yán)锍趟俣扔?jì)的設(shè)計(jì)

丁 敏

（陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

隨著居民生活水平的不斷提高，電動自行車不僅僅是普通的運(yùn)輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。因此，人們希望電動自行車的功能更強(qiáng)大，能給人們帶來更多的方便。電動自行車?yán)锍趟俣缺碜鳛槠湟淮筝o助工具迅速發(fā)展起來，其功能也逐漸從單一的里程顯示發(fā)展到速度、時間顯示，甚至有的還具有測量騎車人的心跳、顯示騎車人熱量消耗等功能。本設(shè)計(jì)采用了MCS-51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一種體積小、操作簡單的便攜式電動自行車的里程速度計(jì)，它能自動顯示當(dāng)前電動自行車行走的距離及運(yùn)行的速度。

1.電動自行車?yán)锍趟俣扔?jì)的總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以通用MCS-51單片機(jī)為處理核心，用傳感器將車輪的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為電脈沖，進(jìn)行處理后送入單片機(jī)。里程及速度的測量，是經(jīng)過MCS-51的定時/計(jì)數(shù)器定時一個固定時間測出總的脈沖數(shù)，再經(jīng)過單片機(jī)的計(jì)算得出，其結(jié)果通過LCD液晶顯示器顯示出來[1]。里程的掉電保存采用存儲芯片AT24C02 實(shí)現(xiàn)的，其電路原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.硬件電路的設(shè)計(jì)

電動自行車的里程速度計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)部分，它包括信號的捕獲，單片機(jī)的計(jì)算處理，液晶的實(shí)時顯示和單片機(jī)外圍基本電路的設(shè)計(jì)，主要器件有單片機(jī)、傳感器、LCD（1602）和存儲器[2]。

（1）傳感器及其測量系統(tǒng)的選擇

本次設(shè)計(jì)信號的捕獲采用的是霍爾傳感器?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達(dá)1 MHz）、耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高。取用各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件工作溫度范圍寬，可達(dá)-55～50℃。按照霍爾器件的功能可將分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測對象的性質(zhì)可將他們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場作為被檢測的信息的載體。通過它將許多非電、非磁的物理量（例如：力、力矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速）以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。

（2）時鐘電路設(shè)計(jì)

時鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作，因此，時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。STC89C52片內(nèi)由一個反相放大器構(gòu)成振蕩器，可以由它產(chǎn)生時鐘。常用的時鐘電路有2種方式：一種是內(nèi)部時鐘方式；另一種為外部時鐘方式。本設(shè)計(jì)采用前者。

單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入為芯片第19引腳XTAL1，輸出端為第18引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器[3]。

（3）復(fù)位電路設(shè)計(jì)

STC89C52 單片機(jī)的復(fù)位輸入引腳RET 為STC89C51，提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在單片機(jī)的時鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)內(nèi)部則初始復(fù)位。只要RET保持高電平，則89C51循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RET由高電平變成低電平以后，89C51才從0000H地址開始執(zhí)行程序[4]。

（4）報警電路設(shè)計(jì)

報警電路采用蜂鳴器報警，當(dāng)即時速度超過預(yù)定值是蜂鳴器響，指示燈閃爍，提示應(yīng)該減速。

（5）按鍵電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時為了實(shí)現(xiàn)不同頁面的切換，采用按鍵翻頁的方式。當(dāng)通電后按鍵不按下時LCD顯示系統(tǒng)時間，當(dāng)翻頁鍵第一次按下時顯示速度。當(dāng)翻頁鍵第二次按下時顯示電動自行車?yán)锍?，同時為了實(shí)現(xiàn)開機(jī)關(guān)機(jī)功能，設(shè)計(jì)中采用六角自鎖開關(guān)。自鎖開關(guān)，是一種常見的按鈕開關(guān)。在開關(guān)按鈕第一次按時，開關(guān)接通并保持，即自鎖；在開關(guān)按鈕第二次按時，開關(guān)斷開，同時開關(guān)按鈕彈出來。

默認(rèn)情況下，1與3，6與4是連在一起的；按下時，1與2，6與5是連在一起，在硬件中，用的是右邊一列，6腳接高電平，5腳接電源VCC，當(dāng)按下時接通電源實(shí)現(xiàn)開機(jī)，彈上來時，斷電實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)。

（6）存儲電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)掉電保存里程的功能，設(shè)計(jì)選用存儲器AT24C02，串行時鐘輸入端SCL（SCK）與P1．2口相連，串行數(shù)據(jù)輸入輸出端SDA與P1．3口相連，WP接地表示它可以對整個存儲器進(jìn)行正常的讀/寫操作。由于I2C總線上各個器件都采用漏極開路結(jié)構(gòu)與總線相連，因此，SCL和SDA均需接上拉電阻。

（7）顯示接口電路設(shè)計(jì)

選用液晶顯示器 LCD1602，單片機(jī)的 P0 口（P0．0～P0．7）連接 LCD 的 D0～D7，第 4 引腳 RS 接 P1．0，

第6引腳E接P1．1，并且P0口接上拉電阻，實(shí)際中采用的是10K排阻。

3.結(jié)論與展望

（1）結(jié)論

本系統(tǒng)是開發(fā)一個以51單片機(jī)為核心的電動自行車的里程速度計(jì)，硬件部分著重考慮硬件電路的簡單性，故盡可能簡化硬件電路，節(jié)省線路板的空間，達(dá)到硬件電路最優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對電動自行車?yán)锍?速度的計(jì)算功能，并用LCD顯示，里程與速度分別根據(jù)以下公式求得：

根據(jù)此公式將最終顯示出里程和速度。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動，小磁片滑過霍爾元件時，霍爾元件輸出單個脈沖，可根據(jù)車輪周長計(jì)算里程，選擇不同的車輪周長，里程數(shù)的變化有所不同；當(dāng)按下開關(guān)，顯示速度時，LCD會根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同顯示不同的數(shù)字，當(dāng)速度超過一定速度時，將啟動報警系統(tǒng)。

通過仿真證明本次設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)的要求，能實(shí)現(xiàn)對里程、速度的顯示，功能性較強(qiáng)，具有一定的實(shí)踐意義，將會在許多場合應(yīng)用。但也有一些不足存在，當(dāng)顯示速度時，若電動自行車轉(zhuǎn)動太快，顯示器會顯示過快，應(yīng)該將速度定時顯示，使人們能夠清楚地看出速度。

（2）展望

文章所設(shè)計(jì)系統(tǒng)操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)。硬件部分采用的器件應(yīng)用較廣泛，且價格低廉，如STC89C51 單片機(jī)、霍爾傳感器A44E、存儲器24C02等。這就意味著所有的器件功能比較強(qiáng)大、穩(wěn)定。尤其是設(shè)計(jì)的核心元件STC89C51單片機(jī)，軟件技術(shù)成熟，并具有種類齊全的支持芯片。這類微處理器既可用作控制器又適合于做數(shù)據(jù)處理，而且成本也甚是低廉。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，可讀性強(qiáng)，方便二次開發(fā)。

文章所設(shè)計(jì)電路簡單、成本低，而且能夠滿足人們對高性能、多功能電動自行車的要求，可在很多里程/速度測量場合使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]樓然苗，李光飛． 51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社， 2006．

[2]閻煥忠，王長濤，馬斌．單片機(jī)控制里程轉(zhuǎn)速表的設(shè)計(jì)[J]．沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2002（4）:145-148．

[3]刁文興．電動自行車電子里程表的初步設(shè)計(jì)[J]．南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004（6）: 25-28．

[4]陳雪麗．單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

（稿件來源：機(jī)械管理開發(fā)）