基于單片機的自行車計速器的設(shè)計

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 王子謙

自行車符合現(xiàn)代社會對綠色出行的提倡，越來越多人喜歡騎自行車出門，綠色出行的同時可以鍛煉身體，可以達到健康運動和代步的最佳效果，所以才會有越來越多的自行車愛好者出現(xiàn)，它可以讓使用者清楚地知道當(dāng)前的速度，或可以同時附帶其他實用的功能，而且單片機體積小、可靠性高并且價格便宜。在這個背景下，科學(xué)、實用并且美觀又價格合理的自行車計速器——這一輔助工具迅速發(fā)展起來，并有很大的使用價值。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展進步，傳統(tǒng)的計速器從機械元器件組成的機械式到半電子式，再從集成電路式到目前的單片機系統(tǒng)設(shè)計的計速器。并且伴隨著單片機以及外圍芯片的發(fā)展也進一步促進了它的發(fā)展。由此可見，自行車計速器有著廣闊的發(fā)展前景和很大的市場。

自行車發(fā)展至今已經(jīng)有兩百多年歷史了，發(fā)展至今他從簡單的代步工具，有了越來越多的附加功能。社會經(jīng)濟不斷提升，人們生活水平不斷提高，現(xiàn)代社會對綠色出行水平的倡議以及全民養(yǎng)生健身意識的覺醒，自行車逐漸成為我們首選的短途代步工具，對于喜歡健身的人來說自行車的計速器就顯得尤為重要。老式傳統(tǒng)的測速器由于是機械制造，長期使用會磨損嚴(yán)重，就會造成嚴(yán)重的誤差，本次設(shè)計的自行車計速器就可以解決這一問題同時滿足需求。

1 整體方案設(shè)計

本設(shè)計要實現(xiàn)測速，報警與照明功能，據(jù)此功能可分為三個模塊：測速模塊、顯示模塊、報警模塊、照明模塊、外接充電模塊。采用 AT89C52 芯片，利用霍爾傳感器將車輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電信號，進而將電信號送入單片機內(nèi)，利用單片機的定時器與計數(shù)器得到因車輪轉(zhuǎn)動而引起的脈沖數(shù)和車輪轉(zhuǎn)動一圈的時間，計算出自行車行進的速度，最后由單片機送出到外部的 LCD 顯示屏上。時速播報則是利用單片機接收到的信息，經(jīng)過單片機計算后輸出信號到智能語音芯片上進行解析，之后再由小喇叭進行播報，后改為蜂鳴器警報。夜間照明是由 LED 燈直接接電源并由開關(guān)控制即可發(fā)光。在自行車上對儀表進行充電則是利用了太陽能板對太陽能轉(zhuǎn)化為電能來實現(xiàn)，這樣可以為裝置提供更長時間的續(xù)航能力?？傮w設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

對于51系列單片機，一個最小系統(tǒng)由單片機、晶振電路和復(fù)位電路組成。如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

時鐘電路：單片機在工作時候，從接收指令到解碼再進行位操作，只有在時鐘信號的控制下才能穩(wěn)步進行。

復(fù)位電路：無論是單片機剛剛接通電源，還是在運行過程中發(fā)生故障，都需要復(fù)位。復(fù)位電路是將單片機中各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一定的初始值，并從該狀態(tài)開始工作。本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位。如果程序需要從頭開始運行，只需按鍵。

晶振電路：單片機系統(tǒng)中晶振的全稱叫做晶體振蕩器，體現(xiàn)的作用非常大，它與單片機內(nèi)部電路結(jié)合產(chǎn)生需要的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，運行速度就越快。單片機的一切指令都是以晶體振蕩器提供的時鐘頻率為基礎(chǔ)施加的。

2.2 測速模塊

霍爾傳感器：

測速模塊利用了霍爾傳感器進行對車輪轉(zhuǎn)動的信號的提取。

霍爾傳感器：霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種。本質(zhì)上講是帶電粒子在磁場中運動所受洛倫茲力而引起的偏轉(zhuǎn)。若帶電粒子被約束在固體材料中，在垂直電流和磁場的方向上就會產(chǎn)生正負電荷的聚集，從而形成額外的橫向電場。霍爾傳感器的工作原理如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器的工作原理

減速電機：

減速電動機仿真自行車輪：就是通過在直流電機上加載一個齒輪減速箱，就是通過減速齒輪，一級一級的疊加，來達到給電機減速的目的，降到一定速度，便于更好的模擬自行車車輪的轉(zhuǎn)動。減速電機與霍爾傳感器實物如圖4所示。

圖4 減速電機與霍爾傳感器實物圖

3 顯示模塊

液晶顯示模塊的特點是體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等，現(xiàn)在單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件就是字符型液晶顯示模塊了。在本次設(shè)計中，LCD能夠滿足設(shè)計要求，實時顯示自行車速度和里程，而且使用方便，所以選LCD1602作為顯示模塊。LCD1602：工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。1602液晶也稱1602字符型液晶，一種專門顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口。

LCD1602內(nèi)部顯示地址如圖5所示，LCD1602接線如圖6所示。

圖5 LCD1602內(nèi)部顯示地址

圖6 LCD1602接線圖

4 照明模塊和報警模塊

照明模塊：LED燈，它運用PN結(jié)的發(fā)光原理。LED燈珠使用低壓電源，供電電壓在2-4V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源；更安全的電源，特別適用于公共場所；亮度隨電流的增大而變亮，消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。

警報模塊：測速模塊測速后經(jīng)單片機分析處理，大于一定值時會蜂鳴器發(fā)出警報，在這個模塊中最主要的就是蜂鳴器。在STC89C52RC單片機中，P口的灌電流很小僅為15mA，必須使用晶體管放大電路才能驅(qū)動蜂鳴器。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖7 總設(shè)計流程圖

圖8 加載程序后的仿真圖

打開系統(tǒng)的總開關(guān)，首先是各個模塊自動進行初始化，由霍爾傳感器組成的測速模塊對車輪轉(zhuǎn)動的信號進行收集，經(jīng)傳輸端口傳輸?shù)絾纹瑱C最小系統(tǒng)來處理，經(jīng)單片機運算后，與提前設(shè)定好的速度值進行比較，如果小于定義值信號直接傳入顯示模塊，顯示屏顯示速度值；如果大于定義值信號傳入報警模塊，蜂鳴器鳴叫報警，信號再次進入顯示模塊，顯示屏顯示速度值。

測速模塊是由霍爾傳感器和模擬車輪的減速電機一起組成，開始階段測速模塊初始化，車輪轉(zhuǎn)動鏈條遮擋傳感器接收信號的裝置，傳感器接收到信號，通過D0端口將信號傳入單片機進行數(shù)據(jù)的運算與處理，測速模塊功能結(jié)束。在測速器的設(shè)計中，蜂鳴器報警只是為了提示使用者是否超速。若超過速度設(shè)定值，則蜂鳴器會持續(xù)報警，如果在之后速度降到設(shè)定值以下，則蜂鳴器關(guān)閉。對于自行車測速器來說，顯示模塊是唯一外露在外面，供用戶觀看的模塊。也是系統(tǒng)內(nèi)外相聯(lián)系的紐帶，對用戶而言最直接的一部分，它是由LCD1602液晶顯示屏來實現(xiàn)顯示的功能，內(nèi)部需要單片機的信號來控制。總設(shè)計流程如圖7所示，加載程序后的仿真如圖8所示。

結(jié)束語：本設(shè)計采用AT89C52RC單片機最小系統(tǒng)進行設(shè)計，以系統(tǒng)為主，程序為輔的設(shè)計理念，將元器件組合成一個小系統(tǒng)，再根據(jù)該系統(tǒng)進行程序的編寫。整體設(shè)計要求分為三個大模塊即測速、顯示及警報。也是由基本要求出發(fā)，先完成基本的測速功能，在這個基礎(chǔ)上又增加了警報、照明等功能，按期望實現(xiàn)了基本與拓展功能。雖然只是一個普通的小裝置，卻承載著技術(shù)與智慧，測速器最基本的功能是測速，若載上科學(xué)技術(shù)與人類的智慧功能更加強大。最新科技的測速器不僅能實現(xiàn)測速功能，還能根據(jù)記入的速度，里程，時間以及用戶的身高體重等信息自行分析用戶的健康狀態(tài)，為用戶制定合理的騎行計劃等功能，諸如此類的智能化儀器會使生活更加簡單。