基于STC15单片机的自行车码表设计

杨 凯， 周岳斌，2

（1.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北 襄阳 441053；2.汽车零部件制造装备数字化湖北省协同创新中心，湖北 襄阳 441053）

引言

随着半导体技术的发展，微控制器的集成度也越来越高，性能也越趋强劲，体积小、可靠性高、功耗低的单片机产品种类也是多种多样，以单片机作为主控芯片可以满足绝大多数测试系统的要求，在很多空间狭小、环境恶劣的场合和便携设备上得到了广泛应用。

骑行运动由于它自然健康、简单环保的特点，越来越受到大众的亲睞，逐渐成为现代健身运动的一种流行趋势。骑行者通过自行车码表可以知道消耗多少能量，骑行了多少里程，同时还有安全提示作用。市面上的码表，有的价格较贵且功能单一，有的价格便宜但质量不可靠。有必要研制一款携带方便、功能多样、价格便宜、性能可靠的码表。

1 码表设计

1.1 码表测速原理及系统结构

速度测量一般分为机械式计数法和电子计数法，其中电子计数法可用霍尔元件、光电对管或者光电编码器来采集脉冲信号，通过控制芯片统计脉冲数。

本设计系统结构框图如图1所示。利用STC15F2K60S2单片机作为主控芯片，将传感器安装在自行车前车架上，传感器输出的电压信号经过比较器电路后输出高低电平脉冲，通过信号线将电平信号传递给单片机。单片机通过外部计数功能统计脉冲数，通过统计在单位时间内脉冲的数量进而计算出自行车当前的转速，再将自行车前轮周长加入计算即可得到当前的车速，将每个周期的距离累加即可得到总里程数，然后通过OLED显示屏显示实时速度和里程数［1，2］。

图1 系统结构框图

1.2 码表硬件电路设计

码表设计的最终目的是让使用者可以直观地了解当前速度、行驶距离等信息。硬件电路设计的关键在于传感器信号处理电路、单片机计数电路、显示器电路和按键电路的设计。

1.2.1 传感器的选型与安装

自行车的速度不高，可使用霍尔元传感器采集信号，霍尔传感器具有体积小、重量轻、适应性强、测量精度高等特点。S49E线性霍尔传感器有着更低的工作电流，低功耗，较高耐压值，输出特性也满足使用要求，故选用S49E线性霍尔传感器作为自行车测速传感器［3－4］。

自行车前后轮均可作为测速部位，但考虑到显示器部分要安装在车把上便于使用者随时查看，将霍尔传感器安装于前轮位置则可减少信号传递的距离，有助于减少干扰，具体安装形式如图2所示。在自行车的前轮辐条上装上强磁铁。前轮的运动使强磁铁做接近和远离霍尔传感器的运动。磁铁在前轮每一圈的最高点都会与霍尔传感器有一个最近距离，此时霍尔传感器输出的电压值最高，当转过最高点后，输出电压回落到低点电压输出值。

图2 传感器安装示意图

1.2.2 传感器与比较器电路

如图3所示，电压比较器采用LM393双电压比较器，其INA－引脚连接可调电阻R1，INA＋引脚连接霍尔元件的电压输出OUT引脚。将霍尔元件的输出电压与基准电压比较，当输出电压值高于基准电压时，比较器OUTA输出引脚将输出高电平，低于基准电压时，OUTA引脚输出低电平。基准电压相当于一个阈值，可通过调节可调电阻R1的阻值来调节阈值电压，使比较器准确输出脉冲信号。

1.2.3 OLED显示电路

显示器选择OLED12864显示屏，其与单片机的连接如图4所示。其有串／并行两种显示模式，本设计采用了串行SPI显示模式。由于显示器只用来显示信息，不需要从中读取数据，故只用到写数据或者写指令的功能，根据时钟端口输入的时钟信号进行写数据或者指令，只需时钟、片选、复位和数据／指令四个引脚。与并行显示相比，占用了较少的I／O口。其与单片机的连接分别对应单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3 4个I／O 口引脚。OLED显示屏接上电源就可以进行数据的显示，包括开机显示时间，速度和里程数等信息。

图3 传感器与比较器电路

图4 显示、按键与单片机电路

1.2.4 按键电路

码表设置了3个按键，按键功能与常见码表类似，有查看和更改数据的作用，可根据需要更改程序参数来实现更多样化的按键组合功能。按键输出端分别接单片机的P3.6、P3.7和P2.0引脚，并通过上拉电阻接高电平，这样可增强灌电流，使按键具有高可靠性。默认的设置KEY1为功能键，按下可显示车轮周长，再按KEY2或KEY3键即可增减数值来现调整周长，长按KEY2或KEY3键可实现快速调整等功能。

1.2.5 单片机计数电路

主控芯片选用STC15F2K60S2系列单片机，其指令代码完全兼容传统8051，内部集成高精度R／C时钟和复位电路，外围不用连接其他电路，只需配置成最小系统，即可与传感器、显示器及按键相连实现测速［5］。

单片机内部定时器T0设置成3s定时工作模式，电压比较器的OUTA引脚与单片机的P3.5引脚相连，P3.5作为计数器T1的外部输入信号，通过一个10kΩ的电阻上拉，由内部程序计算电压比较器的输出脉冲数就可以检测自行车前轮转动的圈数。

1.3 码表程序功能设计

自行车码表的系统程序流程图如图5所示，主要程序功能包括：T0定时器计时、T1计数器计数、数据存储、OLED显示。

图5 程序流程图

程序初始化时，默认自行车的直径为660.4mm，即车轮周长为2 073.7mm，实际使用时可更改车轮尺寸。

T0定时器设置成10ms周期性中断，中断计数达到100次后，秒计数寄存器加1，秒计数满60后分计数寄存器加1，分计数满60后时计数寄存器加1。测速时间常数预设值为300，代表测速周期为3s。

T1计数器设置为外部计数脉冲下降沿有效，当T1脚检测到一个下降沿，就触发一次中断，脉冲计数寄存器值加1。

开机默认显示的参数包括时间、速度、里程和均速，如图6所示。显示屏顶部显示当前用时，格式为时∶分∶秒，第二行显示当前速度（km／h），第三行显示骑行里程（km），第四行显示平均速度（km／h）。

图6 码表的显示

2 结语

设计采用了较为常见的STC15系列单片机为核心器件，选择测量精度较高的霍尔传感器，配用较为新颖的OLED显示屏，使用灵活、价格便宜、安装方便、可靠性高。它的个性化设置可以给骑行爱好者全新的测速体验，满足了市场上自行车运动的测速需求，具有较好的市场前景和推广价值。

［1］ 陈林.单片机在汽车发动机测速系统的应用［J］.无线互联科技，2014（5）：59.

［2］ 唐伟.基于AT89S52单片机的测速仪设计［J］.中国集成电路，2012（11）：77－82.

［3］ 程民利.基于霍尔传感器的高精度测速电路设计［J］.电子设计工程，2013（8）：109－111.

［4］ 郭威.一种改进的无刷直流电机霍尔信号倍频测速方法［J］.微电机，2012（1）：74－75.

［5］ 谭巨兴.基于单片机的自行车测速系统设计［J］.电子世界，2014（13）：28.