基于单片机的通用型单车测速里程表设计

刘笑　李浩

摘要：本文主要介绍基于单片机开发的通用型单车速度里程表，适用于各种尺寸单车。该设计采用当下流行的单片机AT89C51为控制中心，通过霍尔元件对单车转数进行测量，转换计算后实现对单车的速度/里程测量。该设备具有两种工作模式，适合于普通骑行和健身骑行，方便节能。文章阐述了设备的硬件电路设计和软件部分的程序设计，简化硬件设计，采用模块化设计思想，将部分硬件功能软件化，在程序中加以实现。

关键词：单车；单片机；测速里程；霍尔元件

近几年经济的发展，使人们在追求高质量生活水平的同时，节能、环保、绿色、生态的生活方式得到越来越多人的认可。单车，作为绿色出行首选工具又重新回到了我们的身边，更成为人们娱乐、休闲、锻炼的工具。骑单车，可以锻炼全身肌肉。但很多人在骑行中陷入误区，失去了骑行健身的作用。骑行的节奏、姿势都影响着锻炼的效果。运动量、频率和强度是运动的三大原则，片面追求速度和力量只会对身体造成伤害。研究表明，单车的转速在每分钟7080转时，身体热量燃烧效果达到最佳。很多人认为，速度越快，消耗能量越多。事实上，骑行不同于跑步，当速度超过每分钟100转时，热量燃烧速率就开始下降。本文设计的单车里程速度表，作为骑行的一大辅助设备，为骑行者提供两种工作模式。在骑行健身模式下，能够实时的显示瞬时速度、里程、骑行时间。在车速超过预设值时，进行声光报警，提醒骑行者调整车速，帮助骑行者达到最佳健身效果。在普通模式下，不进行车速限制，只显示车速、里程、骑行时间。本设备除了基本的测速和计算里程功能，还具有辅助健身功能，帮助使用者处于最佳骑行状态。

一、方案论证

通过论证，本设计采用霍尔元件对里程与速度进行测量，可以满足工作标准要求，应用中易于实现，经济适用。设备为通用型，在安装使用前，需根据车的型号设定车轮长度。在骑行模式下，通过安装在车轮圈的传感器，假定安装了n个，用已知的车轮外周长，就可以得出计算里程值的最大误差为L/n。为了提高里程计算精度，本设计中取n=3。在使用单车时，车轮每运转一圈，预装的霍尔元件传感器就采集到脉冲信号。利用单片机的中断功能，将脉冲信号引入到单片机的外部中断0。传感器每收到一个脉冲信号，就对单片机的INT0提供一次计数中断，中断数值m与L/3的乘积为里程值。通过单片机自带的定时器，可以得到车轮转一圈所用的时间t。根据公式v=L/t，就可以得出瞬时速度v。若单车速度超预设值，系统发出报警信号，指示灯闪烁，帮助骑行者保持在最佳健身效果。

二、硬件设计

想要得到瞬时速度，关键就要解决信号的采样问题。单片机体积小，功能强大。利用单片机内部自带的计数器，对来自于车轮上预装的3个传感器的脉冲进行计数。根据方案，只要车轮运转一周，就会通过传感器产生3个脉冲信号，脉冲信号经过单片机进行计算处理后，就能獲得转速的信息。

霍尔元件，工作环境适应性强，安装方便。在任何天气状况下都可以稳定工作，即使雨水天被泥沙覆盖也不会影响其工作的准确度。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，对磁场敏感、结构简单。这里采用开关型霍尔传感器，可以得到数字量的输出。具有体积小，寿命长，工作电压范围宽，能耗低，易于实现等优点。

三、软件设计

在软件设计方面，我们采用C语言编写，结构清晰，可移植性好。整体的软件系统包括下几个部分：系统的上电初始化、信号采集处理程序、速度与里程计算转换程序、LED显示子程序、超限声光报警处理程序和功能设置程序等几大部分。为了方便系统的升级和功能优化，全部程序功能采用模块化设计方案实现。设备通电启动，需要在主程序模块中完成各项准备工作，包括初始化各接口芯片、单车里程和速度的归零、预设中断向量值以及开中断等工作。另外，标志寄存器、里程寄存器、速度寄存器的启动/清除功能，也在主程序中进行初始化设置。根据各标志寄存器的内容，最后通过主程序对子程序的调用，完成相应的动作，实现各项功能。骑行过程中，当前的里程值和速度状态，分别通过P1.0和P1.1口输出显示。对于车轮的周长，进行软件化设计处理，达到适用各尺寸单车的目的。中断0用于对轮子圈数的计数输入，每收到3个脉冲信号，记为车轮运转一周。通过调用子程序，根据里程寄存器中的内容计算出行驶里程数。外部中断1用于控制定时器T1，当输入为0时定时器处于关闭状态。当外部中断1收到一个脉冲信号时，定时器T1就会启动。这样定时器的开启时间就是车轮转1/3圈的时间，根据轮子的周长就可以计算出单车的速度。

四、结语

本设备安装在单车上，除完成基本的测速和里程显示外。还可以辅助健身者正确骑行，达到最佳健身效果。设备简单，安装方便。程序通用性强，便于后期升级再开发。

参考文献：

[1]王俊峰，孟令启.现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]张毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社，2004.

[3]张洪润，张亚凡.传感器技术与应用教程.清华大学出版社，2005.

[4]安宗权.电动电子车速里程表分频电路设计.自动化与仪器仪表，2001，5：3944.

[5]基于单片机的自行车速度里程表的设计毕业论文.

[6]基于单片机的出租车计价器设计毕业设计.

指导老师：刘洋，山东现代学院。