基于单片机的自行车计速器的设计

西北民族大学电气工程学院 王子谦

自行车符合现代社会对绿色出行的提倡，越来越多人喜欢骑自行车出门，绿色出行的同时可以锻炼身体，可以达到健康运动和代步的最佳效果，所以才会有越来越多的自行车爱好者出现，它可以让使用者清楚地知道当前的速度，或可以同时附带其他实用的功能，而且单片机体积小、可靠性高并且价格便宜。在这个背景下，科学、实用并且美观又价格合理的自行车计速器——这一辅助工具迅速发展起来，并有很大的使用价值。随着电子技术的不断发展进步，传统的计速器从机械元器件组成的机械式到半电子式，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的计速器。并且伴随着单片机以及外围芯片的发展也进一步促进了它的发展。由此可见，自行车计速器有着广阔的发展前景和很大的市场。

自行车发展至今已经有两百多年历史了，发展至今他从简单的代步工具，有了越来越多的附加功能。社会经济不断提升，人们生活水平不断提高，现代社会对绿色出行水平的倡议以及全民养生健身意识的觉醒，自行车逐渐成为我们首选的短途代步工具，对于喜欢健身的人来说自行车的计速器就显得尤为重要。老式传统的测速器由于是机械制造，长期使用会磨损严重，就会造成严重的误差，本次设计的自行车计速器就可以解决这一问题同时满足需求。

1 整体方案设计

本设计要实现测速，报警与照明功能，据此功能可分为三个模块：测速模块、显示模块、报警模块、照明模块、外接充电模块。采用 AT89C52 芯片，利用霍尔传感器将车轮转速转化为电信号，进而将电信号送入单片机内，利用单片机的定时器与计数器得到因车轮转动而引起的脉冲数和车轮转动一圈的时间，计算出自行车行进的速度，最后由单片机送出到外部的 LCD 显示屏上。时速播报则是利用单片机接收到的信息，经过单片机计算后输出信号到智能语音芯片上进行解析，之后再由小喇叭进行播报，后改为蜂鸣器警报。夜间照明是由 LED 灯直接接电源并由开关控制即可发光。在自行车上对仪表进行充电则是利用了太阳能板对太阳能转化为电能来实现，这样可以为装置提供更长时间的续航能力。总体设计系统框图如图1所示。

图1 总体设计系统框图

2 系统硬件设计

2.1 单片机最小系统

对于51系列单片机，一个最小系统由单片机、晶振电路和复位电路组成。如图2所示。

图2 单片机最小系统

时钟电路：单片机在工作时候，从接收指令到解码再进行位操作，只有在时钟信号的控制下才能稳步进行。

复位电路：无论是单片机刚刚接通电源，还是在运行过程中发生故障，都需要复位。复位电路是将单片机中各电路的状态恢复到一定的初始值，并从该状态开始工作。本系统的复位电路采用按键复位。如果程序需要从头开始运行，只需按键。

晶振电路：单片机系统中晶振的全称叫做晶体振荡器，体现的作用非常大，它与单片机内部电路结合产生需要的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，运行速度就越快。单片机的一切指令都是以晶体振荡器提供的时钟频率为基础施加的。

2.2 测速模块

霍尔传感器：

测速模块利用了霍尔传感器进行对车轮转动的信号的提取。

霍尔传感器：霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种。本质上讲是带电粒子在磁场中运动所受洛伦兹力而引起的偏转。若带电粒子被约束在固体材料中，在垂直电流和磁场的方向上就会产生正负电荷的聚集，从而形成额外的横向电场。霍尔传感器的工作原理如图3所示。

图3 霍尔传感器的工作原理

减速电机：

减速电动机仿真自行车轮：就是通过在直流电机上加载一个齿轮减速箱，就是通过减速齿轮，一级一级的叠加，来达到给电机减速的目的，降到一定速度，便于更好的模拟自行车车轮的转动。减速电机与霍尔传感器实物如图4所示。

图4 减速电机与霍尔传感器实物图

3 显示模块

液晶显示模块的特点是体积小、功耗低、显示内容丰富等，现在单片机应用设计中最常用的信息显示器件就是字符型液晶显示模块了。在本次设计中，LCD能够满足设计要求，实时显示自行车速度和里程，而且使用方便，所以选LCD1602作为显示模块。LCD1602：工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶也称1602字符型液晶，一种专门显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。1602采用标准的16脚接口。

LCD1602内部显示地址如图5所示，LCD1602接线如图6所示。

图5 LCD1602内部显示地址

图6 LCD1602接线图

4 照明模块和报警模块

照明模块：LED灯，它运用PN结的发光原理。LED灯珠使用低压电源，供电电压在2-4V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源；更安全的电源，特别适用于公共场所；亮度随电流的增大而变亮，消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。

警报模块：测速模块测速后经单片机分析处理，大于一定值时会蜂鸣器发出警报，在这个模块中最主要的就是蜂鸣器。在STC89C52RC单片机中，P口的灌电流很小仅为15mA，必须使用晶体管放大电路才能驱动蜂鸣器。

5 系统软件设计

图7 总设计流程图

图8 加载程序后的仿真图

打开系统的总开关，首先是各个模块自动进行初始化，由霍尔传感器组成的测速模块对车轮转动的信号进行收集，经传输端口传输到单片机最小系统来处理，经单片机运算后，与提前设定好的速度值进行比较，如果小于定义值信号直接传入显示模块，显示屏显示速度值；如果大于定义值信号传入报警模块，蜂鸣器鸣叫报警，信号再次进入显示模块，显示屏显示速度值。

测速模块是由霍尔传感器和模拟车轮的减速电机一起组成，开始阶段测速模块初始化，车轮转动链条遮挡传感器接收信号的装置，传感器接收到信号，通过D0端口将信号传入单片机进行数据的运算与处理，测速模块功能结束。在测速器的设计中，蜂鸣器报警只是为了提示使用者是否超速。若超过速度设定值，则蜂鸣器会持续报警，如果在之后速度降到设定值以下，则蜂鸣器关闭。对于自行车测速器来说，显示模块是唯一外露在外面，供用户观看的模块。也是系统内外相联系的纽带，对用户而言最直接的一部分，它是由LCD1602液晶显示屏来实现显示的功能，内部需要单片机的信号来控制。总设计流程如图7所示，加载程序后的仿真如图8所示。

结束语：本设计采用AT89C52RC单片机最小系统进行设计，以系统为主，程序为辅的设计理念，将元器件组合成一个小系统，再根据该系统进行程序的编写。整体设计要求分为三个大模块即测速、显示及警报。也是由基本要求出发，先完成基本的测速功能，在这个基础上又增加了警报、照明等功能，按期望实现了基本与拓展功能。虽然只是一个普通的小装置，却承载着技术与智慧，测速器最基本的功能是测速，若载上科学技术与人类的智慧功能更加强大。最新科技的测速器不仅能实现测速功能，还能根据记入的速度，里程，时间以及用户的身高体重等信息自行分析用户的健康状态，为用户制定合理的骑行计划等功能，诸如此类的智能化仪器会使生活更加简单。