多功能自行車碼表設(shè)計(jì)

趙小蘭，胡 征，王培坤，林曉歡，莊衍豎，黃維沛

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州，510641）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，自行車不再是一種簡(jiǎn)單的交通工具，而成為一項(xiàng)考驗(yàn)人的耐力的戶外運(yùn)動(dòng)。隨著身邊的騎行客的增加，與自行車相關(guān)的戶外裝備市場(chǎng)也被帶動(dòng)的熱火起來，碼表就是騎行客必備的裝備之一。而市場(chǎng)上的碼表品牌繁多，價(jià)格也從幾十到上千不等，品質(zhì)不一、安裝也較復(fù)雜。方便、美觀、精確的自行車碼表具有一定的實(shí)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的碼表適合廣大自行車業(yè)余愛好者，除去了許多華而不實(shí)的復(fù)雜功能，節(jié)省資源，性價(jià)比高，能實(shí)現(xiàn)娛樂和鍛煉的雙重效果。

1 碼表各功能原理

1.1 速度

用霍爾傳感器A44E來實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能，他的工作方式為：只要有磁性物體在傳感器，則數(shù)據(jù)腳會(huì)輸出高電平。把磁鐵固定在車輪外圍的鋼絲上，把傳感器固定在旁邊的支撐架上。車輪每轉(zhuǎn)一圈，磁鐵就經(jīng)過一次A44E上方，則A44E輸出一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿。利用單片機(jī)的中斷口，來檢測(cè)下降沿，即轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，每隔一定時(shí)間，記下轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，即可算出那段時(shí)間的平均速度。

1.2 溫度/濕度

通過單片機(jī)對(duì)溫濕度傳感器DHT11寫控制字，DHT11可以讀周圍環(huán)境的溫濕度，并用串行數(shù)據(jù)的方式從數(shù)據(jù)腳傳出，用單片機(jī)讀回來并經(jīng)過換算就可知道周圍環(huán)境的溫度、濕度。

1.3 時(shí)鐘

用單片機(jī)的中斷或者時(shí)鐘芯片來做。考慮到用時(shí)鐘芯片寫時(shí)間比較準(zhǔn)確，我們用時(shí)鐘芯片DS1302來產(chǎn)生時(shí)鐘數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)讀回來，經(jīng)過換算就可以得到現(xiàn)在的時(shí)間值。

1.4 里程數(shù)

里程數(shù)記錄著從碼表開始使用到現(xiàn)在自行車行駛過的路程，需要掉電保存。STC12LE5A60S2中有自帶的EEPROM，可以掉電保存數(shù)據(jù)，所以把里程數(shù)存入芯片自帶的EEPROM中。EEPROM可刷新次數(shù)在幾十萬次左右，故考慮到碼表的使用時(shí)間長(zhǎng)度，每行駛1km刷新一次數(shù)據(jù)，可存儲(chǔ)較長(zhǎng)的里程數(shù)，使用較長(zhǎng)時(shí)間。

1.5 顯示

顯示是自行車碼表里功耗最大的一個(gè)模塊。本文選用NOKIA5110來顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)。Nokia5110可以控制背光的開關(guān)，并且可以顯示數(shù)字，字母。我們只要往液晶的主控芯片中寫指令，寫數(shù)據(jù)就可以控制液晶顯示出我們想要的數(shù)據(jù)了。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，經(jīng)穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3穩(wěn)壓后的電池電壓供給碼表中的各個(gè)器件。其中，測(cè)速用到的A44E脈沖用單片機(jī)中斷INT0讀入并記下，3s算一次速度；溫度、濕度由傳感器DHT11讀入，傳給單片機(jī)并換算成溫濕度；時(shí)鐘由時(shí)鐘芯片DS1302來控制；里程數(shù)存入單片機(jī)自帶的EEPROM中。碼表上帶有4個(gè)獨(dú)立按鍵，用來設(shè)置初始時(shí)間，切換顯示數(shù)據(jù)。上述的所有數(shù)據(jù)都由NOKIA5110來顯示。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：時(shí)間設(shè)置，顯示時(shí)間。顯示自行車行駛的平均速度。顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度。顯示行駛的總里程數(shù)。

3 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此自行車碼表從設(shè)計(jì)上可以分成5個(gè)模塊：時(shí)鐘模塊，霍爾傳感器測(cè)速模塊，溫濕度測(cè)量模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)，顯示模塊。其中，時(shí)鐘模塊、霍爾傳感器測(cè)速模塊和溫濕度測(cè)量模塊的傳感器都是接3.3V電源和地，然后數(shù)據(jù)腳接一個(gè)上拉電阻，接到單片機(jī)。Nokia5110接好電源和地線，數(shù)據(jù)腳接到單片機(jī)。四個(gè)獨(dú)立按鍵一端接到地，一端接到單片機(jī)的I/O口。6V電源，經(jīng)過3.3V的穩(wěn)壓芯片得到3.3V的電源。系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是主控程序模塊、液晶顯示模塊、EEPROM里程數(shù)記錄模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、DHT11溫濕度傳感器讀寫模塊、速度測(cè)量模塊和延時(shí)模塊，流程圖如圖3所示。程序先對(duì)液晶初始化，對(duì)定時(shí)器0初始化（測(cè)速用）；然后進(jìn)入主程序的循環(huán)；先執(zhí)行時(shí)鐘走動(dòng)和顯示時(shí)間函數(shù)；后進(jìn)入顯示溫濕度模塊；接著讀取3s鐘內(nèi)時(shí)鐘轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，換算成速度并顯示；最后計(jì)算經(jīng)過的里程數(shù)，如果相對(duì)上次刷新又走過1km，則重新寫入EEPROM中，否則跳過，一直執(zhí)行這個(gè)循環(huán)。獨(dú)立按鍵掃描在時(shí)鐘顯示模塊中進(jìn)行。

4 系統(tǒng)調(diào)試和分析

經(jīng)過各個(gè)模塊的軟硬件調(diào)試，確定各部分都沒有問題，則進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試結(jié)果為：溫度在正常環(huán)境下誤差在2～3攝氏度之間。而在速度較小的時(shí)候，測(cè)速誤差較大，速度大的時(shí)候，測(cè)速誤差小。EEPROM記錄里程數(shù)有一定誤差，因?yàn)橹皇潜敬伍_機(jī)后行駛滿1KM才可以刷新重新保存，如果這次開機(jī)后剛好行駛0.9KM然后關(guān)機(jī)了，則這段距離就不會(huì)被記錄到芯片中，久而久之會(huì)有一定誤差。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的多功能自行車碼表，把多種功能集合到碼表上，但是成本低、功耗小，可幫助自行車愛好者隨時(shí)掌握自己鍛煉的各種環(huán)境參數(shù)。經(jīng)過實(shí)際使用，盡管碼表外形設(shè)計(jì)暫時(shí)未做到精美，但是測(cè)量的各項(xiàng)指標(biāo)都很好，誤差小、穩(wěn)定度高、可正常在室外使用。

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