基于單片機(jī)的自行車計(jì)速器的設(shè)計(jì)

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(huì)對(duì)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(shí)可以鍛煉身體，可以達(dá)到健康運(yùn)動(dòng)和代步的最佳效果，所以才會(huì)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(shí)附帶其他實(shí)用的功能，而且單片機(jī)體積小、可靠性高并且價(jià)格便宜。在這個(gè)背景下，科學(xué)、實(shí)用并且美觀又價(jià)格合理的自行車計(jì)速器——這一輔助工具迅速發(fā)展起來，并有很大的使用價(jià)值。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)的計(jì)速器從機(jī)械元器件組成的機(jī)械式到半電子式，再從集成電路式到目前的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)速器。并且伴隨著單片機(jī)以及外圍芯片的發(fā)展也進(jìn)一步促進(jìn)了它的發(fā)展。由此可見，自行車計(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)不斷提升，人們生活水平不斷提高，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)綠色出行水平的倡議以及全民養(yǎng)生健身意識(shí)的覺醒，自行車逐漸成為我們首選的短途代步工具，對(duì)于喜歡健身的人來說自行車的計(jì)速器就顯得尤為重要。老式傳統(tǒng)的測速器由于是機(jī)械制造，長期使用會(huì)磨損嚴(yán)重，就會(huì)造成嚴(yán)重的誤差，本次設(shè)計(jì)的自行車計(jì)速器就可以解決這一問題同時(shí)滿足需求。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)測速，報(bào)警與照明功能，據(jù)此功能可分為三個(gè)模塊：測速模塊、顯示模塊、報(bào)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(hào)，進(jìn)而將電信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)，利用單片機(jī)的定時(shí)器與計(jì)數(shù)器得到因車輪轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的脈沖數(shù)和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間，計(jì)算出自行車行進(jìn)的速度，最后由單片機(jī)送出到外部的 LCD 顯示屏上。時(shí)速播報(bào)則是利用單片機(jī)接收到的信息，經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算后輸出信號(hào)到智能語音芯片上進(jìn)行解析，之后再由小喇叭進(jìn)行播報(bào)，后改為蜂鳴器警報(bào)。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(duì)儀表進(jìn)行充電則是利用了太陽能板對(duì)太陽能轉(zhuǎn)化為電能來實(shí)現(xiàn)，這樣可以為裝置提供更長時(shí)間的續(xù)航能力。總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

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

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

時(shí)鐘電路：單片機(jī)在工作時(shí)候，從接收指令到解碼再進(jìn)行位操作，只有在時(shí)鐘信號(hào)的控制下才能穩(wěn)步進(jìn)行。

復(fù)位電路：無論是單片機(jī)剛剛接通電源，還是在運(yùn)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(jī)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(yùn)行，只需按鍵。

晶振電路：單片機(jī)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(jī)內(nèi)部電路結(jié)合產(chǎn)生需要的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，運(yùn)行速度就越快。單片機(jī)的一切指令都是以晶體振蕩器提供的時(shí)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(jìn)行對(duì)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)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。霍爾效應(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(yùn)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生正負(fù)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(jī)：

減速電動(dòng)機(jī)仿真自行車輪：就是通過在直流電機(jī)上加載一個(gè)齒輪減速箱，就是通過減速齒輪，一級(jí)一級(jí)的疊加，來達(dá)到給電機(jī)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(dòng)。減速電機(jī)與霍爾傳感器實(shí)物如圖4所示。

圖4 減速電機(jī)與霍爾傳感器實(shí)物圖

3 顯示模塊

液晶顯示模塊的特點(diǎn)是體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等，現(xiàn)在單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jì)中，LCD能夠滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)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(shí)顯示16x02即32個(gè)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(hào)等的點(diǎn)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(bào)警模塊

照明模塊：LED燈，它運(yùn)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(gè)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(bào)模塊：測速模塊測速后經(jīng)單片機(jī)分析處理，大于一定值時(shí)會(huì)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，在這個(gè)模塊中最主要的就是蜂鳴器。在STC89C52RC單片機(jī)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(dòng)蜂鳴器。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7 總設(shè)計(jì)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(gè)模塊自動(dòng)進(jìn)行初始化，由霍爾傳感器組成的測速模塊對(duì)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行收集，經(jīng)傳輸端口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)來處理，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后，與提前設(shè)定好的速度值進(jìn)行比較，如果小于定義值信號(hào)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(hào)傳入報(bào)警模塊，蜂鳴器鳴叫報(bào)警，信號(hào)再次進(jìn)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(jī)一起組成，開始階段測速模塊初始化，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條遮擋傳感器接收信號(hào)的裝置，傳感器接收到信號(hào)，通過D0端口將信號(hào)傳入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，測速模塊功能結(jié)束。在測速器的設(shè)計(jì)中，蜂鳴器報(bào)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(huì)持續(xù)報(bào)警，如果在之后速度降到設(shè)定值以下，則蜂鳴器關(guān)閉。對(duì)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(duì)用戶而言最直接的一部分，它是由LCD1602液晶顯示屏來實(shí)現(xiàn)顯示的功能，內(nèi)部需要單片機(jī)的信號(hào)來控制。總設(shè)計(jì)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(jì)采用AT89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以系統(tǒng)為主，程序?yàn)檩o的設(shè)計(jì)理念，將元器件組合成一個(gè)小系統(tǒng)，再根據(jù)該系統(tǒng)進(jìn)行程序的編寫。整體設(shè)計(jì)要求分為三個(gè)大模塊即測速、顯示及警報(bào)。也是由基本要求出發(fā)，先完成基本的測速功能，在這個(gè)基礎(chǔ)上又增加了警報(bào)、照明等功能，按期望實(shí)現(xiàn)了基本與拓展功能。雖然只是一個(gè)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(qiáng)大。最新科技的測速器不僅能實(shí)現(xiàn)測速功能，還能根據(jù)記入的速度，里程，時(shí)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(jì)劃等功能，諸如此類的智能化儀器會(huì)使生活更加簡單。