西北民族大學電氣工程學院 王子謙

自行車符合現(xiàn)代社會對綠色出行的提倡，越來越多人喜歡騎自行車出門，綠色出行的同時可以鍛煉身體，可以達到健康運動和代步的最佳效果，所以才會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前的速度，或可以同時附帶其他實用的功能，而且單片機體積小、可靠性高并且價格便宜。在這個背景下，科學、實用并且美觀又價格合理的自行車計速器——這一輔助工具迅速發(fā)展起來，并有很大的使用價值。隨著電子技術的不斷發(fā)展進步，傳統(tǒng)的計速器從機械元器件組成的機械式到半電子式，再從集成電路式到目前的單片機系統(tǒng)設計的計速器。并且伴隨著單片機以及外圍芯片的發(fā)展也進一步促進了它的發(fā)展。由此可見，自行車計速器有著廣闊的發(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。社會經(jīng)濟不斷提升，人們生活水平不斷提高，現(xiàn)代社會對綠色出行水平的倡議以及全民養(yǎng)生健身意識的覺醒，自行車逐漸成為我們首選的短途代步工具，對于喜歡健身的人來說自行車的計速器就顯得尤為重要。老式傳統(tǒng)的測速器由于是機械制造，長期使用會磨損嚴重，就會造成嚴重的誤差，本次設計的自行車計速器就可以解決這一問題同時滿足需求。

1 整體方案設計

本設計要實現(xiàn)測速，報警與照明功能，據(jù)此功能可分為三個模塊：測速模塊、顯示模塊、報警模塊、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速轉化為電信號，進而將電信號送入單片機內，利用單片機的定時器與計數(shù)器得到因車輪轉動而引起的脈沖數(shù)和車輪轉動一圈的時間，計算出自行車行進的速度，最后由單片機送出到外部的 LCD 顯示屏上。時速播報則是利用單片機接收到的信息，經(jīng)過單片機計算后輸出信號到智能語音芯片上進行解析，之后再由小喇叭進行播報，后改為蜂鳴器警報。夜間照明是由 LED 燈直接接電源并由開關控制即可發(fā)光。在自行車上對儀表進行充電則是利用了太陽能板對太陽能轉化為電能來實現(xiàn)，這樣可以為裝置提供更長時間的續(xù)航能力?？傮w設計系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體設計系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

對于51系列單片機，一個最小系統(tǒng)由單片機、晶振電路和復位電路組成。如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

時鐘電路：單片機在工作時候，從接收指令到解碼再進行位操作，只有在時鐘信號的控制下才能穩(wěn)步進行。

復位電路：無論是單片機剛剛接通電源，還是在運行過程中發(fā)生故障，都需要復位。復位電路是將單片機中各電路的狀態(tài)恢復到一定的初始值，并從該狀態(tài)開始工作。本系統(tǒng)的復位電路采用按鍵復位。如果程序需要從頭開始運行，只需按鍵。

晶振電路：單片機系統(tǒng)中晶振的全稱叫做晶體振蕩器，體現(xiàn)的作用非常大，它與單片機內部電路結合產(chǎn)生需要的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，運行速度就越快。單片機的一切指令都是以晶體振蕩器提供的時鐘頻率為基礎施加的。

2.2 測速模塊

霍爾傳感器：

測速模塊利用了霍爾傳感器進行對車輪轉動的信號的提取。

霍爾傳感器：霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種。本質上講是帶電粒子在磁場中運動所受洛倫茲力而引起的偏轉。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產(chǎn)生正負電荷的聚集，從而形成額外的橫向電場?；魻杺鞲衅鞯墓ぷ髟砣鐖D3所示。

圖3 霍爾傳感器的工作原理

減速電機：

減速電動機仿真自行車輪：就是通過在直流電機上加載一個齒輪減速箱，就是通過減速齒輪，一級一級的疊加，來達到給電機減速的目的，降到一定速度，便于更好的模擬自行車車輪的轉動。減速電機與霍爾傳感器實物如圖4所示。

圖4 減速電機與霍爾傳感器實物圖

3 顯示模塊

液晶顯示模塊的特點是體積小、功耗低、顯示內容豐富等，現(xiàn)在單片機應用設計中最常用的信息顯示器件就是字符型液晶顯示模塊了。在本次設計中，LCD能夠滿足設計要求，實時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，能夠同時顯示16x02即32個字符。1602液晶也稱1602字符型液晶，一種專門顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊。1602采用標準的16腳接口。

LCD1602內部顯示地址如圖5所示，LCD1602接線如圖6所示。

圖5 LCD1602內部顯示地址

圖6 LCD1602接線圖

4 照明模塊和報警模塊

照明模塊：LED燈，它運用PN結的發(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%。

警報模塊：測速模塊測速后經(jīng)單片機分析處理，大于一定值時會蜂鳴器發(fā)出警報，在這個模塊中最主要的就是蜂鳴器。在STC89C52RC單片機中，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動蜂鳴器。

5 系統(tǒng)軟件設計

圖7 總設計流程圖

圖8 加載程序后的仿真圖

打開系統(tǒng)的總開關，首先是各個模塊自動進行初始化，由霍爾傳感器組成的測速模塊對車輪轉動的信號進行收集，經(jīng)傳輸端口傳輸?shù)絾纹瑱C最小系統(tǒng)來處理，經(jīng)單片機運算后，與提前設定好的速度值進行比較，如果小于定義值信號直接傳入顯示模塊，顯示屏顯示速度值；如果大于定義值信號傳入報警模塊，蜂鳴器鳴叫報警，信號再次進入顯示模塊，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一起組成，開始階段測速模塊初始化，車輪轉動鏈條遮擋傳感器接收信號的裝置，傳感器接收到信號，通過D0端口將信號傳入單片機進行數(shù)據(jù)的運算與處理，測速模塊功能結束。在測速器的設計中，蜂鳴器報警只是為了提示使用者是否超速。若超過速度設定值，則蜂鳴器會持續(xù)報警，如果在之后速度降到設定值以下，則蜂鳴器關閉。對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)內外相聯(lián)系的紐帶，對用戶而言最直接的一部分，它是由LCD1602液晶顯示屏來實現(xiàn)顯示的功能，內部需要單片機的信號來控制。總設計流程如圖7所示，加載程序后的仿真如圖8所示。

結束語：本設計采用AT89C52RC單片機最小系統(tǒng)進行設計，以系統(tǒng)為主，程序為輔的設計理念，將元器件組合成一個小系統(tǒng)，再根據(jù)該系統(tǒng)進行程序的編寫。整體設計要求分為三個大模塊即測速、顯示及警報。也是由基本要求出發(fā)，先完成基本的測速功能，在這個基礎上又增加了警報、照明等功能，按期望實現(xiàn)了基本與拓展功能。雖然只是一個普通的小裝置，卻承載著技術與智慧，測速器最基本的功能是測速，若載上科學技術與人類的智慧功能更加強大。最新科技的測速器不僅能實現(xiàn)測速功能，還能根據(jù)記入的速度，里程，時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劃等功能，諸如此類的智能化儀器會使生活更加簡單。