洪騰騰 靳軒軒 武雪崢 李雪穎

（黃河交通學(xué)院，河南 武陟 454950）

為加快實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)，以綠色低碳，節(jié)能環(huán)保為發(fā)展理念的交通工具，更符合時(shí)代的主題。電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等綠色交通工具具有重要的環(huán)保意義。在電動(dòng)自行車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中，須設(shè)置一個(gè)車(chē)速報(bào)警裝置，這樣可以讓人們?nèi)粘３鲂懈影踩?，?dāng)電動(dòng)自行車(chē)速度過(guò)高時(shí)，通過(guò)可靠的速度檢測(cè)系統(tǒng)，把危險(xiǎn)的信號(hào)及時(shí)傳遞給駕駛?cè)?，警示駕駛?cè)水?dāng)前行駛車(chē)速過(guò)高，應(yīng)當(dāng)減速慢行，注意行車(chē)安全，從而可以避免因車(chē)速過(guò)高而給人們帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失和人身安全危害。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是一款基于單片機(jī)控制的電動(dòng)自行車(chē)車(chē)速報(bào)警系統(tǒng)。該車(chē)速報(bào)警系統(tǒng)能夠設(shè)定行駛的最大速度；能夠?qū)崟r(shí)顯示電動(dòng)車(chē)的行駛速度和里程，且具有超速報(bào)警的功能。該報(bào)警系統(tǒng)采用LCD1602 顯示平均速度、瞬時(shí)速度、行駛里程以及通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置的最大速度（設(shè)定速度）。該報(bào)警系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)單片機(jī)收集霍爾傳感器采集到的脈沖信號(hào)，利用計(jì)數(shù)器記數(shù)、定時(shí)器記錄時(shí)長(zhǎng)，經(jīng)單片機(jī)的分析計(jì)算，將行駛里程、平均速度、瞬時(shí)速度送給LCD 顯示,如果當(dāng)前速度超過(guò)設(shè)定速度，報(bào)警指示燈會(huì)亮起,蜂鳴器發(fā)出警報(bào)[1]。同時(shí)該系統(tǒng)能夠根據(jù)4*4 矩陣鍵盤(pán)設(shè)定行駛的最大速度，當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)行駛的瞬時(shí)速度大于或者等于預(yù)先設(shè)定的最大速度時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，報(bào)警指示燈亮起，以此來(lái)提示駕駛?cè)水?dāng)前速度過(guò)高，應(yīng)當(dāng)減速慢行，通過(guò)報(bào)警電路把速度過(guò)高的危險(xiǎn)信號(hào)傳遞給駕駛?cè)耍抉{駛?cè)俗⒁庑熊?chē)安全。

該系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STC89C52 單片機(jī)作為電動(dòng)自行車(chē)車(chē)速報(bào)警系統(tǒng)的控制核心，采用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)外部輸入信號(hào)[2]，采集一定時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖信號(hào)，根據(jù)電動(dòng)自行車(chē)自身車(chē)輪尺寸，經(jīng)過(guò)STC89C52 單片機(jī)對(duì)采集的脈沖信號(hào)進(jìn)行分析處理，最終在LCD1602 上面顯示電動(dòng)自行車(chē)的平均速度、瞬時(shí)速度、設(shè)定速度以及行駛里程，如果當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)行駛的速度大于或者等于設(shè)定速度，該報(bào)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警警示（報(bào)警指示燈LED 亮起，蜂鳴器發(fā)出警示聲音）。

2.1 測(cè)速模塊

測(cè)速模塊主要是由LM393 和3144 霍爾傳感器高度集成的。它具有電源和信號(hào)指示燈，能夠用來(lái)檢查是否通電和是否有信號(hào)輸入。該模塊無(wú)觸發(fā)時(shí)，輸出高電平,有觸發(fā)時(shí)，輸出低電平。該模塊穩(wěn)定性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，能夠快速響應(yīng)。LM393(電壓比較器)能將霍爾傳感器輸出的波形直接轉(zhuǎn)化成TTL 高低電平，單片機(jī)的外中斷可直接對(duì)它進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.1.1 測(cè)速原理

當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)車(chē)輪中的磁鐵經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)記錄一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量，根據(jù)電動(dòng)自行車(chē)的車(chē)輪大小，可以計(jì)算出該段時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)速度、行駛里程。通過(guò)對(duì)行駛里程的累加，時(shí)間基數(shù)的累加，可以計(jì)算出平均速度?；魻杺鞲衅鳒y(cè)量速度的示意圖如圖2 所示。

圖2 測(cè)速示意圖

2.1.2 速度和里程的計(jì)算方法

t 時(shí)間基數(shù)內(nèi)記錄脈沖數(shù)量如圖3 所示。

圖3 t 時(shí)間基數(shù)內(nèi)記錄脈沖數(shù)量

當(dāng)兩個(gè)霍爾傳感器同時(shí)檢測(cè)到第一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器重零開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)到0.5s 之后，根據(jù)記錄脈沖數(shù)量，計(jì)算出電動(dòng)自行車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，進(jìn)而可以得到該段時(shí)間內(nèi)行駛的速度以及里程。

2.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

該報(bào)警裝置是由蜂鳴器、電阻、PNP 以及發(fā)光二極管組成的[3]。當(dāng)車(chē)速超過(guò)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)P2.7 為低電平，三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器接通，發(fā)出滴滴長(zhǎng)鳴聲；LED 接通亮起。具體接線(xiàn)圖如圖4 所示。

圖4 報(bào)警電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件（程序）是硬件執(zhí)行的“動(dòng)力”，一個(gè)完整的設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件和硬件必不可少的。本設(shè)計(jì)共有脈沖信號(hào)采集、鍵盤(pán)、報(bào)警、顯示、控制器五大模塊組成。并對(duì)這些模塊進(jìn)行編程，分別將編寫(xiě)好的程序輸入到控制器模塊（STC89C52 單片機(jī)）中，只有控制器模塊有條不紊的執(zhí)行程序，才能滿(mǎn)足本次設(shè)計(jì)的需求。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件編程用的是Keil 軟件，該軟件廣泛應(yīng)用于學(xué)習(xí)和工作中。這個(gè)軟件系統(tǒng)包括了C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和仿真調(diào)試器等，功能非常齊全，該軟件能夠把高級(jí)的C語(yǔ)言轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能夠是識(shí)別的低級(jí)語(yǔ)言，轉(zhuǎn)化效率高，能幫助開(kāi)發(fā)者理解相關(guān)程序的執(zhí)行過(guò)程[4]。

本次設(shè)計(jì)主程序的順序是：首先對(duì)單片機(jī)的各個(gè)引腳進(jìn)行初始化，從鍵盤(pán)獲取數(shù)據(jù)后，判斷按鍵是否按下，如果按下，則判斷按下的是否是數(shù)字，如果是數(shù)字并記錄數(shù)字，如果不是數(shù)字，繼續(xù)判斷按下的是“確定”或者“取消”，如果是“確定”則獲得設(shè)定速度，如果是“取消”則清除數(shù)字。然后定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，外中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)時(shí)間到，計(jì)算出速度和里程，并比較速度大小，如果超速則報(bào)警，反之則不報(bào)警。最后將速度和里程信息送到LCD 顯示，判斷車(chē)輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)，如果車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)則重新定時(shí)計(jì)數(shù)，如車(chē)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)則結(jié)束。系統(tǒng)主流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

3.2.1 定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖

本設(shè)計(jì)通過(guò)定時(shí)器T0，定時(shí)0.5 秒后，對(duì)INT0 和INT1 記錄脈沖的數(shù)量進(jìn)行處理，分別計(jì)算出瞬時(shí)速度、0.5 秒內(nèi)的行駛里程，累加里程，累加時(shí)間基數(shù)，接著對(duì)t 時(shí)刻和t-1 時(shí)刻的速度進(jìn)行濾波得到傳感器的速度。如圖6 所示。

圖6 定時(shí)器中斷流程圖

3.2.2 脈沖信號(hào)輸入模塊流程圖

電動(dòng)自行車(chē)啟動(dòng)后，車(chē)輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路輸入到單片機(jī)。單片機(jī)的INT0 和INT1 記錄脈沖信號(hào)的數(shù)量，定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到，計(jì)算出瞬時(shí)速度、累加里程以及累加時(shí)間基數(shù)。如果電動(dòng)自行車(chē)沒(méi)有停止，重新定時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖信號(hào)采集結(jié)束。其流程圖如圖7 所示。

圖7 脈沖信號(hào)采集流程圖

3.2.3 報(bào)警模塊流程圖

當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)的行駛速度大于或者等于預(yù)先設(shè)定的最大速度時(shí)，通過(guò)判斷Bi 的電平對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)Bi 為低電平時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出滴滴長(zhǎng)鳴聲，LED 會(huì)亮起；當(dāng)Bi 為高電平時(shí)，則進(jìn)入初始化狀態(tài)。具體如圖8 所示。

圖8 報(bào)警電路流程圖

4 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)自行車(chē)車(chē)速問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款利用霍爾傳感來(lái)檢測(cè)脈沖信號(hào)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)行駛過(guò)程中速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)STC89C52 對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算，最終在LCD 液晶顯示屏上顯示出平均速度、瞬時(shí)速度以及行駛里程。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、成本低，能夠滿(mǎn)足人們?nèi)粘?duì)電動(dòng)自行車(chē)超速報(bào)警的基本需求，而且此測(cè)速報(bào)警系統(tǒng)可以在很多速度監(jiān)控的場(chǎng)合使用，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。