胡孫杰，彭時(shí)翔，張小西，曹德友

（浙江長江汽車電子有限公司，浙江溫州，325000）

0 引言

隨著自行車技術(shù)的不斷發(fā)展，騎行速度越來越快；同時(shí)出現(xiàn)了自行車速度過快剎車不及時(shí)造成人員身體傷害的事件不斷發(fā)生。因此設(shè)計(jì)一款體積小、操作方便的便攜式自行車車速報(bào)警系統(tǒng)，它能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前自行車的速度，超出設(shè)定速度發(fā)出蜂鳴報(bào)警，同時(shí)能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境溫度、電池電量及自動計(jì)算并顯示當(dāng)前自行車行駛里程。

本文主要對單片機(jī)、霍爾測速原理、DS18B20 溫度采集、EEPROM 數(shù)據(jù)存儲、蜂鳴器控制原理、ADC 電壓采集及OLED 顯示原理的闡述與總結(jié)，對本文所描述的STM32F103CBT6 控制的自行車速度檢測顯示報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)原理的闡述，以及對控制程序的原理進(jìn)行解析。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下：在騎行過程中當(dāng)自行車輪胎旋轉(zhuǎn)一圈走過的距離即為輪胎的周長C，采集輪胎旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)即可得出自行車走過的總距離。因此如果將一個(gè)永磁鐵安裝在自行車輪轂上，與磁鐵對應(yīng)的霍爾傳感器裝在固定支架上，單片機(jī)就可采集到的輪胎的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。單片機(jī)可計(jì)算單位時(shí)間T 內(nèi)收到的脈沖數(shù)n 得出實(shí)時(shí)速度V=nC/T；總里程數(shù)S 為所收到脈沖數(shù)總數(shù)m 與輪胎周長乘積C 及S=mC。當(dāng)輪胎都為標(biāo)準(zhǔn)的尺寸規(guī)格時(shí)，在首次安裝時(shí)提示選擇輪胎尺寸查表可得對應(yīng)的周長；如規(guī)格不在表格中可選擇手動輸入當(dāng)前輪胎周長或直徑單位為毫米。

圖1 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。本系統(tǒng)采用STM32F103CBT6單片機(jī)對自行車速度傳感器霍爾脈沖信號的采集計(jì)算，同時(shí)通過DS18B20 采集環(huán)境溫度，通過OLED 顯示模塊顯示自行車實(shí)時(shí)速度、里程、環(huán)境溫度、電池電量，通過AT24C02 存儲自行車輪胎尺寸、總里程、限速設(shè)定擋位等配置信息，當(dāng)速度超出設(shè)定值時(shí)通過蜂鳴器、LED 指示燈、液晶顯示提示發(fā)出報(bào)警提示騎行人員減速。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用單節(jié)3.7V 鋰電池供電，同時(shí)單片機(jī)采集電池電壓當(dāng)電壓過低時(shí)提示充電或更換電池。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：單片機(jī)實(shí)現(xiàn)總體控制，YS282 霍爾脈沖信號采集、按鍵控制輸入、DS18B20 環(huán)境溫度采集、AT24C02通訊控制、蜂鳴器報(bào)警控制電路和OLED 顯示屏并口通訊控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路包括霍爾脈沖采集，DS18B20 環(huán)境溫度采集電路，電源供電模塊及ADC 電池電壓采集電路，OLED 顯示屏控制電路，蜂鳴器、LED 報(bào)警電路，按鍵輸入，EEPROM 系統(tǒng)參數(shù)存儲、單片機(jī)系統(tǒng)[1]等部分組成，下面進(jìn)行詳細(xì)說明。

■2.1 速度測量傳感器模塊

本系統(tǒng)采用脈沖計(jì)數(shù)法測量速度；采集自行車轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可以識別的脈沖信號進(jìn)行計(jì)算可獲得自行車速度?；魻杺鞲衅饕蚪Y(jié)構(gòu)簡單安裝方便，抗灰塵、油污等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用各種工業(yè)場所，采用YS282是一款高靈敏度高穩(wěn)定的單極型霍爾效應(yīng)傳感器；OUT 腳作為霍爾信號輸出至單片機(jī)信號采集腳，增加1k 電阻上拉增加驅(qū)動能力，同時(shí)增加濾波電容過濾干擾。霍爾傳感器硬件接口電路見圖2。

圖2 YS282 硬件連接電路

■2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用STM32F103CBT6 實(shí)現(xiàn)速度、溫度、電壓等信號采集、計(jì)算顯示、報(bào)警等功能。如圖3 所示單片機(jī)最小系統(tǒng)包括上電復(fù)位電路、編程口、晶振、單片機(jī)等在內(nèi)的單片機(jī)最小系統(tǒng)，單片機(jī)采用3.3V 低電壓電源供電可顯著降低系統(tǒng)功耗。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

■2.3 OLED 顯示屏控制電路

本系統(tǒng)選用ATK-0.96"OLED 模塊用于顯示交互；該模塊尺寸只有0.96 寸分辨率卻達(dá)到了128×64；采用先進(jìn)的SSD1306 驅(qū)動芯片，內(nèi)部集成升壓電路只需3.3V即可工作[2]，硬件設(shè)計(jì)無需再增加DC-DC 電路使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單，模塊接口電路見圖4；采用3.3V 電壓供電，通訊接口采用并口通訊，同時(shí)可以通過單片機(jī)IO控制顯示屏復(fù)位。

圖4 OLED 硬件接口電路

■2.4 蜂鳴器報(bào)警模塊

當(dāng)前系統(tǒng)采用無源蜂鳴器作為聲音報(bào)警器件；無源蜂鳴器與揚(yáng)聲器相同是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，直接接入直流電無法產(chǎn)生聲音，只在接通或斷開時(shí)產(chǎn)生聲音。蜂鳴器控制電路見圖5，包括S8050 驅(qū)動開關(guān)三極管，1N4148 保護(hù)二極管用于吸收反向電動勢；R8、R9三極管驅(qū)動偏置電阻；控制信號采用單片機(jī)PA2 腳TIM2_CH3采用2700Hz 50%占空比的PWM 控制。

■2.5 DS18B20 溫度測量模塊

DS18B20 是一款高精度溫度測量芯片。通過單線總線實(shí)現(xiàn)通訊控制，溫度傳感器最低可檢測維度-55℃，最高可高檔+125℃；完全能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。通過通訊口可以配置相應(yīng)寄存器設(shè)定溫度傳感器的數(shù)字轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換速度。在-10℃～+85℃誤差僅為0.4℃。DS18B20 硬件接口電路詳見圖6 所示，采用3.3V 供電，數(shù)據(jù)通訊線DQ 通過R7 上拉至電源，C3 為濾波電容。

圖6 DS18B20 硬件連接電路

■2.6 電源供電及電池電壓采集模塊

本系統(tǒng)采用單節(jié)鋰電池供電，電池電壓3.7V 而單片機(jī)等芯片供電電壓為3.3V；因此采用TPS7A6133 進(jìn)行減壓。電池電壓采集采用兩個(gè)10k 電阻進(jìn)行分壓后再輸入至單片機(jī)AD 采集口，當(dāng)電池電壓低于3.2V 時(shí)發(fā)出低電量提示。系統(tǒng)電路見圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)電源供電模塊及電池電壓采集模塊

■2.7 AT24C02 系統(tǒng)參數(shù)存儲模塊

為了防止系統(tǒng)斷電時(shí)設(shè)置參數(shù)丟失，本系統(tǒng)選擇AT24C02保存系統(tǒng)參數(shù)。AT24C02是一款COMSEEPROM，內(nèi)部容量為256 個(gè)字節(jié)。模塊接口電路見圖8所示；采用3.3V 電壓供電，通訊采用I2C 串口通訊，WP 寫保護(hù)引腳直接接地允許讀寫操作；SDA、SCL 引腳分別通過R40、R39 上拉至電源；由于系統(tǒng)只接了一個(gè)AT24C02 因此所有地址選擇引腳A0、A1、A2 可以全部接地。

圖8 AT24C02A 模塊接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖見圖9 所示。首先對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，接下來對按鍵模塊、ADC 電源電壓采集模塊、定時(shí)器模塊、AT24C02 通訊控制模塊[3]、OLED 顯示模塊、PWM蜂鳴器控制模塊、DS18B20 模塊進(jìn)行初始化，啟動看門狗模塊，讀取AT24C02 系統(tǒng)參數(shù)，初始化系統(tǒng)參數(shù)。然后進(jìn)入主程序，循環(huán)讀取霍爾傳感器脈沖計(jì)算自行車實(shí)時(shí)速度并判斷是否超速，讀取環(huán)境溫度，按鍵檢測，讀取電池電壓判斷電量，刷新OLED 顯示，看門狗喂狗。

圖9 主程序流程圖

■3.1 定時(shí)器程序設(shè)計(jì)

STM32F103CBT6 的通用定時(shí)器是一個(gè)通過可編程預(yù)分頻器驅(qū)動的16 位自動裝載計(jì)數(shù)器構(gòu)成。STM32F103CBT6的通用定時(shí)器可以被用于測量輸入信號的脈沖長度(輸入捕獲)或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較和PWM)等[4]。

本系統(tǒng)采用TIM2 定時(shí)器設(shè)置10ms 定時(shí)中斷，用于系統(tǒng)各處理周期計(jì)數(shù)。TIM3 設(shè)置頻率為2700HZ 占空比為50%的PWM 輸出用超速時(shí)的蜂鳴器報(bào)警控制輸出；TIM1設(shè)置為輸入捕獲用于霍爾脈沖測速。

■3.2 OLED 顯示程序設(shè)計(jì)

SSD1306 的控制顯示器的分辨率為128×64，顯存總共有8 頁每頁包含了128 字節(jié)總共2K。對應(yīng)的在單片機(jī)的內(nèi)部建立一個(gè)2K 的GRAM，因此在每次修改顯示內(nèi)容時(shí)只修改單片機(jī)上的GRAM，然后把單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)寫入到OLED 即可，無需再讀取顯示內(nèi)容再做修改，大大簡化了測序設(shè)計(jì)流程。

■3.3 I2C 通訊控制模塊

I2C 總線是一種兩線式串行總線；是單片機(jī)與外圍設(shè)備連接最常用的一種通訊總線；只需兩根數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊，最高速度可達(dá)400kbps 以上。

本系統(tǒng)采用單片機(jī)的IO 口來模擬I2C 通訊。程序?qū)崿F(xiàn)包括：①初始化函數(shù)實(shí)現(xiàn)I2C 通訊接口初始化：將SDA（PB7）設(shè)置為雙向數(shù)據(jù)口，SCL（PB6）設(shè)置為輸出口；②起始信號函數(shù)；③停止信號函數(shù)；④等待應(yīng)答函數(shù)；⑤產(chǎn)生ACK 函數(shù)；⑥發(fā)送一個(gè)字節(jié)函數(shù)；⑦讀一個(gè)字節(jié)函數(shù)[5]。

■3.4 1-Wrie 總線通訊

DS18B20 是通過1-Wrie 總線即“一線總線”接口進(jìn)行通訊控制的，采用嚴(yán)格的信號時(shí)序，以保證數(shù)據(jù)的完整性。共有6 種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0 和讀1。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都由單片機(jī)發(fā)出同步信號。并且發(fā)送所有的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。這里我們簡單介紹這幾個(gè)信號的時(shí)序：

（1）復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖

通信都是以初始化序列開始。①M(fèi)CU 輸出低電平，保持低電平時(shí)間至少480μs，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖；②MCU 釋放總線，延時(shí)15～60μs，并進(jìn)入接收模式(Rx)；③接著DS18B20 拉低總線 60～240μs，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時(shí)480μs。

（2）寫時(shí)序

寫時(shí)序包括寫0 時(shí)序和寫1 時(shí)序。所有寫時(shí)序至少需要60μs，且在2 次獨(dú)立的寫時(shí)序之間至少需要1μs 的恢復(fù)時(shí)間，兩種寫時(shí)序均起始于MCU 拉低總線。寫1 時(shí)序：MCU 輸出低電平，延時(shí)2μs，然后釋放總線，延時(shí)60μs。寫0 時(shí)序：MCU 輸出低電平，延時(shí)60μs，然后釋放總線，延時(shí)2μs。

（3）讀時(shí)序

DS18B20 僅在MCU 發(fā)出讀時(shí)序時(shí)，才向MCU 傳輸數(shù)據(jù)，所以當(dāng)MCU 發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便DS18B20 能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)序至少需要60μs，且在2次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要1μs的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)序都由MCU 發(fā)起，至少拉低總線1μs。MCU 在讀時(shí)序期間必須釋放總線，并且在時(shí)序起始后的15μs 之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。

DS18B20 的典型溫度讀取過程為：①復(fù)位；②發(fā)SKIP ROM 命令(0XCC)；③發(fā)開始轉(zhuǎn)換命令(0X44)；④延時(shí)；⑤復(fù)位；⑥發(fā)送SKIP ROM 命令(0XCC)；⑦發(fā)讀存儲器命令(0XBE)；⑧連續(xù)讀出兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)(即溫度)；⑨結(jié)束。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的STM32F103CBT6 32 位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)霍爾脈沖采集自行車實(shí)時(shí)速度并實(shí)時(shí)顯示在128×64分辨率的OLED 顯示屏上具有較好的顯示效果，并用AT24C02 存儲系統(tǒng)參數(shù)保證了系統(tǒng)掉電數(shù)據(jù)安全性，同時(shí)采用DS18B20 監(jiān)測環(huán)境溫度提示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自行車速度/里程、電池電壓、環(huán)境溫度實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)自行車超速時(shí)可發(fā)出蜂鳴報(bào)警提示減速，當(dāng)電池電量不足提示充電或更換電池。系統(tǒng)小巧、穩(wěn)定，適合各尺寸自行車。