基于單片機的自行車測速系統(tǒng)設(shè)計

譚巨興 譚巨滔

【摘要】本文主要是對測速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用進行了研究，以單片機為核心，利用A44E霍爾傳感器設(shè)計出一種可以即時顯示速度和路程的測速系統(tǒng)，并用液晶顯示器LCD1602顯示出來。

【關(guān)鍵詞】傳感器;單片機;即時測速

1.前言

隨著人們對低碳生活的追求，特別是在交通擁擠的城市，自行車成為代步及休閑運動的工具。因此愛好自行車運動的人十分需要一款能測速的裝置，以便更好知道自己的運動情況。

2.總體設(shè)計

整個系統(tǒng)是以單片機作為控制模塊，其工作原理是：A44E霍爾傳感器檢測自行車的輪胎的運轉(zhuǎn)情況，將不同的車速轉(zhuǎn)變成不同的頻率的脈沖信號輸入到單片機進行處理和計算，最后把即時信息顯示在LCD1602液晶顯示器上，讓人們清楚知道當(dāng)前的速度、累計運動時間和路程等物理量，系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。

我們先把磁鐵放在自行車的車輪上，而霍爾傳感器就放在車架，轉(zhuǎn)動自行車的轉(zhuǎn)軸，磁鐵也就跟著一起轉(zhuǎn)動，從而使霍爾傳感器周圍的磁場發(fā)生變化，傳感器在磁鋼經(jīng)過時，產(chǎn)生一個脈沖低電壓，記錄自行車轉(zhuǎn)動了一周。將霍爾傳感器的輸出引腳與單片機的P3.2腳相連。測速度的原理：定義測量的時間間隔為，自行車車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。假設(shè)車輪周長為，則速度為：，在中斷子程序里調(diào)用時鐘函數(shù)，實現(xiàn)時間的累加，最后在中斷子程序里輸出累計時間，速度和路程。

圖1 測速系統(tǒng)總框圖

3.硬件選擇

整個系統(tǒng)包括了三大部分，分別是：傳感器模塊、單片機模塊以及顯示模塊。

3.1 傳感器的選擇

A44E霍爾開關(guān)集成電路應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，其輸入為磁感應(yīng)強度，輸出是一個數(shù)字電壓訊號，霍爾傳感器A44E 在測速系統(tǒng)中的主要作用是對車輪轉(zhuǎn)速信息進行采集。它具有一致性好、性能穩(wěn)定、可靠性高、響應(yīng)速度快、安裝簡便，可和各種邏輯電路接口直接對接的特點。

3.2 單片機的選擇

本文選用的控制模塊是AT89C52單片機，AT89C52是低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大，適合于復(fù)雜控制應(yīng)用場合。

3.3 顯示模塊的選擇

本設(shè)計選用LCD1602液晶顯示器，是一種用5x7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等等，以滿足對多個物理量的輸出顯示。本設(shè)計中，要顯示多個物理量，顯示結(jié)果在屏幕共有兩行，上面一行顯示累計時間，下面一行顯示速度和路程。

4.系統(tǒng)的硬件設(shè)計

自行車測速系統(tǒng)的硬件電路主要由以下幾個構(gòu)成：核心的單片機芯片89c52，負責(zé)處理送進來的信號并輸出給顯示模塊;LCD1602，單片機通過寫命令和寫數(shù)據(jù)把信息寫到液晶板上;A44E，采集磁感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為低電平信號;通過穩(wěn)壓器件7805，把電源穩(wěn)定在5V左右;存儲模塊AT24C01，存儲和讀信息，同時系統(tǒng)還包括了晶振電路，復(fù)位電路，存儲電路等外圍電路。

4.1 顯示電路

單片機芯片通過連接液晶顯示引腳RS，選擇數(shù)字寄存器和指令寄存器;通過連接RW來選取讀或?qū)懶盘枴＿@兩個引腳和顯示器上的引腳D0～D7控制單片機接收并處理的信號在顯示器屏幕顯示出來。

4.2 時鐘電路

利用單片機內(nèi)部的高增益反相放大器，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩。定時元件一般采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)震蕩回路。兩電容大小可起頻率微調(diào)的作用，電容大小要和晶體的容性負載值相匹配，否則不易起振。1個機器周期等于12個時鐘周期，本設(shè)計中，晶振采用12MHZ。

5.軟件分析與設(shè)計

5.1 軟件實現(xiàn)原理

磁鐵裝在車輪上，霍爾傳感器裝在車架。每當(dāng)有磁鐵經(jīng)過（即車輪轉(zhuǎn)一圈）的時候，傳感器輸出一個低脈沖，將霍爾傳感器的輸出引腳與單片機的P3.2腳相連。設(shè)置單片機的定時器0工作于方式1，并且初始化為50ms溢出。每來20次中定時/計數(shù)器溢出中斷（即1秒）計算一次速度（以查詢的方式獲取低電平脈沖，在一秒內(nèi)累計低電平脈沖的次數(shù)）。其中每一秒內(nèi)的路程等于速度的值，在中斷子程序里調(diào)用時鐘函數(shù)，實現(xiàn)時間的累加，最后在中斷子程序里輸出累計時間，即時速度和路程。

5.2 主程序描述

首先對系統(tǒng)初始化，因為P3.2連接在霍爾傳感器上，傳感器靠近磁鐵時就會產(chǎn)生低電平，當(dāng)P3.2=0表示有感應(yīng)信號。當(dāng)累計時間是整數(shù)秒時就輸出累計時間和即時速度及路程。

6.調(diào)試

把編譯產(chǎn)生的可執(zhí)行代碼文件寫入芯片，觀察硬件電路是否能按照預(yù)期的結(jié)果工作，若不能，則檢查修改相應(yīng)的程序，甚至修改硬件電路，反復(fù)以上過程，直至硬件電路可以按照預(yù)期的結(jié)果工作。每部分程序都調(diào)試好后，將其合理組合并補充，編寫完整的程序，寫入芯片，最后進行集成調(diào)試，直到電路板完全可以正常工作，實物圖如圖2所示。

圖2 測速計的實物圖

7.結(jié)束語

本文通過單片機作為控制模塊，用霍爾傳感器A44E收集信號，再由LCD1602液晶顯示器顯示的測速系統(tǒng)。該測速系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，具有成本低廉，耗能少，電路簡單等特點，達到了測速和記錄里程的要求。軟件部分按功能模塊編寫并通過調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)，結(jié)構(gòu)清晰。但是還有亟待改進之處，例如測速系統(tǒng)集成不高，可以選擇更小的芯片和器件;在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上可以增加報警模塊，以提醒超速。

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作者簡介：譚巨興（1987—），男，廣東從化人，廣東工業(yè)大學(xué)在讀研究生，研究方向：設(shè)備故障診斷。