電動自行車里程速度計的設計

丁 敏

（陜西理工學院機械工程學院，陜西 漢中 723003）

隨著居民生活水平的不斷提高，電動自行車不僅僅是普通的運輸、代步的工具，而是成為人們娛樂、休閑、鍛煉的首選。因此，人們希望電動自行車的功能更強大，能給人們帶來更多的方便。電動自行車里程速度表作為其一大輔助工具迅速發展起來，其功能也逐漸從單一的里程顯示發展到速度、時間顯示，甚至有的還具有測量騎車人的心跳、顯示騎車人熱量消耗等功能。本設計采用了MCS-51系列單片機設計一種體積小、操作簡單的便攜式電動自行車的里程速度計，它能自動顯示當前電動自行車行走的距離及運行的速度。

1.電動自行車里程速度計的總體設計方案

本設計以通用MCS-51單片機為處理核心，用傳感器將車輪的轉數轉換為電脈沖，進行處理后送入單片機。里程及速度的測量，是經過MCS-51的定時/計數器定時一個固定時間測出總的脈沖數，再經過單片機的計算得出，其結果通過LCD液晶顯示器顯示出來[1]。里程的掉電保存采用存儲芯片AT24C02 實現的，其電路原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2.硬件電路的設計

電動自行車的里程速度計的硬件電路設計是基礎部分，它包括信號的捕獲，單片機的計算處理，液晶的實時顯示和單片機外圍基本電路的設計，主要器件有單片機、傳感器、LCD（1602）和存儲器[2]。

（1）傳感器及其測量系統的選擇

本次設計信號的捕獲采用的是霍爾傳感器。霍爾器件具有許多優點，其結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達1 MHz）、耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高。取用各種補償和保護措施的霍爾器件工作溫度范圍寬，可達-55～50℃。按照霍爾器件的功能可將分為：霍爾線性器件和霍爾開關器件，前者輸出模擬量，后者輸出數字量。按被檢測對象的性質可將他們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場作為被檢測的信息的載體。通過它將許多非電、非磁的物理量（例如：力、力矩、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速）以及工作狀態發生變化的時間等轉變成電量來進行檢測和控制。

（2）時鐘電路設計

時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地一拍一拍地工作，因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。STC89C52片內由一個反相放大器構成振蕩器，可以由它產生時鐘。常用的時鐘電路有2種方式：一種是內部時鐘方式；另一種為外部時鐘方式。本設計采用前者。

單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入為芯片第19引腳XTAL1，輸出端為第18引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和電容，就構成一個穩定的自激振蕩器[3]。

（3）復位電路設計

STC89C52 單片機的復位輸入引腳RET 為STC89C51，提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執行，即從程序存儲器中的0000H地址單元開始執行程序。在單片機的時鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現兩個機器周期以上的高電平時，單片機內部則初始復位。只要RET保持高電平，則89C51循環復位。只有當RET由高電平變成低電平以后，89C51才從0000H地址開始執行程序[4]。

（4）報警電路設計

報警電路采用蜂鳴器報警，當即時速度超過預定值是蜂鳴器響，指示燈閃爍，提示應該減速。

（5）按鍵電路設計

設計時為了實現不同頁面的切換，采用按鍵翻頁的方式。當通電后按鍵不按下時LCD顯示系統時間，當翻頁鍵第一次按下時顯示速度。當翻頁鍵第二次按下時顯示電動自行車里程，同時為了實現開機關機功能，設計中采用六角自鎖開關。自鎖開關，是一種常見的按鈕開關。在開關按鈕第一次按時，開關接通并保持，即自鎖；在開關按鈕第二次按時，開關斷開，同時開關按鈕彈出來。

默認情況下，1與3，6與4是連在一起的；按下時，1與2，6與5是連在一起，在硬件中，用的是右邊一列，6腳接高電平，5腳接電源VCC，當按下時接通電源實現開機，彈上來時，斷電實現關機。

（6）存儲電路設計

為了實現系統掉電保存里程的功能，設計選用存儲器AT24C02，串行時鐘輸入端SCL（SCK）與P1．2口相連，串行數據輸入輸出端SDA與P1．3口相連，WP接地表示它可以對整個存儲器進行正常的讀/寫操作。由于I2C總線上各個器件都采用漏極開路結構與總線相連，因此，SCL和SDA均需接上拉電阻。

（7）顯示接口電路設計

選用液晶顯示器 LCD1602，單片機的 P0 口（P0．0～P0．7）連接 LCD 的 D0～D7，第 4 引腳 RS 接 P1．0，

第6引腳E接P1．1，并且P0口接上拉電阻，實際中采用的是10K排阻。

3.結論與展望

（1）結論

本系統是開發一個以51單片機為核心的電動自行車的里程速度計，硬件部分著重考慮硬件電路的簡單性，故盡可能簡化硬件電路，節省線路板的空間，達到硬件電路最優化設計，達到設計的指標，實現對電動自行車里程/速度的計算功能，并用LCD顯示，里程與速度分別根據以下公式求得：

根據此公式將最終顯示出里程和速度。當車輪轉動，小磁片滑過霍爾元件時，霍爾元件輸出單個脈沖，可根據車輪周長計算里程，選擇不同的車輪周長，里程數的變化有所不同；當按下開關，顯示速度時，LCD會根據轉速的不同顯示不同的數字，當速度超過一定速度時，將啟動報警系統。

通過仿真證明本次設計符合設計的要求，能實現對里程、速度的顯示，功能性較強，具有一定的實踐意義，將會在許多場合應用。但也有一些不足存在，當顯示速度時，若電動自行車轉動太快，顯示器會顯示過快，應該將速度定時顯示，使人們能夠清楚地看出速度。

（2）展望

文章所設計系統操作簡單，易于實現。硬件部分采用的器件應用較廣泛，且價格低廉，如STC89C51 單片機、霍爾傳感器A44E、存儲器24C02等。這就意味著所有的器件功能比較強大、穩定。尤其是設計的核心元件STC89C51單片機，軟件技術成熟，并具有種類齊全的支持芯片。這類微處理器既可用作控制器又適合于做數據處理，而且成本也甚是低廉。軟件采用模塊化設計，可讀性強，方便二次開發。

文章所設計電路簡單、成本低，而且能夠滿足人們對高性能、多功能電動自行車的要求，可在很多里程/速度測量場合使用，具有廣泛的應用前景。

[1]樓然苗，李光飛． 51系列單片機設計實例[M]．北京：航空航天大學出版社， 2006．

[2]閻煥忠，王長濤，馬斌．單片機控制里程轉速表的設計[J]．沈陽建筑工程學院學報（自然科學版），2002（4）:145-148．

[3]刁文興．電動自行車電子里程表的初步設計[J]．南京工業職業技術學院學報，2004（6）: 25-28．

[4]陳雪麗．單片機原理及接口技術[M]．北京:化學工業出版社，2005．

（稿件來源：機械管理開發）