基于單片機的通用型單車測速里程表設計

劉笑　李浩

摘要：本文主要介紹基于單片機開發的通用型單車速度里程表，適用于各種尺寸單車。該設計采用當下流行的單片機AT89C51為控制中心，通過霍爾元件對單車轉數進行測量，轉換計算后實現對單車的速度/里程測量。該設備具有兩種工作模式，適合于普通騎行和健身騎行，方便節能。文章闡述了設備的硬件電路設計和軟件部分的程序設計，簡化硬件設計，采用模塊化設計思想，將部分硬件功能軟件化，在程序中加以實現。

關鍵詞：單車；單片機；測速里程；霍爾元件

近幾年經濟的發展，使人們在追求高質量生活水平的同時，節能、環保、綠色、生態的生活方式得到越來越多人的認可。單車，作為綠色出行首選工具又重新回到了我們的身邊，更成為人們娛樂、休閑、鍛煉的工具。騎單車，可以鍛煉全身肌肉。但很多人在騎行中陷入誤區，失去了騎行健身的作用。騎行的節奏、姿勢都影響著鍛煉的效果。運動量、頻率和強度是運動的三大原則，片面追求速度和力量只會對身體造成傷害。研究表明，單車的轉速在每分鐘7080轉時，身體熱量燃燒效果達到最佳。很多人認為，速度越快，消耗能量越多。事實上，騎行不同于跑步，當速度超過每分鐘100轉時，熱量燃燒速率就開始下降。本文設計的單車里程速度表，作為騎行的一大輔助設備，為騎行者提供兩種工作模式。在騎行健身模式下，能夠實時的顯示瞬時速度、里程、騎行時間。在車速超過預設值時，進行聲光報警，提醒騎行者調整車速，幫助騎行者達到最佳健身效果。在普通模式下，不進行車速限制，只顯示車速、里程、騎行時間。本設備除了基本的測速和計算里程功能，還具有輔助健身功能，幫助使用者處于最佳騎行狀態。

一、方案論證

通過論證，本設計采用霍爾元件對里程與速度進行測量，可以滿足工作標準要求，應用中易于實現，經濟適用。設備為通用型，在安裝使用前，需根據車的型號設定車輪長度。在騎行模式下，通過安裝在車輪圈的傳感器，假定安裝了n個，用已知的車輪外周長，就可以得出計算里程值的最大誤差為L/n。為了提高里程計算精度，本設計中取n=3。在使用單車時，車輪每運轉一圈，預裝的霍爾元件傳感器就采集到脈沖信號。利用單片機的中斷功能，將脈沖信號引入到單片機的外部中斷0。傳感器每收到一個脈沖信號，就對單片機的INT0提供一次計數中斷，中斷數值m與L/3的乘積為里程值。通過單片機自帶的定時器，可以得到車輪轉一圈所用的時間t。根據公式v=L/t，就可以得出瞬時速度v。若單車速度超預設值，系統發出報警信號，指示燈閃爍，幫助騎行者保持在最佳健身效果。

二、硬件設計

想要得到瞬時速度，關鍵就要解決信號的采樣問題。單片機體積小，功能強大。利用單片機內部自帶的計數器，對來自于車輪上預裝的3個傳感器的脈沖進行計數。根據方案，只要車輪運轉一周，就會通過傳感器產生3個脈沖信號，脈沖信號經過單片機進行計算處理后，就能獲得轉速的信息。

霍爾元件，工作環境適應性強，安裝方便。在任何天氣狀況下都可以穩定工作，即使雨水天被泥沙覆蓋也不會影響其工作的準確度。霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器，對磁場敏感、結構簡單。這里采用開關型霍爾傳感器，可以得到數字量的輸出。具有體積小，壽命長，工作電壓范圍寬，能耗低，易于實現等優點。

三、軟件設計

在軟件設計方面，我們采用C語言編寫，結構清晰，可移植性好。整體的軟件系統包括下幾個部分：系統的上電初始化、信號采集處理程序、速度與里程計算轉換程序、LED顯示子程序、超限聲光報警處理程序和功能設置程序等幾大部分。為了方便系統的升級和功能優化，全部程序功能采用模塊化設計方案實現。設備通電啟動，需要在主程序模塊中完成各項準備工作，包括初始化各接口芯片、單車里程和速度的歸零、預設中斷向量值以及開中斷等工作。另外，標志寄存器、里程寄存器、速度寄存器的啟動/清除功能，也在主程序中進行初始化設置。根據各標志寄存器的內容，最后通過主程序對子程序的調用，完成相應的動作，實現各項功能。騎行過程中，當前的里程值和速度狀態，分別通過P1.0和P1.1口輸出顯示。對于車輪的周長，進行軟件化設計處理，達到適用各尺寸單車的目的。中斷0用于對輪子圈數的計數輸入，每收到3個脈沖信號，記為車輪運轉一周。通過調用子程序，根據里程寄存器中的內容計算出行駛里程數。外部中斷1用于控制定時器T1，當輸入為0時定時器處于關閉狀態。當外部中斷1收到一個脈沖信號時，定時器T1就會啟動。這樣定時器的開啟時間就是車輪轉1/3圈的時間，根據輪子的周長就可以計算出單車的速度。

四、結語

本設備安裝在單車上，除完成基本的測速和里程顯示外。還可以輔助健身者正確騎行，達到最佳健身效果。設備簡單，安裝方便。程序通用性強，便于后期升級再開發。

參考文獻：

[1]王俊峰，孟令啟.現代傳感器應用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]張毅剛.單片機原理及應用.高等教育出版社，2004.

[3]張洪潤，張亞凡.傳感器技術與應用教程.清華大學出版社，2005.

[4]安宗權.電動電子車速里程表分頻電路設計.自動化與儀器儀表，2001，5：3944.

[5]基于單片機的自行車速度里程表的設計畢業論文.

[6]基于單片機的出租車計價器設計畢業設計.

指導老師：劉洋，山東現代學院。