基于STC89C51單片機的自行車里程計數器設計

文/張炎生 達金良

1 設計背景與意義

東晉義熙十三年，劉裕消滅后秦時期，在長安繳獲了記里鼓車，距今已經超過了1600多年。由此可以洞悉1600多年前，里程計數的裝置就已經在生活中得以應用，古人的智慧不禁讓現代人嘆服。

在科學技術發達的現代，已經不再將里程表用于測量兩地之間的距離了，而是應用于各種交通工具上實行監控。從起初傳統的機械式里程計數器，經過電子技術的不斷進步，到目前電子式里程計數器的應用，穩定性更好，可靠性更高。憑借行駛積累下的里程數，判斷交通工具是否需要養護。同時，現代的里程表功能更加豐富，還可以實現測速，超速報警等功能。

在每輛共享單車上安裝一個里程計數器，里程計數器可以實現超速報警，里程數累計的功能。如果有暴力騎行者超速騎行時，就會自動報警響鈴。單車騎行到達一定里程數時也可以提醒使用者及時進行養護。這樣就大大地降低了對資源的浪費，形成了一個良性可持續的系統。

目前的里程表所能實現的功能太過豐富，有的里程表甚至可以采集到用戶的呼吸量，測量出用戶的心跳，通過這些數據分析用戶的身體健康狀況。國外的里程表在設計中，大都采用各大公司功能豐富，體積小巧的芯片，但成本太高。因此，太高的成本以及太多的功能并不適合批量的投入使用在共享單車上。本設計旨在做出功能夠用、價格低廉的里程表，使其被應用于大量共享單車，減少共享經濟的損失。

2 單片機里程計數器系統結構

圖1：系統結構圖

圖2：主程序流程圖

基于單片機的自行車里程表計數器使用STC89C51單片機，DS1302時鐘芯片，AT24C02串行存儲器，獨立按鍵，A3144E霍爾元件，LCD1602液晶顯示屏，報警器組成。其系統結構如圖1所示。

單片機負責處理霍爾傳感器傳來的電脈沖，并且將處理好的數據傳給顯示器，在顯示器上顯示結果。采集車輪轉動圈數的信息是由霍爾傳感器來負責，并且把采集到的數據發送給單片機。獨立按鍵會負責單片機的復位操作，設定時間，設定安全速度，里程數清零等。蜂鳴器就是負責提示用戶已超過設定的安全速度的報警響鈴。

3 單片機里程計數器的原理

測量時速及里程的原理是，在做圓周運動的車輪上裝兩個相對稱位置小磁鐵，當車輪轉圈時，小磁鐵每次經過霍爾傳感器，霍爾傳感器便產生電脈沖。如此往復，利用單片機記錄一段時間內脈沖變化的次數，在已知車輪半徑的前提下，間接求出周長，計算出車輛的速度和行駛里程。

4 單片機里程計數器設計

基于單片機的自行車里程數計數器設計是由硬件設計和軟件設計兩個部分構成。軟件部分采用C語言編寫，編寫和編譯所使用到的軟件是Keil C51。

4.1 單片機里程計數器硬件電路設計

4.1.1 單片機和時鐘復位電路

采用的是STC公司生產的一種低功耗高性能CMOS8位微控制器STC89C51單片機。其內部集成4k字節ROM，512字節RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數器，五個中斷源，一個全雙工串行口，40個引腳。復位電路是由1個電容，1個電阻和1個開關按鈕組成。當按下開關按鈕時，STC89C51的第9引腳RST電平升高，如果高電平持續一段時間，單片機就可以復位。時鐘電路是1個12MHz的晶振和2個30PF的電容組合構成，其中晶振要盡可能靠近STC89C51的第18、19引腳。

4.1.2 鍵盤單元

由于需要調節的信息不是很多，因此只設計了4個獨立按鍵。單片機在上電以后各個I/O口處于高電平，當按鍵按下，則對應的I/O口變成低電平。

4.1.3 霍爾傳感器

霍爾3144傳感開關是利用霍爾效應，將強弱交替的磁感應強度轉為電脈沖的器件。面對霍爾元件中印有文字的一面，引腳從左到右分別為1、2、3腳。其內部包括有電源穩壓器，電勢觸發裝置，差分放大器，施密特觸發器，輸出裝置。當磁鐵接近霍爾器件時，磁場強度達到臨界點，霍爾3144的第3腳輸出低電平，反之第3腳輸出高電平。

4.1.4 時鐘芯片

DS1302是一塊實時的時鐘芯片。Vcc1引腳是連接備用電源的，Vcc2引腳是連接主電源的，當備用電源大于主電源0.2V時，使用Vcc1供電，X1和X2引腳外接32.768KHz晶振。

4.1.5 顯示單元

采用LCD1602液晶顯示器，能顯示2行字符，在一個屏幕上可以同時顯示出數字，單位等。此外，LCD1602顯示器組成的顯示單元具有顯示內容多，省電，控制簡單，使用單片機接口少等優點。LCD1602工作電壓在4.5至5.5V之間，工作電流在2mA。

4.1.6 存儲器

AT24C02是斷電不丟失數據的串行EEPROM芯片，該芯片的存儲容量為2KB，有一個16字節頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能。

4.1.7 報警電路

報警電路是由一個蜂鳴器構成，當行駛途中的時速大于設定的安全速度時，蜂鳴器長鳴發起警報，提醒用戶減速行駛。

4.2 單片機里程計數器軟件設計

根據自行車里程表計數器的功能分析，程序按照不同的功能分為五個部分，依次是，數據處理程序，時鐘程序，顯示程序，存儲程序，報警程序。自行車里程表計數器開機運行，LCD上第一行會顯示年月日時分星期，第二行會顯示里程、速度，默認都是0。可以通過功能鍵去設置當前年月日時分星期，也可以通過功能鍵去設定安全速度，一旦超速就會引發蜂鳴器的報警。其程序的主要流程圖如圖2所示。

5 結束語

基于51單片機的自行車里程計數器，其功能主要是通過顯示器顯示行駛里程，實時速度以及通過蜂鳴器實現超速報警，另外還包括了有日期，實時時間等內容，修改設定值可以通過相關的獨立按鍵完成。該計數器原理簡單，功能實用，制作容易，使用方便。對于愛好騎行的人群來說，可以花較少的經費自行制作出一個自行車里程計數器，具有很好的實用價值。