基于單片機控制的電動自行車車速報警系統設計

洪騰騰 靳軒軒 武雪崢 李雪穎

（黃河交通學院，河南 武陟 454950）

為加快實現“碳達峰，碳中和”目標，以綠色低碳，節能環保為發展理念的交通工具，更符合時代的主題。電動自行車、電動汽車等綠色交通工具具有重要的環保意義。在電動自行車生產過程中，須設置一個車速報警裝置，這樣可以讓人們日常出行更加安全，當電動自行車速度過高時，通過可靠的速度檢測系統，把危險的信號及時傳遞給駕駛人，警示駕駛人當前行駛車速過高，應當減速慢行，注意行車安全，從而可以避免因車速過高而給人們帶來的財產損失和人身安全危害。

1 系統設計

本文設計的是一款基于單片機控制的電動自行車車速報警系統。該車速報警系統能夠設定行駛的最大速度；能夠實時顯示電動車的行駛速度和里程，且具有超速報警的功能。該報警系統采用LCD1602 顯示平均速度、瞬時速度、行駛里程以及通過鍵盤設置的最大速度（設定速度）。該報警系統工作時，通過單片機收集霍爾傳感器采集到的脈沖信號，利用計數器記數、定時器記錄時長，經單片機的分析計算，將行駛里程、平均速度、瞬時速度送給LCD 顯示,如果當前速度超過設定速度，報警指示燈會亮起,蜂鳴器發出警報[1]。同時該系統能夠根據4*4 矩陣鍵盤設定行駛的最大速度，當電動自行車行駛的瞬時速度大于或者等于預先設定的最大速度時，蜂鳴器會發出報警聲音，報警指示燈亮起，以此來提示駕駛人當前速度過高，應當減速慢行，通過報警電路把速度過高的危險信號傳遞給駕駛人，警示駕駛人注意行車安全。

該系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

2 系統硬件設計

系統設計以STC89C52 單片機作為電動自行車車速報警系統的控制核心，采用霍爾傳感器來檢測外部輸入信號[2]，采集一定時間間隔內的脈沖信號，根據電動自行車自身車輪尺寸，經過STC89C52 單片機對采集的脈沖信號進行分析處理，最終在LCD1602 上面顯示電動自行車的平均速度、瞬時速度、設定速度以及行駛里程，如果當電動自行車行駛的速度大于或者等于設定速度，該報警系統會發出報警警示（報警指示燈LED 亮起，蜂鳴器發出警示聲音）。

2.1 測速模塊

測速模塊主要是由LM393 和3144 霍爾傳感器高度集成的。它具有電源和信號指示燈，能夠用來檢查是否通電和是否有信號輸入。該模塊無觸發時，輸出高電平,有觸發時，輸出低電平。該模塊穩定性強，準確度高，能夠快速響應。LM393(電壓比較器)能將霍爾傳感器輸出的波形直接轉化成TTL 高低電平，單片機的外中斷可直接對它進行計數。

2.1.1 測速原理

當電動自行車車輪中的磁鐵經過霍爾傳感器時，就會產生一個脈沖信號。單片機通過記錄一定時間內的脈沖數量，根據電動自行車的車輪大小，可以計算出該段時間內的瞬時速度、行駛里程。通過對行駛里程的累加，時間基數的累加，可以計算出平均速度?；魻杺鞲衅鳒y量速度的示意圖如圖2 所示。

圖2 測速示意圖

2.1.2 速度和里程的計算方法

t 時間基數內記錄脈沖數量如圖3 所示。

圖3 t 時間基數內記錄脈沖數量

當兩個霍爾傳感器同時檢測到第一個脈沖信號時，定時器開始定時，兩個計數器重零開始計數，當定時到0.5s 之后，根據記錄脈沖數量，計算出電動自行車轉動的圈數，進而可以得到該段時間內行駛的速度以及里程。

2.2 報警電路設計

該報警裝置是由蜂鳴器、電阻、PNP 以及發光二極管組成的[3]。當車速超過設定值時，單片機P2.7 為低電平，三極管導通，使蜂鳴器接通，發出滴滴長鳴聲；LED 接通亮起。具體接線圖如圖4 所示。

圖4 報警電路圖

3 系統軟件設計

軟件（程序）是硬件執行的“動力”，一個完整的設計系統軟件和硬件必不可少的。本設計共有脈沖信號采集、鍵盤、報警、顯示、控制器五大模塊組成。并對這些模塊進行編程，分別將編寫好的程序輸入到控制器模塊（STC89C52 單片機）中，只有控制器模塊有條不紊的執行程序，才能滿足本次設計的需求。

3.1 系統主程序設計

本設計軟件編程用的是Keil 軟件，該軟件廣泛應用于學習和工作中。這個軟件系統包括了C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和仿真調試器等，功能非常齊全，該軟件能夠把高級的C語言轉化成單片機能夠是識別的低級語言，轉化效率高，能幫助開發者理解相關程序的執行過程[4]。

本次設計主程序的順序是：首先對單片機的各個引腳進行初始化，從鍵盤獲取數據后，判斷按鍵是否按下，如果按下，則判斷按下的是否是數字，如果是數字并記錄數字，如果不是數字，繼續判斷按下的是“確定”或者“取消”，如果是“確定”則獲得設定速度，如果是“取消”則清除數字。然后定時器開始定時，外中斷進行計數，定時時間到，計算出速度和里程，并比較速度大小，如果超速則報警，反之則不報警。最后將速度和里程信息送到LCD 顯示，判斷車輪是否轉動，如果車輪轉動則重新定時計數，如車輪停止轉動則結束。系統主流程圖如圖5 所示。

圖5 系統主程序流程圖

3.2 系統子程序設計

3.2.1 定時器中斷服務程序流程圖

本設計通過定時器T0，定時0.5 秒后，對INT0 和INT1 記錄脈沖的數量進行處理，分別計算出瞬時速度、0.5 秒內的行駛里程，累加里程，累加時間基數，接著對t 時刻和t-1 時刻的速度進行濾波得到傳感器的速度。如圖6 所示。

圖6 定時器中斷流程圖

3.2.2 脈沖信號輸入模塊流程圖

電動自行車啟動后，車輪開始轉動，霍爾傳感器產生的脈沖信號經過濾波電路輸入到單片機。單片機的INT0 和INT1 記錄脈沖信號的數量，定時器定時時間到，計算出瞬時速度、累加里程以及累加時間基數。如果電動自行車沒有停止，重新定時計數。當電動自行車停止轉動，脈沖信號采集結束。其流程圖如圖7 所示。

圖7 脈沖信號采集流程圖

3.2.3 報警模塊流程圖

當電動自行車的行駛速度大于或者等于預先設定的最大速度時，通過判斷Bi 的電平對信號進行控制，當Bi 為低電平時，蜂鳴器會發出滴滴長鳴聲，LED 會亮起；當Bi 為高電平時，則進入初始化狀態。具體如圖8 所示。

圖8 報警電路流程圖

4 結論

針對電動自行車車速問題，設計了一款利用霍爾傳感來檢測脈沖信號對電動自行車行駛過程中速度實時監測系統。該系統通過STC89C52 對脈沖信號進行分析和計算，最終在LCD 液晶顯示屏上顯示出平均速度、瞬時速度以及行駛里程。本設計系統性能穩定、成本低，能夠滿足人們日常對電動自行車超速報警的基本需求，而且此測速報警系統可以在很多速度監控的場合使用，具有非常廣泛的應用前景。