电动自行车里程速度计的设计

2018-03-16丁敏

新能源科技 2018年2期

丁敏

（陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中 723003）

随着居民生活水平的不断提高，电动自行车不仅仅是普通的运输、代步的工具，而是成为人们娱乐、休闲、锻炼的首选。因此，人们希望电动自行车的功能更强大，能给人们带来更多的方便。电动自行车里程速度表作为其一大辅助工具迅速发展起来，其功能也逐渐从单一的里程显示发展到速度、时间显示，甚至有的还具有测量骑车人的心跳、显示骑车人热量消耗等功能。本设计采用了MCS-51系列单片机设计一种体积小、操作简单的便携式电动自行车的里程速度计，它能自动显示当前电动自行车行走的距离及运行的速度。

1.电动自行车里程速度计的总体设计方案

本设计以通用MCS-51单片机为处理核心，用传感器将车轮的转数转换为电脉冲，进行处理后送入单片机。里程及速度的测量，是经过MCS-51的定时/计数器定时一个固定时间测出总的脉冲数，再经过单片机的计算得出，其结果通过LCD液晶显示器显示出来[1]。里程的掉电保存采用存储芯片AT24C02 实现的，其电路原理图如图1所示。

图1 系统原理框图

2.硬件电路的设计

电动自行车的里程速度计的硬件电路设计是基础部分，它包括信号的捕获，单片机的计算处理，液晶的实时显示和单片机外围基本电路的设计，主要器件有单片机、传感器、LCD（1602）和存储器[2]。

（1）传感器及其测量系统的选择

本次设计信号的捕获采用的是霍尔传感器。霍尔器件具有许多优点，其结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1 MHz）、耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。取用各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度范围宽，可达-55～50℃。按照霍尔器件的功能可将分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测对象的性质可将他们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测的信息的载体。通过它将许多非电、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、转数、转速）以及工作状态发生变化的时间等转变成电量来进行检测和控制。

（2）时钟电路设计

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。STC89C52片内由一个反相放大器构成振荡器，可以由它产生时钟。常用的时钟电路有2种方式：一种是内部时钟方式；另一种为外部时钟方式。本设计采用前者。

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为芯片第19引脚XTAL1，输出端为第18引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和电容，就构成一个稳定的自激振荡器[3]。

（3）复位电路设计

STC89C52 单片机的复位输入引脚RET 为STC89C51，提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在单片机的时钟电路工作后，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RET保持高电平，则89C51循环复位。只有当RET由高电平变成低电平以后，89C51才从0000H地址开始执行程序[4]。

（4）报警电路设计

报警电路采用蜂鸣器报警，当即时速度超过预定值是蜂鸣器响，指示灯闪烁，提示应该减速。

（5）按键电路设计

设计时为了实现不同页面的切换，采用按键翻页的方式。当通电后按键不按下时LCD显示系统时间，当翻页键第一次按下时显示速度。当翻页键第二次按下时显示电动自行车里程，同时为了实现开机关机功能，设计中采用六角自锁开关。自锁开关，是一种常见的按钮开关。在开关按钮第一次按时，开关接通并保持，即自锁；在开关按钮第二次按时，开关断开，同时开关按钮弹出来。

默认情况下，1与3，6与4是连在一起的；按下时，1与2，6与5是连在一起，在硬件中，用的是右边一列，6脚接高电平，5脚接电源VCC，当按下时接通电源实现开机，弹上来时，断电实现关机。

（6）存储电路设计

为了实现系统掉电保存里程的功能，设计选用存储器AT24C02，串行时钟输入端SCL（SCK）与P1．2口相连，串行数据输入输出端SDA与P1．3口相连，WP接地表示它可以对整个存储器进行正常的读/写操作。由于I2C总线上各个器件都采用漏极开路结构与总线相连，因此，SCL和SDA均需接上拉电阻。

（7）显示接口电路设计

选用液晶显示器 LCD1602，单片机的 P0 口（P0．0～P0．7）连接 LCD 的 D0～D7，第 4 引脚 RS 接 P1．0，

第6引脚E接P1．1，并且P0口接上拉电阻，实际中采用的是10K排阻。

3.结论与展望

（1）结论

本系统是开发一个以51单片机为核心的电动自行车的里程速度计，硬件部分着重考虑硬件电路的简单性，故尽可能简化硬件电路，节省线路板的空间，达到硬件电路最优化设计，达到设计的指标，实现对电动自行车里程/速度的计算功能，并用LCD显示，里程与速度分别根据以下公式求得：

根据此公式将最终显示出里程和速度。当车轮转动，小磁片滑过霍尔元件时，霍尔元件输出单个脉冲，可根据车轮周长计算里程，选择不同的车轮周长，里程数的变化有所不同；当按下开关，显示速度时，LCD会根据转速的不同显示不同的数字，当速度超过一定速度时，将启动报警系统。

通过仿真证明本次设计符合设计的要求，能实现对里程、速度的显示，功能性较强，具有一定的实践意义，将会在许多场合应用。但也有一些不足存在，当显示速度时，若电动自行车转动太快，显示器会显示过快，应该将速度定时显示，使人们能够清楚地看出速度。

（2）展望

文章所设计系统操作简单，易于实现。硬件部分采用的器件应用较广泛，且价格低廉，如STC89C51 单片机、霍尔传感器A44E、存储器24C02等。这就意味着所有的器件功能比较强大、稳定。尤其是设计的核心元件STC89C51单片机，软件技术成熟，并具有种类齐全的支持芯片。这类微处理器既可用作控制器又适合于做数据处理，而且成本也甚是低廉。软件采用模块化设计，可读性强，方便二次开发。

文章所设计电路简单、成本低，而且能够满足人们对高性能、多功能电动自行车的要求，可在很多里程/速度测量场合使用，具有广泛的应用前景。