基于STC89C51单片机的自行车里程计数器设计

文/张炎生 达金良

1 设计背景与意义

东晋义熙十三年，刘裕消灭后秦时期，在长安缴获了记里鼓车，距今已经超过了1600多年。由此可以洞悉1600多年前，里程计数的装置就已经在生活中得以应用，古人的智慧不禁让现代人叹服。

在科学技术发达的现代，已经不再将里程表用于测量两地之间的距离了，而是应用于各种交通工具上实行监控。从起初传统的机械式里程计数器，经过电子技术的不断进步，到目前电子式里程计数器的应用，稳定性更好，可靠性更高。凭借行驶积累下的里程数，判断交通工具是否需要养护。同时，现代的里程表功能更加丰富，还可以实现测速，超速报警等功能。

在每辆共享单车上安装一个里程计数器，里程计数器可以实现超速报警，里程数累计的功能。如果有暴力骑行者超速骑行时，就会自动报警响铃。单车骑行到达一定里程数时也可以提醒使用者及时进行养护。这样就大大地降低了对资源的浪费，形成了一个良性可持续的系统。

目前的里程表所能实现的功能太过丰富，有的里程表甚至可以采集到用户的呼吸量，测量出用户的心跳，通过这些数据分析用户的身体健康状况。国外的里程表在设计中，大都采用各大公司功能丰富，体积小巧的芯片，但成本太高。因此，太高的成本以及太多的功能并不适合批量的投入使用在共享单车上。本设计旨在做出功能够用、价格低廉的里程表，使其被应用于大量共享单车，减少共享经济的损失。

2 单片机里程计数器系统结构

图1：系统结构图

图2：主程序流程图

基于单片机的自行车里程表计数器使用STC89C51单片机，DS1302时钟芯片，AT24C02串行存储器，独立按键，A3144E霍尔元件，LCD1602液晶显示屏，报警器组成。其系统结构如图1所示。

单片机负责处理霍尔传感器传来的电脉冲，并且将处理好的数据传给显示器，在显示器上显示结果。采集车轮转动圈数的信息是由霍尔传感器来负责，并且把采集到的数据发送给单片机。独立按键会负责单片机的复位操作，设定时间，设定安全速度，里程数清零等。蜂鸣器就是负责提示用户已超过设定的安全速度的报警响铃。

3 单片机里程计数器的原理

测量时速及里程的原理是，在做圆周运动的车轮上装两个相对称位置小磁铁，当车轮转圈时，小磁铁每次经过霍尔传感器，霍尔传感器便产生电脉冲。如此往复，利用单片机记录一段时间内脉冲变化的次数，在已知车轮半径的前提下，间接求出周长，计算出车辆的速度和行驶里程。

4 单片机里程计数器设计

基于单片机的自行车里程数计数器设计是由硬件设计和软件设计两个部分构成。软件部分采用C语言编写，编写和编译所使用到的软件是Keil C51。

4.1 单片机里程计数器硬件电路设计

4.1.1 单片机和时钟复位电路

采用的是STC公司生产的一种低功耗高性能CMOS8位微控制器STC89C51单片机。其内部集成4k字节ROM，512字节RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，五个中断源，一个全双工串行口，40个引脚。复位电路是由1个电容，1个电阻和1个开关按钮组成。当按下开关按钮时，STC89C51的第9引脚RST电平升高，如果高电平持续一段时间，单片机就可以复位。时钟电路是1个12MHz的晶振和2个30PF的电容组合构成，其中晶振要尽可能靠近STC89C51的第18、19引脚。

4.1.2 键盘单元

由于需要调节的信息不是很多，因此只设计了4个独立按键。单片机在上电以后各个I/O口处于高电平，当按键按下，则对应的I/O口变成低电平。

4.1.3 霍尔传感器

霍尔3144传感开关是利用霍尔效应，将强弱交替的磁感应强度转为电脉冲的器件。面对霍尔元件中印有文字的一面，引脚从左到右分别为1、2、3脚。其内部包括有电源稳压器，电势触发装置，差分放大器，施密特触发器，输出装置。当磁铁接近霍尔器件时，磁场强度达到临界点，霍尔3144的第3脚输出低电平，反之第3脚输出高电平。

4.1.4 时钟芯片

DS1302是一块实时的时钟芯片。Vcc1引脚是连接备用电源的，Vcc2引脚是连接主电源的，当备用电源大于主电源0.2V时，使用Vcc1供电，X1和X2引脚外接32.768KHz晶振。

4.1.5 显示单元

采用LCD1602液晶显示器，能显示2行字符，在一个屏幕上可以同时显示出数字，单位等。此外，LCD1602显示器组成的显示单元具有显示内容多，省电，控制简单，使用单片机接口少等优点。LCD1602工作电压在4.5至5.5V之间，工作电流在2mA。

4.1.6 存储器

AT24C02是断电不丢失数据的串行EEPROM芯片，该芯片的存储容量为2KB，有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

4.1.7 报警电路

报警电路是由一个蜂鸣器构成，当行驶途中的时速大于设定的安全速度时，蜂鸣器长鸣发起警报，提醒用户减速行驶。

4.2 单片机里程计数器软件设计

根据自行车里程表计数器的功能分析，程序按照不同的功能分为五个部分，依次是，数据处理程序，时钟程序，显示程序，存储程序，报警程序。自行车里程表计数器开机运行，LCD上第一行会显示年月日时分星期，第二行会显示里程、速度，默认都是0。可以通过功能键去设置当前年月日时分星期，也可以通过功能键去设定安全速度，一旦超速就会引发蜂鸣器的报警。其程序的主要流程图如图2所示。

5 结束语

基于51单片机的自行车里程计数器，其功能主要是通过显示器显示行驶里程，实时速度以及通过蜂鸣器实现超速报警，另外还包括了有日期，实时时间等内容，修改设定值可以通过相关的独立按键完成。该计数器原理简单，功能实用，制作容易，使用方便。对于爱好骑行的人群来说，可以花较少的经费自行制作出一个自行车里程计数器，具有很好的实用价值。