楊 凱， 周岳斌，2

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 襄陽 441053）

引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，微控制器的集成度也越來越高，性能也越趨強(qiáng)勁，體積小、可靠性高、功耗低的單片機(jī)產(chǎn)品種類也是多種多樣，以單片機(jī)作為主控芯片可以滿足絕大多數(shù)測試系統(tǒng)的要求，在很多空間狹小、環(huán)境惡劣的場合和便攜設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。

騎行運動由于它自然健康、簡單環(huán)保的特點，越來越受到大眾的親睞，逐漸成為現(xiàn)代健身運動的一種流行趨勢。騎行者通過自行車碼表可以知道消耗多少能量，騎行了多少里程，同時還有安全提示作用。市面上的碼表，有的價格較貴且功能單一，有的價格便宜但質(zhì)量不可靠。有必要研制一款攜帶方便、功能多樣、價格便宜、性能可靠的碼表。

1 碼表設(shè)計

1.1 碼表測速原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

速度測量一般分為機(jī)械式計數(shù)法和電子計數(shù)法，其中電子計數(shù)法可用霍爾元件、光電對管或者光電編碼器來采集脈沖信號，通過控制芯片統(tǒng)計脈沖數(shù)。

本設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。利用STC15F2K60S2單片機(jī)作為主控芯片，將傳感器安裝在自行車前車架上，傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過比較器電路后輸出高低電平脈沖，通過信號線將電平信號傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)通過外部計數(shù)功能統(tǒng)計脈沖數(shù)，通過統(tǒng)計在單位時間內(nèi)脈沖的數(shù)量進(jìn)而計算出自行車當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，再將自行車前輪周長加入計算即可得到當(dāng)前的車速，將每個周期的距離累加即可得到總里程數(shù)，然后通過OLED顯示屏顯示實時速度和里程數(shù)［1，2］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 碼表硬件電路設(shè)計

碼表設(shè)計的最終目的是讓使用者可以直觀地了解當(dāng)前速度、行駛距離等信息。硬件電路設(shè)計的關(guān)鍵在于傳感器信號處理電路、單片機(jī)計數(shù)電路、顯示器電路和按鍵電路的設(shè)計。

1.2.1 傳感器的選型與安裝

自行車的速度不高，可使用霍爾元傳感器采集信號，霍爾傳感器具有體積小、重量輕、適應(yīng)性強(qiáng)、測量精度高等特點。S49E線性霍爾傳感器有著更低的工作電流，低功耗，較高耐壓值，輸出特性也滿足使用要求，故選用S49E線性霍爾傳感器作為自行車測速傳感器［3－4］。

自行車前后輪均可作為測速部位，但考慮到顯示器部分要安裝在車把上便于使用者隨時查看，將霍爾傳感器安裝于前輪位置則可減少信號傳遞的距離，有助于減少干擾，具體安裝形式如圖2所示。在自行車的前輪輻條上裝上強(qiáng)磁鐵。前輪的運動使強(qiáng)磁鐵做接近和遠(yuǎn)離霍爾傳感器的運動。磁鐵在前輪每一圈的最高點都會與霍爾傳感器有一個最近距離，此時霍爾傳感器輸出的電壓值最高，當(dāng)轉(zhuǎn)過最高點后，輸出電壓回落到低點電壓輸出值。

圖2 傳感器安裝示意圖

1.2.2 傳感器與比較器電路

如圖3所示，電壓比較器采用LM393雙電壓比較器，其INA－引腳連接可調(diào)電阻R1，INA＋引腳連接霍爾元件的電壓輸出OUT引腳。將霍爾元件的輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較，當(dāng)輸出電壓值高于基準(zhǔn)電壓時，比較器OUTA輸出引腳將輸出高電平，低于基準(zhǔn)電壓時，OUTA引腳輸出低電平。基準(zhǔn)電壓相當(dāng)于一個閾值，可通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1的阻值來調(diào)節(jié)閾值電壓，使比較器準(zhǔn)確輸出脈沖信號。

1.2.3 OLED顯示電路

顯示器選擇OLED12864顯示屏，其與單片機(jī)的連接如圖4所示。其有串／并行兩種顯示模式，本設(shè)計采用了串行SPI顯示模式。由于顯示器只用來顯示信息，不需要從中讀取數(shù)據(jù)，故只用到寫數(shù)據(jù)或者寫指令的功能，根據(jù)時鐘端口輸入的時鐘信號進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或者指令，只需時鐘、片選、復(fù)位和數(shù)據(jù)／指令四個引腳。與并行顯示相比，占用了較少的I／O口。其與單片機(jī)的連接分別對應(yīng)單片機(jī)的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3 4個I／O 口引腳。OLED顯示屏接上電源就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，包括開機(jī)顯示時間，速度和里程數(shù)等信息。

圖3 傳感器與比較器電路

圖4 顯示、按鍵與單片機(jī)電路

1.2.4 按鍵電路

碼表設(shè)置了3個按鍵，按鍵功能與常見碼表類似，有查看和更改數(shù)據(jù)的作用，可根據(jù)需要更改程序參數(shù)來實現(xiàn)更多樣化的按鍵組合功能。按鍵輸出端分別接單片機(jī)的P3.6、P3.7和P2.0引腳，并通過上拉電阻接高電平，這樣可增強(qiáng)灌電流，使按鍵具有高可靠性。默認(rèn)的設(shè)置KEY1為功能鍵，按下可顯示車輪周長，再按KEY2或KEY3鍵即可增減數(shù)值來現(xiàn)調(diào)整周長，長按KEY2或KEY3鍵可實現(xiàn)快速調(diào)整等功能。

1.2.5 單片機(jī)計數(shù)電路

主控芯片選用STC15F2K60S2系列單片機(jī)，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，內(nèi)部集成高精度R／C時鐘和復(fù)位電路，外圍不用連接其他電路，只需配置成最小系統(tǒng)，即可與傳感器、顯示器及按鍵相連實現(xiàn)測速［5］。

單片機(jī)內(nèi)部定時器T0設(shè)置成3s定時工作模式，電壓比較器的OUTA引腳與單片機(jī)的P3.5引腳相連，P3.5作為計數(shù)器T1的外部輸入信號，通過一個10kΩ的電阻上拉，由內(nèi)部程序計算電壓比較器的輸出脈沖數(shù)就可以檢測自行車前輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。

1.3 碼表程序功能設(shè)計

自行車碼表的系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示，主要程序功能包括：T0定時器計時、T1計數(shù)器計數(shù)、數(shù)據(jù)存儲、OLED顯示。

圖5 程序流程圖

程序初始化時，默認(rèn)自行車的直徑為660.4mm，即車輪周長為2 073.7mm，實際使用時可更改車輪尺寸。

T0定時器設(shè)置成10ms周期性中斷，中斷計數(shù)達(dá)到100次后，秒計數(shù)寄存器加1，秒計數(shù)滿60后分計數(shù)寄存器加1，分計數(shù)滿60后時計數(shù)寄存器加1。測速時間常數(shù)預(yù)設(shè)值為300，代表測速周期為3s。

T1計數(shù)器設(shè)置為外部計數(shù)脈沖下降沿有效，當(dāng)T1腳檢測到一個下降沿，就觸發(fā)一次中斷，脈沖計數(shù)寄存器值加1。

開機(jī)默認(rèn)顯示的參數(shù)包括時間、速度、里程和均速，如圖6所示。顯示屏頂部顯示當(dāng)前用時，格式為時∶分∶秒，第二行顯示當(dāng)前速度（km／h），第三行顯示騎行里程（km），第四行顯示平均速度（km／h）。

圖6 碼表的顯示

2 結(jié)語

設(shè)計采用了較為常見的STC15系列單片機(jī)為核心器件，選擇測量精度較高的霍爾傳感器，配用較為新穎的OLED顯示屏，使用靈活、價格便宜、安裝方便、可靠性高。它的個性化設(shè)置可以給騎行愛好者全新的測速體驗，滿足了市場上自行車運動的測速需求，具有較好的市場前景和推廣價值。

［1］ 陳林.單片機(jī)在汽車發(fā)動機(jī)測速系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.無線互聯(lián)科技，2014（5）：59.

［2］ 唐偉.基于AT89S52單片機(jī)的測速儀設(shè)計［J］.中國集成電路，2012（11）：77－82.

［3］ 程民利.基于霍爾傳感器的高精度測速電路設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2013（8）：109－111.

［4］ 郭威.一種改進(jìn)的無刷直流電機(jī)霍爾信號倍頻測速方法［J］.微電機(jī)，2012（1）：74－75.

［5］ 譚巨興.基于單片機(jī)的自行車測速系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子世界，2014（13）：28.