基于单片机的自行车速度与里程检测报警系统设计

基于单片机的自行车速度与里程检测报警系统设计
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系统功能介绍

本系统是一款基于单片机设计的自行车速度与里程检测报警装置，旨在为日常骑行提供更加智能、安全和便捷的监测方式。随着人们对骑行运动的日益重视，如何在骑行过程中实时掌握速度变化、记录骑行里程、并在超速时进行及时预警，成为骑行装备的重要需求。本系统通过霍尔传感器采集车轮转速，再利用单片机进行数据处理与计算，最终在显示模块上显示当前速度和行驶里程。同时，用户可通过按键实现清零操作或模式切换，并能根据需要设定超速报警阈值，进一步提高骑行过程的安全性。

在系统工作时，霍尔传感器实时检测车轮的转动频率，并将每转一圈的脉冲信号发送给单片机。单片机根据脉冲间隔时间精确计算车轮当前转速，从而推算自行车当前的行驶速度。通过累积车轮转数，本系统可进一步计算骑行总里程。为进一步提升人机交互体验，本系统提供按键操作功能，允许用户清除累计里程、设置速度报警阈值以及进行系统状态切换。

为确保骑行安全，当当前速度超过设定值时，系统将触发蜂鸣器报警，提醒用户及时减速，避免因高速骑行带来的潜在危险。所有数据通过数码管或 LCD 显示屏进行实时显示，方便用户随时掌握骑行状况。

系统电路设计

系统电路设计主要包括主控模块、霍尔传感器检测模块、按键输入模块、显示模块、蜂鸣器报警模块以及电源模块。各部分之间协同工作，共同实现对自行车速度与里程的实时检测与报警功能。

3.1 主控模块设计

主控模块采用稳定性高、成本低且适合低功耗应用的 AT89C51 单片机或其他 51 系列 MCU。该芯片具有足够的 I/O 接口、计时器资源和中断功能，能够较好地完成本系统对脉冲信号的捕获与处理需求。

系统中使用霍尔传感器输出的脉冲信号需连接至单片机的外部中断接口，例如 INT0（P3.2）或 INT1（P3.3）。通过外部中断方式捕获车轮转动的每一个脉冲，单片机能够在极短时间内响应信号并记录时间间隔，提高速度计算精度。

单片机同时负责管理按键输入、显示输出以及报警控制逻辑，通过内部定时器实现时间基准，用于里程累积和速度计算。此外，主控模块还需配合显示模块进行数据刷新，保证界面实时更新。

3.2 霍尔传感器模块设计

霍尔传感器是系统的核心检测模块，其工作原理基于磁场变化引发的电压信号变化。在自行车车轮上固定一个小磁铁，并在车架上安装霍尔传感器，当车轮旋转时，每当磁铁通过霍尔传感器，便输出一个脉冲信号。

霍尔传感器输出通常为开关量信号，逻辑电平清晰，适合直接连接至 MCU 的外部中断端口。在使用过程中，为保证信号稳定性，可在传感器输出端加上一定的滤波电路，如上拉电阻或 RC 滤波器，以减少抖动与误触发。

车轮直径不同会影响单次转动对应的行驶距离，因此在计算速度和里程时，需要根据实际车轮半径设定参数。单片机根据每个脉冲间隔计算车轮转速，再根据车轮周长得到实时速度，并通过累积脉冲数量计算总里程。

3.3 按键输入模块设计

按键模块主要用于用户功能设置，包括：

清零按键：将累计里程清零；
模式切换按键：例如切换显示模式或进入设置界面；
增减按键：用于超速阈值设置。

按键采用常见的单片机扫描方式，通过上拉电阻维持稳定电平，并在按下时产生低电平信号传递至 MCU。为避免按键抖动，需要在软件中加入延时消抖程序。

3.4 显示模块设计

显示模块可采用 LCD1602 或数码管显示，两者选其一即可满足系统需求。

使用 LCD1602 可显示更多内容，包括速度、里程、阈值、状态等多参数，并且字符显示直观清晰，适合骑行过程中查看。

若使用数码管，则通常依靠动态扫描方式显示速度和里程，需要 MCU 持续刷新显示。虽然显示范围有限，但实现方式简单，成本较低，适用于简易系统。

显示模块接入 MCU 的 I/O 端口，通过 MCU 向模块发送字符数据或段码数据，实现内容刷新。

3.5 蜂鸣器报警电路设计

蜂鸣器报警模块用于速度超过设定阈值时提示用户。蜂鸣器可使用有源蜂鸣器，通过晶体管驱动以确保驱动电流充足。单片机输出高电平时触发晶体管导通，从而驱动蜂鸣器发声。

报警控制可进一步结合 PWM 控制，使蜂鸣器响声具备不同模式，如间断报警或连续报警，提升系统提示效果。

3.6 电源模块设计

系统电源可来自电池，如锂电池或干电池组。为保证 MCU 和传感器工作稳定，需要对电源进行稳压处理，常用 7805 稳压芯片提供 5V 电压输出。此外，对电源进行滤波处理，如电容滤波，以减少波动和干扰，从而提高系统整体可靠性。

程序设计

系统程序设计主要包括脉冲检测与速度计算程序、里程累积程序、按键处理程序、显示刷新程序、报警逻辑程序等，各部分协调工作，实现完整的自行车速度与里程检测功能。

4.1 主控程序结构设计

主程序负责系统初始化、周期性任务调用、高优先级事件处理等。初始化包括定时器设置、外部中断配置、显示模块初始化等。系统采用中断控制方式捕获霍尔传感器信号，主程序循环中则持续处理数据显示、按键输入和报警判断等逻辑。

程序基本结构如下：

复制代码

void main() {
    System_Init();
    while (1) {
        Key_Scan();
        Speed_Calc();
        Distance_Calc();
        Alarm_Check();
        Display_Update();
    }
}

4.2 霍尔传感器脉冲中断处理程序

外部中断用于捕获每次车轮转动产生的脉冲信号，通过记录两次脉冲之间的时间差，计算当前速度。中断程序需要尽量简短，主要完成脉冲计数和时间记录。

复制代码

void INT0_ISR(void) interrupt 0 {
    pulse_count++;
    time_interval = Timer_Read();
    Timer_Reset();
}

4.3 速度计算程序

根据霍尔传感器输出的脉冲数量和时间间隔，可计算车轮转速，再根据车轮周长计算自行车速度。

复制代码

void Speed_Calc() {
    if (time_interval > 0) {
        speed = wheel_circumference / time_interval;
    }
}

4.4 里程累积程序

通过脉冲数量即可计算行驶总里程，每个脉冲代表车轮一圈，乘以车轮周长得到累计距离。

复制代码

void Distance_Calc() {
    distance = pulse_count * wheel_circumference;
}

4.5 按键检测程序

按键检测需要加入消抖处理，确保按键操作准确执行。

复制代码

void Key_Scan() {
    if (KEY1 == 0) {
        Delay_ms(20);
        if (KEY1 == 0) {
            pulse_count = 0;
            distance = 0;
        }
    }
}

4.6 显示刷新程序

显示程序根据需要将速度和里程值刷新到 LCD 或数码管。

复制代码

void Display_Update() {
    LCD_ShowNum(1, 1, speed, 3);
    LCD_ShowNum(2, 1, distance, 5);
}

4.7 超速报警程序

用户可通过按键设置阈值，当速度超过设定值时，蜂鸣器报警。

复制代码

void Alarm_Check() {
    if (speed > speed_limit) {
        BEEP = 1;
    } else {
        BEEP = 0;
    }
}

结论

本系统结合单片机技术、霍尔传感器检测技术以及智能报警机制，实现了对自行车速度与里程的精确测量与实时提示功能，具有结构简单、成本低、稳定性高等优点，非常适合在自行车日常使用中推广。系统具备速度检测、里程累积、超速报警、按键交互等功能，为骑行者提供更安全、更便捷的骑行体验。