數(shù)字式自行車車速表電路及制作設(shè)計(jì)方案

一、引言

隨著科技的不斷發(fā)展，自行車作為一種環(huán)保、健康的出行工具，其相關(guān)的智能化設(shè)備也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。數(shù)字式自行車車速表能夠精確地測(cè)量自行車的行駛速度，并以數(shù)字的形式直觀地顯示出來(lái)，為騎行者提供了極大的便利。本文將詳細(xì)介紹一種數(shù)字式自行車車速表的電路設(shè)計(jì)及制作方案，包括電路原理、元器件選型、電路搭建以及調(diào)試方法等內(nèi)容。

二、設(shè)計(jì)要求

測(cè)量范圍：能夠準(zhǔn)確測(cè)量自行車的速度，測(cè)量范圍為 0 - 60km/h。

測(cè)量精度：測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到 ±1km/h。

顯示方式：采用數(shù)字顯示方式，清晰直觀地顯示車速。

電源供應(yīng)：使用電池供電，以方便自行車騎行時(shí)的使用。

體積小巧：整體設(shè)計(jì)應(yīng)體積小巧，便于安裝在自行車上，不影響自行車的正常騎行。

三、設(shè)計(jì)原理

數(shù)字式自行車車速表的工作原理主要基于霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)檢測(cè)自行車車輪的轉(zhuǎn)速，然后通過微控制器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，最終將計(jì)算得到的車速值以數(shù)字形式顯示出來(lái)。具體原理如下：

霍爾效應(yīng)傳感器：霍爾效應(yīng)傳感器安裝在自行車車輪附近，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車輪上安裝的磁鐵會(huì)經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器，使霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的頻率與車輪的轉(zhuǎn)速成正比。

微控制器：微控制器接收霍爾效應(yīng)傳感器傳來(lái)的脈沖信號(hào)，并對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和處理。通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量，結(jié)合車輪的周長(zhǎng)等參數(shù)，微控制器可以計(jì)算出自行車的行駛速度。

顯示模塊：微控制器將計(jì)算得到的車速值輸出到顯示模塊，顯示模塊以數(shù)字形式將車速值顯示出來(lái)，供騎行者查看。

四、電路設(shè)計(jì)

（一）電路框圖

[此處插入電路框圖，電路框圖應(yīng)包含霍爾效應(yīng)傳感器、微控制器、顯示模塊、電源模塊等部分，并清晰表示各部分之間的連接關(guān)系]

（二）各部分電路設(shè)計(jì)

霍爾效應(yīng)傳感器電路

• 元器件選型：選用 A3144 霍爾效應(yīng)傳感器。A3144 是一款集電極開路輸出的霍爾效應(yīng)傳感器，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其工作電壓范圍為 3 - 24V，能夠滿足本設(shè)計(jì)中電池供電的要求。

• 電路原理：A3144 的電源引腳 VCC 接電源正極，接地引腳 GND 接電源負(fù)極，輸出引腳 OUT 連接到微控制器的輸入引腳。當(dāng)有磁場(chǎng)靠近 A3144 時(shí)，其輸出引腳 OUT 會(huì)輸出低電平；當(dāng)磁場(chǎng)離開時(shí)，輸出引腳 OUT 會(huì)輸出高電平。這樣，A3144 就會(huì)在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生一系列的脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)作為微控制器的輸入信號(hào)。

微控制器電路

• 元器件選型：選用 STC89C52 單片機(jī)作為微控制器。STC89C52 是一款 8 位單片機(jī)，具有高性能、低功耗、豐富的片內(nèi)資源等特點(diǎn)。其內(nèi)部集成了 8KB 的 Flash 程序存儲(chǔ)器、256B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、32 個(gè) I/O 口、3 個(gè) 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器等資源，能夠滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)、處理以及與顯示模塊通信等功能的需求。

• 電路原理：STC89C52 的電源引腳 VCC 接電源正極，接地引腳 GND 接電源負(fù)極。復(fù)位引腳 RST 通過一個(gè)復(fù)位電路連接到電源正極，復(fù)位電路由一個(gè)電容和一個(gè)電阻組成，用于在系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作。時(shí)鐘引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容，組成單片機(jī)的時(shí)鐘電路，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)?；魻栃?yīng)傳感器輸出的脈沖信號(hào)連接到單片機(jī)的一個(gè)外部中斷引腳，單片機(jī)通過外部中斷來(lái)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

顯示模塊電路

• 元器件選型：選用四位共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊。四位共陰極數(shù)碼管可以同時(shí)顯示四位數(shù)字，能夠滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)車速值顯示的需求。為了驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，選用 74HC595 移位寄存器作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片。74HC595 是一款 8 位串行輸入、并行輸出的移位寄存器，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和移位功能，能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示。

• 電路原理：74HC595 的電源引腳 VCC 接電源正極，接地引腳 GND 接電源負(fù)極。串行數(shù)據(jù)輸入引腳 SER 連接到單片機(jī)的一個(gè) I/O 口，用于接收單片機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。移位時(shí)鐘引腳 SRCLK 和存儲(chǔ)時(shí)鐘引腳 RCLK 分別連接到單片機(jī)的另外兩個(gè) I/O 口，用于控制數(shù)據(jù)的移位和存儲(chǔ)。74HC595 的并行輸出引腳 Q0 - Q7 連接到數(shù)碼管的段選引腳，用于控制數(shù)碼管顯示的數(shù)字內(nèi)容。數(shù)碼管的位選引腳通過一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路連接到單片機(jī)的 I/O 口，單片機(jī)通過控制位選引腳的電平來(lái)選擇要顯示的數(shù)碼管位。

電源模塊電路

• 元器件選型：選用 4 節(jié) 5 號(hào)干電池作為電源，4 節(jié) 5 號(hào)干電池串聯(lián)后的電壓為 6V，能夠滿足本設(shè)計(jì)中各元器件的工作電壓要求。為了穩(wěn)定電源電壓，在電源輸出端接入一個(gè)三端穩(wěn)壓芯片 LM7805。LM7805 是一款常用的正電壓穩(wěn)壓芯片，能夠?qū)⑤斎腚妷悍€(wěn)定在 5V 輸出，為微控制器、霍爾效應(yīng)傳感器等元器件提供穩(wěn)定的電源。

• 電路原理：4 節(jié) 5 號(hào)干電池的正極連接到 LM7805 的輸入引腳 IN，負(fù)極連接到 LM7805 的接地引腳 GND。LM7805 的輸出引腳 OUT 輸出穩(wěn)定的 5V 電壓，為電路中的其他元器件供電。在 LM7805 的輸入和輸出端分別接入一個(gè)電容，用于濾波，減少電源噪聲對(duì)電路的影響。

五、元器件清單

六、制作步驟

繪制電路板：根據(jù)電路設(shè)計(jì)，使用電路板設(shè)計(jì)軟件繪制電路板原理圖和 PCB 圖。在繪制 PCB 圖時(shí)，要注意元器件的布局和布線，盡量減小電路板的體積，同時(shí)保證電路的穩(wěn)定性和可靠性。

制作電路板：將繪制好的 PCB 圖發(fā)送到電路板制作廠家進(jìn)行制作，或者使用 PCB 制作工具自己制作電路板。制作完成后，對(duì)電路板進(jìn)行檢查，確保電路板上沒有短路、斷路等問題。

焊接元器件：按照元器件清單，將各個(gè)元器件逐一焊接到電路板上。在焊接過程中，要注意焊接質(zhì)量，避免虛焊、短路等問題。焊接完成后，再次對(duì)電路板進(jìn)行檢查，確保元器件焊接正確。

調(diào)試電路：將電池安裝到電池盒中，給電路通電。使用示波器等工具檢查霍爾效應(yīng)傳感器輸出的脈沖信號(hào)是否正常，微控制器是否能夠正確接收和處理脈沖信號(hào)，顯示模塊是否能夠正確顯示車速值。如果發(fā)現(xiàn)問題，要及時(shí)進(jìn)行排查和解決。

安裝到自行車上：將制作好的數(shù)字式自行車車速表安裝到自行車上，將霍爾效應(yīng)傳感器安裝在車輪附近，確保車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁鐵能夠經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器。將顯示模塊安裝在自行車的車把上，方便騎行者查看車速值。安裝完成后，進(jìn)行實(shí)際騎行測(cè)試，檢查車速表的測(cè)量精度和穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求。

七、結(jié)論

通過以上設(shè)計(jì)方案，我們成功地設(shè)計(jì)并制作了一款數(shù)字式自行車車速表。該車速表采用霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速，通過微控制器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算，并使用數(shù)碼管顯示車速值。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該車速表能夠準(zhǔn)確地測(cè)量自行車的行駛速度，測(cè)量精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，顯示清晰直觀，體積小巧，便于安裝在自行車上使用。本設(shè)計(jì)方案具有一定的實(shí)用性和推廣價(jià)值，可為自行車智能化設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。