數字式自行車車速表電路及制作設計方案

一、引言

隨著科技的不斷發展，自行車作為一種環保、健康的出行工具，其相關的智能化設備也越來越受到人們的關注。數字式自行車車速表能夠精確地測量自行車的行駛速度，并以數字的形式直觀地顯示出來，為騎行者提供了極大的便利。本文將詳細介紹一種數字式自行車車速表的電路設計及制作方案，包括電路原理、元器件選型、電路搭建以及調試方法等內容。

二、設計要求

測量范圍：能夠準確測量自行車的速度，測量范圍為 0 - 60km/h。

測量精度：測量精度應達到 ±1km/h。

顯示方式：采用數字顯示方式，清晰直觀地顯示車速。

電源供應：使用電池供電，以方便自行車騎行時的使用。

體積小巧：整體設計應體積小巧，便于安裝在自行車上，不影響自行車的正常騎行。

三、設計原理

數字式自行車車速表的工作原理主要基于霍爾效應傳感器來檢測自行車車輪的轉速，然后通過微控制器對轉速信號進行處理和計算，最終將計算得到的車速值以數字形式顯示出來。具體原理如下：

霍爾效應傳感器：霍爾效應傳感器安裝在自行車車輪附近，當車輪轉動時，車輪上安裝的磁鐵會經過霍爾效應傳感器，使霍爾效應傳感器產生一個脈沖信號。脈沖信號的頻率與車輪的轉速成正比。

微控制器：微控制器接收霍爾效應傳感器傳來的脈沖信號，并對脈沖信號進行計數和處理。通過測量單位時間內的脈沖數量，結合車輪的周長等參數，微控制器可以計算出自行車的行駛速度。

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

四、電路設計

（一）電路框圖

[此處插入電路框圖，電路框圖應包含霍爾效應傳感器、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系]

（二）各部分電路設計

霍爾效應傳感器電路

• 元器件選型：選用 A3144 霍爾效應傳感器。A3144 是一款集電極開路輸出的霍爾效應傳感器，具有靈敏度高、穩定性好、抗干擾能力強等優點。其工作電壓范圍為 3 - 24V，能夠滿足本設計中電池供電的要求。

• 電路原理：A3144 的電源引腳 VCC 接電源正極，接地引腳 GND 接電源負極，輸出引腳 OUT 連接到微控制器的輸入引腳。當有磁場靠近 A3144 時，其輸出引腳 OUT 會輸出低電平；當磁場離開時，輸出引腳 OUT 會輸出高電平。這樣，A3144 就會在車輪轉動過程中產生一系列的脈沖信號，這些脈沖信號作為微控制器的輸入信號。

微控制器電路

• 元器件選型：選用 STC89C52 單片機作為微控制器。STC89C52 是一款 8 位單片機，具有高性能、低功耗、豐富的片內資源等特點。其內部集成了 8KB 的 Flash 程序存儲器、256B 的數據存儲器、32 個 I/O 口、3 個 16 位定時器 / 計數器等資源，能夠滿足本設計中對脈沖信號的計數、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 接電源負極。復位引腳 RST 通過一個復位電路連接到電源正極，復位電路由一個電容和一個電阻組成，用于在系統上電時對單片機進行復位操作。時鐘引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接一個晶振和兩個電容，組成單片機的時鐘電路，為單片機提供穩定的時鐘信號。霍爾效應傳感器輸出的脈沖信號連接到單片機的一個外部中斷引腳，單片機通過外部中斷來對脈沖信號進行計數。

顯示模塊電路

• 元器件選型：選用四位共陰極數碼管作為顯示模塊。四位共陰極數碼管可以同時顯示四位數字，能夠滿足本設計中對車速值顯示的需求。為了驅動數碼管，選用 74HC595 移位寄存器作為數碼管的驅動芯片。74HC595 是一款 8 位串行輸入、并行輸出的移位寄存器，具有數據存儲和移位功能，能夠方便地實現對數碼管的動態掃描顯示。

• 電路原理：74HC595 的電源引腳 VCC 接電源正極，接地引腳 GND 接電源負極。串行數據輸入引腳 SER 連接到單片機的一個 I/O 口，用于接收單片機發送的串行數據。移位時鐘引腳 SRCLK 和存儲時鐘引腳 RCLK 分別連接到單片機的另外兩個 I/O 口，用于控制數據的移位和存儲。74HC595 的并行輸出引腳 Q0 - Q7 連接到數碼管的段選引腳，用于控制數碼管顯示的數字內容。數碼管的位選引腳通過一個三極管驅動電路連接到單片機的 I/O 口，單片機通過控制位選引腳的電平來選擇要顯示的數碼管位。

電源模塊電路

• 元器件選型：選用 4 節 5 號干電池作為電源，4 節 5 號干電池串聯后的電壓為 6V，能夠滿足本設計中各元器件的工作電壓要求。為了穩定電源電壓，在電源輸出端接入一個三端穩壓芯片 LM7805。LM7805 是一款常用的正電壓穩壓芯片，能夠將輸入電壓穩定在 5V 輸出，為微控制器、霍爾效應傳感器等元器件提供穩定的電源。

• 電路原理：4 節 5 號干電池的正極連接到 LM7805 的輸入引腳 IN，負極連接到 LM7805 的接地引腳 GND。LM7805 的輸出引腳 OUT 輸出穩定的 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電容，用于濾波，減少電源噪聲對電路的影響。

五、元器件清單

六、制作步驟

繪制電路板：根據電路設計，使用電路板設計軟件繪制電路板原理圖和 PCB 圖。在繪制 PCB 圖時，要注意元器件的布局和布線，盡量減小電路板的體積，同時保證電路的穩定性和可靠性。

制作電路板：將繪制好的 PCB 圖發送到電路板制作廠家進行制作，或者使用 PCB 制作工具自己制作電路板。制作完成后，對電路板進行檢查，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，將各個元器件逐一焊接到電路板上。在焊接過程中，要注意焊接質量，避免虛焊、短路等問題。焊接完成后，再次對電路板進行檢查，確保元器件焊接正確。

調試電路：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傳感器輸出的脈沖信號是否正常，微控制器是否能夠正確接收和處理脈沖信號，顯示模塊是否能夠正確顯示車速值。如果發現問題，要及時進行排查和解決。

安裝到自行車上：將制作好的數字式自行車車速表安裝到自行車上，將霍爾效應傳感器安裝在車輪附近，確保車輪轉動時磁鐵能夠經過霍爾效應傳感器。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，進行實際騎行測試，檢查車速表的測量精度和穩定性是否滿足設計要求。

七、結論

通過以上設計方案，我們成功地設計并制作了一款數字式自行車車速表。該車速表采用霍爾效應傳感器檢測車輪轉速，通過微控制器對轉速信號進行處理和計算，并使用數碼管顯示車速值。經過實際測試，該車速表能夠準確地測量自行車的行駛速度，測量精度達到了設計要求，顯示清晰直觀，體積小巧，便于安裝在自行車上使用。本設計方案具有一定的實用性和推廣價值，可為自行車智能化設備的設計提供參考。