健身自行车里程表设计

摘要

随着人们生活水平的逐渐提高，人们对于生活质量的要求也日益增加，尤其是对健身的

要求。自行车在中国普遍作为代步工具。而在国外，骑自行车却是一项十分受欢迎的健身运

动。因为它无污染，价位低廉，老少皆宜。而且在运动过程中可以充分享受到大自然，对干

忙碌的现代人来说，无疑是一种较好的放松方法。在中国这种情况也在慢慢发生变化。因此

爱好自行车运动的人十分需要一款能测速的装置，以知道自己的运动情况达到最佳运动的效

果。而对于自行车运动员来说，最为关心的莫过于一段时间内的训练效果。因为教练要根据

一段时间内运动员的训练效果进行评估，从而进行适当的调整已使运动员达到最佳的状态。

综上所述，本实验设计将结合单片机设计出一款健身自行车里程表，主要包括LCD1602

显示器、设置模块、蜂鸣器、单片机、霍尔传感器、GPS定位模块、数据储存模块、时钟芯

片DS1302。LCD1602可以实时显示当前速度、里程和时间；可以实时测定使用者的心率，监

控其身体状况。系统可以通过按键修改当前时间和设置轮子直径；具有超速报警功能，可以

设置报警速度并具有限速功能，当实际的速度大于当前的速度时就会由蜂鸣器产生报警。

关键词：霍尔传感器；单片机；GPS

ABSTRACT

Withthegradualimprovementofpeople'slivingstandards,people'sdemandsforqualityoflife

arealsoincreasing,especiallyforfitness.Bicyclesarecommonlyusedasameansoftransportation

inChina.Inforeigncountries,cyclingisaverypopularfitnesssport.Becauseitispollution-free,

affordable,andsuitableforallages.Andduringexercise,onecanfullyenjoynature,whichis

undoubtedlyagoodwayforbusymodernpeopletorelax.Thissituationisalsoslowlychangingin

China.Therefore,peoplewhoenjoycyclingareeagertolearnadevicethatcanmeasuretheirspeed

toknowtheirexercisesituationandachievethebestresults.Forcyclists,themostimportantconcern

isthetrainingeffectoveraperiodoftime.Becausecoachesneedtoevaluatethetrainingeffectiveness

ofathletesoveraperiodoftime,andmakeappropriateadjustmentstoensurethatathletesreachtheir

optimalstate.

Insummary,thisexperimentaldesignwillcombinewithamicrocontrollertodesignafitness

bikeodometer,whichmainlyincludesanLCD1602display,settingmodule,buzzer,microcontroller,

Hallsensor,GPSpositioningmodule,datastoragemodule,andclockchipDS1302.LCD1602can

displaythecurrentspeed,mileage,andtimeinreal-time;Thesystemcanmodifythecurrenttimeand

setthewheeldiameterthroughbuttons;Ithasanoverspeedalarmfunction,whichcansetthealarm

speedandsavetherigidity.Whentheactualspeedisgreaterthanthecurrentspeed,thebuzzerwill

generateanalarm.

Keywords:Hallsensor;Singlechip;GPS；

1

第1章绪论

1.1研究目的及意义

随着人们生活水平的提高，对生活质量的要求也日益增加。特别是对健身的要求，人们

越来越注重保持身体健康和艮好的体能水平。在中国，自行车通常被视为一种代步工具。然

而，在国外，自行车却是一项备受欢迎的健身运动。它具有无污染、价格低廉和适合各个年

龄段的优点。此外，在骑行过程中，人们可以充分享受大自然的美妙，对于现代忙碌的人们

来说，这无疑是一种很好的放松方式。在中国，这种情况也正在慢慢发生变化。因此，热爱

自行车运动的人们非常需要一种能够测速的装置，以便了解自己的运动情况，并达到最佳的

运动效果。对于自行车运动员来说，他们最关心的是一段时间内的训练效果。教练需要根据

运动员在一段时间内的训练效果进行评估，以便适时地进行调整，使运动员达到最佳状态。

因此，他们需要一种能够测定和记录训练中各种参数的装置。本作品就是针对这一需求而设

计的。该装置可以实时测量骑行速度、里程和时间等关键指标。它通过使用先进的传感器技

术，能够准确捕捉到自行车的运动数据。这些数据可以通过连接到智能手机或电脑上的应用

程序进行记录和分析。运动员可以通过这些数据了解自己的表现，评估自己的训练效果，并

找出改进的空间。同时，教练也可以通过这些数据来监控运动员的训练进展，并提供针对性

的指导和建议。该装置还具备便捷性和易用性的特点。它可以轻松安装在自行车上，并且具

有直观的操作界面，使用户能够方便地查看数据和调整设置。同时，装置还具备防水和耐用

的设计，以应对各种复杂的骑行环境。

总之，随着人们对健身要求的增加，自行车运动作为项受欢迎的健身运动也在中国逐

渐兴起。对于自行车运动爱好者和专业运动员来说，一款能够测速和记录训练参数的装置尤

为重要。它不仅能够提供实时的数据反馈，帮助用户了解自己的运动情况和训练效果，还能

够为教练提供有价值的信息，以便进行更加科学和有效的训练管理。这样的装置将进一步推

动自行车运动在中国的发展，并促进人们更健康、积极地投入到这项运动中去。

1.2国内外研究现状

近年来，随着人们对健康和生活质量的关注度增加，健身自行车作为一种受欢迎的健身

工具，备受关注。为了满足用户对自行车运动数据的需求，各国在健身自行车里程表的设计

和研究方面进行了广泛的探索和创新。以下是国内外在健身自行车里程表设计方面的研究现

状。

2012年日本EisukeKITA的团队在《GroupControlAlgorithmofMulti-CarElevatorbyNon­

overlappingZoning^提出了一种里程表计数群控算法。在本算法中，以非重叠的方式定义了

每个里程表服务区域，命名为非重叠分区的群控算法。

2

在2022年，陈尧在他的《基于数字挛生技术设计方法研究》研究中通过SysML系统建

模语言对定位系统进行建模分析，提出了基于数字李生技术的用户定制定位器各设计阶段指

标，结合质量屋模型完成了用户需求与设计元素的映射，得到了设计元素配置方案并交由用户

评价修改得到最终的设计元素配置方案，完成概念设计。

2016年在英国学者LutfiAl-SharifsZaidJaber、JamalHamdan和AnasRiyal在｛Evaluating

theperformanceofelevatorgroupcontrolalgorithmsusingathree-elementnewparadigm》一文中

提出了一种群捽算法有效性的新方法。新范式可以非常有效地提供一种客观评估和比较电梯

群控算法的机制。它围绕三个基本组成部分构建：理想化的最佳基准；随机场景测试；以及

对现实的渐进介绍。

在2003年，刘沁发表了《传感器专用工艺装备开发》，该项目利用自有资金，自主开发了

静电封接机、硅油充灌设备、硅片划片设备和芯片测试设备等工艺装备，并在行业中推广应用。

项目的主要任务是针对新型力敏、磁敏传感器产品的研制和生产，开发力敏、磁敏传感器制造

工艺设备，提高新型力敏、磁敏传感器的制造工艺水平和生产效率,为新型力敏、磁敏传感器的

产业化提供工艺保证和设备保障。

2021年，临沂银河电子高新技术开发应用研究所发表了《多通道传感器数据处理装置》，

Ac-401型传感器数据处理装置是便携式、防水型电池供电的仪器,它能测读所有的振弦式传感

器。Ac-401读数仪是以单片机为核心的传感数据处理装置，鉴于振弦式传感器的特点，利用单

片机软件技术产生对传感器进行激励的脉冲串,在单片机内对传感器返回的信号法行运算，将

最终结果送至显示。该设备采用低功耗的CMOS微处理器来完成仪器的激励和读数，能将数

据进行换算，直接以工程单位或与压力，荷载相应的单位输出数据读数，采用特殊的元件和液晶

显示极，能在严寒下工作，性能稳定，应用前景广阔。

尽管在国内外都有不少有价值的研究和设计成果，但仍然存在一些挑战和改进的空间。

例如，一些用户反映，目前方场上的健身自行车里程表在数据的准确性和用户界面的友好性

方面仍有待提高。另外，对于健身自行车里程表的标准化和认证等方面，也需要进一步加强

和规范。总之，国内外在健身自行车里程表设计方面都取得了一定的研究成果。未来，随着

科技的进步和用户需求的不断演变，健身自行车里程表的设计将继续迭代和创新，为用户提

供更好的运动体验和数据分析功能。

1.3主要研究内容

本论文的研究主要集中在健身自行车里程表的设计方面，旨在开发一个功能完善的系

统，实现以下主要功能：

1.显示功能：利用LCD1602液晶显示屏，实现对当前速度、里程和时间的显示。通过合

理的界面设计和数据处理算法，使用户能够清晰地了解自己的运动状态。

3

2.超速报警功能：单片机里程表系统具备超过限速报警的功能，用户可以根据自身情况设

置报警的最低速度，并具有保存的功能。当实际的骑行速度超过设置的报警最低速度时，蜂

鸣器将发出警报，提醒用户注意控制骑行速度，确保骑行安全。

3.总里程查看功能：用户可以通过系统查看总里程，了解自己累计的骑行里程，这对于用

户进行骑行计划和评估骑行效果非常有用。

4.时间和轮子直径修改功能：系统可以通过按键修改当前的时间，使用户能够自由调整系

统时间，确保骑行记录的准确性。同时，用户还可以设置轮子直径，以便系统能够更精确地

计算骑行里程。

5.设定目标功能：用户可以根据自己的自身情况，为骑行设置一个合理的系统的目标，结

合时间修改功能和总里程查看功能，设置的目标可以更加的具体化，在显示屏上显示出来。

6.时钟芯片DS1302的应用：里程表单片机系统采用了高精度的时钟芯片DS1302,确保

系统的时间显示准确无误。同时，系统还搭载了3V纽扣电池，即使在断电重新上电的情况

下，也无需重新设置时间，保证了系统的使用方便性和稳定性。

7.测量心率功能：用户可以在骑行锻炼的过程中及时关注自己的身体状况，增加心率测量

模块，使测量的心率及时的显示在显示屏上。

在研究过程中，将进行硬件电路设计、软件程序设计和系统测试验证等方面的工作。通

过设计合理的电路和程序，实现系统的稳定运行和功能完善。通过测试验证，验证系统在不

同条件下的性能和准确性，确保系统能够满足用户的需求，并提供可靠的健身骑行辅助工具。

本研究将对健身自行车里程表的设计和应用提供有力的支持，并为类似领域的研究提供借鉴

和参考。

4

第2章系统总体结构

2.1设计方案

本课题研究的内容为健身自行车里程表。主要包括LCD1602显示器、设置模块、蜂鸣器、

单片机、GPS定位模块、数据储存模块、时钟芯片DS1302、心率模块。LCD1602可以实时显

示当前速度、里程和时间还有心率；系统可以通过按键修改当前时间和设置轮子直径；具有

超速报警功能，可以设置报警速度并具有保存刚能，当实际的速度大于当前的速度时就会由

蜂鸣器产生报警。

2.2功能需求分析

2.2.1技术路线：

1.硬件部分需要LCD1602显示器、设置模块、蜂鸣器、红外对管传感器、单片机、

GPS定位模块、数据储存模块、时钟芯片DS13O2；

2.软件平台程序用Keil5；

3.画原理图用AD；

4.编程语言用C语言；

5.设计结构框图。

2.2.2预期结果：

作品展示，完成一个健身自行车里程表设计，并且该设计能实现的功能如下：

1.LCD1602可以显示当前的骑行速度，骑行里程，骑行时间去，心率；

2.具有超速报警功能，可以设置报警速度并具有保存功能，当实际的速度大于当前的

速度时就会由蜂鸣器产生报警；

3.用户可以查看总的骑行里程；

4.用户可以通过按键修改当前的时间，设置轮子直径；

5.可以设定一定时间内行驶多少里程的目标；

6.使用时钟芯片DS1302,可以控制精确走时。板载3V纽扣电池，断电可以重新上电

无需重新设置时间。

7.增加心率测量模块，利用红外对管，根据血液的透光性不同来反映出心率的变化。

2.3总体方案设计

健身自行车里程表的总体方案设计如下：

硬件设计：

5

1.主控芯片选择：选用一款适合健身自行车里程表应用的主控芯片，如51系列单片机,

具有较高的计算性能和丰富的外设资源，能够满足系统的功能要求。

2.传感器选择：选用合适的速度传感器，如磁性传感器或光电传感器，用于测量自行车的

速度信息。

3.显示屏选择：选用LCD1602液晶显示屏，用于显示当前速度、里程和时间等信息。

4.蜂鸣器选择：选用合适的蜂鸣器，用于实现超速报警功能。

5.时钟芯片选择：选用DS1302时钟芯片，用于实现系统的时间显示功能和保存的功能。

6.心率模块：选用合适的红外对管，实现用户对心率的检测。

7.按键设计：设计合适的按键布局和电路，实现用户对时间和轮子直径的修改功能。

软件设计：

1.系统初始化：进行主控芯片和外设的初始化设置，包括时钟设置、10口配置、中断设

置等。

2.速度测量：通过速度传感器测量自行车的速度信息，并进行相应的数据处理，计算出当

前的速度。

3.显示功能：通过LCD1602显示屏实现对当前速度、里程和时间等信息的显示，包括界

面设计、字符显示和数据更新等。

4.超速报警功能：通过比较当前速度和用户设置的报警速度，实现超速报警功能，包括蜂

鸣器的控制和报警信息的显示。

5.总里程查看功能：实现对总里程的累计和查看功能，包括里程的存储和读取。

6.时间和轮子直径修改功能：通过按键输入实现对当前时间和轮子直径的修改，包括按键

的检测和数据处理。

7.时钟芯片应用：利用DS1302时钟芯片实现系统时间的精确显示和保存功能，包括时钟

芯片的初始化和时钟数据的读写。

8.红外对管的应用：利用单片机外部中断对脉搏进行计数，脉搏跳动的时候透光性不一

样，被运放放大后，便于计数。

2.4单片机型号选择

STC89C52RC是一款由中国STC公司生产的8位单片机芯片，采用了高性能的CMOS

工艺，具有丰富的外设资源和强大的计算能力，广泛应用于嵌入式系统和控制领域。下面是

STC89C52RC芯片的详细介绍：

1.主要特性：

•CPU工作频率可达到最高33MHZ,运算速度快。

•内置8KB的Flash存储器，用于存储程序和数据，可擦写次数高达1000次以上。

•内置256字节的RAM存储潜，用于存储临时数据和寄存器。

6

•支持多种外部存储器接口，包括EEPROM、Flash>RAM等。

.具有多种外设资源，包括GPIO、串口、定时器、中断、PWM、ADC等，可满足不同

应用的需求。

•支持多种低功耗模式，包括Idle模式、Power-down模式和Power-off模式，可实现低

功耗运行。

・5V供电，工作电压范围为2.4V〜5.5V,适合广泛的应用场合。

2.外设资源：

•GPIO（通用输入输出口）：具有32个可编程IO口，可用于输入输出控制，支持上拉

/下拉电阻配置。

•串口:支持多种串口通信协议，包括UART和SPI,并具有硬件流控制功能。

•定时器：包括两个16位定时器和一个可编程计数器，可用于定时、计时和PWM输出

等应用。

•中断：支持外部中断和定时器中断，可实现外部事件的响应和定时触发的中断功能。

•PWM（脉冲宽度调制）：支持4个可编程PWM愉出通道，可用于控制电机速度、LED

亮度等。

•ADC（模数转换器）：具有8通道8位模数转换器，可用于模拟量的采集和处理。

•其他外设：还包括看门狗定时器、PCA模块等。

3.开发工具支持：

•STC公司提供了大量的开发工具支持，包括编译器、调试器、仿真器等，方便开发人

员进行软硬件的开发和调试。

•支持Keil、IAR等多种常用的开发环境，开发工具链完善，开发文档丰富，易于上手。

4.应用领域：

•工控系统：如PLC、仪器仪表等。

•通信设备：如无线通信模块、路由器、物联网设备等。

.汽车电子：如汽车控制单元（ECU）、车身电控系统等。

•工业自动化：如工业控制、自动化生产线等。

•电力电子：如电力监控、电力调控等。

STC89c52RC芯片是一一款功能强大的8位单片机芯片，具有高性能、丰富的外设资源和

低功耗特性，广泛应用于嵌入式系统和控制领域。它支持多种开发工具，应用领域广泛，适

合各种应用场合的需求。

7

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P1.2P01

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(RXD)P3.0EAATP

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GNDP20

图2.1STC89C52RC

单片机最小系统：

晶体振荡器的电路构成：STC89C52以外部的晶体振荡器作为时钟源。该振荡器的电路由

一个16MHz的晶体、两个负载电容和一个晶振驱动芯片组成。晶体振荡器电路的作用是为单

片机提供精确的时钟信号，以保证单片机系统的正常运行。

复位电路：STC89C52的复位电路包括一个复位电路芯片和一个复位电容。当电源开关打

开时，复位电路会对单片机进行复位，并保证单片机处于正常的启动状态。

电源电路：STC89C52单片机的电源电路由稳压电路芯片和相关的电容和电阻组成。稳压

电路芯片的作用是将不稳定的输入电压转换为稳定的5V电压，以供单片机和外围电路能正

常使用输入的电压。

ISP下载电路：STC89c52的ISP下载电路包括一个ISP下载接口、一个串口转USB芯

片和相关的电容和电阻。ISP下载接口用于将单片机与计算机连接起来，串口转USB芯片的

作用是将串口信号转换为USB信号，以便计算机进行ISP下载操作。

外设电路：STC89c52的外设电路包括LED灯、按键、LCD液晶显示屏等。这些外设电

路可以根据实际需要进行添加和修改，以满足不同的应用需求。

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第3章系统的硬件部分设计

3.1系统总体设计

本设计为健身自行车里程表。主要包括LCD1602显示器、设置模块、蜂鸣器、单片•机、

GPS定位模块、数据储存模块、时钟芯片DS1302,还有心率模块，LCD1602可以实时显示

当前用户心率，速度、里程和时间；系统可以通过按键修改当前时间和设置轮子直径；具有

超速报警功能，可以设置报警速度并具有保存刚能，当实际的速度大于当前的速度时就会由

蜂鸣器产生报警。

3.2系统的主要功能模块设计

3.2.1霍尔传感器模块设计

霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合

中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传

感器。

当电流垂直于外磁场通过半导体时，子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附

加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应。

9

根据霍尔效应，人们用亚导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简

单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和可靠性高能使用的时间长等优点。

本设计采用的是A3144E霍尔元件。A3144E霍尔元件，也称为霍尔传感器或霍尔传感器

开关，是一种基于霍尔效应原理的电子元件。它是一种用于检测磁场的传感器，通常用于测

量、检测和控制与磁场相关的参数，例如位置、速度、电流等。

以下是A3144E霍尔元件的详细介绍：

•原理：A3I44E霍尔元件基于霍尔效应原理工作。霍尔效应是一种当导电材料中有电流

流过并受到垂直磁场作用时，产生电压差的现象。A3144E霍尔元件通过检测周围磁场的变化,

产生相应的电压输出，从而实现对磁场的检测。

A3144E霍尔元件具有以下特性：

•高灵敏度：A3144E霍尔元件对磁场的灵敏度较高，能够检测到较小的磁场变化。

•快速响应：A3144E霍尔元件响应速度快，能够在磁场变化时迅速产生电压输出。

・宽工作电压范围：A3144E霍尔元件具有较宽的工作电压范围，通常在3V至24V之

问。

•低功耗：A3144E霍尔元件功耗低，适合应用于对电源要求较低的场合。

•小尺寸：A3144E霍尔元件体积小，方便集成到各种设备和系统中。

•应用：A3144E霍尔元件广泛应用于各种领域，包括但不限于以下应用：

•位置检测：A3144E霍尔元件可以用于检测物体的位置变化，例如用于汽车的车速传感

器、电机的位置检测等。

•磁场检测：A3144E霍尔元件可以用于检测磁场的强度和方向，例如用于地磁传感潜、

磁力计等。

•速度检测：A3144E霍尔元件可以用于检测物体的速度，例如用于自行车的速度计、风

扇的转速检测等。

・电流检测：A3144E霍尔元件可以用于检测电流的大小和方向，例如用于电流传感器、

电能表等。

A3144E霍尔元件通常采用TO-92封装，具有三个引脚，分别是Vcc（电源供应）、GND

（地）和OUT（输出）。当A3144E霍尔元件受到磁场作用时，会产生电压输出，输出电压

的幅度和极性与受到的磁场强度和方向有关。通过检测OUT引脚的电压变化，可以实现对磁

场的检测和测量。

A3144E霍尔元件作为一种基于霍尔效应的传感器，在电子系统和设备中具有广泛的应用

前景，特别是在需要检测和测量磁场、位置、速度和电流等参数的应用中，可以发挥重要的

作用。

10

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图3.2霍尔传感器模块原理图

以下是霍尔传感器模块的基本硬件电路设计。

电源电路：单片机中霍京传感器模块通常使用5V直流电源供电。电源电路包括稳压器

和滤波电容，以确保稳定的电源供应和滤除噪声。

霍尔传感器：霍尔传感器是模块的核心部件，用于检测磁场的变化。它通常由霍尔元件、

电流放大器和输出接口组成。霍尔元件是基于霍尔效应的磁敏元件，通过感知磁场的变化并

产生相应的电信号。电流放大器用于放大霍尔元件输出的微弱电流信号，以提高信号的灵敏

度和稳定性。输出接口可用于将信号传递给其他电路或外部设备。

信号处理电路：为了提高霍尔传感器模块的性能和可靠性，通常需要一些信号处理电路。

以下是常见的信号处理电路设计：

滤波电路：为了滤除环境噪声和电磁干扰，可以添加滤波电路，如低通滤波器，对霍尔

传感器输出的信号进行滤波。

放大电路：如果需要把霍尔传感相输出的电信号进行进一步放大，可以通过添加放大电

路来实现，如运放（操作放大器）。

参考电压电路：如果需要稳定的参考电压，可以添加参考电压电路，以提供准确的参考

电平。

输出电路：霍尔传感器模块的输出有两种形式，可以是模拟信号或者是数字信号，具体

的输出形式取决于传感器模块的类型和构造。模拟输出通常需要进行模数转换（ADC）把模

拟信号转换为数字信号后输出。数字输出可以直接连接到数字接口，如微控制器的GPIO（通

用输入/输出）引脚。

校准电路：为了确保霍尔传感器模块的准确性和可靠性，有时需要进行校准。校准电路

可以包括校准电阻、校准开关等，用于调整和校准传感器模块的输出。

3.2.2显示模块设计

LCD1602液晶显示屏是一种字符型液晶显示屏，名称中的1602的含义是其显示的字符

数和行数。LCD1602液晶显示屏采用了液晶技术，可以显示16列2行，一共是32个字符,

每个字符由5x8的点阵组成，可以显示多种字符形式，如：字母、数字、符号等。

LCD1602液晶显示屏通常采用并行接口方式与微控制器或其他控制器连接，通过向其发

11

送控制指令和数据来实现对显示内容的控制。LCD1602液晶显示屏具有以下特点：

1.显示清晰：LCD1602液晶显示屏采用高质量的液晶材料和显小控制电路，能够显示清

晰的字符和图形。

2.显示范围广：LCD1602液晶显示屏可以显示多种形式的字符和符号，包括英文字母、

数字、标点符号等，适用于各种应用场景。

3.界面简单：LCD1602液晶显示屏的接口通常采用并行方式，与微控制器或其他控制器

连接简单方便。

4.低功耗：LCD1602液晶显示屏的功耗较低，适合用于对功耗要求较严格的应用。

5.可靠性高：LCD1602液晶显示屏具有较高的稳定性和可靠性，在工业和消费电子等领

域得到广泛应用。

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图3.3显示模块原理图

以下是LCD1602显示模块的基本硬件电路设计。

电源电路：LCD1602显示模块通常使用5V直流电源供电。电源电路主要包括稳压器和

滤波电容，以确保稳定的电源供应和滤除噪声。

控制电路：控制电路用亍接收来自主控制器（如微控制器）的指令和数据，并将其传递

给驱动电路以显示在LCD屏幕上。主要的控制电路包括以下几个部分：

数据总线：LCD1602显示模块使用并行方式进行数据传输，通常使用8位数据总线。根

据需求，可以使用4位数据总线方式进行设计，减少引脚数量。

使能信号（Enable）：使能信号用于控制传输数据并根据传输的数据按照设定好的程序执

行命令。通过控制使能信号的上升沿和下降沿，可以实现对数据传输和执行命令。

读写信号（R/W）：读写信号用于选择读取数据或写入数据。通常情况下，R/W信号需

要接地，使显示模块只能进行写入数据。

数据/命令选择信号（RS）：数据/命令选择信号用于选择数据传输还是命令传输。当RS

为低电平时，表示传输命令；当RS为高电平时，表示传输数据。

控制信号线路：除了上述信号外，还需要连接其他控制信号线路，如清屏信号（RST）和

光标控制信号（E）,以实现对LCD屏幕的清屏和光标控制。

驱动电路:驱动电路用于控制液晶显示模块的各个字符和像素点。这部分电路通常由LCD

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控制器和驱动芯片组成。LCD控制器用于将接收到的数据和命令转换为液晶显示所需的驱动

信号，驱动芯片则用于产生所需的电压和波形信号以驱动液晶显示。

背光电路：LCD1602显示模块通常还包括背光电路，用于提供背光照明。背光电路可以

通过连接一个背光LED,并通过一个限流电阻来实现。背光电路的设计应考虑合适的电流和

电压，以确保适当的亮度和功耗。

3.2.3蜂鸣器驱动电路模块设计

VCC

蜂鸣器

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图3.4蜂鸣器驱动电路模块原理图

蜂鸣器是一种小功率的发声元件，采用直流电压供电，被广泛应用于各种各样的无线产品

中用作发声的设备。蜂鸣器大致有压电式蜂鸣器、电磁式蜂鸣器两种，各个又有有源和无源之

分。电磁式蜂鸣器的工作原理是电磁感应原理，即通电导体周围会有磁场产生，用一个固定的

永久磁铁与通电导体产生磁力推动固定在线圈上的鼓膜。蜂鸣器的工作电流一般较大，而单

片机的I/O口输出的电流较小，所以单片机不能直接驱动蜂鸣器,本设计采用由三极管构成的

放大电路把输出的电流放大来使蜂鸣器正常发音，选用的三极管型号是PNP三极管C9012,

而且本设计选用的蜂鸣器属于有源蜂鸣器。

蜂鸣器驱动模块的硬件电路设计通常包括以下几个主要组成部分：蜂鸣器、驱动电路和

控制电路。下面将对每个部分进行详细描述。

蜂鸣器：蜂鸣器是发声装置，通常由振膜和驱动线圈组成。振膜通过驱动线圈的磁场变

化而产生声音。选择适合需求的蜂鸣器时，需要考虑声音频率范围、声压级和电流消耗等参

数。

驱动电路：驱动电路主要负责将控制信号转换为适当的电流和电压，以驱动蜂鸣器产生

声音。以下是一个常见的蜂鸣器驱动电路设计。

电源：保障蜂鸣器的正常使用有足够的电源电压，通常采用直流电源。电源电压根据蜂

鸣器的额定电压确定，常见的电压为5V或12V。

驱动器：驱动器负责放大和控制电流，以激活蜂鸣器。常用的驱动器包括晶体管和集成

电路，如NPN型晶体管或音频功率放大器芯片。

控制信号：控制信号可以来自微控制器、逻辑门电路或其他控制设备。控制信号的频率

13

和占空比决定了蜂鸣器发声的频率和持续时间。

保护电路：为了保护驱动电路和蜂鸣器，可以加入一些保护电路，例如反向极性保护二

极管和过电流保护电阻。

控制电路：控制电路用于生成和调整控制信号，以控制蜂鸣器的发声模式。以下是一些

常见的控制电路设计。

时钟电路：时钟电路可用于产生精确的时间基准，以控制蜂鸣器发声的节奏和持续时间。

芯片或微控制器：芯片或微控制器可用于牛成捽制信号和编程蜂鸣器的发声模式。它们

可以根据需要进行编程，以产生各种声音效果和模式。

控制按钮或开关：控制按钮或开关可用于手动触发蜂鸣器发声或切换不同的发声模式。

3.2.4单片机时钟芯片显示模块的设计

时钟电路的本质是振荡器，为单片机提供一个节拍，单片机想要执行操作必须在这个节

拍的控制下才能进行。如果单片机没有时钟电路是不会正常工作的。因为没有时钟电路不会

产生节拍。时钟电路本身不会控制H么东西，而是通过人为设定的程序让单片机根据时钟来

进行相关的操作。在MS—51单片机片内设有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入

端为XTAL1,输出端为XTAL2,由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的

时钟方式。根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方

式，如下图所示。

DS130251黑电子论坛

实时时钟模块

图3.5时钟模块原理图

14

内部时钟原理图其实是一个自激振荡电路在内部方式时钟电路的设计中，必须在

XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，通常C1和C2

一般取30pF,晶振的频率取值在1.2MHz〜12MHz之间。对于外接时钟电路,要求XTAL1接

地，XTAL2脚接外部时钟，对于外部时钟信号的宽度和频率并无特殊要求，只要保证脉冲信

号具有一定的宽度，频率不能太低，晶体振荡港的振荡信号从XTAL2端送入内部的时钟电

路，它将该振荡信号二分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。时钟信号的周

期称为状态时间S,它是振荡周期的2倍，P1信号在每个状态的前半周期有效，在每个状态

的后半周期P2信号有效。CPU就是以两相时钟Pl和P2为基本节拍协调单片机的各个部件

正常执行操作。

3.2.5心率模块设置

单片机心率模块的设计可以分为以下几个步骤：

1.选择心率传感器：选择一款适合的心率传感器，常见的有光电式心率传感器和电化

学式心率传感器。

2.连接红外对管到单片机：将红外对管连接到单片机，一般使用模拟信号输入口或数

字信号输入口。

3.采集数据：使用单片机采集红外对管输出的信号，可以通过模拟信号采集电路或数

字信号采集电路实现。

4.数据处理：对采集到的信号进行滤波、放大和数字转换等处理，得到心率值。

5.显示结果：将处理后的心率值显示在LCD屏幕或LED灯上。

6.优化算法：对心率算法进行优化，提高心率检测的准确性和稳定性。

7.调试测试：对心率模块进行调试和测试，确保其正常工作并满足要求。

图3.6心率模块原理图

15

第4章系统的软件设计

4.1软件主流程图

当全部系统软件通电时，LCD1602显示屏实时显示车速、里程和当前时间；通过按键可

以修改车速阈值和当前时间；通过霍尔传感器实时监测当前自行车速度，当速度超过报警阈

图4.1软件主流程图

16

4.2霍尔传感器模块的软件设计

霍尔传感器模块的软件设计主要涉及到以下几个方面：

硬件接口初始化：在软件设计中，首先需要对霍尔传感器模块的硬件接口进行初始化。

这包括设置输入引脚和输出引脚的状态和模式，配置模拟到数字转换器（ADC）等。

ADC配置和读取：如果霍尔传感器模块输出的是模拟信号，需要配置并读取模拟到数字

转换器（ADC）的数值。根据硬件平台和软件开发环境的不同，对ADC的配置和读取方法会

有所不同。

数据处理和滤波：接收到霍尔传感器模块输出的原始数据后，需要进行数据处理和滤波。

数据处理包括对数据进行校正、线性化或转换等操作，以得到与实际磁场变化相关的数值。

滤波可以采用低通滤波器等方法，以减少噪声和干扰的影响。

磁场检测和判断：根据应用需求，可以根据霍尔传感器模块输出的数据进行磁场的检测

和判断。这可能涉及设置磁场阈值，进行磁场方向判断等操作。

数据显示和输出：根据实际需求，可以将处理后的数据显示在屏幕上或通过通信接口输

出给其他设备。例如，可以使用串行通信协议（如UAR1\SP【、12C）将数据发送给外部设备

或计算机。

算法和逻辑控制：根据具体的应用场景，可能需要设计和实现特定的算法和逻辑控制。

例如，根据磁场变化的趋势进行预测或控制其他设备的操作。

17

图4.2霍尔传感器模块设计流程图

4.3显示模块的软件设计

LCD1602显示模块的软件设计主要涉及以下几个方面：

GPIO初始化：首先，需要对LCD1602显示模块的GPIO引脚进行初始化。这些引脚包

括数据总线引脚（通常为8位或4位）、使能信号（Enable）、读写信号（R/W）和数据/命

令选择信号（RS）。通过配置这些引脚的输入/输出模式和初始状态，准备好与LCD模块进

行通信。

延时函数：由于LCD模块的响应时间较长，需要在发送指令或数据之间添加适当的延时。

设计一个延时函数，以确保LCD模块能够正确接收和处理指令和数据。

命令和数据发送函数：为了在LCD1602显示模块.上显示字符和字符串，需要设计函数来

发送命令和数据。命令通常用于控制LCD的各种功能，如清屏、设置光标位置、选择显示模

式等。数据用于显示实际的字符和字符串。

显示控制函数：为了方便使用LCD1602显示模块，可以设计一些显示控制函数。例如，

设计函数用于在指定位置显示字符串、显示整数或浮点数、显示特殊字符等。这些函数可以

根据实际需求进行设计和扩展。

18

初始化函数：在开始使用LCD1602显示模块之前，需要进行初始化。设定初始化函数，

用于设置LCD模块的初始状态，如显示模式、光标设置、光标闪烁等。

调用和应用：根据具体的应用场景，调用上述函数来实现所需的显示效果。可以将其嵌

入到主程序中，根据需要定时或根据事件触发来更新LCD显示内容。

图4.3显示模块流程图

4.4蜂鸣器报警模块的软件设计

基于单片机的健身自行车里程表设计中，蜂鸣器模块通常用于发出警报或提醒用户特定

事件的发生，例如达到目标里程或超过某个速度限制。以下是软件设计流程的一般步骤：

确定蜂鸣器的连接方式：首先，确定单片机与蜂鸣器之间的连接方式。蜂鸣器通常需要

一个数字输出引脚，通过控制该引脚的电平来控制蜂鸣器的开关状态。

19

配置单片机的输入输出引脚：在单片机的软件代码中，配置相应的引脚为输出模式，以

便连接到蜂鸣器。这可以通过单片机的开发工具或编程语言的特定函数来实现。

编写蜂鸣器控制函数：编写一个控制蜂鸣器的函数或子程序。这个函数将负责在需要时

打开或关闭蜂鸣器。

如果只需要简单的开关控制，函数可以接受一个参数，例如“on”或“off，，并将相应的引

脚电平设置为高或低。

如果需要发出特定的声音模式（例如蜂鸣音或脉冲音），函数可以接受不同的参数来表

示不同的音频模式，并根据需要控制引脚的电平。

在主程序中使用蜂鸣器函数：在主程序中使用蜂鸣器控制函数来触发蜂鸣器的特定事件。

根据自行车里程表的要求，可能有多个触发条件，例如达到目标里程、超过速度限制等。根

据这些条件，在相应的位置调用蜂鸣器函数以触发蜂鸣器。

使用条件语句（例如if语句）检查触发条件是否满足，并在满足条件时调用蜂鸣器函数。

根据需要可以设置不同的音频模式或持续时间。

图4.4蜂鸣器模块流程图

20

第5章系统测试

5.1系统实物图

该系统通过LCD1602显示屏实时显示当时的车速，里程和时间还有心率；同时显示设定

的目标在一定时间内达到多少行驶里程。通过霍尔传感器是实时检测车辆速度，当车速大于

设定阈值时报警提示；通过按键来修改当前时间、车速阈值以及轮子直径。通过红外对管传

感器检测心率。系统的总体实物图如图5.1所示。

图5.1实物图

里程表的实物设计基于以下原理：

LCD1602显示屏：系统使用LCD1602显示屏来实时显示车速、里程和时间。该显示屏可

以以清晰的方式将这些数据呈现给用户，使其能够方便地监控骑行状态。

霍尔传感器：为了实时检测车辆的速度，系统采用了霍尔传感器。霍尔传感器可以感知

磁场变化，把磁场变化转化为电信号。通过将霍尔传感器安装在车辆上，当车辆轮胎旋转时，

传感器会感知到磁场的变化，并相应地生成电信号，用于测量车速。

超速报瞥：系统根据用户设置的阈值来判断是否超速，并进行报警提示。当检测到车速

大于设定的阈值时，系统会触发报警，通常使用蜂鸣器来产生警示音。

红外对管传感器：通过检测血液透光性的变化来检测心率。把心率变化转换为电信号，

在显示屏上显示出来，用于检测心率。

按键控制：系统设计了按键用于操作和设置。用户可以使用按键来修改当前时间、车速

阈值以及轮子直径。这些按键提供了一种便捷的方式来调整系统参数和配置，以满足用户个

性化需求。

21

5.2测试原理

图5.2按键模块图

如图5.2为按键模块，第四个按键表示更改切换界面；第一个和第二个按键表示增加和

减少。

图5.3显示模块图

如图5.3所示，设计了一个显示模块，用于实时显示健身自行车的车速、里程和当前时

间。用户可以通过按键来修改当前时间和轮子大小尺寸，同时还可以设定速度阈值。当实际

速度超过设定的阈值时，系统将通过蜂鸣器产生报警信号，提醒用户注意超速行驶。

22

图5.4红外对管传感器

如图5.4所示，红外对管传感器通过感受血液透光性的不同把心率的变化转化为电信号

通过显示屏显示。

23

第6章总结与展望

6.1总结

系统软件的调试是充满大确定性的，在调试的过程中出现了一定的问题，但在老师的辅

导下，找出了调试发生故障的原因，设计方案中的问题和解决方法主要包含以下方面。

(1)在功率模块模拟仿真设计的过程中，发现调试的输出值达不到规定的要求。查验原理

和基础的硬件设施错误后，发现电路板焊接时出现了一些部件连接不充分的问题，于是重新

焊接。

(2)应用仿真软件，发现错误代码。然后调整，发现在启用程序流程时，单片机没有正常

复位，丢失了复位程序，在程序流程中添加复位程序，重新进行测试才获得准确的皓果。

(3)在模拟仿真时，一直提醒存有逻辑错误。尽管不影响结果的输出，之后通过调研发现，

数据信息发送错误代码，未能分辨忙碌情况。之后在制定中添加忙碌情况分辨程序，系统软

件工作中一切正常，数据信息口也没有提醒逻辑错误。

6.2展望

健身自行车里程表是一种用于测量和记录健身自行车运动数据的设备。随着人们对健康

意识的提高和健身需求的增加，健身自行车里程表的需求也越来越大。未来，健身自行车里

程表的设计和发展趋势将会有以下几个方面：

1.多功能化：随着科技的发展和人们对健康的需求不断提高，健身自行车里程表将会不

断增加新的功能，如心率监测、睡眠监测、血压监测等，以满足人们对健康的全面需求。

2.互联网化：随着互联网技术的发展，健身自行车里程表将会与互联网相结合，通过互

联网实现数据的共享和交流，让用户能够更加方便地获取健身信息和健身建议。

3.个性化：未来的健身自行车里程表将会更加注重个性化定制，根据不同用户的需求和

身体状况，提供不同的运动方案和建议，以达到更好的健身效果。

4.智能化：未来的健身自行车里程表将会更加智能化，通过人工智能技术，自动调整运

动强度和运动方案，以达到最佳的健身效果。

总之，未来的健身自行车里程表将会更加智能化、个性化、多功能化和互联网化，以满

足人们对健康的全面需求。

24

参考文献

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25

附录

电路图

电源忸块

蛭吗器报警电路

源代码

#include<reg52.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedini

sbitclk=PlA3;

sbitio=P1A4;

sbitrst=P1A5;

ucharcodewrite_add[]={0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8c,0x8a};

ucharcodercad_add[]={0x81,0x83,0x85,0x87,0x89,0x8d,0x8b);

ucharmiao,fen,shi,ri,yue,week,nian;

floatf_hz,speed_m;

ucharTHII,TL11;

ucharflag_en;

uintjuli_s;

uintjuli_z;

floatzhijing=0.55;

uints_zhijing=55;

longzong_lc;

26

bitflag_ls=1;

ucharmenu_l,menu_2;

bitflag_2(X)ms;

uintshudu;

uintbj_shudu=50;

sbilkey1=P3A6;

sbitkey2=P3A5;

sbitkey3=P3A4;

shitkey4=P3A3;

sbitrs=PlA0;

sbitrw=PlAl;

sbite=P1A2;

sbitbeep=P3A7;

voiddelay_lms(uin(q)

(

uinti,j;

for(i=0;i<q;i++)

for(j=0;j<120;j++);

)

voiddelay_uint(uin(q)

(

while(q—);

)

voidwrite_com(ucharcom)

(

rs=O;

rw=0;

P0=com;

delay_uint(25);

e=l;

delay_uint(IOO);

c=0;

)

voidwrile_data(uchardat)

(

rs=l;

rw=0;

PO=dat;

delay_uint(25);

c=l;

delay_uint(IOO);

27

e=0;

voidwrite_lcd2(ucharhang,ucharadd,uintdate)

(