第一章 系统方案规划
本系统以 “精准计量、低耗续航、便捷交互” 为核心目标，采用模块化设计实现骑行速度、里程、时间的实时监测与显示，核心控制单元选用 STM32L431RCT6 单片机（具备超低功耗特性与高精度定时器，满足长时间骑行监测需求）。系统整体划分为四大功能模块：运动参数采集模块、数据处理模块、人机交互模块、电源管理模块。
运动参数采集模块通过霍尔传感器（A3144）与磁钢配合，采集车轮转动信号，换算速度与里程；数据处理模块利用单片机定时器计算骑行时间，统计单次 / 总里程、平均速度、最高速度；人机交互模块通过 OLED 显示屏显示实时数据，搭配按键实现数据清零、单位切换（km/h/mph）、模式切换（实时 / 历史）；电源管理模块采用 3.7V 锂电池供电，经 LDO 稳压至 3.3V，支持低功耗休眠（待机电流 < 5μA），续航≥30 天。系统适配 20-28 英寸自行车轮径，兼顾日常通勤与户外骑行场景，平衡数据精度与使用便利性。
第二章 系统硬件设计
硬件设计遵循 “低功耗、抗振动” 原则，核心电路包括单片机最小系统、参数采集电路、人机交互电路、电源管理电路。单片机最小系统以 STM32L431RCT6 为核心，搭配 16MHz 外部晶振与复位电路，通过 0.1μF 陶瓷电容与 10μF 钽电容组成滤波网络，减少骑行振动与电磁干扰（如电机车信号），保证时钟信号稳定（计时误差 < 0.1 秒 / 天）。
运动参数采集电路是核心，A3144 霍尔传感器（DO 口接 PA0）安装于自行车前叉，磁钢贴附于车轮辐条（每转 1 圈触发 1 次信号），电路中串联 4.7kΩ 上拉电阻，加入 TVS 二极管防止静电损坏；传感器引线采用防拉扯硅胶线，适配骑行振动环境。数据处理电路利用单片机 TIM2 定时器捕获霍尔信号间隔，计算车轮转速，结合预设轮径（如 26 英寸轮径对应周长 2.07 米）换算速度（速度 = 周长 / 信号间隔 ×3.6）；TIM3 定时器实现实时时钟（RTC）功能，记录骑行开始 / 结束时间。人机交互电路中，1.3 英寸 OLED 显示屏（I2C 接口接 PB6-PB7）显示 “速度：15.2km/h 里程：8.5km 时间：00:42:30”，3 个轻触按键（接 PC0-PC2）对应 “数据清零”“单位切换”“模式切换”，按键采用防水贴片设计，避免雨水渗入。电源管理电路中，锂电池经 MP1584 降压模块稳压至 3.3V，加入电源管理芯片（AXP192）实现低功耗控制：无骑行信号时，单片机进入 STOP 模式，仅 RTC 与传感器保持工作，有信号时自动唤醒。
第三章 系统软件设计
软件设计采用 “中断触发 + 低功耗调度” 思想，以 C 语言为开发语言，在 Keil MDK 环境基于 STM32 HAL 库开发，核心程序包括主程序、参数采集程序、数据处理程序、人机交互程序、电源管理程序。
主程序采用状态机设计，初始化单片机外设（GPIO、TIM、I2C）、传感器与显示屏后，进入 “信号监测 - 数据计算 - 显示更新 - 休眠调度” 循环流程，无信号时进入低功耗模式，唤醒后循环周期设为 50ms，确保实时性。参数采集程序通过外部中断捕获霍尔传感器信号，每次触发记录时间戳，计算相邻信号间隔；若 10 秒内无信号，判定为停止骑行，自动切换至休眠模式。数据处理程序根据信号间隔计算实时速度（保留 1 位小数），累计车轮转动次数换算里程（单次里程与总里程分开存储），同时统计骑行时间，计算平均速度（总里程 / 总时间）与最高速度（实时速度峰值）；数据存储至片内 Flash，断电后不丢失。人机交互程序实时更新 OLED 显示，单位切换时同步转换速度与里程单位（1km/h≈0.621mph），模式切换可查看近 5 次骑行的历史数据（时间、里程、平均速度）；按键操作响应时间 < 100ms，长按 “清零” 键 3 秒可重置单次数据。电源管理程序实时监测电池电压，低于 3.0V 时在 OLED 显示 “电量不足” 提示，同时降低显示屏亮度以延长续航。
第四章 系统测试与优化
系统测试分为功能测试、精度测试与续航测试，测试环境为城市道路与操场（26 英寸自行车，轮径周长 2.07 米），测试工具包括标准测速仪（精度 ±0.1km/h）、卷尺（精度 ±0.1 米）、万用表。
功能测试中，骑行速度从 5km/h 升至 25km/h，码表显示误差 <±0.3km/h；骑行 10 公里后，里程显示 9.98 公里，误差 0.2%；停止骑行后 10 秒自动休眠，唤醒响应时间 < 0.5 秒。精度测试中，对比标准测速仪数据，不同速度段（5-30km/h）误差均 <±0.2km/h；时间统计与手机计时对比，1 小时误差 < 1 秒，满足设计要求。续航测试连续骑行 2 小时，待机 30 天，锂电池电量从满电（3.7V）降至 3.2V，剩余电量可支持待机 15 天；优化后关闭显示屏背光时，续航延长至 60 天。性能优化针对测试问题展开：针对振动导致的信号误触发，加入信号防抖算法（连续 2 次检测到信号才确认），误触发率从 3% 降至 0.1%；针对低温（-10℃）时显示屏亮度降低，优化 OLED 驱动电路，提升低温适应性；针对速度波动，采用滑动平均算法（5 次采样取平均值），显示更平稳。
结语
基于单片机的自行车码表系统，通过霍尔传感器与低功耗设计，实现了骑行参数的精准监测与长效续航，测试验证了系统的可靠性、精度与实用性。该系统成本低、易安装，可满足骑行者对速度、里程的监测需求，辅助规划骑行路线与锻炼目标。但系统仍存在不足：无海拔高度监测；无数据导出功能。后续可加入气压传感器（BMP280）实现海拔与坡度监测；增加蓝牙模块（HC-05），支持手机 APP 导出骑行数据并生成运动报表，进一步提升系统的智能化与运动辅助能力。
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