便攜式自行車功能儀的研究

綠色出行是當(dāng)今深入人心的出新方式，選擇自行車作為短途出行方式深受歡迎，自行車運(yùn)動(dòng)也是一項(xiàng)十分受歡迎的健身運(yùn)動(dòng)，而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以充分享受到大自然，對(duì)于生活快節(jié)奏的現(xiàn)代人來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一種很好的放松方法。對(duì)于自行車運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、簡(jiǎn)單便捷的多功能測(cè)控系統(tǒng)十分實(shí)用，既能實(shí)時(shí)方便知道車速、環(huán)境溫度、行駛里程，也可以知道使用者的血壓、心率，對(duì)不適的身體狀況進(jìn)行報(bào)警提醒使用者注意。既可以在室外使用，又適用于室內(nèi)自行車，滿足不同人群的需求，讓更多人投入到綠色出行的行動(dòng)中來(lái)。

1 系統(tǒng)總方案分析與設(shè)計(jì)

以MSP430F149單片機(jī)為微處理器，與速度測(cè)量模塊、lcd12864顯示模塊、DS18b20溫度傳感器測(cè)量模塊、心率測(cè)量模塊、血壓測(cè)量模塊等組成具有實(shí)用價(jià)值的便攜式自行車功能儀。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

以MSP430F149單片機(jī)為核心，與集成霍爾元件模塊組成的測(cè)速信模塊、與LCD12864組成系統(tǒng)的顯示模塊，按鍵掃描模塊和電源模塊等相結(jié)合組成一體式測(cè)速系統(tǒng)，與DS18B 20傳感器如成溫度模塊。

2.1 微處理器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)為微處理器，msp430系列單片機(jī)是由是美國(guó)德州儀器(TI)在1996年推出的一種16位超低功耗的單片機(jī)，具有豐富的片內(nèi)片外接口。通過(guò)外接電路包括霍爾傳感器，lcd12864，ds18b20溫度傳感器、心率傳感器模塊、血壓傳感器模塊等組成具有實(shí)用價(jià)值的便攜式自行車功能儀。

2.2 測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

器件選擇：采用3144霍爾傳感器構(gòu)成的開(kāi)關(guān)量霍爾傳感器，配合磁鋼通過(guò)對(duì)自行車車輪的旋轉(zhuǎn)配合磁鋼的作用，使霍爾測(cè)速傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，微處理器：MSP430對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再根據(jù)車輪的半徑，通過(guò)編程算出實(shí)時(shí)的行駛車速。

測(cè)量原理：假設(shè)某一型號(hào)的自行車車輪外徑D為60.00 cm，根據(jù)公式C=πd計(jì)算可知，輪子的周長(zhǎng)為1.884 m。用霍爾傳感器配合微處理器來(lái)采集輪子轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間T。從而根據(jù)C/T，便可以計(jì)算出車的速度。在一個(gè)計(jì)時(shí)周期內(nèi)，當(dāng)一次觸發(fā)時(shí)，進(jìn)入中斷，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。緊接著第二次進(jìn)入中斷時(shí)，立刻記下計(jì)數(shù)值，并得出時(shí)間差T。設(shè)立一個(gè)標(biāo)志位flag即可實(shí)現(xiàn)。假設(shè)一個(gè)計(jì)時(shí)周期為8 s，也就是最低的計(jì)算速度可以達(dá)到1.884/8=0.236 m/s=0.8478 km/h，由于msp430f149單片機(jī)計(jì)數(shù)的一個(gè)周期為0.000 12 s，故最快計(jì)時(shí)速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自行車的實(shí)際能到達(dá)到的時(shí)速。所以這種測(cè)速方法理論上完全滿足實(shí)際要求。

2.3 顯示系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

器件選擇：采用8位并行、帶中文字庫(kù)LCD12864作為顯示輸出模塊，12864最低至3.0 V電源電壓供電，可以直接其顯示分辨率為128x64，內(nèi)置8 192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，足以顯示本設(shè)計(jì)中需要的全部數(shù)據(jù)與提示漢字等，12 864與msp430f149單片機(jī)接口電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定，可以直接連接。

2.4 溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用集成的DALLAS18B20數(shù)字溫度傳感器，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只小三極管的集成電路內(nèi)。且僅需占用兩個(gè)I/O口資源，轉(zhuǎn)換速度快，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度也滿足要求，可編程的分辨率為9～12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5 ℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃，選擇任意分辨率都能完全滿足系統(tǒng)測(cè)量環(huán)境溫度的精度要求。由于其可用3.0～5.5 V的寬供電電壓范圍，方便系統(tǒng)的供電電源設(shè)計(jì)，若用寄生電源供電方式可以直接通過(guò)與微處理器I/O口的數(shù)據(jù)線供電，這樣外接連線更加便捷。

2.5 心率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

器件選擇：采用圖2所示的HK-2000A型脈搏傳感器，其采用高度集成化工藝，將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)部。具有靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)、過(guò)載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。該脈搏傳感器還具有完善的信號(hào)調(diào)理功能，用戶在使用時(shí)后級(jí)不需要再加濾波等電路。根據(jù)壓電式原理采集信號(hào)，將模擬信號(hào)輸出，輸出同步于脈搏波動(dòng)的脈沖信號(hào)，脈搏波動(dòng)一次輸出一正脈沖.可以用于脈率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。心率測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示。

測(cè)量方法：將HK-2000A型脈搏傳感器綁在使用者的食指或中指尖上，綁時(shí)要施加一些壓力，手指頭應(yīng)該會(huì)感覺(jué)到脈搏的跳動(dòng)，輸出插頭通過(guò)耳機(jī)插座轉(zhuǎn)接，接入到MSP430f1 49單片機(jī)中，通過(guò)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)測(cè)到的脈沖次數(shù)，計(jì)算出心率。

2.6 血壓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

器件選擇：Freescale MPXV5050GP壓力傳感器是最新型的單片式帶信號(hào)調(diào)節(jié)的硅壓力傳感器，集成了片上技術(shù)、雙極運(yùn)算放大器電路和薄膜電阻器網(wǎng)絡(luò)，可提供高輸出信號(hào)和溫度補(bǔ)償功能，提供與所施壓力成正比、精確的高電平模擬輸出信號(hào)。因其體積小巧、可靠性高，適用于血壓測(cè)量。

原理：本系統(tǒng)測(cè)量血壓采用示波法。測(cè)量過(guò)程中采用袖帶來(lái)阻斷上臂動(dòng)脈血流。在充氣過(guò)程中，壓力增加，檢測(cè)靜壓力和袖帶內(nèi)氣體的振蕩波，振蕩波起源于血管壁的搏動(dòng)。當(dāng)袖帶壓力高于收縮壓時(shí)，動(dòng)脈被壓閉，此時(shí)因近端脈搏的沖擊而呈現(xiàn)細(xì)小的振蕩波。隨著袖套壓力下降，在袖帶靜壓力小于舒張壓之前，動(dòng)脈管壁在舒張期已充分?jǐn)U展，管壁剛性增強(qiáng)，因而波幅維持在較小的水平。示波法血壓測(cè)量就是根據(jù)脈搏波振幅與袖帶壓力之間的關(guān)系來(lái)估計(jì)血壓的。將脈搏波振動(dòng)信號(hào)的幅值與信號(hào)的最大幅值相比進(jìn)行歸一化處理，通過(guò)確定收縮壓和舒張壓的歸一化系數(shù)來(lái)識(shí)別收縮壓與舒張壓。血壓測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

測(cè)量方法：由單片機(jī)發(fā)出指令，控制氣泵和電磁閥，實(shí)現(xiàn)袖帶的充氣和放氣，由袖帶內(nèi)部的MPXV5050GP壓力傳感器將測(cè)量得到的電壓值反饋到單片機(jī)中，通過(guò)MSP430單片機(jī)

內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換和經(jīng)過(guò)程序處理，計(jì)算出收縮壓和舒張壓，實(shí)現(xiàn)血壓的測(cè)量。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 自行車測(cè)速系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)編程選擇C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，以IAR for msp430作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。先初始化液晶、定時(shí)器、ds18b20等模塊，然后再主程序中調(diào)用各個(gè)模塊函數(shù)，計(jì)算結(jié)果輸出到lcd12864上顯示。系統(tǒng)總體程序流程圖如圖5所示。

3.2 測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用霍爾傳感器，來(lái)采集車輪轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間T。從而根據(jù)C/T，便可以計(jì)算出車的速度。當(dāng)外部觸發(fā)中斷，記錄時(shí)間T，計(jì)時(shí)器清零。然后通過(guò)時(shí)間T(輪子轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間)，算出此時(shí)車速。采用集成霍爾傳感器，例如3143?？梢栽谟写艌?chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)兩種狀況下，產(chǎn)生高低電平。

3.3 測(cè)溫程序設(shè)計(jì)

根據(jù)ds18b20芯片手冊(cè)，因其讀寫(xiě)數(shù)據(jù)指令對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格的要求，只需嚴(yán)格按手冊(cè)控制讀寫(xiě)時(shí)間，通過(guò)定時(shí)器延時(shí)能夠得到極為精確的μs級(jí)延時(shí)可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

4 結(jié)論

本文采用MSP430F149為微處理器，并通過(guò)霍爾傳感器進(jìn)行速度測(cè)量，用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。速度選取準(zhǔn)確，顯示穩(wěn)定，電路簡(jiǎn)單，成本較低，所得數(shù)據(jù)可靠更加適應(yīng)各種惡劣的自然環(huán)境，不受泥濘道路、光強(qiáng)度等經(jīng)常出現(xiàn)的干擾因素的影響，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。軟件在IAR for MSP430 IDE環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，模塊化程序設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰，方便維護(hù)與擴(kuò)展。設(shè)計(jì)中也存在的一些不足之處：如顯示器部分占用面積過(guò)大，相對(duì)比較耗電，批量生產(chǎn)應(yīng)采用可定制的段式液晶。