便攜式自行車(chē)功能儀的研究

綠色出行是當今深入人心的出新方式，選擇自行車(chē)作為短途出行方式深受歡迎，自行車(chē)運動(dòng)也是一項十分受歡迎的健身運動(dòng)，而且在運動(dòng)過(guò)程中可以充分享受到大自然，對于生活快節奏的現代人來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一種很好的放松方法。對于自行車(chē)運動(dòng)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，一種經(jīng)濟實(shí)惠、簡(jiǎn)單便捷的多功能測控系統十分實(shí)用，既能實(shí)時(shí)方便知道車(chē)速、環(huán)境溫度、行駛里程，也可以知道使用者的血壓、心率，對不適的身體狀況進(jìn)行報警提醒使用者注意。既可以在室外使用，又適用于室內自行車(chē)，滿(mǎn)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 系統總方案分析與設計

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

2 硬件電路設計

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

2.1 微處理器電路設計

設計采用MSP430F149單片機為微處理器，msp430系列單片機是由是美國德州儀器(TI)在1996年推出的一種16位超低功耗的單片機，具有豐富的片內片外接口。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(chē)功能儀。

2.2 測速系統設計

器件選擇：采用3144霍爾傳感器構成的開(kāi)關(guān)量霍爾傳感器，配合磁鋼通過(guò)對自行車(chē)車(chē)輪的旋轉配合磁鋼的作用，使霍爾測速傳感器產(chǎn)生脈沖信號，微處理器：MSP430對輸入的脈沖信號進(jìn)行計數，再根據車(chē)輪的半徑，通過(guò)編程算出實(shí)時(shí)的行駛車(chē)速。

測量原理：假設某一型號的自行車(chē)車(chē)輪外徑D為60.00 cm，根據公式C=πd計算可知，輪子的周長(cháng)為1.884 m。用霍爾傳感器配合微處理器來(lái)采集輪子轉一圈的時(shí)間T。從而根據C/T，便可以計算出車(chē)的速度。在一個(gè)計時(shí)周期內，當一次觸發(fā)時(shí)，進(jìn)入中斷，并開(kāi)始計時(shí)。緊接著(zhù)第二次進(jìn)入中斷時(shí)，立刻記下計數值，并得出時(shí)間差T。設立一個(gè)標志位flag即可實(shí)現。假設一個(gè)計時(shí)周期為8 s，也就是最低的計算速度可以達到1.884/8=0.236 m/s=0.8478 km/h，由于msp430f149單片機計數的一個(gè)周期為0.000 12 s，故最快計時(shí)速度也遠遠超過(guò)自行車(chē)的實(shí)際能到達到的時(shí)速。所以這種測速方法理論上完全滿(mǎn)足實(shí)際要求。

2.3 顯示系統電路設計

器件選擇：采用8位并行、帶中文字庫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，內置8 192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，足以顯示本設計中需要的全部數據與提示漢字等，12 864與msp430f149單片機接口電路簡(jiǎn)單穩定，可以直接連接。

2.4 溫度測量系統設計

采用集成的DALLAS18B20數字溫度傳感器，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只小三極管的集成電路內。且僅需占用兩個(gè)I/O口資源，轉換速度快，抗干擾能力強，測量精度也滿(mǎn)足要求，可編程的分辨率為9～12位，對應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(mǎn)足系統測量環(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，方便系統的供電電源設計，若用寄生電源供電方式可以直接通過(guò)與微處理器I/O口的數據線(xiàn)供電，這樣外接連線(xiàn)更加便捷。

2.5 心率測量系統設計

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)、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調理電路集成在傳感器內部。具有靈敏度高、抗干擾性能強、過(guò)載能力大、一致性好、性能穩定可靠、使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。該脈搏傳感器還具有完善的信號調理功能，用戶(hù)在使用時(shí)后級不需要再加濾波等電路。根據壓電式原理采集信號，將模擬信號輸出，輸出同步于脈搏波動(dòng)的脈沖信號，脈搏波動(dòng)一次輸出一正脈沖.可以用于脈率數據的實(shí)時(shí)采集。心率測量系統結構圖如下圖3所示。

測量方法：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，手指頭應該會(huì )感覺(jué)到脈搏的跳動(dòng)，輸出插頭通過(guò)耳機插座轉接，接入到MSP430f1 49單片機中，通過(guò)在設定時(shí)間內測到的脈沖次數，計算出心率。

2.6 血壓測量系統設計

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

原理：本系統測量血壓采用示波法。測量過(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，檢測靜壓力和袖帶內氣體的振蕩波，振蕩波起源于血管壁的搏動(dòng)。當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細小的振蕩波。隨著(zhù)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擴展，管壁剛性增強，因而波幅維持在較小的水平。示波法血壓測量就是根據脈搏波振幅與袖帶壓力之間的關(guān)系來(lái)估計血壓的。將脈搏波振動(dòng)信號的幅值與信號的最大幅值相比進(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來(lái)識別收縮壓與舒張壓。血壓測量系統結構圖如圖4所示。

測量方法：由單片機發(fā)出指令，控制氣泵和電磁閥，實(shí)現袖帶的充氣和放氣，由袖帶內部的MPXV5050GP壓力傳感器將測量得到的電壓值反饋到單片機中，通過(guò)MSP430單片機

內部的ADC轉換和經(jīng)過(guò)程序處理，計算出收縮壓和舒張壓，實(shí)現血壓的測量。

3 軟件設計

3.1 自行車(chē)測速系統總體程序設計

單片機編程選擇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，然后再主程序中調用各個(gè)模塊函數，計算結果輸出到lcd12864上顯示。系統總體程序流程圖如圖5所示。

3.2 測速系統設計

用霍爾傳感器，來(lái)采集車(chē)輪轉一圈的時(shí)間T。從而根據C/T，便可以計算出車(chē)的速度。當外部觸發(fā)中斷，記錄時(shí)間T，計時(shí)器清零。然后通過(guò)時(shí)間T(輪子轉一圈的時(shí)間)，算出此時(shí)車(chē)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 測溫程序設計

根據ds18b20芯片手冊，因其讀寫(xiě)數據指令對時(shí)序有嚴格的要求，只需嚴格按手冊控制讀寫(xiě)時(shí)間，通過(guò)定時(shí)器延時(shí)能夠得到極為精確的μs級延時(shí)可以準確的實(shí)現溫度測量。

4 結論

本文采用MSP430F149為微處理器，并通過(guò)霍爾傳感器進(jìn)行速度測量，用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度測量。速度選取準確，顯示穩定，電路簡(jiǎn)單，成本較低，所得數據可靠更加適應各種惡劣的自然環(huán)境，不受泥濘道路、光強度等經(jīng)常出現的干擾因素的影響，達到了設計要求。軟件在IAR for MSP430 IDE環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，模塊化程序設計，結構清晰，方便維護與擴展。設計中也存在的一些不足之處：如顯示器部分占用面積過(guò)大，相對比較耗電，批量生產(chǎn)應采用可定制的段式液晶。