刘 聪， 张莉萍

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 210600)

0 引 言

自行车作为传统工业时代的产物，在信息化与智能化的今天，应该使其具备更多人性化的功能。设计骑行运动智能辅助系统配备于普通自行车，可使普通自行车更加的智能化。在提升骑行体验的同时，实现自行车与人的互动，带来安全、智能的新感受。本文设计的自行车智能辅助系统除了具备普通码表的显示速度里程时间等基本功能外，还具有显示卡路里消耗、环境温度、心率监测的功能,当环境不适合骑行或超负荷骑行时系统发出提示信号,并可通过蓝牙将自行车骑行数据传输至手机端。

1 系统总体设计

设计采用模块化设计思路，系统的硬件电路设计主要包括STM32单片机为核心的数据处理模块、液晶显示模块(liquid crystal display,LCD)、多个传感器的数据采集模块、以及蓝牙传输模块。数据采集传感器有霍尔传感器、DHT11温湿度传感器、可吸入微粒浓度传感器和设计的心率传感器。由STM32F103单片机处理各传感器采集到的数据后实现自行车速度里程、环境参数、骑行者心率，以及骑行消耗的卡路里的显示。当环境不适合骑行或超负荷骑行时系统会发出提示,并可通过蓝牙将自行车骑行数据传输至手机端。设计可输入骑行者的性别、年龄和体重，骑行卡路里消耗的计算将根据骑行者性别、年龄和体重的差异采用不同的算法。系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意

2 系统硬件设计

2.1 速度采集模块

对于自行车速度的测量，由安装于自行车前叉上的传感器捕捉前车轮辐条上的感应磁铁带来的脉冲信息实现。考虑到实际可操作性以及设计要求方面，本设计选用的传感器为AH3144E霍尔电压型传感器[1]。自行车行驶时，车轮辐条上的感应磁铁随前轮转动。当感应磁铁转到霍尔传感器处时，磁场的变化使霍尔传感器输出电压脉冲，霍尔传感器输出的1个脉冲周期就是车轮转动1圈的时间。霍尔传感器的输出信号为模拟信号，为提高信号抗干扰能力以及方便对脉冲周期的测量，使用74HC14芯片对霍尔传感器输出波形进行变换[2,3]。速度测量模块电路如图2所示，速度测量模块输出的波形为矩形脉冲。

图2 速度测量模块电路

2.2 温湿度采集模块

设计使用DHT11数字式温湿度传感器采集环境温湿度数据，DHT11集温湿度采集和模/数(analog to digital,A/D)转换于一体，输出数字信号,具有体积小、功耗低以及抗干扰能力强等特点[4]。DHT11 支持“单线总线”接口，通过一个4.7 kΩ的上拉电阻器将数据输出端 DQ和 单片机I/O口相连，单片机通过该总线初始化传感器，完成温湿度采集。传感器的GND接地，VDD可以用数据线供电，也可以外部供电，为提高传感器的抗干扰能力，设计采用外部电源供电。

2.3 心率信号采集模块

采用光电容积法采集心率信号，光电容积法是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行心率测量[5,6]。心率传感器由光发射器和光电变化器两部分组成，可固定在被测者的手指或手腕上。光发射器采用波长为500～700 nm的发光二极管，当光束透过人体外围血管，动脉搏动充血容积变化引起光束透光率的变化[7]。由光/电变换器接收经人体组织反射的光线，转换为电信号并将其放大、输出。光发射器采用了峰值波长为515 nm型号为AM2520的绿光发光二极管(light emitting diode,LED)，而光接收器采用了APDS—9008[8]。由于脉搏信号的频带一般在0.05～200 Hz之间，信号幅度均很小，抗干扰能力差,在传感器后面使用了低通滤波器和由运放MCP6001构成的放大器，将信号放大了330倍，同时采用分压电阻器设置直流偏置电压为电源电压的1/2，使放大后的信号可以很好地被单片机采集到[9],如图3所示。

图3 心率测量模块电路

2.4 可吸入微粒浓度采集模块

通过检测空气中尘埃的反射光来实现对环境中可吸入微粒浓度信号采集。检测装置由红外发光二极管(infrared light emitting diode,IRED)和一个光电二极管(photodiode,PD)组成，两者呈对角排列[10]。由红外LED光源发射光束，由光电二极管接收经灰尘反射后的光束，光电二极管将光信号转换为电压信号，经信号放大电路处理后输出。对于不同的可吸入微粒浓度，检测装置输出不同的脉冲信号，可调电阻器Rs调节检测装置的灵敏度。[11]可吸入微粒浓度检测原理如图4所示。

图4 可吸入微粒浓度检测原理

当可吸入微粒浓度为0 mg/m3时，检测装置的输出电压为0.6 V。随着可吸入微粒浓度的增加，检测装置的输出电压线性增加，当可吸入微粒浓度大于0.5 mg/m3时，检测装置的输出电压趋于恒定为3.6 V[12]。装置输出电压随可吸入微粒浓度的变化如图5所示。

图5 输出电压随可吸入微粒浓度的变化

3 系统软件设计

系统软件的设计主要包括系统初始化程序设计、按键输入检测程序设计、数据处理程序设计以及LCD液晶显示程序设计。系统的初始化包括STM32单片机系统时钟的初始化，定时器的初始化，以及各传感器模块的初始化。按键输入检测程序主要对用户的设置进行录入，如用户的性别和体重等。数据处理程序包括对霍尔传感器输入脉冲信号的处理，DHT11传感器等输入环境参数的处理，以及心率传感器输入心率信号的处理。传感器输入的信号经过处理和计算后，形成速度、里程、温度、心率、卡路里消耗等信息，最后通过LCD液晶屏显示出来。程序流程如图6所示。

图6 程序流程

3.1 骑行速度计算方法

本文设计中使用STM32单片机中通用定时器的输入脉冲捕获功能对霍尔传感器输入的脉冲频率进行测量，根据脉冲频率即可计算出骑行速度。当通用定时器设置为输入功能时，可以用来检测输入到单片机GPIO口的信号，通用定时器中的捕获/比较寄存器TIMx_CCR用作捕获功能。

将要测量的脉冲信号通过GPIO引脚输入到定时器的脉冲检测通道，将脉冲计数器TIMx_CNT配置为向上计数模式。当捕获通道上出现上升沿时，第一次触发IC1和IC2输入捕获中断，这时将脉冲计数器TIMx_CNT复位为0，脉冲计数器从0开始计数。直到捕获通道上出现下降沿时，触发IC2捕获事件，并把脉冲计数器的当前值N1保存到捕获寄存器TIMx_CCR2中。脉冲计数器继续计数，直到捕获通道上出现第二个上升沿时，触发IC1捕获事件，并将脉冲计数器的当前值N2保存到捕获寄存器TIMx_CCR1中。脉冲信号输入捕获过程如图7所示。

图7 脉冲信号输入捕获时序

定时器时钟频率为f(Hz)，输入的脉冲信号周期为T，占空比为d，则

(1)

自行车的车轮半径为R(m)，则骑行的速度V(km/h)为V=(7.2πR)/T。

3.2 卡路里消耗计算方法

采用基于用户心率的卡路里消耗计算方法[13，14]。根据用户输入系统的个人信息，包括体重、年龄、性别计算用户骑行过程中的卡路里消耗，男性(Cm)和女性(Cf)分别为[15]

(2)

(3)

式中HR为心率，次/min;W为体重,kg;A为年龄;t为锻炼持续的时间,min。

4 系统测试

系统开机以后，需要输入骑行者的体重、性别、年龄等相关数据。在骑行过程中，系统主机的显示屏上显示出相关骑行数据，包括速度、行驶里程、卡路里消耗、心率、空气质量等。系统主机界面如图8所示。

图8 系统主机界面

每0.5 h对骑行的数据进行1次记录，如表1所示。

表1 骑行数据统计

5 结束语

本文设计除了具备普通码表的显示速度里程时间等基本功能外，还具有显示卡路里消耗；环境参数以及心率监测的功能。设计的骑行运动智能辅助系统配备于普通自行车，使普通自行车变得智能化。提升人们骑行体验，实现自行车与人的互动。未来将着手对所设计的骑行运动智能辅助系统功耗进行优化，使系统更加符合实际使用要求。相信随着自行车运动越来越受到大家欢迎，骑行运动智能辅助系统将具有更广阔的市场前景。