基于PLC動感單車轉速指示系統的研究

包雨璐 許文斌 包依勤

摘 要：動感單車是目前健身房最熱的健身項目之一，但是動感單車本身沒有測速功能，也無勁爆的音樂、絢麗的燈光，單調而缺乏趣味性。文中系統通過霍爾傳感器與PLC連接測試轉速，并根據轉速控制指示燈的顯示，當動感單車轉速越快時，指示燈點亮越多，當車子停下來時指示燈熄滅，通過該系統使單調的鍛煉項目變得有趣，從而達到快樂鍛煉的目的。

關鍵詞：動感單車;PLC;霍爾傳感器;指示燈;趣味性;測速

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

動感單車是一種結合了音樂、視覺效果等獨特的充滿活力的室內自行車訓練課程，在克服了室外行駛的一切缺點后，由于技術上的改進，這項運動在簡單易學之余，成為一項能夠使全身得到鍛煉的有氧運動。動感單車與一般自行車相似，但在作用與功能上都已經得到了改良。動感單車經過科學實驗采取人工力學工程的方法設計，充分減少腰部參與，適合人體要求，且能使健身達到最大效果。

如今人們為了擁有更健康的體魄，除了平日鍛煉，更多的是去健身房，動感單車作為健身房熱門項目，除了鍛煉效果好，勁爆的音樂、絢麗的燈光使其既有動感又有趣味。動感單車的速度一般采用顯示屏顯示數值，本文系統采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與霍爾傳感器測出轉速，并通過燈的數量顯示，轉速越快燈亮的越多，增添不少趣味[1]。PLC是專為工業生產設計的一種數字運算操作的電子裝置，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程，是工業控制的核心部分[2]。

雖然價格上因為品牌的不同有較大差異，但是PLC是一種已經成型并有較好穩定性的產品，比起直接設計單片機方便不易損壞。

1 動感單車轉速指示系統的架構

動感單車轉速指示系統主要由PLC、霍爾傳感器、電源、指示燈組成。在動感單車上安裝好霍爾傳感器后，脈沖信號通過PLC輸入端輸入。系統運行時，PLC接收到脈沖，并通過程序處理計算出單位時間內脈沖數。通過脈沖數的多少，PLC控制顯示燈的數量。速度越快，脈沖數越多，顯示燈越多。動感單車轉速指示系統原理如圖1所示。

2 霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾效應與集成電路技術結合而制成的一種磁敏傳感器，由于霍爾元件產生的電勢差較小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩壓電源電路等集成在一個芯片上[3]。霍爾傳感器除了具有無觸點、壽命長、溫度性能好等優點外，還具有響應頻率高、抗電磁干擾能力強、輸出波形穩定、不受轉速影響等優點[4]。本文選用開關型霍爾傳感器，內部電路如圖2所示。當霍爾傳感H與磁鐵接觸時，獲得的信號經過運放A放大，進入施密特觸發電路，產生的脈沖信號V0可直接進入PLC輸入端。

系統運行時，將一個小磁鐵固定在動感單車的輪子上，輪子轉動，小磁鐵通過霍爾傳感器產生相應脈沖，一圈得一個脈沖。由PLC采集脈沖，可計數得到車輪所轉圈數，通過計算兩個脈沖間隔時間T和車輪周長L可得轉速[3]S=L/T。霍爾傳感器與車輪的安裝示意如圖3所示。

本文系統所用霍爾傳感器為PNP型，實物如圖4所示。傳感器上三根不同顏色的線可與PLC相接，其中，棕色線接正極，藍色線接負極，黑色為信號線，與PLC輸入端相連。

3 PLC編程邏輯控制器

本文采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數及算術運算等，通過數字式或模擬式的輸入輸出控制各種類型的機械設備或生產過程[5]。

系統選用PLC S7-200 CPU224XP AC/DC/RLY，其接口如圖5所示。

霍爾傳感器接入1個輸入端，10個顯示燈接入輸出端。初步測定動感單車車輪每分鐘最快轉120圈，即每秒2圈，則5秒最多轉10圈。因此，為了得到更好的顯示效果，設定5秒輸出一次結果。當車輪轉1圈時，得到1個脈沖，轉10圈時，得到10個脈沖。1個脈沖對應1個燈亮，10個脈沖對應10個燈亮，圈數越多燈亮的越多，圈數越少燈亮的越少，最快時可實現10個燈亮。通過這種設計，可實現通過指示燈指示轉速。同時計數得到的是整數，便于程序實現比較。在PLC程序中，通過設定寄存器的值，實現對系統運行狀態與執行設備的控制[6]。PLC程序流程如圖6所示。

PLC程序通過STL編寫，根據程序流程實現的PLC程序如下：

LD I0.0

NOT （由于傳感器常閉而計數器只接收上升沿故而取反）

LD M20.1

CTU C0，+100（設定計數器上限）

LD SM0.0

A M20.0

TON T37，+10（立即接通，延時1 s斷開）

LD SM0.0

O M20.0

AN T37

= M20.0（設定T37復位信號）

LD M20.0

LD M20.1

CTU C1，+5（設定贈計數器C1上限）

LD C1

MOVW C0，VW100（將數據存入VW100）

= M20.2

LD M20.2

= M20.1（設定贈計數器C1復位信號）

LDW= VW100，1

S Q0.0，1

R Q0.1，9（調用VW100中數據比較得出結果）

…… ? （類推省略）

LDW>= VW100，10

S Q0.0，10（5 s內圈數大于等于10，則燈全亮）

LDW= VW100，0

R Q0.0，10（未有圈數則燈全不亮）

4 結 語

本文系統的運用給動感單車增添了很多趣味，在健身房使用動感單車時，顯示燈可隨著自己的節奏亮起，使人們對動感單車運動增添無限興趣。該系統采用的PLC運行平穩，不易損壞，安全性方面較有保障，程序實現穩定可靠，相比于其他實現方式（如單片機）具有穩定性好、可靠性高等優點，具有較好的應用與推廣價值。

參 考 文 獻

[1]張波，崔吉洋，馬平軍.健身房動感單車運動的美學探討[J].西安體育學院學報，2005（s1）：33-34，37.

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[3]錢志鴻，王義君.面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J].電子與信息學報，2013（1）：215-227.

[4]康朝暉，江華，魏端正.淺析霍爾車速傳感器可靠性的應用（1）[J].摩托車技術，2013（9）：55-56.

[5]錢志鴻，王義君.物聯網技術與應用研究[J].電子學報，2012（5）：1023-1029.

[6]孫濤，單慧勇，張學煒，等.基于 PLC 的牛舍無線智能環境監控系統[J].物聯網技術，2019（3）：42-45.

[7]朱洪波，楊龍祥，朱琦.物聯網技術進展與應用[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2011（1）：1-9.

[8]包依勤.基于物聯網技術的智能家居系統的研究與探討[J].物聯網技術，2013，3（7）：38-41.

[9]李志民，黃辰.基于PLC的車載自動調平系統設計[J].物聯網技術，2017，7（4）：108-109.

[10]百度文庫.霍爾傳感器測速原理[EB/OL].[2019-05-10].https：//wenku.baidu.com/view/c1dd91601ed9ad51f01df2f7.html.

[11]楊龍.典型物質效應在傳感器中的應用[J].工業儀表與自動化裝置，2019（2）：18-20.