基于PLC動(dòng)感單車轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)的研究

包雨璐 許文斌 包依勤

摘 要：動(dòng)感單車是目前健身房最熱的健身項(xiàng)目之一，但是動(dòng)感單車本身沒(méi)有測(cè)速功能，也無(wú)勁爆的音樂(lè)、絢麗的燈光，單調(diào)而缺乏趣味性。文中系統(tǒng)通過(guò)霍爾傳感器與PLC連接測(cè)試轉(zhuǎn)速，并根據(jù)轉(zhuǎn)速控制指示燈的顯示，當(dāng)動(dòng)感單車轉(zhuǎn)速越快時(shí)，指示燈點(diǎn)亮越多，當(dāng)車子停下來(lái)時(shí)指示燈熄滅，通過(guò)該系統(tǒng)使單調(diào)的鍛煉項(xiàng)目變得有趣，從而達(dá)到快樂(lè)鍛煉的目的。

關(guān)鍵詞：動(dòng)感單車;PLC;霍爾傳感器;指示燈;趣味性;測(cè)速

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

動(dòng)感單車是一種結(jié)合了音樂(lè)、視覺(jué)效果等獨(dú)特的充滿活力的室內(nèi)自行車訓(xùn)練課程，在克服了室外行駛的一切缺點(diǎn)后，由于技術(shù)上的改進(jìn)，這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)在簡(jiǎn)單易學(xué)之余，成為一項(xiàng)能夠使全身得到鍛煉的有氧運(yùn)動(dòng)。動(dòng)感單車與一般自行車相似，但在作用與功能上都已經(jīng)得到了改良。動(dòng)感單車經(jīng)過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)采取人工力學(xué)工程的方法設(shè)計(jì)，充分減少腰部參與，適合人體要求，且能使健身達(dá)到最大效果。

如今人們?yōu)榱藫碛懈】档捏w魄，除了平日鍛煉，更多的是去健身房，動(dòng)感單車作為健身房熱門項(xiàng)目，除了鍛煉效果好，勁爆的音樂(lè)、絢麗的燈光使其既有動(dòng)感又有趣味。動(dòng)感單車的速度一般采用顯示屏顯示數(shù)值，本文系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與霍爾傳感器測(cè)出轉(zhuǎn)速，并通過(guò)燈的數(shù)量顯示，轉(zhuǎn)速越快燈亮的越多，增添不少趣味[1]。PLC是專為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，是工業(yè)控制的核心部分[2]。

雖然價(jià)格上因?yàn)槠放频牟煌休^大差異，但是PLC是一種已經(jīng)成型并有較好穩(wěn)定性的產(chǎn)品，比起直接設(shè)計(jì)單片機(jī)方便不易損壞。

1 動(dòng)感單車轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)的架構(gòu)

動(dòng)感單車轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)主要由PLC、霍爾傳感器、電源、指示燈組成。在動(dòng)感單車上安裝好霍爾傳感器后，脈沖信號(hào)通過(guò)PLC輸入端輸入。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC接收到脈沖，并通過(guò)程序處理計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)。通過(guò)脈沖數(shù)的多少，PLC控制顯示燈的數(shù)量。速度越快，脈沖數(shù)越多，顯示燈越多。動(dòng)感單車轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)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(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差較小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上[3]。霍爾傳感器除了具有無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、溫度性能好等優(yōu)點(diǎn)外，還具有響應(yīng)頻率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、輸出波形穩(wěn)定、不受轉(zhuǎn)速影響等優(yōu)點(diǎn)[4]。本文選用開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，內(nèi)部電路如圖2所示。當(dāng)霍爾傳感H與磁鐵接觸時(shí)，獲得的信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放A放大，進(jìn)入施密特觸發(fā)電路，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)V0可直接進(jìn)入PLC輸入端。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將一個(gè)小磁鐵固定在動(dòng)感單車的輪子上，輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，小磁鐵通過(guò)霍爾傳感器產(chǎn)生相應(yīng)脈沖，一圈得一個(gè)脈沖。由PLC采集脈沖，可計(jì)數(shù)得到車輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間T和車輪周長(zhǎng)L可得轉(zhuǎn)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(tǒng)所用霍爾傳感器為PNP型，實(shí)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(lán)色線接負(fù)極，黑色為信號(hào)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(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算等，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程[5]。

系統(tǒng)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(gè)輸入端，10個(gè)顯示燈接入輸出端。初步測(cè)定動(dòng)感單車車輪每分鐘最快轉(zhuǎn)120圈，即每秒2圈，則5秒最多轉(zhuǎn)10圈。因此，為了得到更好的顯示效果，設(shè)定5秒輸出一次結(jié)果。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)1圈時(shí)，得到1個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)10圈時(shí)，得到10個(gè)脈沖。1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)1個(gè)燈亮，10個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)10個(gè)燈亮，圈數(shù)越多燈亮的越多，圈數(shù)越少燈亮的越少，最快時(shí)可實(shí)現(xiàn)10個(gè)燈亮。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)指示燈指示轉(zhuǎn)速。同時(shí)計(jì)數(shù)得到的是整數(shù)，便于程序?qū)崿F(xiàn)比較。在PLC程序中，通過(guò)設(shè)定寄存器的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與執(zhí)行設(shè)備的控制[6]。PLC程序流程如圖6所示。

PLC程序通過(guò)STL編寫，根據(jù)程序流程實(shí)現(xiàn)的PLC程序如下：

LD I0.0

NOT （由于傳感器常閉而計(jì)數(shù)器只接收上升沿故而取反）

LD M20.1

CTU C0，+100（設(shè)定計(jì)數(shù)器上限）

LD SM0.0

A M20.0

TON T37，+10（立即接通，延時(shí)1 s斷開(kāi)）

LD SM0.0

O M20.0

AN T37

= M20.0（設(shè)定T37復(fù)位信號(hào)）

LD M20.0

LD M20.1

CTU C1，+5（設(shè)定贈(zèng)計(jì)數(shù)器C1上限）

LD C1

MOVW C0，VW100（將數(shù)據(jù)存入VW100）

= M20.2

LD M20.2

= M20.1（設(shè)定贈(zèng)計(jì)數(shù)器C1復(fù)位信號(hào)）

LDW= VW100，1

S Q0.0，1

R Q0.1，9（調(diào)用VW100中數(shù)據(jù)比較得出結(jié)果）

…… ? （類推省略）

LDW>= VW100，10

S Q0.0，10（5 s內(nèi)圈數(shù)大于等于10，則燈全亮）

LDW= VW100，0

R Q0.0，10（未有圈數(shù)則燈全不亮）

4 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)的運(yùn)用給動(dòng)感單車增添了很多趣味，在健身房使用動(dòng)感單車時(shí)，顯示燈可隨著自己的節(jié)奏亮起，使人們對(duì)動(dòng)感單車運(yùn)動(dòng)增添無(wú)限興趣。該系統(tǒng)采用的PLC運(yùn)行平穩(wěn)，不易損壞，安全性方面較有保障，程序?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠，相比于其他實(shí)現(xiàn)方式（如單片機(jī)）具有穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用與推廣價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[11]楊龍.典型物質(zhì)效應(yīng)在傳感器中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2019（2）：18-20.