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基于霍尔效应传感器的自行车测速系统设计
引用这篇文章: Ratna Aisuwarya等 2019 J.物理学 : Conf. Ser. 1339 012018
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国际计算机科学与工程会议
基于霍尔效应传感器的自行车测速系统设计
Ratna Aisuwarya, Muhammad Azmi Riyan, Rahmi Eka Putri
印度尼西亚巴东安达拉斯大学信息技术学院计算机工程系
摘要： 自行车是全社会易于使用且价格合理的交通工具。但是，在骑行过程中，没有关于速度和距离的信息。而这些参数非常重要，因为知道我们去办公室或学校时可以调整自行车的速度，以便可以估计到达目的地的时间。通常，用于测量自行车的速度和距离的设备是具有GPS功能的设备作为基于地理位置的系统。但是，此设备通过了解卫星捕获的用户位置来测量速度，而不是由自行车的实际速度产生的。在这项研究中，设计的系统可以使用自行车车轮的转速测量自行车的实际速度。该系统通过使用将检测磁体的霍尔效应传感器实现。然后，微控制器处理数据，并将每秒的旋转速度转换为线速度。然后，有关速度，距离和平均速度的信息会显示在LCD屏幕上。通过使用霍尔效应传感器对自行车速度和距离测量系统进行测试和分析后，我们可以得出结论：可以通过霍尔效应传感器来测量自行车的速度和距离，霍尔效应传感器可以检测到多达542转/分钟。速度和距离的最终结果可以显示在LCD上，百分比误差为2-3％。
引言
自行车是全社会易于使用且价格合理的交通工具。 作为交通工具，自行车经常被用来上班或上学。 自行车的使用也会影响周围的环境，不会像机动车辆那样污染空气。 此外，自行车也可以用作放松运动的手段，也可以用于剧烈运动，例如需要更多能量的自行车比赛。 但是，在骑行过程中，没有关于速度和距离的信息。 而这些参数非常重要，因为知道我们去办公室或学校时可以调整自行车的速度，以便我们可以估计到达目的地的时间[1]。
通常，用于测量自行车的速度和距离的设备是具有GPS功能的设备作为基于地理位置的系统。 用户所需的速度和时间可以通过从卫星[2]接收的数据来确定。 但是，此设备通过了解卫星捕获的用户位置来测量速度，而不是由自行车的实际速度产生的。 在自行车速度测量研究中已经进行了相关工作。 在一项研究中[3]，开发了一种无轮毂自行车无速度记录器系统，该系统具有轮毂发电机，该轮毂发电机既充当电源又充当速度传感器。 但是，系统仅记录速度和加速度。
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另一项研究[4]，考虑使用低成本的超声波距离传感器来监测自行车前部区域的路面状况。 然后，一项研究介绍了一种基于物联网的地面自行车记录系统，该系统将智能手机和嵌入式系统相结合[5]。 该系统只能在有互联网覆盖的区域中运行。 因此，在这项研究中，设计的系统可以使用自行车车轮的转速测量自行车的实际速度。 该系统通过使用将检测磁体的霍尔效应传感器实现。 然后，微控制器处理数据，并将每秒的旋转速度转换为线速度。 然后，有关速度，距离和平均速度的信息会显示在LCD屏幕上。 这项研究工作的目的是为自行车手提供速度，距离和平均速度的信息，以便用户可以预测在一定时间内到达目的地所必须获得的速度。
系统设计
如图1所示，该系统的总体设计是将自行车上的一块磁铁固定在轮胎上的自行车。 然后，霍尔效应传感器靠近悬架叉安装，以便在车轮旋转时可以读取磁铁。 此外，为了转换自行车车轮的转速，将霍尔效应传感器[6]连接到微控制器（Arduino Uno）。 设计的程序必须能够将角速度准确地转换为线速度，并确定自行车的速度和距离。 转换结果将显示在LCD上[7]。 根据用户踩踏自行车的速度或速度来确定最终结果。 本研究中使用的轮子尺寸为26英寸或66厘米。
图 1. 系统设计
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- 硬件设计
自行车的速度和距离测量系统通过检测绕圆运动的磁体来使用霍尔效应传感器。 该系统的硬件设计如下图2所示。 然后将霍尔效应传感器连接到Arduino Uno，以处理自行车车轮的转速到线速度的转换。 结果将显示在LCD显示屏中。
图 2. 硬件设计
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- 软件设计
通过指定系统功能来完成软件设计，从读取霍尔效应传感器的数据开始。 如果传感器检测到磁铁，系统将通过将数据发送到微控制器来启动转换过程。 然后，将接收到的数据用作计算三个方面的输入，即自行车速度（km / h），行驶距离（km）和平均速度（km / h）。 然后，这三个数据输出将显示在LCD上。 下图3显示了用于自行车速度测量的系统算法的伪代码。
图 3. 自行车速度测量算法
结果和讨论
在本章中，我们将讨论如何将硬件和软件设计实现到实际系统中。实施阶段分为三个阶段，即硬件（硬件）的实施，软件（软件）的实施和整个系统的实施。硬件实现是形成系统物理形式的阶段。该软件实现是一个程序，旨在读取和检测传感器以确定行进的速度和距离。该系统的实施旨在确定所创建的系统是否可以良好运行并能否达到研究目的。此外，规划要采取的测试措施，并在实施系统后收集必须从硬件和整个系统获得的数据。在霍尔效应传感器上进行测试以测试磁体的检测能力。然后，微控制器计算出磁体和传感器之间的最大和最小距离，从而使读数更加准确。根据自行车车轮上的磁力旋转找出转速。
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- 系统实施
在已实现的硬件上，有一个霍尔效应传感器，用作系统的输入以检测自行车车轮上的磁铁，从而确定自行车速度，平均速度和行驶距离。然后将已获得的速度和距离作为信息显示在LCD上，以显示给用户。为了处理输入数据，微控制器通过I / O端口与霍尔效应传感器通信。另外，I2C串行通信接口用于促进微控制器和LCD之间的通信。该系统的软件实现使用Arduino IDE [8]。中断方法是使用attach Interrupt函数实现的。该中断用作触发霍尔效应传感器的功能。触发中断后，中断程序将停止正在运行的程序并执行该中断程序。在中断功能中，有四种类型的条件。即，低，变化，上升和下降的条件。在该软件的实现中使用的情况是处于上升状态的中断，如果触发器将逻辑从低状态变为高状态，则将执行中断程序。如图4所示，此系统在这辆自行车上的实现方式是在平坦的道路上进行测试的，没有障碍物会使系统震动。该系统将通过检测自行车车轮半径上的磁铁来测量自行车的速度和距离。
Hardware components
图 4. 在自行车中实现的设备
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- 测试与分析
在此阶段，将在硬件，软件和整体系统测试方面进行系统测试和分析。
- 霍尔效应传感器测试
进行了霍尔效应传感器测试，以确定磁体和传感器之间需要多少距离，以便系统可以正常运行。 通过使用标尺测量霍尔效应传感器的磁读数距离来完成测试。 如表1所示，根据从磁体到传感器的距离获得不同的电压值。
表 1. 霍尔效应传感器测试结果
|
No. |
到传感器的磁距(cm) |
电压(mV) |
|
1 |
0 |
881 |
|
2 |
1 |
578 |
|
3 |
2 |
504 |
|
4 |
3 |
496 |
|
5 |
4 |
494 |
|
6 |
ge;5 (无磁) |
492 |
根据获得的测试，传感器可以检测到4 cm距离的磁体，其电压值为494 mV，显示在串行监视器上。通过测试传感器，可以看出磁体离传感器越近，电压值越高，而磁体离传感器越远，电压值就越小。否则，如果磁极改变了靠近传感器的磁体，则比较值将更改，因为每个磁体都有两个不同的磁极。从传感器产生的电压值还取决于磁引力的强度和所用磁体的类型。到该系统中使用的传感器的磁距为2.5厘米。霍尔效应传感器的测试也通过测量传感器可以多快地检测到磁体来完成，如表II所示。在此测试中，我们测量传感器检测穿过它的每个磁体所需的次数。因此，通过知道这一点，就可以获取磁铁以多大的速度通过自行车传感器的检测响应。通过检测时间测试，霍尔效应传感器可以以每次检测101至111 ms的间隔检测磁体，测试时间长达60秒，并且获得的许多旋转达到plusmn;542转/分钟。进行该测试是为了找出传感器对穿过它的磁铁的响应速度。
表 2. 霍尔效应传感器的检测时间
|
No. |
时间 (s) |
转数 |
检测时间/旋转(ms) |
|
1 |
10 |
92 |
107-110 |
|
2 |
30 |
284 |
101-109 |
|
3 |
60 |
542 |
108-111 |
-
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