自行车测速分析.docx
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自行车测速分析
《传感器与测试技术》
技能实习
实训名称：
基于labview的
自行车测速装置
姓名:
学院：
工学部
班级：
学号：
指导老师：
孙芳方程慧慧
基于labview的自行车测速装置
摘要
随着人们生活水平的提高，自行车早已不再是像上个世纪那样成为人们最常用的普通的运输、代步的工具，而是成为了人们娱乐、休闲、锻炼的首选。
而这必将促进自行车有关的工具快速发展，其中能清楚显示当前速度、里程等物理量的测速工具首当其冲。
本论文主要阐述一种基于霍尔元件的自行车测速里程表的设计。
以labview为核心，3144霍尔元件传感器测转速，实现对自行车里程、速度的测量统计，并能将自行车的里程数及速度在labview中进行实时显示。
文章详细介绍了自行车的速度里程表的硬件电路和软件设计。
硬件部分利用霍尔元件将自行车每转一圈的脉冲数传入A/D转换卡，然后A/D转换卡将信号经过处理送入labview处理并显示。
软件部分用labview进行编程，采用模块化设计。
该系统硬件电路简单，程序具有通用性，完全符合设计要求。
关键词：
里程/速度；霍尔元件；labview；A/D转换卡；自行车
第一章系统总方案论证与分析
1.1主要任务及要求
1）.熟悉labVIEW软件的使用以及操作，并能正确的用其软件对信号进行分析以及调理。
2）.运用霍尔传感器测出自行车的速度和里程，并通过labVIEW显示出来。
3）.了解各种测速传感器的原理和优缺点，并选用出最佳且误差最小的传感器。
4）.熟练掌握霍尔传感器的原理和特性。
5）.了解USB-4707数据采集卡的使用以及信号输入输出的方法。
6）.了解产品设计的流程。
1.2系统总体设计方案
如果把传感器安装在预定位置上，当永磁体经过它时，可以从测量电路上的到脉冲信号。
根据对脉冲信号的计数与处理可以测出自行车的速度。
并由此计算出平均速度、路程等量。
本系统采用集成霍尔传感器，对速率信号具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。
1.2.1测量原理
霍尔元件的工作原理介绍
图1（a）中霍尔元件有三个接线端，分别为1-Vcc、2-GND、3-OUT，它们分别接正极、负极、信号输出。
在图1（b）中当有磁场产生靠近霍尔元件时，产生的原边电压通过电阻2k产生电流,产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流通过的副边线圈所产生的磁通量相平衡。
副边电流可以精确地反应原边电流的大小。
所以当无磁场时OUT输出为低电平，有磁场时，就会产生相应的电压，OUT输出为高电平。
图1霍尔传感器
1.2.2测量原理介绍
1.运用labVIEW中的脉冲测量，测量出两个连续上升沿或者下降沿之间的周期，然后运用数组索引第一个元素取其倒数，即为此时间段的频率f，60*f即为自行车的转速n，再根据自行车的直径D，即可算出自行车的速度v。
2.运用labVIEW的For循环和条件结构捕获脉冲个数的功能，用数组索引，从0开始索引出来连续两个数，当捕获第一个下降沿，就会触发条件结构，得出数值1；当捕获第二个下降沿，得出数值2；当捕获第n个下降沿时，得出数值n，其中，用尺记录下轮胎的直径，轮胎的周长为L=3.14*D,里程的计算为3.14*D*n*t。
3.当转速大于设定值300r/min时，前面板的红灯亮，表示自行车超速行驶，当自行车转速小于300r/min时，前面板的绿灯亮，表示在自行车在正常范围内行驶。
1.3测试系统组成
1.3.1系统组成
硬件组成：
霍尔传感器、磁钢、研华USB-4704数据采集卡、电脑、导线、接线端子、开关电源—CA1713A双路直流稳压电源
软件组成：
labVIEW2014
1.3.2系统框图
图2中当磁钢靠近霍尔元件，有电磁信号输入时，经过霍尔元件输出模拟信号（电压信号）通过对波形的滤波、整流、放大减少外界的干扰后，通过导线、接线端子接到USB-4707数据采集卡将信号传送到电脑上，通过软件中的示波器显示出来。
图2系统框图
第二章系统结构模块论证
2.1元器件的选用
2.1.1WB3144传感器介绍
传感器是将物理量转换为电量的装置。
它类似于与人的感觉器官，它把被测量，如力、位移、温度等，转换为易测的电信号，传送给测量系统的信号调理环节。
霍尔元件是一种磁敏元件。
当磁性物件移近霍尔元件时，它产生霍尔效应使内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，控制内部开关的接通与断开。
本次实训采用WB3144霍尔传感器，它是一款单极霍尔开关电路，当磁N极靠近它的印章面时，开关输出低电平，当磁N极撤离后开关输出高电平。
如想要用S极来控制开关，侧感应面就变为印章面的背面。
当磁S极靠近它的印章面背面时，开关输出低电平，当磁S极撤离后开关输出高电平。
1.可实现功能
无触点开关、位置检测、速度检测、流量检测
2.产品特点
灵敏度高、抗应力、电压范围宽、可和各种逻辑电路直接接口
3.典型应用
直流无刷电机、家用电器、缝纫设备、纺织机械、编码器、安全报警装置等自动化控制领域
4.极限参数（25℃）
电源电压VCC················4.5-24V
输出负载电流IO················25mA
工作温度范围TA··············-20～85℃
贮存温度范围TS·············-55～150℃
5.电特性
TA=25℃
6.霍尔元件内部结构图
图3霍尔元件内部结构图
图4霍尔元件接线端子图
如图3,、图4所示，是3144霍尔传感器的内部电路图，VCC表示接电源正极、OUTPUT表示信号输出、GROUND表示接电源负极。
中间内部有放大电路和滤波电路，初步对信号进行处理，减少外部信号的干扰。
2.1.2研华usb-4704介绍
采集卡：
采集卡主要是捕获外界光电、视频、音频等模拟信号并将其数字化导入计算机进行数字处理的捕获设备，主要用图像采集卡、视频采集卡、音频采集卡（比如声卡）、数据采集卡等。
由于数据采集卡等工业采集卡并不常用，因此，一般采集卡默认为静态图像采集卡、动态视频采集卡。
所以采集卡又称视频捕捉卡，用它可以获取数字化视频信息，并将其存储和播放出来。
很多视频采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。
视频采集卡，英文全称为：
“VideoCaptureCard”，其功能是将视频信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上。
1.研华usb-4704端口介绍
研华usb-4704是低成本的usb数据采集模块。
使用者不需要打开机箱安装daq模块，只要插上模块，然后得到的数据。
它的简单而有效的，可靠和足够坚固的工业应用，但足够便宜，家庭项目，usb-4704是最完美的方式添加到任何usb功能的计算机测量与控制能力。
从usb端口获得所有所需的电力，因此不断要求没有外部电源连接。
所以usb-4704是最具成本效益的实验室或生产线的测试和测量工具的有效选择。
图5中是USB-4707数据采集卡实物图，不同的接线端表示不同的意思，当霍尔元件采集到电磁信号经过滤波、整流、放大后，再经过导线从AI0口进入采集卡通过USB导线传送到电脑上，采集卡AGND接到电源的负极上。
2.研华USB-4704数据采集卡的相关参数介绍
图6A/D采集卡平面图
图6是A\D采集卡的平面图，显示了采集卡所有的接口，不同的接口用不同信号的接收与发送以及D/A、A/D转换功能。
USB输出端用于将信号传送到电脑上。
3.USB-4704测量与控制功能介绍
1）16个单端模拟量输入通道
2）12-bit分辨率A/D转换器，采样速率高达100kS/s
3）8个数字量输入和8个数字量输出通道（TTL电平）
4）2个模拟量输出通道
5）1个16-bit可编程计数器/定时器
6）每个模拟量输入通道的增益可编程
7）自动通道/增益扫描
8）板载用于AI通道采样的1K采样FIFO缓存
9）无需外部电源
10）设备状态LED指示灯
11）板上接线端子可移除
12）支持高速USB2.0
13）自动校准功能
4.模拟量输入A1规格主要参数介绍
表1AI1参数图
表1展现了模拟信号输入端AI0的参数规格，通过此表可以知道端口的电压范围、精度、分辨率、采样速率等，更加清晰地了解了采集卡的内部结构以及使用。
2.1.3硬件电路器件介绍
1.开关电源介绍CA1713A双路直流稳压电源以及接线板
图7中的直流电压左右侧是两个电源，我们用的左侧电源，右侧数值无效，它的主要是为了给霍尔元件电路提供电压，霍尔元件的工作电压为5v，所以调整电压使其为5v，采集卡的AGND接到电源的负极上。
霍尔元件电路的VCC接到直流电源的正极上，GND接到电源的负极上，OUT接到采集卡的AI0口上。
图7硬件电路介绍
2.霍尔元件电路
图8中主要描绘了霍尔元件电路的各个接口以及此电路中具备了放大、滤波信号的功能，我们用接线板分别按照VCC接正极、GND接负极、DI0接采集卡AI0出，指示灯正常亮，表示电路未出错。
图8霍尔元件电路
2.2硬件电路设计介绍
2.2.1实物连线图
图9
图9是硬件实物接线图，它是采集信号、信号滤波的重要组成，是软件进行的基础部分。
由磁钢到霍尔元件到接线板（直流电源）到USB-4707采集卡到电脑中的labVIEW中。
2.2.2电路设计框图
图10电路设计框图
图10是平面框图，展示了霍尔元件和采集卡所接的接线端口以及霍尔元件所用的电压大小，还指出了各个端口之间连接的方法以及位置。
2.3软件设计
2.3.1软件设计流程图
图11的软件流程图描绘了labVIEW软件的运用过程，接收到信号后，通过运用脉冲测量得出周期，取其倒数即为频率，通过与60相乘得出转速，再根据自行车直径，计算出速度，然后再判断是否正常行驶，最后再计算出此时间内所运动出来的里程。
2.3.2使用软件介绍
labVIEW2014是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是labVIEW2014与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而labVIEW2014使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
labVIEW2014的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等。
labVIEW2014也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
labVIEW2014是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面用户界面在labVIEW2014中被称为前面板。
使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。
这就是图形化源代码，又称G代码。
labVIEW2014的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。
2.3.3程序框图页面介绍
图12中是labVIEW的程序框图，它是编程的语言，用框图的形式表示出来了。
图中USB-4707是信号的输入元件，经过连线连接示波器显示出经过处理后的波形。
接着通过脉冲测量显示出波形的周期t，用数组索引，索引出其中的元素，取其倒数得出f再与60相乘得出转速60*f，再根据自行车直径D算出速度f*D*3.14（即为转速*0.158）。
当转速大于300r/min是表示超速运行，红灯变亮，当小于300r/min表示正常运行，绿灯变亮。
另一方面，信号经过数组索引出来两个连续的元素，与设定电平2.5相比较，在第一个元素大于2.5，第二元素小于2.5同时满足使条件结构触发，数值相应加1,刚开始数值是被清零的。
根据For循环和条件结构求出脉冲个数再与周长和时间相乘（数值*13.188）进而求出自行车在此时间内所走的路程。
整个程序外部加了一个顺序结构，当完成转速和速度之后，里程才可以计算。
在顺序结构外加了一个while循环，可以连续运行。
图12程序框图
2.3.4前面板页面介绍
图13信号采集图
图13中的一个方波图形表示运用一圈一个脉冲个数，当有触发时输入为低电平，无触发时输出为高电平。
此图是正常行驶的速度，此时绿灯亮，表示刚开始运动起来速度比较慢。
通过对波形的分析和处理，转换为单个信号被脉冲测量检测，转换为转速和速度，在显示屏中显示出来以及在表盘中也显示出来，之后，里程也被计算出来。
图14前面板图
图14表示也在正常行驶，只不过速度变得更加的快速，此时为高速运行，示波器也显示了比较得多的波形个数，此时间内，里程也比较远。
示波器会根据波形的多少来判断速度快慢，表盘中显示出来，同时，绿灯亮起来表示还在安全的范围内行使。
图15波形图
图15中，我们可以看出波形比较密集以及周期不单一，上图中速度超过了47.7km/h,红灯变量，表示速度已经超速，在此时间内，路程也比较远。
波形密集表示了此事速度很快，指示灯也正好反映了这种情况。
第三章总结
“揖让月在手，动摇风满怀。
”时常会让我想起南唐李后主——李煜的这首诗。
我想这句诗的含义不然而喻，但是如果我们从一个非正确的角度去理解这句诗却更能获得一种妙不可言的收获。
揖让之礼，按规矩来办事，明月握在手间，有赏玩之乐趣。
而敞开心怀，以全副的身心投入，听风穿过身体，那么自然与恬适，一种通透的生命体验就这样产生了。
自此，越发觉得，不论做任何事，都可以从中获得收获与启示，然而这差别就只在于，一些事件中的大小不一的信息量，寻找程度的难于易。
有时，信息不能直接获得，还需通过自己去理解与转换。
或者说，看一切事物的眼光，都应是一面风月宝鉴，正照沉溺于其中，去让细节浸润自己，反照跳出五行外，站于云端去穿透它。
而这次传感器实训课程所进行的过程正是这样的一次人生经历。
记得刚进大学的时候，看着学长们作出的各种各样的设计与发明，让我不禁产生了羡慕与敬畏。
我不知道别的男生是否与我一样，对那些未知的事物怀有憧憬与敬畏，就像我总是对那些特有故事的老兵怀有敬畏，对那些学贯中西的老教授怀有敬畏，甚至我曾经都对单片机产生过敬畏。
因为那些我未知的人和事物，我总是认为他们的背后有着让我叹服的东西存在，而且也有太多我理解不了的东西存在，这大概就像是，我们总会对我们做不到的事却被别人做成功的人而感到惊讶和叹服一样。
而这样总能在学习知识和了解新事物中长存敬畏的人，是最容易收获快乐的，因为曾经你一度敬畏的东西现在变得不再敬畏，这个过程你毕将收获快乐。
在做我们这个对自行车测速的这个项目之前，我可以说是对这个项目中的每一个环节都是充满了好奇。
当我看到labview上程序按照我所要求的那样运行起来之后着实有一种不小的成就感，我想你可能和我一样也对那电脑上的运行的程序感到神奇，但是要是让你说出为什么会感到神奇大概就会难为了吧，你可能会说你也不知道为什么看着它会有一种激动，就是感觉它莫名其妙的就在你的眼前发生了，自己就毫无来由地感到神奇了。
尽管这种莫名的神奇在你完全了解了未知的那件事之后会消失，但是这种你感到的神奇却还会催促着你去了解它。
想想还真是有意思。
但是对我们测速用的霍尔元件，我却没有感到一点儿的神奇，因为我感觉它太简单了，不就是运动的电荷在磁场中受到了洛伦兹力的作用，而产生了运动路径的变化嘛！
这一点儿也不神奇，我甚至感觉它好low。
但是当霍尔元件与labview连接在一起时神奇的事情又发生了，只要我在霍尔元件上轻轻挥动一下磁块儿，电脑上就能显示出当前模拟的自行车的速度，当时我看着我们完成的作品之后，真的感觉到了从未有过的成就感，倒不是这件设计品有多么的高端，有多么的神奇。
只是通过了这两个简单的设备就把我身边没有生命力的事物给控制了，确实让我尝到了控制欲下的成就，我感觉这个世界好像都在我的掌控之下了，我可以给椅子装上轮子操控它来来去去，我可以给电灯装上遥控器，遥控它开灯关灯……只要我想操控的东西我都能做到，这种整个世界唯我独尊的感觉，对于男生这种控制欲超强的物种来说，人心真的是特别容易被撩动。
情之所起，除掉一些莫名的，大抵还是源于生命本能的冲动，如于血缘之亲情，以及神奇的爱情。
但对待无生命之物，对待抽象的概念，能产生情感，其原因还是可以追究的，一是付出，付出是一条绳索，每多加一分长度，就把自己和对象多捆紧一点，这种情感是对过去的不甘心与对未来的期望，求得的是好结局，或至少是对等的回报；二是理解，理解它的发生，理解它的局限，而越是理解，才越能生出惜叹与包容，不会去强求它承载本不应承载的功能，而专注于实现应有之价值。
付出是胶合之力，而理解是容纳之因，自然便生出牵挂，自觉不自觉之间便就放在了心头之上。
人是记忆的总和，嘲讽过一切的努力，而又浮云了一切之后，还剩有什么？
实质性或者物质性的东西，是没有永恒性的，握得再紧，也无法永远抓住。
也许把一件一件的东西次第抛弃，生命最后能带走的，唯有经验和回忆。
这次的实训让我收获如此之多，但是我不得不感谢我的三位老师，孙老师、杨老师和程老师，没有她们的引领和协助，我们恐怕是不能顺利地完成，就算勉强完成我的经历也会更加坎坷！
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