基于 PLC 動(dòng)感單車轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)的研究

引 言

動(dòng)感單車是一種結(jié)合了音樂、視覺效果等獨(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、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）與霍爾傳感器測出轉(zhuǎn)速，并通過燈的數(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 PLC 輸入端輸入。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC 接收到脈沖，并通過程序處理計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)。通過脈沖數(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觸點(diǎn)、壽命長、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)，通過計(jì)算兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間 T 和車輪周長 L 可得轉(zhuǎn)速 [3]S=L/T?；魻杺鞲衅髋c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。

圖 4 霍爾傳感器實(shí)物

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)脈沖對應(yīng) 1個(gè)燈亮，10個(gè)脈沖對應(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。通過這種設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)通過指示燈指示轉(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，通過設(shè)定寄存器的值，實(shí)現(xiàn)對系統(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 STL 編寫，根據(jù)程序流程實(shí)現(xiàn)的 PLC 程序如下 ：

4 結(jié) 語

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，使人們對動(dòng)感單車運(yùn)動(dòng)增添無限興趣。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。