周榮鉆 譚福明 孫曉娜 吳思平 付書媛

摘? 要：本設計為一款用于騎行的智能輔助裝備，可增加騎行者在騎行過程中的樂趣以及提高騎行者的騎行體驗，達到人機交流，互通的目的。該系統(tǒng)核心為STC89C52單片機，采用模塊化設計，多功能相結合。集速度，里程測量，時間顯示，心率監(jiān)測，夜間照明和太陽能充電于一體，當騎行者身體超負荷時，儀器會發(fā)出警報，提醒騎行者注意休息。

關鍵詞：心率監(jiān)測;STC89C52單片機;太陽能;騎行監(jiān)測;心率監(jiān)測

引言

自行車作為曾經(jīng)的一種重要的交通工具，如今在人類社會中更多的是扮演著一種幫助健身的器材，目前騎行作為一項重要的健身方式，在當今信息大爆炸的時代，不能僅局限于傳統(tǒng)的簡單騎行，騎行裝備應具備一定的信息可視化能力，能夠為騎行者減輕騎行負擔和潛在風險，增加騎行樂趣。

1 系統(tǒng)總體設計

本設計系統(tǒng)采用模塊化設計的思路，把系統(tǒng)相關的各部分獨立出來，各項硬件以STC89C52單片機為核心，主要包括液晶顯示模塊（liquid crystal display，LCD），多個傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，太陽能電池板，鋰電池，高亮燈，蜂鳴報警器。數(shù)據(jù)采集傳感器包括霍爾傳感器，光敏電阻，光電傳感器。各項數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器收集，由STC89C52單片機處理后將騎行速度，里程，騎行者心率數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。使騎行者能便捷的在一塊屏幕上獲得其所需要的各項數(shù)據(jù)，以便對自己的騎行質量和狀態(tài)做一個比較全面的自我評估。系統(tǒng)結構如圖1所示

2系統(tǒng)硬件設計

2.1速度模塊

對于騎行過程中速度的測量，由靠固定在車輪輻條上和前叉上的磁鐵感應頭感應現(xiàn)實現(xiàn)。考慮到經(jīng)濟性和便攜性等方面的要求，本儀器使用的是A3144E霍爾電壓型傳感器，在騎行過程中，車輪輻條上的磁鐵，感應在自行車前叉上的對應的霍爾元件，當磁鐵和霍爾原件重合時，就會產(chǎn)生相應磁場，此時霍爾元件會有電流流出，以此來計算車輪單位時間內轉所轉的圈數(shù)，再由先前通過測量得到的車輪周長，通過按鍵設置輸入到系統(tǒng)中，就可以算出當前騎行者的行駛速度。

2.2心率

設計采用光電傳感器進行信號采集。其工作原理是利用光電傳感器對紅外光線的透射和反射強度的不同來反應騎行者心率的變化。心率監(jiān)測模塊由光發(fā)射器，低通濾波器和光接收器組成。由于進入到皮膚組織的綠光（500nm）大部分會被紅細胞吸收，所以光發(fā)射器采用綠光發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）。騎行者將心率傳感器戴在手腕上，當每一次心臟收縮進行跳動時，會改變血管里的血流量，進而引起血液飽和度的變化，此時由儀器發(fā)出的綠光也會被改變反射強度，其強度與心臟跳動的頻率相對應。利用低通濾波器過濾高頻信號，然后再通過放大電路進行放大，使得放大后的信號能有效的被單片機識別。若此時監(jiān)測到的心率大于騎行者設置的初始值，蜂鳴器將發(fā)出警報，提醒騎行者注意休息。

3軟件設計

3.1速度計算方法

測量運動物體的速度方法很多根據(jù)統(tǒng)計的脈沖數(shù)目來進行測速，其方法主要有M方法（測頻法），T方法（測量周期法）和MPT方法（頻率周期法）這三種方法。本系統(tǒng)采用M方法（測頻法）。因為在行進過程中，車輪每轉一圈，車輪輻條上的永磁體就會和固定在自行車前插臂上的磁鐵感應頭感應，霍爾傳感器會輸出與車輪轉速成比例的脈沖信號。設V為自行車在行進過程中的車速;T為車輪在單位時間內產(chǎn)生的脈沖數(shù);M為車輪外壁的周長，則脈沖信號周期數(shù)與電機的速度關系如下：

V=T×M

3.2心率計算方法

原理：心臟收縮泵血一次所產(chǎn)生脈搏的時間為t（秒），心率為n（次/每分鐘），則n=60/t，為了更精確的計算以及減小誤差，計算一段時間內連續(xù)M次的脈搏所用時間為T，則n=60M/T。利用STC89C52定時計數(shù)器每10ms中斷一次，對中斷后的數(shù)據(jù)進行處理，計算n。

4總結與展望

在現(xiàn)如今全民健身的背景下，人們越來越注重身體健康。而作為有氧健身運動的主要方式之一的騎行，是一項非常適合大眾化的鍛煉項目。本文所設計出的這款太陽能充電智能心率檢測騎行儀，在騎行運動中做到實時檢測心率，能有效的反饋出用戶的健康狀況，遇到突發(fā)狀況能及時發(fā)出警報。同時，這款產(chǎn)品配有太陽能充電功能，可以使用太陽能為控制系統(tǒng)供電，不僅可以使騎行儀大大增加續(xù)航能力，同時在一定程度上減少能源的消耗，符合當今的可持續(xù)發(fā)展觀。隨著技術的發(fā)展，人們對于智能騎行裝備的需求會越來越高，騎行運動的智能輔助系統(tǒng)在未來會具有更廣闊的市場。

參考文獻

[1]劉聰， 張莉萍. 騎行運動智能輔助系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2019， 第38卷（1）：93-96.

[2]劉琳琳， 邱紅星， 時梅林等. 基于光電傳感器的便攜式心率監(jiān)護系統(tǒng)設計[J]. 影像技術， 2018， 第30卷（2）：85-88.

[3]張家盛，張加嶺，禹東川，等.可穿戴式心率檢測系統(tǒng)的設計[J].自動化與儀器儀表，2015，23（2）：107-108.

[4]孫匯陽.一種基于霍爾傳感器的自行車測速儀[J].福建電腦，2018，34（12）：140.DOI：10.16707/j.cnki.fjpc.2018.12.077.

[5]祝鳳蓮.基于DS1302的數(shù)字鐘設計[J].科技廣場，2012（07）：126-128.

[6]趙光晶， 趙鳴， 張友浩等. 基于STC89C52單片機的心率檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 智能計算機與應用， 2021， 第11卷（5）：94-96，102.

[7]丁思發(fā)，詹清輝.基于霍爾傳感器自行車測速系統(tǒng)的設計[J].信息系統(tǒng)工程，2018（07）：33-34.

[8]趙丹丹，陸 劍.基于A3144E無線測速系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].自動化技術與應用，2014，33（10）：70-74.

基金項目：廣西大學生創(chuàng)業(yè)訓練項目太陽能充電智能心率監(jiān)測騎行儀（項目編號：202110595286）項目成果