基于 PLC 动感单车转速指示系统的研究

引 言

动感单车是一种结合了音乐、视觉效果等独特的充满活力的室内自行车训练课程，在克服了室外行驶的一切缺点后， 由于技术上的改进，这项运动在简单易学之余，成为一项能够使全身得到锻炼的有氧运动。动感单车与一般自行车相似， 但在作用与功能上都已经得到了改良。动感单车经过科学实验采取人工力学工程的方法设计，充分减少腰部参与，适合人体要求，且能使健身达到最大效果。

如今人们为了拥有更健康的体魄，除了平日锻炼，更多的是去健身房，动感单车作为健身房热门项目，除了锻炼效果好，劲爆的音乐、绚丽的灯光使其既有动感又有趣味。动感单车的速度一般采用显示屏显示数值，本文系统采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）与霍尔传感器测出转速，并通过灯的数量显示，转速越快灯亮的越多，增添不少趣味 [1]。PLC 是专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 / 输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分 [2]。虽然价格上因为品牌的不同有较大差异，但是 PLC 是一种已经成型并有较好稳定性的产品，比起直接设计单片机方便不易损坏。

1 动感单车转速指示系统的架构

动感单车转速指示系统主要由 PLC、霍尔传感器、电源、指示灯组成。在动感单车上安装好霍尔传感器后，脉冲信号通过 PLC 输入端输入。系统运行时，PLC 接收到脉冲，并通过程序处理计算出单位时间内脉冲数。通过脉冲数的多少， PLC 控制显示灯的数量。速度越快，脉冲数越多，显示灯越多。动感单车转速指示系统原理如图 1 所示。

2 霍尔传感器

霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，由于霍尔元件产生的电势差较小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上 [3]。霍尔传感器除了具有无触点、寿命长、温度性能好等优点外，还具有响应频率高、抗电磁干扰能力强、输出波形稳定、不受转速影响等优点 [4]。本文选用开关型霍尔传感器，内部电路如图 2 所示。当霍尔传感 H 与磁铁接触时，获得的信号经过运放A 放大，进入施密特触发电路，产生的脉冲信号 V0 可直接进入 PLC 输入端。

系统运行时，将一个小磁铁固定在动感单车的轮子上， 轮子转动，小磁铁通过霍尔传感器产生相应脉冲，一圈得一个脉冲。由 PLC 采集脉冲，可计数得到车轮所转圈数，通过计算两个脉冲间隔时间 T 和车轮周长 L 可得转速 [3]S=L/T。霍尔传感器与车轮的安装示意如图 3 所示。

本文系统所用霍尔传感器为 PNP 型，实物如图 4 所示。传感器上三根不同颜色的线可与 PLC 相接，其中，棕色线接正极，蓝色线接负极，黑色为信号线，与 PLC 输入端相连。

图 4 霍尔传感器实物

3 PLC 编程逻辑控制器

本文采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数及算术运算等，通过数字式或模拟式的输入输出控制各种类型的机械设备或生产过程 [5]。

系统选用 PLC S7-200 CPU224XP AC/DC/RLY，其接口如图 5 所示。

霍尔传感器接入 1 个输入端，10 个显示灯接入输出端。初步测定动感单车车轮每分钟最快转 120 圈，即每秒 2 圈，则 5秒最多转 10圈。因此，为了得到更好的显示效果，设定 5 秒输出一次结果。当车轮转 1 圈时，得到 1 个脉冲，转10圈时，得到 10个脉冲。1个脉冲对应 1个灯亮，10个脉冲对应 10个灯亮，圈数越多灯亮的越多，圈数越少灯亮的越少，最快时可实现 10 个灯亮。通过这种设计，可实现通过指示灯指示转速。同时计数得到的是整数，便于程序实现比较。在 PLC 程序中，通过设定寄存器的值，实现对系统运行状态与执行设备的控制 [6]。PLC 程序流程如图 6 所示。

PLC 程序通过 STL 编写，根据程序流程实现的 PLC 程序如下 ：

4 结 语

本文系统的运用给动感单车增添了很多趣味，在健身房使用动感单车时，显示灯可随着自己的节奏亮起，使人们对动感单车运动增添无限兴趣。该系统采用的 PLC 运行平稳，不易损坏，安全性方面较有保障，程序实现稳定可靠，相比于其他实现方式（如单片机）具有稳定性好、可靠性高等优点， 具有较好的应用与推广价值。