一、 引言
骑行,作为一项绿色健康的运动方式,越来越受到人们的喜爱。而记录骑行数据,分析速度、里程等信息,则成为了许多骑行爱好者的追求。本篇文章将带你使用STM32单片机,DIY一款功能完备的自行车码表,记录你的每一次骑行轨迹!
二、 功能概述
本项目将实现以下功能:
- 实时速度显示: 利用霍尔传感器采集车轮转速,计算并显示实时速度。
- 里程统计: 记录单次和总里程,方便用户了解骑行距离。
- 骑行时间记录: 记录单次骑行时间,方便用户掌握运动量。
- 轨迹记录: 利用GPS模块获取经纬度信息,记录骑行轨迹,并在手机APP上进行查看。
- 数据存储: 将骑行数据存储到外部Flash芯片,方便用户后续查看和分析。
- LCD显示: 使用LCD屏幕实时显示速度、里程、时间等信息。
- 蓝牙传输: 通过蓝牙模块将骑行数据传输至手机APP,实现更丰富的功能和数据分析。
三、 系统设计
3.1 硬件设计
本项目硬件部分主要由以下模块组成:
- 主控芯片: STM32F103C8T6,性价比高,性能满足项目需求。
- 霍尔传感器: 用于检测车轮转速,可选择磁铁+霍尔传感器组合或一体式霍尔传感器。
- GPS模块: 用于获取经纬度信息,记录骑行轨迹,可以选择支持GPS+北斗双模的模块,提高定位精度。
- LCD显示屏: 用于显示速度、里程、时间等骑行数据,可以选择1602、OLED等类型。
- 蓝牙模块: 用于与手机APP进行数据传输,可以选择HC-05、HM-10等蓝牙2.0模块,或CC2540、nRF51822等蓝牙4.0/BLE模块。
- 外部Flash: 用于存储骑行数据,可以选择SPI接口的Flash芯片,容量根据需求选择。
- 电源模块: 为整个系统提供电源,可以使用锂电池供电,并设计充电电路。
3.2 软件设计
软件部分主要包括以下几个模块:
- 传感器数据采集: 通过定时器中断读取霍尔传感器数据,计算车轮转速。
- 数据处理: 对传感器数据进行滤波处理,计算实时速度、里程等信息。
- 显示控制: 将处理后的数据格式化输出到LCD屏幕上。
- 蓝牙通信: 通过蓝牙模块与手机APP进行数据交互,发送实时数据和接收控制指令。
- 数据存储: 将骑行数据存储到外部Flash芯片,方便用户后续查看和分析。
四、 软件实现
4.1 霍尔传感器数据采集
四、 软件实现
本项目的软件部分基于STM32标准库进行开发,核心代码使用C语言编写,并结合STM32CubeMX进行初始化配置,简化开发流程。
4.1 霍尔传感器数据采集
霍尔传感器用于检测车轮转动,每次磁铁经过传感器时,会产生一个脉冲信号。我们利用STM32的定时器中断来捕捉这个脉冲信号,并计算车轮转速。
// 定时器中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) // 判断定时器更新中断
{
// 读取霍尔传感器状态
sensor_state = GPIO_ReadInputDataBit(SENSOR_GPIO_PORT, SENSOR_GPIO_PIN);
// 判断上升沿,计算脉冲个数
if (sensor_state == SET && last_sensor_state == RESET)
{
pulse_count++;
// 计算时间差
current_time = TIM_GetCounter(TIM2);
time_diff = current_time - last_time;
last_time = current_time;
// 计算速度,避免除零错误
if (time_diff > 0)
{
speed = (WHEEL_CIRCUMFERENCE * 3600.0) / (time_diff * TIM2_PRESCALER); // 单位:km/h
}
}
last_sensor_state = sensor_state;
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); // 清除中断标志位
}
}
在定时器中断服务函数中,我们首先读取霍尔传感器的状态。如果检测到上升沿,则认为车轮转动一圈,脉冲计数加一。同时,我们记录当前时间和上次时间,计算时间差,并根据预设的车轮周长和定时器预分频系数计算出实时速度。
4.2 数据处理
为了提高数据准确性,我们需要对原始的传感器数据进行滤波处理,去除噪声干扰。同时,我们还需要根据速度计算里程,并进行其他数据统计。
// 数据处理函数
void data_process(void)
{
// 使用滑动平均滤波器对速度进行滤波
filtered_speed = (int)(0.9 * filtered_speed + 0.1 * speed);
// 计算里程,单位:km
distance += (float)filtered_speed * TIME_INTERVAL / 3600.0;
// ...其他数据处理,如时间统计、最大速度记录等
}
这里我们使用简单的滑动平均滤波器对速度进行平滑处理。当然,你也可以根据实际情况选择其他滤波算法,例如卡尔曼滤波等。
4.3 显示控制
为了直观地显示骑行数据,我们使用LCD屏幕进行实时显示。
// LCD显示函数
void display_data(void)
{
// 清屏
LCD_Clear(Black);
// 显示速度
LCD_SetCursor(0, 0);
LCD_Printf("Speed: %2d.%d km/h", (int)filtered_speed, (int)(filtered_speed * 10) % 10);
// 显示里程
LCD_SetCursor(0, 1);
LCD_Printf("Dist: %d.%d km", (int)distance, (int)(distance * 10) % 10);
// ...显示其他数据,如时间、平均速度等
}
在LCD显示函数中,我们首先清屏,然后使用LCD库函数将速度、里程等信息格式化输出到LCD屏幕上。
4.4 蓝牙通信
为了实现更丰富的功能,例如数据记录、轨迹显示等,我们可以使用蓝牙模块将骑行数据传输到手机APP。
// 蓝牙数据发送函数
void bluetooth_send_data(void)
{
// 数据打包
uint8_t data_packet[PACKET_SIZE];
data_packet[0] = 0xAA; // 数据头
data_packet[1] = (uint8_t)(filtered_speed >> 8);
data_packet[2] = (uint8_t)filtered_speed;
// ...打包其他数据,如里程、时间等
// 通过蓝牙发送数据
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, data_packet, sizeof(data_packet));
}
在蓝牙数据发送函数中,我们首先定义一个数据包,将需要发送的数据按照一定的协议格式进行打包。这里我们使用了简单的协议,数据包开头为固定的数据头,后面跟着各个数据项。数据打包完成后,我们使用HAL库函数 HAL_UART_Transmit_DMA
将数据通过蓝牙模块发送出去。
4.5 数据存储
为了保存骑行数据,方便用户后续查看和分析,我们可以使用外部Flash芯片进行数据存储。
// 数据存储函数
void data_store(void)
{
// 将骑行数据写入Flash
uint32_t address = FLASH_START_ADDR + data_counter * sizeof(RideData);
RideData data;
data.speed = filtered_speed;
data.distance = distance;
// ...存储其他数据
// 使用HAL库函数将数据写入Flash
if (HAL_FLASH_Unlock() == HAL_OK)
{
if (HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, address, (uint32_t *)&data, sizeof(RideData)/4) == HAL_OK)
{
data_counter++; // 数据计数加一
HAL_FLASH_Lock();
}
else
{
// 处理写入错误
}
}
else
{
// 处理解锁错误
}
}
在数据存储函数中,我们首先定义一个结构体 RideData
用于存储一次骑行的数据,例如速度、里程、时间等。然后,我们使用HAL库函数 HAL_FLASH_Unlock
解锁Flash,使用 HAL_FLASH_Program
将数据写入指定地址,最后使用 HAL_FLASH_Lock
锁定Flash。
五、 手机APP设计
为了更方便地查看和分析骑行数据,我们可以开发配套的手机APP。APP可以通过蓝牙接收码表发送的数据,并实现以下功能:
- 实时数据显示: 实时显示速度、里程、时间、轨迹等信息。
- 历史数据查看: 查看历史骑行记录,并进行数据分析。
- 轨迹地图显示: 在地图上显示骑行轨迹,并可以分享到社交平台。
- 设置参数: 设置车轮周长、时间格式等参数。
手机APP的开发可以使用Java、Kotlin、Swift等语言,并选择合适的蓝牙库进行开发。
六、 总结
本文介绍了基于STM32的自行车码表的设计与实现,涵盖了硬件设计、软件实现、手机APP设计等方面。通过本项目的学习,可以掌握STM32单片机开发、传感器应用、蓝牙通信、数据存储等知识。当然,你也可以根据自己的需求,扩展更多功能,例如心率监测、踏频测量、导航等,打造一款功能更强大的智能自行车码表!
相关知识点链接
- STM32开发:
- 蓝牙:
- 蓝牙协议栈
- 你所选蓝牙模块的AT指令集文档