使用粒子光子跟蹤自行車運動

描述

概述

無論您是想吹噓自己能跑多快，還是只想跟蹤周末的自行車旅行，這個項目都可以讓您密切關(guān)注距離、速度和加速度。兩個粒子光子和一個霍爾效應傳感器用于測量自行車后輪胎的轉(zhuǎn)數(shù)。這允許計算距離、速度和加速度。

硬件

電氣設置

對于電子元件設置，我們需要兩個粒子光子和兩個小型無焊面包板。可以從 Particle 以每個 19.00 美元的價格購買粒子光子。我們還需要一些跳線、兩個4-AA 電池座、各種電阻器、一個霍爾效應傳感器和一個OLED 顯示屏。有關(guān)電路圖，請參閱原理圖部分。

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沒有電池組的車速表光子電路設置

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無電池組的數(shù)據(jù)采集光子電路設置

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安裝設置

對于安裝設置，我們使用 3d 打印機制作外殼。.stl 文件可以在附件部分找到。

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車速表外殼

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數(shù)據(jù)采集??光子外殼

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根據(jù)您的自行車以及您想要安裝外殼的方式，您可能需要編輯一些尺寸。這種特殊的設置為自行車把立部分使用了 0.5 英寸的直徑。

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本項目使用的自行車把立頸

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拉鏈用于將支架固定在自行車上，但也可以使用更永久的選項，例如金屬系帶。

將電氣和安裝設置放在一起

速度計光子[顯示模塊]

也許這個項目最困難的部分是將電氣元件設置安裝到外殼中。建議從速度計中使用的面包板上取下側(cè)翼片，以獲得額外的空間。由于塑料向上偏轉(zhuǎn)，面包板應滑入到位并“鎖定”。

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速度計外殼中帶有側(cè)片的面包板

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我們還需要將電纜連接到顯示器。我們使用連接到公對公線的母對母線，因為由于高度限制，實際上沒有多少母對公線可以安裝在外殼中。母線對母線是這樣捆綁的：

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母-母線束

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然后連接并固定公-公線：

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母-母和公-母線束

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如果兩者之間的連接不是很牢固，您可能需要在此交叉點將兩個捆綁包粘在一起。我們使用的那些可以很好地卡入到位，并且需要最少的膠帶。將電纜組件放在一起后，將其穿過速度表前面的插槽：

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通過槽饋線組件

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你可能想用一根小繩子來引導它。圖中還有插入底部隔間的電池組。它只是滑入到位并由門固定到位。現(xiàn)在是最困難的部分，將電路安裝到上部隔間中。我們建議使用膠帶將電線固定下來，這樣它們就不會滑出面包板。或者，您可以只焊接電線，但這會耗費更多時間。非常有組織的電路插入：

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上層車速表

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同樣，請注意面包板的尺寸已減小以適應電線。最后一件事是連接屏幕。印刷了一個小的間隔塊以調(diào)整屏幕高度。您可以不使用此塊，但如果您想調(diào)整屏幕與您在自行車上的角度，這是一種方法。我們打印的墊片看起來像：

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屏幕間隔

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在使用墊片固定屏幕后，或僅使用原始模型中的配置后，速度計光子幾乎完成。只需將電池組插入支架，然后將其打開！

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完成車速表支架

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數(shù)據(jù)采集??光子[霍爾效應傳感器模塊]

這種組裝比 Speedometer Photon 容易得多。一旦電路組裝好，面包板就可以滑入到位。唯一需要的預防措施是首先將 LED 連接到面包板上，將其穿過其中一個外殼孔，然后用您喜歡的粘合劑將其固定到外殼上。這可以在最終構(gòu)建中看到：

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完成數(shù)據(jù)采集光子

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然而，在我們完成這個組裝之前，我們還有一點路要走。組裝電路后，建議使用膠帶將電線固定到面包板上。或者，可以為此使用焊料。

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把電線綁下來

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將電線用膠帶固定好后，將霍爾效應傳感器和電池組電線從外殼中剩余的 2 個孔中引出。

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饋線

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電線應如上圖所示。現(xiàn)在，剩下要做的就是把面包板滑進去，把電池組滑進去，然后把門關(guān)上。此外，請記住將代碼閃存到光子。將兩個 Photon 電路組裝并放置在它們的外殼中后，我們就可以開始將它們安裝到自行車上。

安裝

速度計光子

唯一的步驟是將外殼用拉鏈系在自行車上，如圖所示：

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完成車速表

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數(shù)據(jù)采集??光子

這個 Photon 很容易安裝，但在霍爾效應傳感器方面需要一些額外的工作。首先，如圖所示將外殼安裝到自行車上：

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數(shù)據(jù)采集??光子安裝

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安裝外殼后，拿起電線并將它們粘在框架上，然后將它們捆綁在一起。為了獲得出色的外觀和組織，可以將電線編織成這樣：

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最佳電線編織示例（來源：BoatUS）

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將電線拉向自行車后部。您應該以如下所示的霍爾效應傳感器放置結(jié)束：

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霍爾效應傳感器放置

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照片中還可以看到磁鐵的位置。對于這個項目，我們首先嘗試使用傳統(tǒng)的自行車輻條磁鐵，但發(fā)現(xiàn)它們的強度不足以觸發(fā)霍爾效應傳感器。我們想出的解決辦法是使用更堅固但更丑陋的磁鐵。安裝磁鐵的重要細節(jié)是確保它們與車輪中心的距離相等，并且沿車輪的轉(zhuǎn)動方向等距。我們選擇使用 4 個磁鐵，但代碼設計為可以更改控制磁鐵數(shù)量的單個變量，以自定義自行車上使用的磁鐵數(shù)量。存在的磁鐵越多，速度表的精度就會越高。但是，請記住，Photon 收集數(shù)據(jù)的速度不會超過其時鐘速度（120MHz）。完成的設置如下所示：

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霍爾效應傳感器安裝完成

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至此，整個組裝完成。成品應如下所示：

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完成組裝

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計算

為了估計自行車的速度，需要位置對時間的導數(shù)的離散形式。速度通過位置變化除以時間變化來估計。為了找到距離，使用輪子的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和輪子每轉(zhuǎn)所經(jīng)過的距離。霍爾效應傳感器模塊和安裝在自行車車輪周圍的磁鐵用于確定轉(zhuǎn)數(shù)（霍爾效應傳感器通過磁鐵的次數(shù)除以磁鐵的數(shù)量），并使用卷尺來確定轉(zhuǎn)數(shù)。車輪轉(zhuǎn)動所經(jīng)過的距離。對于從霍爾效應傳感器模塊到顯示模塊的每次數(shù)據(jù)提交，都會有3.3第二個時間窗口來觀察通過。當?shù)谝淮瓮ㄟ^時3.3檢測到第二個窗口（通過零），計時器啟動并增加通過之間的時間。從3.3第二個窗口用于確定平均速度的參數(shù)是通過零后的通過次數(shù)以及通過零和最終通過之間的時間。使用上面列出的參數(shù)通過此處的代碼計算速度：

calculatedvelocity = ((simplefloat-(1))*(calibration/(magcount*timepass*5280*12/(3600*1000))));
// simplefloat - Number of Passes in 3.3 second window including pass zero
// calibration - Distance traveled per rotation of the wheel in Inches
// magcount    - Number of Magnets on the Wheel
// timepass    - time passed between pass zero and the final pass in milliseconds
// conversions - 12 inches in 1 foot
//               5280 feet in 1 mile
//               3600 seconds in 1 hour
//               1000 seconds in 1 millisecond
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對于提交到 Thingspeak 實時圖表的數(shù)據(jù)，原始傳遞次數(shù)和16.5秒時間窗口（Thingspeak 需要 15 秒之間的數(shù)據(jù)提交）用于確定平均速度。由于提交給 Thingspeak 的數(shù)據(jù)的時間窗口很大，因此錯誤時間被認為是微不足道的。

Thingspeak 實時圖表

速度是使用 webhook 集成實時繪制的，以將粒子發(fā)布數(shù)據(jù)從光子發(fā)送到 Thingspeak。使用 MATLAB，速度數(shù)據(jù)用于繪制行駛距離、速度、加速度和空閑時間的圖表。通過運動學方程的離散計算并使用未知常數(shù)為零的假設來確定行進距離和加速度。空閑時間是霍爾效應傳感器打開但沒有明顯運動（速度小于 1 MPH）的時間。用于該項目的設備的所有這些圖表都可以在此處公開訪問：Thingspeak Graphs, 注意：有時 Thingspeak 無法正確加載 MATLAB 代碼并返回錯誤，需要刷新頁面才能解決此問題。以下是圖表頁面的示例，其中包含 2018 年 9 月 11 日的測試數(shù)據(jù)：

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Thingspeak 輸出圖示例 (11/09/2018)

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