一种基于加速度计的转速或速度测量装置及检测方法
阅读：236发布：2020-05-17
专利汇可以提供一种基于加速度计的转速或速度测量装置及检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于 加速 度计 的转速或速度测量装置及检测方法，由安装在载体上的传感检测部和安装在远端的某个固定物上的处理显示部组成，传感检测部和处理显示部之间采用无线通信的连接方式。利用加速度计的输出 信号 ，提取出载体转动的 向心加速度 ，通过向心加速度和转速以及转动半径的关系得到载体的转速，或者在时域、频域内对加速度计输出的周期性信号进行检测，直接得到载体转动的周期或 频率 ，进而得到载体的转速或速度。采用本发明的转速或速度测量装置具有成本低、结构简单、测量范围广、 分辨率 高等优点，同时该装置还具有远程监测载体状况并给出提示报警功能的特点。，下面是一种基于加速度计的转速或速度测量装置及检测方法专利的具体信息内容。
1、一种基于加速度计的转速或速度测量装置，其特征在于，由安装 在载体上的传感检测部和安装在远端的某个固定物上的处理显示部组 成，传感检测部与处理显示部连接，传感检测部用于感测、处理并无线 发射载体的运动信息；处理显示部用于接收传感检测部发送的载体运动 信息并进行处理和显示，所述传感检测部和处理显示部之间采用无线通 信的连接方式。
2、根据权利要求1所述的转速或速度测量装置，其特征在于，传感 检测部由加速度计、信号预处理单元、无线发射单元和发送天线构成， 信号预处理单元串联在加速度计与无线发射单元之间，加速度计感测载 体的运动并生成模拟电压输出；信号预处理单元接收模拟电压并生成数 字或脉冲信号，并将数字或脉冲信号传给无线发射单元并通过发送天线 发送出去。
3、根据权利要求1所述的转速或速度测量装置，其特征在于，处理 显示部由接收天线、无线接收单元、微处理器和显示单元构成，微处理 器位于无线接收单元与显示单元之间并串联连接，无线接收单元通过接 收天线接收传感检测部发过来的数字或脉冲信号，微处理器对接收的数 字或脉冲信号进行处理，解算出载体的转速或速度，微处理器控制显示 单元显示得到的转速或速度。
4、根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述加速度计为单轴、 双轴或三轴的加速度计。
5、根据权利要求1的测量装置，其特征在于，所述信号预处理单元 为模数转换器或比较器。
6、一种基于加速度计的转速或速度的检测方法，其特征在于，利用 加速度计的输出信号，提取出载体转动的向心加速度，通过向心加速度 和转速以及转动半径的关系得到载体的转速，或者在时域、频域内对加 速度计输出的周期性信号进行检测，直接得到载体转动的周期或频率， 进而得到载体的转速或速度。
7、根据权利要求6的检测方法，其特征在于，利用加速度计输出的 重力加速度和向心加速度在敏感轴上的合加速度，通过求和平均法提取 出载体的向心加速度，进而得到载体的转速或速度。
8、根据权利要求6的检测方法，其特征在于，利用加速度计输出的 周期性信号，在时域内，通过检测周期性信号的波峰或波谷，或者把加 速度计的输出转变为同频率的方波信号进行脉冲计数得出载体的转动周 期或转动频率，进而得到载体的转速或速度。
9、根据权利要求6的检测方法，其特征在于，在频域内对加速度计 输出的周期性信号进行频谱分析，幅度峰值所对应的频率即为载体的转 动频率，进而得到载体的转速或速度。
10、根据权利要求6的检测方法，其特征在于，还在于通过加速度 计监测载体的状况，并对异常情况进行分析，给出提示报警信号或通知 远端的处理显示部给出提示报警信号。
技术领域
本发明涉及转速或速度传感检测领域，具体地说，是一种转速或速 度测量装置，同时该装置具有一定的提示报警功能。
背景技术
在人们的日常生活生产过程中，转速(或速度)测量装置随处可见， 比如汽车的车速表、转速表，自行车的码表以及各种发动机的转速表等。 这些转速(或速度)测量装置感测转速(或速度)的方式也不尽相同。 传统的车速表是机械式的，典型的机械式车速表连接一根软轴，软轴内 有一根钢丝缆，软轴另一端连接到变速器某一个齿轮上，齿轮旋转带动 钢丝缆旋转，钢丝缆带动里程表罩圈内一块磁铁旋转，罩圈与指针联接 并通过游丝将指针置于零位，磁铁旋转速度的快慢引起磁力线大小的变 化，平衡被打破指针因此被带动。这种车速里程表简单实用，被广泛用 于大小型汽车上。不过，随着电子技术的发展，现在很多轿车仪表已经 使用电子车速表，常见的一种是从变速器上的速度传感器获取信号，通 过脉冲频率的变化使指针偏转或者显示数字。自行车所使用的码表多基 于电磁感应原理，在自行车轮辐条上安装一个永磁体，自行车架上安装 一个单簧管，自行车轮每旋转一圈，单簧管切割磁体的磁力线产生一个 电脉冲，记下电脉冲的频率就可以知道车轮的转速，如果预先知道车轮 周长，自行车速度就可以由转速乘以车轮周长得到。
加速度计作为一种高精度的运动传感器由于其昂贵的价格一直都只 是应用在惯性导航领域，近年来由于MEMS技术的突飞猛进，众多半导 体厂商(ADI、Freescale、ST等)都推出了各自的MEMS加速度传感器 芯片，并且被大量地应用在了汽车(辅助导航、碰撞检测等)和消费电 子(硬盘保护、相机防抖、交互式游戏等)领域。基于MEMS技术的加 速度计有着成本低、功耗低、体积小、可靠性高、安装方便等特点，必 将在越来越多的领域得到更加广泛的应用。
另一种惯性传感器——陀螺仪也可以用来感测载体的角速率，但是 由于陀螺仪的成本较高，不适用于一般场合的转速测量，而且陀螺仪的 动态范围比较小，不适合大动态范围的转速测量。那么低成本的加速度 计有没有可能用来进行转速(或速度)测量呢？答案是肯定的。如果把 加速度计固定在转动的载体上，那么在转动的过程中，加速度计能感测 到跟转动直接相关的多个物理量：转动的向心加速度、加速度计方位变 化引起的重力加速度在敏感轴上的分量的变化等。那么只要从加速度计 的输出信号中提取出这些物理量，载体的转速(或速度)就可以得到了。
加速度计作为一种高精度的运动传感器由于其昂贵的价格一直都只 是应用在惯性导航领域，近年来由于MEMS技术的突飞猛进，众多半导 体厂商(ADI、Freescale、ST等)都推出了各自的MEMS加速度传感器 芯片，并且被大量地应用在了汽车(辅助导航、碰撞检测等)和消费电 子(硬盘保护、相机防抖、交互式游戏等)领域。基于MEMS技术的加 速度计有着成本低、功耗低、体积小、可靠性高、安装方便等特点，必 将在越来越多的领域得到更加广泛的应用。
另一种惯性传感器——陀螺仪也可以用来感测载体的角速率，但是 由于陀螺仪的成本较高，不适用于一般场合的转速测量，而且陀螺仪的 动态范围比较小，不适合大动态范围的转速测量。那么低成本的加速度 计有没有可能用来进行转速(或速度)测量呢？答案是肯定的。如果把 加速度计固定在转动的载体上，那么在转动的过程中，加速度计能感测 到跟转动直接相关的多个物理量：转动的向心加速度、加速度计方位变 化引起的重力加速度在敏感轴上的分量的变化等。那么只要从加速度计 的输出信号中提取出这些物理量，载体的转速(或速度)就可以得到了。
发明内容
现有的转速或速度测量装置大多是机械接触式的，需要有机械构件 将载体和转速或速度测量装置相连接，因而设计较复杂，成本相对较高， 而且是安装在系统内部的，不方便维护，并且传统的转速测量装置的测 量范围比较小，大范围的转速测量装置价格又比较昂贵；为了克服现有 转速或速度测量装置的种种缺点，本发明提出了一种新型的基于加速度 计的转速或速度检测装置和几种基于加速度计进行转速或速度检测的方 法，并且实现提示报警的附加功能。
为达成所述目的，本发明的基于加速度计的转速或速度测量装置， 由安装在载体上的传感检测部和安装在远端的某个固定物上的处理显示 部组成，传感检测部与处理显示部连接，传感检测部用于感测、处理并 无线发射载体的运动信息；处理显示部用于接收传感检测部发送的载体 运动信息并进行处理和显示，所述传感检测部和处理显示部之间采用无 线通信的连接方式。
为达成所述目的，本发明的基于加速度计的转速或速度检测方法， 利用加速度计的输出信号，提取出载体转动的向心加速度，通过向心加 速度和转速以及转动半径的关系得到载体的转速，或者在时域、频域内 对加速度计输出的周期性信号进行检测，直接得到载体转动的周期或频 率，进而得到载体的转速或速度。
采用本发明的转速或速度测量装置有如下的有益效果：
传统的车速表、里程表等都有一些接触性的机械装置连接到变速箱 的齿轮上，以获得转速信息，这样的设计不可避免地增加了系统机械设 计的复杂度，而采用本发明的转速或速度检测装置，可以将传感检测部 直接安装在车轮上面，用来感测车轮的转动，而传感检测部和处理显示 部之间采用的是无线通信的方式，所以就不需要有任何其他的机械部件， 简化了系统的结构。
采用本发明的转速或速度测量装置还可以作为传统的车速表、里程 表的补充，当成备用表来使用，在主表出现故障的时候提供必要的车速 等信息，提高系统的可靠性；而且采用本发明的转速或速度检测装置是 一个完全独立的系统，不需要在原有系统上做任何改装，也不会增加整 个系统的复杂度。此外，采用本发明的转速或速度检测装置还能够探测 到汽车危险状况的发生(比如碰撞)，在发生碰撞的时候，本发明传感 检测部的加速度计能感测到加速度的急剧变化，从而采取必要的保护措 施(例如通知安全气囊的打开)。
采用本发明的转速或速度测量装置还可以用于自行车的码表，与传 统的码表相比，本发明的码表少了一个部件，简化了系统的结构；而且 本发明的码表提供了传统的码表所不具备的防盗报警功能，传统的码表 只能感测到车轮的转动，对自行车的其他运动都没法感测，而采用本发 明的码表则能感测到所有的运动。假如自行车被人搬走，车轮没有转动， 所以传统的码表不会有任何反应，但是在搬动的过程中不可避免地要产 生加速度的变化(重力加速度的变化，振动等)，因而采用本发明的码 表就能够感测到这些变化，进而给出报警信号。
采用本发明的转速或速度测量装置还具有成本低的优势，由于半导 体技术的飞速发展，半导体器件正在以越来越低廉的价格和更高的性能 深入到各个应用领域，实现本发明的成本要低于传统机械式的转速或速 度测量装置。并且可以预见的是随着半导体产业的发展，本发明的转速 或速度测量装置的成本将会越来越低，并且性能会越来越好。
采用本发明的转速或速度测量装置还具有测量范围广，分辨率高等 特点，以往传统的转速或速度测量装置的转速测量范围大概为每分钟几 千转，更大测量范围的转速或速度测量装置的价格都非常昂贵。而采用 本发明的转速或速度测量装置使用的MEMS加速度计具有响应速度快、 带宽大的特点，理论上来讲可以测量到每分钟几万转的高转速。同时由 于传统的转速或速度测量装置(比如自行车码表)在车轮转动一周的过 程中只能产生一个脉冲信号，分辨率比较低，而本发明的转速或速度测 量装置可以采用检测向心加速度方法来测量转速，在车轮转动的每一时 刻都能够感测到速度的变化，因而分辨率较高。
附图说明
图1本发明转速或速度测量装置的系统框图；
图2本发明系统实施例示意图
图3本发明载体旋转过程示意图
图4本发明周期信号到方波信号转换示意图
图5本发明加速度计的输出信号图
图6本发明无线码表示意图
为达成所述目的，本发明的基于加速度计的转速或速度测量装置， 由安装在载体上的传感检测部和安装在远端的某个固定物上的处理显示 部组成，传感检测部与处理显示部连接，传感检测部用于感测、处理并 无线发射载体的运动信息；处理显示部用于接收传感检测部发送的载体 运动信息并进行处理和显示，所述传感检测部和处理显示部之间采用无 线通信的连接方式。
为达成所述目的，本发明的基于加速度计的转速或速度检测方法， 利用加速度计的输出信号，提取出载体转动的向心加速度，通过向心加 速度和转速以及转动半径的关系得到载体的转速，或者在时域、频域内 对加速度计输出的周期性信号进行检测，直接得到载体转动的周期或频 率，进而得到载体的转速或速度。
采用本发明的转速或速度测量装置有如下的有益效果：
传统的车速表、里程表等都有一些接触性的机械装置连接到变速箱 的齿轮上，以获得转速信息，这样的设计不可避免地增加了系统机械设 计的复杂度，而采用本发明的转速或速度检测装置，可以将传感检测部 直接安装在车轮上面，用来感测车轮的转动，而传感检测部和处理显示 部之间采用的是无线通信的方式，所以就不需要有任何其他的机械部件， 简化了系统的结构。
采用本发明的转速或速度测量装置还可以作为传统的车速表、里程 表的补充，当成备用表来使用，在主表出现故障的时候提供必要的车速 等信息，提高系统的可靠性；而且采用本发明的转速或速度检测装置是 一个完全独立的系统，不需要在原有系统上做任何改装，也不会增加整 个系统的复杂度。此外，采用本发明的转速或速度检测装置还能够探测 到汽车危险状况的发生(比如碰撞)，在发生碰撞的时候，本发明传感 检测部的加速度计能感测到加速度的急剧变化，从而采取必要的保护措 施(例如通知安全气囊的打开)。
采用本发明的转速或速度测量装置还可以用于自行车的码表，与传 统的码表相比，本发明的码表少了一个部件，简化了系统的结构；而且 本发明的码表提供了传统的码表所不具备的防盗报警功能，传统的码表 只能感测到车轮的转动，对自行车的其他运动都没法感测，而采用本发 明的码表则能感测到所有的运动。假如自行车被人搬走，车轮没有转动， 所以传统的码表不会有任何反应，但是在搬动的过程中不可避免地要产 生加速度的变化(重力加速度的变化，振动等)，因而采用本发明的码 表就能够感测到这些变化，进而给出报警信号。
采用本发明的转速或速度测量装置还具有成本低的优势，由于半导 体技术的飞速发展，半导体器件正在以越来越低廉的价格和更高的性能 深入到各个应用领域，实现本发明的成本要低于传统机械式的转速或速 度测量装置。并且可以预见的是随着半导体产业的发展，本发明的转速 或速度测量装置的成本将会越来越低，并且性能会越来越好。
采用本发明的转速或速度测量装置还具有测量范围广，分辨率高等 特点，以往传统的转速或速度测量装置的转速测量范围大概为每分钟几 千转，更大测量范围的转速或速度测量装置的价格都非常昂贵。而采用 本发明的转速或速度测量装置使用的MEMS加速度计具有响应速度快、 带宽大的特点，理论上来讲可以测量到每分钟几万转的高转速。同时由 于传统的转速或速度测量装置(比如自行车码表)在车轮转动一周的过 程中只能产生一个脉冲信号，分辨率比较低，而本发明的转速或速度测 量装置可以采用检测向心加速度方法来测量转速，在车轮转动的每一时 刻都能够感测到速度的变化，因而分辨率较高。
附图说明
图1本发明转速或速度测量装置的系统框图；
图2本发明系统实施例示意图
图3本发明载体旋转过程示意图
图4本发明周期信号到方波信号转换示意图
图5本发明加速度计的输出信号图
图6本发明无线码表示意图
具体实施方式
下面就本发明的各个方面给出一些具体的实施例：
本发明的转速或速度检测装置系统框图如图1所示，主要由安装在载体 上的传感检测部1和安装在远端的某个固定物上的处理显示部2组成， 传感检测部1与处理显示部2连接，传感检测部1用于感测、处理并无 线发射载体的运动信息；处理显示部2用于接收传感检测部1发送的载 体运动信息并进行处理和显示，所述传感检测部1和处理显示部2之间 采用无线通信的连接方式。
传感检测部1由加速度计11、信号预处理单元12、无线发射单元13 和发送天线14构成。传感检测部1安装在旋转的载体上面，信号预处理 单元12串联在加速度计11与无线发射单元13之间，加速度计11的敏 感轴指向旋转中心，用来感测载体的运动信息，并生成模拟电压输出； 信号预处理单元12接收加速度计11的模拟电压并生成数字或脉冲信号， 并将此数字或脉冲信号由无线发射单元13通过发送天线14发送出去。 处理显示部2由接收天线24、无线接收单元21、微处理器22和显示单 元23构成。处理显示部2安装在远端的某个固定物上，微处理器22位 于无线接收单元21与显示单元23之间并串联连接，无线接收单元21通 过接收天线24接收传感检测部1发过来的数字或脉冲信息，然后传给微 处理器22对接收的数字或脉冲信号进行处理，解算出载体的转速(或速 度)等运动参数，微处理器22控制显示单元23显示得到的运动参数。 发送天线14和接收天线24的主要任务是建立传感检测部1和处理显示 部2之间的无线数据传输通道，根据所选用的无线频率采用与之相对应 的天线类型，具体可供选用的天线类型有PCB天线、片状天线(Chip Antenna)等。
下面给出整个系统的一个实施例，如图2所示，该实施例由传感检 测部1和处理显示部2组成。
传感检测部1由电池d1、电源模块d2、加速度计11、A/D转换器、 8051微控制器MCU、2.4GHz无线发送芯片RF和发送天线14构成，电 池d1和电源模块d2负责给系统提供电源，加速度计11感测载体的转动 信息，得到的模拟电压信号经过A/D转换器转化为数字信号，由8051微 控制器MCU控制无线发送芯片RF通过发送天线14发送出去。
处理显示部2由电池d3、电源模块d4、接收天线24、2.4GHz无线 接收芯片RF、8051微控制器MCU、LCD显示屏构成，电池d3和电源 模块d4负责给系统提供电源，无线接收芯片RF通过接收天线24接收来 自于传感检测部1的信号，并送给8051微控制器MCU进行处理，8051 微控制器MCU解算出载体的运动信息之后将这些信息显示在LCD显示 屏上。
本实施例的传感检测部1的加速度11计可采用单轴、双轴或三轴的 加速度计。信号预处理单元12采用了A/D模数转换器，具体实施的时候 还可以选用比较器，将输出的余弦电压信号转换成同频率的方波信号， 对方波信号进行脉冲计数的方式获得载体的转速等运动信息。微处理器 22本实施例选用了8051微控制器MCU，也可以根据系统需要采用各种 不同类型的微处理器，比如DSP、ARM、PIC等。无线发射单元13和无 线接收单元21本实施例选用了2.4GHz无线发送和接收芯片RF，也可以 选用433MHz、866MHz、915MHz等ISM频段的发送和接收芯片。无线 发送天线14和接收天线24选用低成本的PCB天线，也可以选择占用空 间更小的片状天线(Chip Antenna)。本实施例的显示单元23选用了常 用的LCD显示屏，也可以选择OLED等显示屏。
本发明的速度或转速检测方法是基于如下原理的：在载体运动的过 程中，加速度计11主要感测到如下几个加速度的作用：地球的重力加速 度，载体转动引起的向心加速度和载体平动的加速度。在很多场合(比 如纯转动、汽车、自行车的运动)，载体平动的加速度为零或很小且持 续时间比较短(大部分时间为匀速运动)，可以忽略不计，主要考虑前 两个加速度的作用。因而在载体转动的过程中，与转动密切相关的有两 个物理量：向心加速度和重力加速度在加速度计11敏感轴上的周期性变 化。利用这两个物理量，有两种速度或转速的检测途径：一.向心加速度 的大小与载体的转速和旋转半径有关，如果能够从加速度计11的输出信 号中提取出向心加速度，并且已知旋转半径就能算出载体的转速；二.重 力加速度在加速度计的敏感轴上的分量是周期性变化的，而且变化的周 期等于载体转动的周期，如果能够检测到这个周期，也就得到了载体的 转速。根据检测途径一本发明提出了求和平均的方法来获得向心加速度， 因为在很短的时间内，可以认为载体的转速不变，因而向心加速度大小 也不变，而相隔半个周期的重力加速度在敏感轴上的分量刚好大小相等 方向相反，用求和的方法就可以抵消掉重力分量提取出向心加速度，进 而得到载体的转速或速度；根据检测途径二本发明提出了分别在时域和 频域内检测周期的方法。在时域内，根据信号预处理单元12的两种选择 又有两种周期检测的方法：当信号预处理单元12选择模数转换器时，检 测加速度计11输出的波峰和波谷的时间间隔，这个时间间隔等于载体转 动周期的一半；当信号预处理单元12选用比较器时，加速度计11输出 的模拟电压经过比较器和某个设定的电压进行比较产生同频率的方波信 号，通过计数或者其他的方式很容易获得方波的频率，因而就可以得到 载体的转速。在频域内，由于加速度计11的输出信号是一个直流信号和 一个周期等于载体转动周期摆幅为重力加速度的正弦信号的叠加，因而 可以在频域内检测各个频率分量的幅度，幅度峰值对应的频率即为载体 转动的频率。
根据以上的检测原理，给出几种方法的具体实施例：
方法一：如图3所示，载体旋转的线速度为v，旋转半径为R，重力 加速度g竖直向下。载体在从状态b运行到状态a的过程中可以近似认为 是匀速的。因而此过程中加速度计11承受的向心加速度an为：an＝v2/R， 并且是始终指向旋转中心的。在状态b时，加速度计11的输出为： ab＝g+an，在状态a时，加速度计11的输出为：aa＝-g+an。因为在载体 转动一周的过程中，这两个位置分别对应于加速度计11输出的最大值和 最小值，所以只要检测到最大值和最小值ab和aa，那么就有an＝(aa+ab)/2， 进而就可以得出载体旋转的线速度或载体的角速率
方法二：此方法是在时域内检测载体的转动周期，信号预处理单元 12选用模数转换器，检测加速度计输出信号的波峰和波谷，波峰和波谷 的采样时间间隔t是容易获得的，而采样时间间隔t是载体转动半个周期 所用的时间，进而可以求得载体旋转的线速度v＝πR/t或载体的角速率 ω＝π/t。
方法三：此方法也是在时域内检测载体的转动周期，信号预处理单 元12选用比较器。如图4所示，加速度计的周期信号经过比较器以后成 为同频率的方波信号，通过脉冲计数等方式很容易获得方波信号的频率 f，从而载体的角速率为ω＝2πf，载体旋转的线速度为v＝2πRf。
方法四：此方法是一种频域检测方法，在频域内对加速度计输出的 周期性信号进行频谱分析，幅度峰值所对应的频率即为载体的转动频率， 进而得到载体的转速或速度。如图5，可以看出加速度计11的输出为 at＝an+gcos(wt)，由一个频率为f＝w/2π的余弦型号叠加一个幅度为an的 直流信号得到。那么就可以通过频域检测的方法得出加速度信号的频率， 进而知道载体的角速率和载体转动的线速度，具体方法为：先对采样得 到的某一时间段的加速度信号做FFT变换(快速傅里叶变换)，得到信 号的各个频率分量的幅度，在频率域中检测出幅度峰值所对应的频率， 即为载体转动的频率f，那么载体的角速率为ω＝2πf，载体旋转的线速 度为v＝2πRf。
这几种方法各有所长，前三种方法运算速度比较快，但是可能对系 统的干扰和噪声比较敏感，而最后一种方法可能抗干扰和噪声能力比较 强，但是由于要做FFT变换，运算速度比前两种方法要慢，因此可以采 用信息融合的方法将这三者融合到一起，以得到更好的性能。
下面结合具体应用给出一个基于本发明的自行车无线码表的实施 例：传统的码表多基于电磁感应原理，在自行车轮辐条上安装一个永磁 体，自行车架上安装一个单簧管，自行车轮每旋转一圈，单簧管切割磁 体的磁力线产生一个电脉冲，记下电脉冲的频率就可以知道车轮的转速， 如果预先知道车轮周长，自行车速度就可以由转速乘以车轮周长得到。 这种自行车用码表一般有三个部件，除了上述的两个部件外(可以合并 称为传感器)，还需要有一个部件，例如控制器，完成转速或速度等运 动信息的解算和显示。按照传感器和控制器之间的通信方式，传统的码 表分为无线和有线两种，由于无线通信芯片的成本和功耗越来越低，采 用无线通信方式的码表将逐渐成为市场的主流。本实施例所要实现的无 线码表是基于上面的系统实施例的，如图6所示，为了图示简便，该实 施例示意图省略了电池和电源模块，加速度芯片选择ADI的ADXL320， 一个双轴的量程为±5g的模拟电压输出加速度芯片，无线发送芯片选择 Nordic Semiconductor的nRF24E1，这是一个无线收发芯片，集成了一个 8051的微控制器MCU内核和9通道12bit的A/D转换器，采样速率高达 100KSPS。处理显示部2的无线接收芯片和微控制器MCU也选择了 nRF24E1，液晶显示屏选择LCD1602C，这是一个16X2字符型液晶显示 模块。传感检测部1安装在自行车轮的辐条上面，并将加速度计11的敏 感轴指向车轮中心，处理显示部2可以安装在车把上面也可以像手表一 样戴在手腕上。结合本发明提出的几种转速或速度解算方法，就可以在 LCD1602C上显示出转速、速度、里程等自行车运动参数。
另外在本发明的硬件基础上，实现了提示报警的附加功能：由于本 发明的传感检测部1所使用的传感器为加速度计11，因而可以对载体的 状态进行实时监控，并且可以根据用户的设定对载体的某些运动状态(比 如转速过快、过慢、振动等)或载体的安全状况进行提示报警，或是将 提示报警信息通过无线发给远端的处理显示部由后者给出报警信号提醒 用户。本发明实现的提示报警的附加功能包括：转速过快报警、载体振 动报警、载体防盗报警等。
最后给出一个提示报警功能的实施例：本实施例所要实现的是基于 上述实施例的无线码表的自行车防盗报警功能，由于本无线码表的传感 检测部1和处理显示部2之间采用的是无线通信方式，因而就可以实现 传感检测部1和处理显示部2在一定范围内进行无线通信，目前的短距 离无线收发芯片的作用距离为几十米到几百米。这样当车主离开自行车 的时候，可以将处理显示部2取下来带在身边，而传感检测部1具有监 测自行车状态的功能，如果自行车一直处于静止状态，加速度计11的输 出不会变；如果一旦自行车有异常情况发生，例如被人搬走或是骑走， 加速度计11的输出就会发生变化，传感检测部1就会探测到这个变化， 进而判断是否需要报警，如果需要报警则发送报警指令给远处的处理显 示部分，由处理显示部2发出报警信号，提醒车主自行车有被盗的可能 性。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理 解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发 明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本发明的转速或速度检测装置系统框图如图1所示，主要由安装在载体 上的传感检测部1和安装在远端的某个固定物上的处理显示部2组成， 传感检测部1与处理显示部2连接，传感检测部1用于感测、处理并无 线发射载体的运动信息；处理显示部2用于接收传感检测部1发送的载 体运动信息并进行处理和显示，所述传感检测部1和处理显示部2之间 采用无线通信的连接方式。
传感检测部1由加速度计11、信号预处理单元12、无线发射单元13 和发送天线14构成。传感检测部1安装在旋转的载体上面，信号预处理 单元12串联在加速度计11与无线发射单元13之间，加速度计11的敏 感轴指向旋转中心，用来感测载体的运动信息，并生成模拟电压输出； 信号预处理单元12接收加速度计11的模拟电压并生成数字或脉冲信号， 并将此数字或脉冲信号由无线发射单元13通过发送天线14发送出去。 处理显示部2由接收天线24、无线接收单元21、微处理器22和显示单 元23构成。处理显示部2安装在远端的某个固定物上，微处理器22位 于无线接收单元21与显示单元23之间并串联连接，无线接收单元21通 过接收天线24接收传感检测部1发过来的数字或脉冲信息，然后传给微 处理器22对接收的数字或脉冲信号进行处理，解算出载体的转速(或速 度)等运动参数，微处理器22控制显示单元23显示得到的运动参数。 发送天线14和接收天线24的主要任务是建立传感检测部1和处理显示 部2之间的无线数据传输通道，根据所选用的无线频率采用与之相对应 的天线类型，具体可供选用的天线类型有PCB天线、片状天线(Chip Antenna)等。
下面给出整个系统的一个实施例，如图2所示，该实施例由传感检 测部1和处理显示部2组成。
传感检测部1由电池d1、电源模块d2、加速度计11、A/D转换器、 8051微控制器MCU、2.4GHz无线发送芯片RF和发送天线14构成，电 池d1和电源模块d2负责给系统提供电源，加速度计11感测载体的转动 信息，得到的模拟电压信号经过A/D转换器转化为数字信号，由8051微 控制器MCU控制无线发送芯片RF通过发送天线14发送出去。
处理显示部2由电池d3、电源模块d4、接收天线24、2.4GHz无线 接收芯片RF、8051微控制器MCU、LCD显示屏构成，电池d3和电源 模块d4负责给系统提供电源，无线接收芯片RF通过接收天线24接收来 自于传感检测部1的信号，并送给8051微控制器MCU进行处理，8051 微控制器MCU解算出载体的运动信息之后将这些信息显示在LCD显示 屏上。
本实施例的传感检测部1的加速度11计可采用单轴、双轴或三轴的 加速度计。信号预处理单元12采用了A/D模数转换器，具体实施的时候 还可以选用比较器，将输出的余弦电压信号转换成同频率的方波信号， 对方波信号进行脉冲计数的方式获得载体的转速等运动信息。微处理器 22本实施例选用了8051微控制器MCU，也可以根据系统需要采用各种 不同类型的微处理器，比如DSP、ARM、PIC等。无线发射单元13和无 线接收单元21本实施例选用了2.4GHz无线发送和接收芯片RF，也可以 选用433MHz、866MHz、915MHz等ISM频段的发送和接收芯片。无线 发送天线14和接收天线24选用低成本的PCB天线，也可以选择占用空 间更小的片状天线(Chip Antenna)。本实施例的显示单元23选用了常 用的LCD显示屏，也可以选择OLED等显示屏。
本发明的速度或转速检测方法是基于如下原理的：在载体运动的过 程中，加速度计11主要感测到如下几个加速度的作用：地球的重力加速 度，载体转动引起的向心加速度和载体平动的加速度。在很多场合(比 如纯转动、汽车、自行车的运动)，载体平动的加速度为零或很小且持 续时间比较短(大部分时间为匀速运动)，可以忽略不计，主要考虑前 两个加速度的作用。因而在载体转动的过程中，与转动密切相关的有两 个物理量：向心加速度和重力加速度在加速度计11敏感轴上的周期性变 化。利用这两个物理量，有两种速度或转速的检测途径：一.向心加速度 的大小与载体的转速和旋转半径有关，如果能够从加速度计11的输出信 号中提取出向心加速度，并且已知旋转半径就能算出载体的转速；二.重 力加速度在加速度计的敏感轴上的分量是周期性变化的，而且变化的周 期等于载体转动的周期，如果能够检测到这个周期，也就得到了载体的 转速。根据检测途径一本发明提出了求和平均的方法来获得向心加速度， 因为在很短的时间内，可以认为载体的转速不变，因而向心加速度大小 也不变，而相隔半个周期的重力加速度在敏感轴上的分量刚好大小相等 方向相反，用求和的方法就可以抵消掉重力分量提取出向心加速度，进 而得到载体的转速或速度；根据检测途径二本发明提出了分别在时域和 频域内检测周期的方法。在时域内，根据信号预处理单元12的两种选择 又有两种周期检测的方法：当信号预处理单元12选择模数转换器时，检 测加速度计11输出的波峰和波谷的时间间隔，这个时间间隔等于载体转 动周期的一半；当信号预处理单元12选用比较器时，加速度计11输出 的模拟电压经过比较器和某个设定的电压进行比较产生同频率的方波信 号，通过计数或者其他的方式很容易获得方波的频率，因而就可以得到 载体的转速。在频域内，由于加速度计11的输出信号是一个直流信号和 一个周期等于载体转动周期摆幅为重力加速度的正弦信号的叠加，因而 可以在频域内检测各个频率分量的幅度，幅度峰值对应的频率即为载体 转动的频率。
根据以上的检测原理，给出几种方法的具体实施例：
方法一：如图3所示，载体旋转的线速度为v，旋转半径为R，重力 加速度g竖直向下。载体在从状态b运行到状态a的过程中可以近似认为 是匀速的。因而此过程中加速度计11承受的向心加速度an为：an＝v2/R， 并且是始终指向旋转中心的。在状态b时，加速度计11的输出为： ab＝g+an，在状态a时，加速度计11的输出为：aa＝-g+an。因为在载体 转动一周的过程中，这两个位置分别对应于加速度计11输出的最大值和 最小值，所以只要检测到最大值和最小值ab和aa，那么就有an＝(aa+ab)/2， 进而就可以得出载体旋转的线速度或载体的角速率
方法二：此方法是在时域内检测载体的转动周期，信号预处理单元 12选用模数转换器，检测加速度计输出信号的波峰和波谷，波峰和波谷 的采样时间间隔t是容易获得的，而采样时间间隔t是载体转动半个周期 所用的时间，进而可以求得载体旋转的线速度v＝πR/t或载体的角速率 ω＝π/t。
方法三：此方法也是在时域内检测载体的转动周期，信号预处理单 元12选用比较器。如图4所示，加速度计的周期信号经过比较器以后成 为同频率的方波信号，通过脉冲计数等方式很容易获得方波信号的频率 f，从而载体的角速率为ω＝2πf，载体旋转的线速度为v＝2πRf。
方法四：此方法是一种频域检测方法，在频域内对加速度计输出的 周期性信号进行频谱分析，幅度峰值所对应的频率即为载体的转动频率， 进而得到载体的转速或速度。如图5，可以看出加速度计11的输出为 at＝an+gcos(wt)，由一个频率为f＝w/2π的余弦型号叠加一个幅度为an的 直流信号得到。那么就可以通过频域检测的方法得出加速度信号的频率， 进而知道载体的角速率和载体转动的线速度，具体方法为：先对采样得 到的某一时间段的加速度信号做FFT变换(快速傅里叶变换)，得到信 号的各个频率分量的幅度，在频率域中检测出幅度峰值所对应的频率， 即为载体转动的频率f，那么载体的角速率为ω＝2πf，载体旋转的线速 度为v＝2πRf。
这几种方法各有所长，前三种方法运算速度比较快，但是可能对系 统的干扰和噪声比较敏感，而最后一种方法可能抗干扰和噪声能力比较 强，但是由于要做FFT变换，运算速度比前两种方法要慢，因此可以采 用信息融合的方法将这三者融合到一起，以得到更好的性能。
下面结合具体应用给出一个基于本发明的自行车无线码表的实施 例：传统的码表多基于电磁感应原理，在自行车轮辐条上安装一个永磁 体，自行车架上安装一个单簧管，自行车轮每旋转一圈，单簧管切割磁 体的磁力线产生一个电脉冲，记下电脉冲的频率就可以知道车轮的转速， 如果预先知道车轮周长，自行车速度就可以由转速乘以车轮周长得到。 这种自行车用码表一般有三个部件，除了上述的两个部件外(可以合并 称为传感器)，还需要有一个部件，例如控制器，完成转速或速度等运 动信息的解算和显示。按照传感器和控制器之间的通信方式，传统的码 表分为无线和有线两种，由于无线通信芯片的成本和功耗越来越低，采 用无线通信方式的码表将逐渐成为市场的主流。本实施例所要实现的无 线码表是基于上面的系统实施例的，如图6所示，为了图示简便，该实 施例示意图省略了电池和电源模块，加速度芯片选择ADI的ADXL320， 一个双轴的量程为±5g的模拟电压输出加速度芯片，无线发送芯片选择 Nordic Semiconductor的nRF24E1，这是一个无线收发芯片，集成了一个 8051的微控制器MCU内核和9通道12bit的A/D转换器，采样速率高达 100KSPS。处理显示部2的无线接收芯片和微控制器MCU也选择了 nRF24E1，液晶显示屏选择LCD1602C，这是一个16X2字符型液晶显示 模块。传感检测部1安装在自行车轮的辐条上面，并将加速度计11的敏 感轴指向车轮中心，处理显示部2可以安装在车把上面也可以像手表一 样戴在手腕上。结合本发明提出的几种转速或速度解算方法，就可以在 LCD1602C上显示出转速、速度、里程等自行车运动参数。
另外在本发明的硬件基础上，实现了提示报警的附加功能：由于本 发明的传感检测部1所使用的传感器为加速度计11，因而可以对载体的 状态进行实时监控，并且可以根据用户的设定对载体的某些运动状态(比 如转速过快、过慢、振动等)或载体的安全状况进行提示报警，或是将 提示报警信息通过无线发给远端的处理显示部由后者给出报警信号提醒 用户。本发明实现的提示报警的附加功能包括：转速过快报警、载体振 动报警、载体防盗报警等。
最后给出一个提示报警功能的实施例：本实施例所要实现的是基于 上述实施例的无线码表的自行车防盗报警功能，由于本无线码表的传感 检测部1和处理显示部2之间采用的是无线通信方式，因而就可以实现 传感检测部1和处理显示部2在一定范围内进行无线通信，目前的短距 离无线收发芯片的作用距离为几十米到几百米。这样当车主离开自行车 的时候，可以将处理显示部2取下来带在身边，而传感检测部1具有监 测自行车状态的功能，如果自行车一直处于静止状态，加速度计11的输 出不会变；如果一旦自行车有异常情况发生，例如被人搬走或是骑走， 加速度计11的输出就会发生变化，传感检测部1就会探测到这个变化， 进而判断是否需要报警，如果需要报警则发送报警指令给远处的处理显 示部分，由处理显示部2发出报警信号，提醒车主自行车有被盗的可能 性。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理 解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发 明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
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