基于STM32的自行车户外运动系统设计

引言

本项目设计了一个基于STM32的自行车户外运动系统，集成了速度、距离、心率、GPS定位和卡路里计算等多种功能，帮助骑行者在户外运动时实时了解运动数据。系统能够通过传感器监测骑行速度、距离、心率等信息，并将数据实时显示在屏幕上，便于骑行者进行运动分析和调整。此外，系统还可以记录骑行轨迹，适用于户外运动、骑行训练和运动监控场景。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
霍尔效应传感器（用于车轮转速检测）
GPS 模块（如 Neo-6M，用于定位和轨迹记录）
心率传感器（如 MAX30100，用于检测骑行者心率）
OLED 显示屏（用于显示速度、距离、心率等数据）
蜂鸣器（用于提示）
USB-TTL 串口调试工具
电阻、杜邦线、面包板等基础电子元件

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

霍尔效应传感器连接：将霍尔效应传感器的输出引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA0），用于检测车轮转速。
GPS 模块连接：将 GPS 模块的 TX 引脚连接到 STM32 的 USART RX 引脚（如 PA9），用于获取定位数据。
心率传感器连接：将心率传感器的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于检测心率。
OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示当前骑行信息。
蜂鸣器连接：将蜂鸣器的控制引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA1），用于提示骑行者。
其他连接：为 STM32、传感器和显示屏提供稳定的电源。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
配置 GPIO 用于检测霍尔效应传感器的脉冲信号。
配置 USART，用于读取 GPS 模块的数据。
配置 I2C，用于与心率传感器和 OLED 显示屏通信。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写速度和距离计算、心率检测、GPS定位、卡路里计算、提示和状态显示的代码。以下是自行车户外运动系统的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "gps.h"
#include "oled.h"
#include "heart_rate.h"
#include "gpio.h"// 定义运动参数
#define WHEEL_CIRCUMFERENCE 2.1  // 车轮周长（米）
#define PULSE_PER_ROTATION 1     // 每次转动产生一个脉冲
#define TIME_INTERVAL 1          // 采样间隔（秒）
#define WEIGHT 70                // 骑行者体重（公斤）// 函数声明
void System_Init(void);
void Calculate_Speed_Distance(void);
void Get_Heart_Rate(void);
void Get_GPS_Location(void);
void Calculate_Calories(void);
void Display_Status(void);// 全局变量
uint32_t pulse_count = 0;      // 车轮转动的脉冲计数
float speed = 0;               // 计算出的骑行速度（km/h）
float distance = 0;            // 计算出的总骑行距离（公里）
float heart_rate = 0;          // 骑行者心率（次/分钟）
float calories = 0;            // 骑行消耗的卡路里（千卡）void System_Init(void)
{HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_I2C1_Init();MX_USART1_UART_Init();OLED_Init();GPS_Init();HeartRate_Init();OLED_ShowString(0, 0, "Cycling Tracker Ready");
}// 计算速度和距离
void Calculate_Speed_Distance(void)
{// 根据车轮脉冲计算速度和距离speed = (pulse_count / PULSE_PER_ROTATION) * (WHEEL_CIRCUMFERENCE / 1000) * (3600 / TIME_INTERVAL);distance += (pulse_count / PULSE_PER_ROTATION) * (WHEEL_CIRCUMFERENCE / 1000);  // 总距离，公里pulse_count = 0;  // 清除计数，等待下一次测量
}// 获取心率
void Get_Heart_Rate(void)
{heart_rate = HeartRate_GetData();  // 获取心率数据
}// 获取 GPS 位置
void Get_GPS_Location(void)
{GPS_Update();  // 更新 GPS 位置和轨迹信息
}// 计算卡路里消耗
void Calculate_Calories(void)
{calories = WEIGHT * distance * 0.63;  // 估算卡路里消耗，公式为：重量*距离*能量系数
}// 显示运动状态
void Display_Status(void)
{OLED_Clear();OLED_ShowString(0, 0, "Speed: ");OLED_ShowFloat(48, 0, speed, 2);OLED_ShowString(0, 1, "Dist: ");OLED_ShowFloat(48, 1, distance, 2);OLED_ShowString(0, 2, "HR: ");OLED_ShowFloat(48, 2, heart_rate, 0);OLED_ShowString(0, 3, "Cal: ");OLED_ShowFloat(48, 3, calories, 2);
}// 处理霍尔传感器脉冲中断
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0){pulse_count++;  // 每次脉冲表示车轮转动了一圈}
}int main(void)
{System_Init();while (1){Calculate_Speed_Distance();  // 计算速度和距离Get_Heart_Rate();            // 获取心率Get_GPS_Location();          // 获取 GPS 位置Calculate_Calories();        // 计算卡路里消耗Display_Status();            // 显示运动状态HAL_Delay(1000);             // 每秒更新一次}
}

4. 各模块代码

霍尔效应传感器检测

通过 GPIO 检测车轮转速，用于计算速度和距离：

#include "gpio.h"// 初始化霍尔传感器
void HallSensor_Init(void)
{// 配置 GPIO 为外部中断模式，用于检测霍尔效应传感器的脉冲信号
}// 检测脉冲，计算速度和距离
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0){pulse_count++;  // 记录脉冲计数}
}

GPS 模块定位

通过 GPS 模块获取当前位置，用于记录骑行轨迹：

#include "gps.h"// 初始化 GPS 模块
void GPS_Init(void)
{// 配置 USART，初始化 GPS 模块
}// 更新 GPS 位置和轨迹信息
void GPS_Update(void)
{// 从 GPS 模块读取位置数据
}

心率传感器读取

通过心率传感器获取骑行者的心率数据：

#include "heart_rate.h"// 初始化心率传感器
void HeartRate_Init(void)
{// 初始化心率传感器，配置 I2C
}// 获取心率数据
float HeartRate_GetData(void)
{// 从心率传感器获取当前心率值return 75.0;  // 假设返回心率为 75 bpm
}

OLED 显示

用于显示速度、距离、心率和卡路里消耗等运动数据：

#include "oled.h"// 初始化 OLED 显示屏
void OLED_Init(void)
{// OLED 初始化代码
}// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)
{// 在 OLED 显示屏上显示字符串
}// 显示浮点数
void OLED_ShowFloat(uint8_t x, uint8_t y, float num, uint8_t decimal_places)
{// 显示带小数的数值
}// 清屏
void OLED_Clear(void)
{// 清除 OLED 显示内容
}

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系统工作原理

速度和距离测量：通过霍尔效应传感器检测车轮的转速，并根据车轮的周长计算当前骑行速度和总骑行距离。每次车轮转动都会触发一个脉冲信号，STM32根据脉冲信号的频率和轮子周长计算出速度和行驶的距离。
GPS 定位：通过 GPS 模块实时获取骑行者的位置信息，用于记录骑行轨迹和里程。如果需要，可以将 GPS 数据保存并用于后续的路径分析。
心率检测：通过心率传感器监测骑行者的心率，便于分析运动时的身体状态，心率数据可实时显示，提醒骑行者保持合适的心率。
卡路里计算：根据骑行者的体重、距离和心率等参数，系统可以估算出运动消耗的卡路里，帮助用户分析运动效果。
状态显示：OLED显示屏实时显示当前的速度、距离、心率和卡路里消耗，便于骑行者查看运动情况。