自行車電控變速系統(tǒng)

佟智 覃炳森 梁楚 黃文舉 王博

【摘 要】本文介紹一種自行車電控變速系統(tǒng)，用Arduino NANO為主控板，由自行車頭部的控制部分下達命令，通過藍牙傳輸?shù)阶孕熊嚹┒说膱?zhí)行機構(gòu)上，通過舵機的旋轉(zhuǎn)，帶動自行車后撥鏈器進行變換檔位。提出了一種穩(wěn)定性高，方便可行自行車電控變速的變速系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】Arduino；自行車；藍牙；換擋機構(gòu)

隨著時代的進步，汽車遍布了我們的生活。隨著汽車的逐步增多，道路的擁堵，以及提倡的綠色出行，大多數(shù)人選擇自行車出行。自18世紀末西夫拉克發(fā)明自行車以來，自行車發(fā)生過無數(shù)次變革，但一直局限于線控變速，大大影響了自行車的美觀和加大了布線成本。自行車電控變速系統(tǒng)的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)拉線變速的歷史，不再拘束于力在線中的傳導，使用無線變速更實用和更具時代科技感。自行車變速系統(tǒng)是針對變速自行車的換擋機構(gòu)，其利用平行四邊形機構(gòu)對邊平行原理，變換臨邊的角度，使自行車鏈條平行地撥入下一個檔位。

一、電控變速系統(tǒng)的總體設計

（一）機械結(jié)構(gòu)設計

機械結(jié)構(gòu)采用舵機主軸安裝法蘭盤后裝在平行四邊形機構(gòu)的一根軸上，舵機本體與平行四邊形固定邊固連，舵機旋轉(zhuǎn)角度帶動平行四邊形機構(gòu)轉(zhuǎn)動，改變了臨邊角度，使自行車鏈條撥入下一個檔位。其結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好，美觀大方、不累贅。[1]

（二）控制原理

自行車電控變速系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在自行車右后叉和車把上，其內(nèi)部包括電源模塊、Arduino NANO主控板、藍牙模塊、舵機、按鍵和自行車后撥組成。本系統(tǒng)由控制部分和執(zhí)行部分組成，控制部分中第一電源模塊輸出端與第一Arduino主控板、第一藍牙模塊電源相接，按鍵與第一Arduino NANO主控板I/O口對應相接，構(gòu)成一個控制整體；執(zhí)行部分中第二電源模塊與第二Arduino主控板、第二藍牙模塊、舵機信號線相接，舵機主軸安裝法蘭盤后與自行車后撥相連接。主要運動形態(tài)是，按動車把上控制部分的按鍵，第一CH-05藍牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給執(zhí)行部分的第二CH-05藍牙模塊，經(jīng)Arduino NANO主控板處理后，產(chǎn)生PWM信號，使舵機執(zhí)行變檔動作。[2-4]

（三）電子硬件選擇

1.主控板

該系統(tǒng)的控制中心由Arduino NANO組成，Arduino NANO其核心處理器是ATmega168和ATmega328兩種，具有14路數(shù)字輸入輸出口，其中3、5、6、9、10、11具有PWN輸出，還具有8位模擬輸入。擁有一個mini-B USB口，方便程序上傳和調(diào)試。該系統(tǒng)使用的I/O口不多，所以選用體積小，使用方便的Arduino NANO作為主控板。其功能主要為編譯藍牙數(shù)據(jù)、處理藍牙數(shù)據(jù)和對舵機下達指令。

2.信號傳輸模塊

在小型短距離傳輸信號中，常用WiFi傳輸、紅外線傳輸、藍牙傳輸作為傳輸途徑，但WiFi傳輸成本貴，雖然帶寬大，但功率消耗大，對電源的要求高；紅外線傳輸對位置要求大，不能有障礙擋??；藍牙低功耗，傳輸距離短，但抗干擾能力強，可以與手機等通訊器互動。故該系統(tǒng)選擇藍牙傳輸模式。

藍牙是一種近距離無線傳輸技術(shù)。該系統(tǒng)利用藍牙實現(xiàn)兩塊藍牙之間的透傳，在該系統(tǒng)使用CH-05藍牙模塊，藍牙模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳（TXD）與Arduino NANO主控板的數(shù)據(jù)接收引腳（RXD）相接，藍牙模塊的數(shù)據(jù)接收引腳（RXD）與Arduino主控板的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳（TXD）相接。

3.動力模塊

動力裝置是機械運動的基本動力來源，該系統(tǒng)使用舵機提供力的來源。舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機體積小，但能輸出較大的扭矩，和精確的定位角度。在該系統(tǒng)中采用MG 996R舵機轉(zhuǎn)動不同的角度去控制機械結(jié)構(gòu)部分作出反應，形成相對位移，促使自行車換擋。舵機的棕線接電源負極，紅線接電源正極，黃線接控制信號端口。

（四）電子硬件電路設計

Arduino NANO為系統(tǒng)提供編程控制的基本條件，而藍牙模塊為信息的獲取和發(fā)送，舵機等部件為程序的響應部分，一個系統(tǒng)需要其相互協(xié)同和配合。

自行車電控變速系統(tǒng)的設計，包含兩個重要的部分：控制部分和執(zhí)行部分。

1.控制部分

控制部分硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中包含了Arduino NANO主控板、第一CH-05藍牙模塊、供電電路、按鍵電路。

其中按鍵經(jīng)過消抖后通過I/O口接入Arduino NANO主控板通過識別高低電平的方法，判斷按鍵是否按下。具有5個點觸式按鍵，分別為最大檔位、最小檔位、檔位加、檔位減和電源鍵。最大檔位鍵即將檔位調(diào)到速度最快檔，用于自行車急速競技；最小檔位鍵即將檔位調(diào)到速度最小檔位，用于爬陡坡。檔位加鍵即向速度更快加檔；檔位減鍵即向速度慢減小檔位；電源鍵即開機和關(guān)機按鍵。

2.執(zhí)行部分

執(zhí)行部分硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包含Arduino NANO主控板、第二CH-05藍牙模塊、供電電路、MG 996R舵機。

二、程序設計

（一）控制部分程序設計

當電源接通時，Arduino NANO主控板、CH-05藍牙模塊進行初始化設置，與執(zhí)行部分的藍牙模塊連接后，檢測按鍵對應的I/O口的電平變化，如果電平改變，則讓藍牙發(fā)送指定信號。

（二）執(zhí)行部分程序設計

當電源接通時，Arduino NANO主控板、CH-05藍牙模塊進行初始化設置，與控制部分的藍牙模塊連接后，檢測是否接收到主機發(fā)來的信號，如果接收到信號，即執(zhí)行相對應的語句，使舵機轉(zhuǎn)動對應角度；若沒接收到信號，則保持原有的狀態(tài)。

三、電子硬件電路與軟件系統(tǒng)調(diào)試

在藍牙模塊的設置中，將第一CH-05藍牙模塊設置為主模式，主要用于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，在AT設置中記錄第二藍牙模塊的地址；將第二CH-05藍牙設置為從模式，只能被第一CH-05藍牙搜索到，并將密碼設為與主機相同的密碼。開機時，第一CH-05藍牙與第二CH-05藍牙自動連接。

控制部分中，第一Arduino NANO主控板、第一CH-05藍牙模塊的電源由第一電源模塊提供。當按鍵按動時，第一Arduino NANO主控板編譯對應代碼，通過藍牙發(fā)送給第二Arduino主控板?？刂撇糠志哂?個點觸式按鍵，分別為最大檔位、最小檔位、檔位加、檔位減和電源鍵。最大檔位鍵即將檔位調(diào)到速度最快檔，用于自行車急速競技；最小檔位鍵即將檔位調(diào)到速度最小檔位，用于爬陡坡。檔位加鍵即向速度更快加檔；檔位減鍵即向速度慢減小檔位；電源鍵即開機和關(guān)機按鍵。

執(zhí)行部分中，第二Arduino NANO主控板、第二CH-05藍牙模塊、舵機的電源由第二電源提供。當?shù)诙﨏H-05藍牙模塊接收到第一CH-05藍牙模塊發(fā)送的指令后，通過Arduino NANO主控板的處理，給舵機提供PWM信號，旋轉(zhuǎn)到指令的角度，通過拉線使自行車后撥，得出相對位移，將自行車鏈條撥向指定檔位，指令執(zhí)行完畢，等待下一條指令的到來。[5-9]

當雙方電源打開，第一CH-05藍牙模塊主動與第二CH-05藍牙模塊配對連接，連接后雙方的呼吸燈將緩慢閃爍，按下控制部分的按鍵，逐個檢查是否能正常工作，若正常工作，則電路調(diào)試完成。

四、總結(jié)

本文闡述了自行車電控變速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、控制原理、電子硬件設計、程序設計和如何調(diào)試系統(tǒng)。提出了自行車電控變速系統(tǒng)的理念，該系統(tǒng)的提出方便了人們對變速自行車的使用，也一定程度上提高了自行車的科技感。

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