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(dá)命令，通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)阶孕熊嚹┒说膱?zhí)行機(jī)構(gòu)上，通過(guò)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)自行車后撥鏈器進(jìn)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(lán)牙；換擋機(jī)構(gòu)

隨著時(shí)代的進(jìn)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(jì)末西夫拉克發(fā)明自行車以來(lái)，自行車發(fā)生過(guò)無(wú)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(dǎo)，使用無(wú)線變速更實(shí)用和更具時(shí)代科技感。自行車變速系統(tǒng)是針對(duì)變速自行車的換擋機(jī)構(gòu)，其利用平行四邊形機(jī)構(gòu)對(duì)邊平行原理，變換臨邊的角度，使自行車鏈條平行地?fù)苋胂乱粋€(gè)檔位。

一、電控變速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

（一）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)采用舵機(jī)主軸安裝法蘭盤后裝在平行四邊形機(jī)構(gòu)的一根軸上，舵機(jī)本體與平行四邊形固定邊固連，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變了臨邊角度，使自行車鏈條撥入下一個(gè)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(lán)牙模塊、舵機(jī)、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(lán)牙模塊電源相接，按鍵與第一Arduino NANO主控板I/O口對(duì)應(yīng)相接，構(gòu)成一個(gè)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(lán)牙模塊、舵機(jī)信號(hào)線相接，舵機(jī)主軸安裝法蘭盤后與自行車后撥相連接。主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)是，按動(dòng)車把上控制部分的按鍵，第一CH-05藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給執(zhí)行部分的第二CH-05藍(lán)牙模塊，經(jīng)Arduino NANO主控板處理后，產(chǎn)生PWM信號(hào)，使舵機(jī)執(zhí)行變檔動(dòng)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(gè)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(lán)牙數(shù)據(jù)、處理藍(lán)牙數(shù)據(jù)和對(duì)舵機(jī)下達(dá)指令。

2.信號(hào)傳輸模塊

在小型短距離傳輸信號(hào)中，常用WiFi傳輸、紅外線傳輸、藍(lán)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(duì)電源的要求高；紅外線傳輸對(duì)位置要求大，不能有障礙擋??；藍(lán)牙低功耗，傳輸距離短，但抗干擾能力強(qiáng)，可以與手機(jī)等通訊器互動(dòng)。故該系統(tǒng)選擇藍(lán)牙傳輸模式。

藍(lán)牙是一種近距離無(wú)線傳輸技術(shù)。該系統(tǒng)利用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)兩塊藍(lán)牙之間的透?jìng)鳎谠撓到y(tǒng)使用CH-05藍(lán)牙模塊，藍(lán)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(lán)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(dòng)力模塊

動(dòng)力裝置是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)力來(lái)源，該系統(tǒng)使用舵機(jī)提供力的來(lái)源。舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度去控制機(jī)械結(jié)構(gòu)部分作出反應(yīng)，形成相對(duì)位移，促使自行車換擋。舵機(jī)的棕線接電源負(fù)極，紅線接電源正極，黃線接控制信號(hào)端口。

（四）電子硬件電路設(shè)計(jì)

Arduino NANO為系統(tǒng)提供編程控制的基本條件，而藍(lán)牙模塊為信息的獲取和發(fā)送，舵機(jī)等部件為程序的響應(yīng)部分，一個(gè)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(shè)計(jì)，包含兩個(gè)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(lán)牙模塊、供電電路、按鍵電路。

其中按鍵經(jīng)過(guò)消抖后通過(guò)I/O口接入Arduino NANO主控板通過(guò)識(shí)別高低電平的方法，判斷按鍵是否按下。具有5個(gè)點(diǎn)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(jìng)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(jī)和關(guān)機(jī)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(lán)牙模塊、供電電路、MG 996R舵機(jī)。

二、程序設(shè)計(jì)

（一）控制部分程序設(shè)計(jì)

當(dāng)電源接通時(shí)，Arduino NANO主控板、CH-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，與執(zhí)行部分的藍(lán)牙模塊連接后，檢測(cè)按鍵對(duì)應(yīng)的I/O口的電平變化，如果電平改變，則讓藍(lán)牙發(fā)送指定信號(hào)。

（二）執(zhí)行部分程序設(shè)計(jì)

當(dāng)電源接通時(shí)，Arduino NANO主控板、CH-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，與控制部分的藍(lán)牙模塊連接后，檢測(cè)是否接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào)，如果接收到信號(hào)，即執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句，使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)角度；若沒(méi)接收到信號(hào)，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(lán)牙模塊的設(shè)置中，將第一CH-05藍(lán)牙模塊設(shè)置為主模式，主要用于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，在AT設(shè)置中記錄第二藍(lán)牙模塊的地址；將第二CH-05藍(lán)牙設(shè)置為從模式，只能被第一CH-05藍(lán)牙搜索到，并將密碼設(shè)為與主機(jī)相同的密碼。開機(jī)時(shí)，第一CH-05藍(lán)牙與第二CH-05藍(lán)牙自動(dòng)連接。

控制部分中，第一Arduino NANO主控板、第一CH-05藍(lán)牙模塊的電源由第一電源模塊提供。當(dāng)按鍵按動(dòng)時(shí)，第一Arduino NANO主控板編譯對(duì)應(yīng)代碼，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給第二Arduino主控板?？刂撇糠志哂?個(gè)點(diǎn)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(jìng)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(jī)和關(guān)機(jī)按鍵。

執(zhí)行部分中，第二Arduino NANO主控板、第二CH-05藍(lán)牙模塊、舵機(jī)的電源由第二電源提供。當(dāng)?shù)诙﨏H-05藍(lán)牙模塊接收到第一CH-05藍(lán)牙模塊發(fā)送的指令后，通過(guò)Arduino NANO主控板的處理，給舵機(jī)提供PWM信號(hào)，旋轉(zhuǎn)到指令的角度，通過(guò)拉線使自行車后撥，得出相對(duì)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(lái)。[5-9]

當(dāng)雙方電源打開，第一CH-05藍(lán)牙模塊主動(dòng)與第二CH-05藍(lán)牙模塊配對(duì)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(gè)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(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)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(duì)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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