電動自行車超速報警電路的硬件設計

魏承啟　魏強

摘 要：電動車已成為城市和鄉村居民出行的重要交通工具，違規超速是行車過程中的一大隱患，極易造成交通事故。在學習霍爾傳感器原理的基礎上，設計了超速報警電路的硬件部分，主要包括測速電路、超速報警語音電路和LED速度顯示電路。提高了電動車駕駛中的安全性，而且電路簡單，適合于安裝在電動車內。

關鍵詞：電動自行車；速度；霍爾傳感器；報警；LED顯示

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.173

1 引言

城市交通堵塞是近年來全國大部分城市普遍存在的難題，雖然道路狀況一直在改善，但遠遠趕不上車輛數目的增加。上下班駕車或乘坐公交車被堵在車流中幾乎是每個人每天都要面對的，盡管騎行電動車存在著舒適度的差異，特別是在炎熱的夏季和寒冷的冬季，但為了趕時間，越來越多的人選擇電動車出行，電動車還有著價格低廉、便于放置、靈活機動的優點，據報道目前中國電動自行車的保有量已超過兩億輛[1]。

雖然國家明文規定，電動車的行車速度最高不得超過20公里/小時，而且生產廠商設置了限速裝置，但部分車主為了追求快捷，駕駛電動車的速度普遍遠超這個數字，極易引發交通事故[2]。據濟南市槐蔭區交警大隊統計，今年1至7月份槐蔭共發生致死車禍18起，21人在事故中不幸遇難，其中涉及電動車的死亡事故有10起，大部分是因為超速所造成的。因此設計一個電動車速度檢測與超速報警裝置，并加裝在電動車上，對于行車安全是非常重要的。

本文使用在物理課本中學到的A44E霍爾傳感器測量電動車轉速，并可以將電動車的速度以及里程數用LED實時顯示，當出現超速時產生報警信號，提醒駕駛人降低速度。

2 測速報警原理

霍爾傳感器是利用霍爾效應制成的一種磁場傳感器。其工作原理：一個金屬或半導體薄片置于磁場中，當薄片通以電流I時，在薄片的兩個側面上就會產生一個微量的霍爾電壓U，如果改變磁場的強度，霍爾電壓的大小也會隨之改變[3]。當磁場消失后，霍爾電壓變為零。霍爾傳感器輸出的信號是矩形脈沖信號，很適合于數字控制系統，用公式表示為

U=K·I·B

式中：K為霍爾器件的靈敏度系數；I為控制電流；B為磁感應強度。

若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場強度變化而變化，根據這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動車電動機轉軸上轉盤的邊沿，則當轉盤轉動時，磁鋼隨被測軸旋轉，只要在轉盤附近安裝一個霍爾元件，則轉盤隨轉軸旋轉時，霍爾元件由于要受到磁鋼所產生的磁場的影響，就會輸出脈沖信號[4]。當計數器測得的脈沖信號個數為n時，可得到電動車運行的總里程S，用公式表達

S=L·n

式中S為電動車運行里程；L為電動車輪圈的周長；n為計數器計數值。計數器計時車輪每轉一圈所用的時間t，就可以計算出實時速度v。當速度鍵按下時，速度指示燈亮，LED切換顯示當前速度；當里程鍵按下時，里程指示燈亮，LED切換顯示當前里程。設置速度上限值，與當前行車速度相比較，如果超過了上限值，則產生報警信號。

3 測速報警電路設計

電動自行車的速度里程表的硬件電路設計是基礎部分，它包括信號的采集、濾波、放大、整形、存儲，單片機外圍基本電路的設計，單片機的計算處理和數碼管的實時顯示，兩大主要器件就是單片機和傳感器。系統的原理框圖如圖1所示。

3.1 測速電路設計

使用霍爾傳感器采集信號，其機械結構較為簡單，只要在轉軸的齒輪盤上固定一粒磁鋼，霍爾元件固定在前叉上，當車輪轉動時霍爾元件靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸連續旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號并輸出。當在齒輪盤上固定多粒磁鋼，可以實現車輪旋轉一周，獲得多個脈沖信號輸出。在固定磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，安裝之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。

霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于信號采集的有A44E，該傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作。工作電壓范圍寬，使用非常方便。A44E的外形如圖2所示。

3.2 報警電路設計

為了讓電動車的超速報警系統更加人性化，該報警系統使用語音報警，報警電路的核心是WTV040語音芯片[5]。之所以選擇WTV040語音芯片作為電動車超速報警器電路的核心，是因為WTV040語音芯片不僅僅能滿足電動車超速報警器性能的各種要求，而且芯片價格便宜，外圍電路簡單，容易制作，最重要的是內容可以由自己決定選用。

在這里，我們先做一個簡單又能滿足大部分車主要求的電動車超速報警器，也就是說只在語音芯片里面錄制一段報警語音，DIP16封裝的WTV040語音芯片就能夠滿足這些要求了。如果需要特殊制作豪華型的多段語音報警的汽車超速報警器，可以選用SSOP20封裝的WTV040語音芯片，在SSOP20封裝的WTV040封裝模式下，最多可提供128段語音的播放。其工作框圖如圖3所示。

其電路圖如圖4所示。

3.3 顯示電路的設計

LED數碼管顯示電路具有顯示清晰、使用電壓低、亮度高、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。本次設計采用共陰極接法，采用動態掃描顯示接口電路，動態顯示就是一位一位地按次序點亮各位數碼管。各位數碼管的段選線相應并聯在一起，并由一個8位的I/O口控制；各位的位選線（共陰極或共陽極）由另外的I/O口線控制。動態方式顯示時，各數碼管分時依次選通，使其穩定顯示須采用掃描的方式，即在某一時刻只選通一位數碼管，而在另一時刻則選通另一位數碼管，并將相應的段碼送出，按此規律循環，就可使各位數碼管顯示需要顯示的字符，盡管這些字符是在不同的時刻分別顯示的，但是由于人的視覺暫留效應，只要每位顯示間隔能夠短到0.1秒一下，就可以給人同時顯示的感覺[6]。顯示器如圖5所示。

4 結論

本文主要設計了電動車測速與報警器的硬件電路部分。由于需要安裝在電動車上，為了節省成本，節約空間，盡可能簡化硬件電路，節省線路板的空間，達到硬件電路最優化設計。設計出的報警器配以模塊化軟件，能夠實現對電動自行車里程/速度的計算功能，并用LED顯示，當速度超過規定值時，產生報警語音信號，提醒駕駛人降低速度，從而提高了行車安全性。能夠滿足人們對多功能、高性能自行車的要求，可在很多速度/里程測量場合使用，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]http：//www.evtimes.cn/html/201502/57587.html

[2]彭春蘭，萬永強，張井華等.電動自行車最高車速測量結果的可靠性分析[J].現代測量與實驗室管理，2015（01）：5-7.

[3]人民教育出版社課程教材研究所編著.物理（選修3-1）[M].人民教育出版社，2010.

[4]賀穎，李盼，王志蘭.自行車智能測速器的設計[J].自動化與儀器儀表，2016（01）：201-203.

[5]丁春曉，艾信友，潘超偉等.具有語音功能的超聲導盲儀的設計[J].科技創新與應用，2014（06）.

[6]鄭三婷，白燕燕，胡曉霞.淺談數字電子時鐘的設計及應用[J]. 電子制作，2015（05）：32-34.

作者簡介：魏承啟（1999-），男，學生。