自行車電控變速系統

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，用Arduino NANO為主控板，由自行車頭部的控制部分下達命令，通過藍牙傳輸到自行車末端的執行機構上，通過舵機的旋轉，帶動自行車后撥鏈器進行變換檔位。提出了一種穩定性高，方便可行自行車電控變速的變速系統。

【關鍵詞】Arduino；自行車；藍牙；換擋機構

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，大多數人選擇自行車出行。自18世紀末西夫拉克發明自行車以來，自行車發生過無數次變革，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的出現，顛覆了傳統拉線變速的歷史，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。自行車變速系統是針對變速自行車的換擋機構，其利用平行四邊形機構對邊平行原理，變換臨邊的角度，使自行車鏈條平行地撥入下一個檔位。

一、電控變速系統的總體設計

（一）機械結構設計

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

（二）控制原理

自行車電控變速系統，該系統安裝在自行車右后叉和車把上，其內部包括電源模塊、Arduino NANO主控板、藍牙模塊、舵機、按鍵和自行車后撥組成。本系統由控制部分和執行部分組成，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，構成一個控制整體；執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。主要運動形態是，按動車把上控制部分的按鍵，第一CH-05藍牙模塊發送數據給執行部分的第二CH-05藍牙模塊，經Arduino NANO主控板處理后，產生PWM信號，使舵機執行變檔動作。[2-4]

（三）電子硬件選擇

1.主控板

該系統的控制中心由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，方便程序上傳和調試。該系統使用的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據、處理藍牙數據和對舵機下達指令。

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，不能有障礙擋住；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。故該系統選擇藍牙傳輸模式。

藍牙是一種近距離無線傳輸技術。該系統利用藍牙實現兩塊藍牙之間的透傳，在該系統使用CH-05藍牙模塊，藍牙模塊的數據發送引腳（TXD）與Arduino NANO主控板的數據接收引腳（RXD）相接，藍牙模塊的數據接收引腳（RXD）與Arduino主控板的數據發送引腳（TXD）相接。

3.動力模塊

動力裝置是機械運動的基本動力來源，該系統使用舵機提供力的來源。舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，適用于角度不斷變化并可以保持的控制系統。舵機體積小，但能輸出較大的扭矩，和精確的定位角度。在該系統中采用MG 996R舵機轉動不同的角度去控制機械結構部分作出反應，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為系統提供編程控制的基本條件，而藍牙模塊為信息的獲取和發送，舵機等部件為程序的響應部分，一個系統需要其相互協同和配合。

自行車電控變速系統的設計，包含兩個重要的部分：控制部分和執行部分。

1.控制部分

控制部分硬件電路結構圖如圖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；電源鍵即開機和關機按鍵。

2.執行部分

執行部分硬件電路結構圖如圖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，則讓藍牙發送指定信號。

（二）執行部分程序設計

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來的信號，如果接收到信號，即執行相對應的語句，使舵機轉動對應角度；若沒接收到信號，則保持原有的狀態。

三、電子硬件電路與軟件系統調試

在藍牙模塊的設置中，將第一CH-05藍牙模塊設置為主模式，主要用于數據的接收和發送，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，通過藍牙發送給第二Arduino主控板。控制部分具有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；電源鍵即開機和關機按鍵。

執行部分中，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。當第二CH-05藍牙模塊接收到第一CH-05藍牙模塊發送的指令后，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，則電路調試完成。

四、總結

本文闡述了自行車電控變速系統的基本結構、控制原理、電子硬件設計、程序設計和如何調試系統。提出了自行車電控變速系統的理念，該系統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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