一款冬暖夏涼電動自行車新能源智能型防護裝置

收稿日期：2023-06-01

基金項目：2022年山東省大學生創新創業項目（S202213857023）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.03.038

摘" 要：制作了一款冬暖夏涼電動自行車新能源智能型防護裝置，其具有通過光伏發電裝置儲能、遮風擋陽、保護手部安全等特點。該裝置充分利用電動自行車的車筐發電裝置將太陽能轉化為電能，利用溫度傳感器、熱釋電傳感器、光照強度傳感器和超聲波傳感器實現對溫度、光照強度、頭盔佩戴等數據的采集，通過STM32單片機進行相應的自動化控制，既解決了能源與環保問題，又提高了騎行者的安全性和舒適感。

關鍵詞：新能源智能型防護裝置；光伏發電；STM32單片機；能源與環保

中圖分類號：TP23；U482.3" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）03-0182-05

A New Energy Intelligent Protection Device for Electric Bicycles Warm in Winter

and Cool in Summer

CAI Fengshuai， LI Lixin， ZHENG Wenxiu， ZUO Feng， HUA Chuan

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China）

Abstract： A new energy intelligent protection device has been developed for electric bicycles warm in winter and cool in summer， which features energy storage through photovoltaic power generation device， wind and sun protection， and hand safety protection. This device fully utilizes the basket power generation device of electric bicycles to convert solar energy into electrical energy. It uses temperature sensors， pyroelectric sensors， light intensity sensors， and ultrasonic sensors to collect data on temperature， light intensity， helmet wearing. The STM32 Single-Chip Microcomputer is used for corresponding automation control， which not only solves energy and environmental problems， but also improves the safety and comfort of cyclists.

Keywords： new energy intelligent protection device; photovoltaic power generation; STM32 Single-Chip Microcomputer; energy and environmental protection

0" 引" 言

隨著時代的飛速發展，電動自行車在我國快速推廣和普及。電動自行車以使用便捷、停放靈活、綠色無污染、整體機動性能好、購買價格相對較低、維護成本低廉等特點深受人們喜愛，幾乎成為家家戶戶必備的交通工具，也是社會保有量最多的交通工具。一方面，雖然電動自行車使用過程中不會產生污染物，但其能量來源是國家電網的電能，而國家電網的電能大部分又是來自我國燃煤發電產生的能量，而大量的煤炭燃燒會產生大量的污染氣體與資源損耗，而且煤炭資源終究是有限的；另一方面，隨著人們生活水平的提高，消費者越來越注重產品的體驗感和舒適度，但目前市面上的電動自行車顯然不能滿足人們的需求，騎行者風吹日曬，冬冷夏熱。所以筆者基于我校山東省大學生創新創業訓練項目提出了一款冬暖夏涼電動自行車新能源智能型防護裝置，旨在解決電動自行車使用過程中的動力來源問題和騎行者的安全性和舒適性問題。

1" 總體方案設計

冬暖夏涼電動自行車新能源智能型防護裝置共包括擋風遮雨裝置、護手套裝置、車筐發電裝置、智能頭盔裝置四部分。利用STM32單片機做主控制器，利用溫度傳感器、熱釋電傳感器、光照強度傳感器和超聲波傳感器分別實現溫度調節功能、頭盔佩戴檢測功能、太陽能電池板追光功能和變道警示功能。系統整體框圖如圖1所示。

圖1" 系統整體框圖

1.1" 擋風遮陽裝置

該裝置由護胸、護腿和護腰三個柔性擋板構成，在實現擋風遮陽的同時可以實現對騎行者胸、腿、腰三部分的保護。此外，該裝置上設有的反光條，能夠使擋風被在夜晚起到安全警示作用，提高了擋風被的安全性。且使用者可將小件物品存放在擋風被設有的儲物袋中，儲物袋蓋布具有防漏作用。為與其他物品做區分存放，門卡、銀行卡等之類的卡片物品可放入儲物袋的隔袋中，極大地提高了其便利性。裝置的實物圖如圖2所示。

圖2" 遮風擋陽裝置實物圖

在騎行時騎行者雙腿兩側和上方設置風扇，在溫度過高到達閾值時風扇自動打開，為騎行者帶來涼風；在騎行時騎行者雙腿前設置加熱片，當溫度過低到達閾值時加熱片自動打開，為騎行者帶來溫暖。使騎行者冬暖夏涼提高騎行舒適度。

1.2" 護手套裝置

護手套裝置采用紅外蓄熱纖維材質的里層，具有更優的保暖效果，而且該材質能夠吸收紅外線并將其轉化為人體感受的熱量，令騎行者的手部在較短時間內恢復到人體正常溫度，縮短了騎行者在手部寒冷狀態下操作電動車的時間。騎行者將該裝置上的固定調節系帶連接在手把上，通過固定調節系帶對護手套端口開口大小進行調節，從而防止寒風從護手套端口侵入，進而實現冬暖的良好效果。此裝置的實物圖如圖3所示。

圖3" 護手套裝置實物圖

手套下方開透氣孔并設置風扇，在溫度過高到達閾值時風扇自動打開，為騎行者帶來涼風；在手套內部設置加熱片，當溫度過低到達閾值時加熱片自動打開，為騎行者帶來溫暖。使騎行者冬暖夏涼提高騎行舒適度。

1.3" 車筐發電裝置

電動自行車的能量來源是國家電網的電能，這些電能大部分又是來自燃煤發電產生的能量，大量的煤炭燃燒會產生大量的污染氣體與資源損耗。為減少常規電能應用，我們設計了此款車筐發電裝置[1-3]，并結合光照強度傳感器實現追光功能，使其實現無論是露天騎行還是室外停放，都可以隨時隨地發電，電能儲存到裝置蓄電池中，可以為裝置提供電能。若裝置蓄電池滿電，亦可為電動自行車蓄電池進行補充，提升電動自行車行駛里程。此裝置的實物圖如圖4所示。

圖4" 車筐發電裝置實物圖

1.4" 智能頭盔裝置

根據《中華人民共和國道路交通安全法》規定，電動自行車駕駛人和乘坐人員應當佩戴安全頭盔[4]。騎電動自行車佩戴頭盔理所應當，但是仍有不少騎行者經常忘記佩戴頭盔，這會有很大的安全隱患。所設計的智能頭盔裝置可以通過熱釋電傳感器檢測騎行者是否佩戴頭盔，若檢測到騎行者未佩戴頭盔則進行“請佩戴頭盔”的語音提示，然后繼續檢測是否佩戴頭盔，直至檢測到騎行者佩戴頭盔，則停止語音提示。現在電動自行車已不再配備反光鏡，在騎行者變道轉向時不注意行車行人隨意變道也會有很大的安全隱患。此頭盔可通過超聲波傳感器檢測后方是否有車輛或行人，設置兩個常亮的LED燈表示功能運行正常，若檢測到有車輛或行人則進行滅燈提示和語音警示[5-8]。實物圖如圖5所示。

圖5" 智能頭盔裝置實物圖

2" 硬件和軟件設計

2.1" 硬件設計

系統控制模塊采用了STM32F103RCT6單片機，該單片機運算能力強、處理速度快、能耗低，能提高整個系統的靈敏度和準確性。通過處理溫度傳感器采集的溫度，輸出不同信號控制繼電器閉合斷開，可以對風扇和加熱片進行控制，實現了調溫功能；通過熱釋電紅外人體傳感器檢測騎行者是否佩戴頭盔，輸出不同信號控制繼電器的閉合斷開，實現佩戴頭盔提示功能；通過對兩個光照強度傳感器測量的光照強度進行對比，判斷光照強度高的方向，發出不同信號，從而實現太陽能電池板的追光功能；通過超聲波傳感器檢測后方物體，當檢測到后方有物體時，釋放相應的信號控制滅燈警示與語音提示。裝置總電路圖如圖6所示。

2.2" 軟件設計

2.2.1" 調溫功能

通過DS18B20傳感器檢測環境溫度，當環境溫度到達27 ℃以上時打開風扇；當環境溫度低于19 ℃時打開加熱片，實現溫度調節功能，使騎行者騎行更加舒適。溫度到達閾值進行相應信號輸出的關鍵代碼如下：

while（1）

{temperature = DS18B20_ReadTemperature（）;" // 讀取溫度

if（temperature gt; 27）" "http:// 溫度大于27℃

{GPIOC-gt;BSRR = 1lt;lt;6;} // PC6輸出高電平

else if（temperature lt; 19）" // 溫度小于19℃

{GPIOC-gt;BSRR = 1lt;lt;23;}" " // PC7輸出高電平

else

{GPIOC-gt;BRR = 1lt;lt;6;" // PC6輸出低電平

GPIOC-gt;BRR = 1lt;lt;7;}" // PC7輸出低電平

delay_ms（500）;}

2.2.2" 佩戴頭盔提示功能

通過熱釋電傳感器檢測騎行者是否佩戴頭盔，若檢測到騎行者未佩戴頭盔則進行語音提示，然后繼續檢測是否佩戴頭盔，直至檢測到騎行者佩戴頭盔，則停止語音提示。熱釋電檢測佩戴頭盔情況進行信號輸出關鍵代碼如下：

int main（void）

{RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOB， ENABLE）; // GPIOB時鐘使能

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_AFIO， ENABLE）;" // AFIO時鐘使能

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PIR_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;" " " "http:// 上拉輸入

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init（PIR_PORT， amp;GPIO_InitStructure）;

GPIO_SetBits（GPIOB， GPIO_Pin_3）;" " " " " " "http:// PB3輸出高電平

while（1）{

if（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB， PIR_PIN））{" " " // 檢測到佩戴頭盔

GPIO_ResetBits（GPIOB， GPIO_Pin_3）;" " " " "http:// PB3輸出低電平

while（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB， PIR_PIN））

{delay_ms（100）;}" " " " " " " " " " " " " // 延時

GPIO_SetBits（GPIOB， GPIO_Pin_3）;}" " " " " "http:// PB3輸出高電平

else

{GPIO_SetBits（GPIOB， GPIO_Pin_3）;}" " " " "http:// PB3輸出高電平

2.2.3" 追光功能

通過兩個光照強度傳感器測量不同方向的光照強度，對比光照強度。當A處光照強度大于B處時車筐云臺將太陽能電池板轉向A處；當B處光照強度大于A處時車筐云臺將太陽能電池板轉向B處。從而實現追光功能。光照強度對比的關鍵代碼為：

void compare（uint16_t ldr1， uint16_t ldr2）

{

if（ldr1 gt; ldr2）

{GPIO_SetBits（OUT1_PORT， OUT1_PIN）;}" "http:// PC8輸出高電平

else

{GPIO_ResetBits（OUT1_PORT， OUT1_PIN）;} // PC8輸出低電平

if（ldr2 gt; ldr1）

{GPIO_SetBits（OUT2_PORT， OUT2_PIN）;}" "http:// PC9輸出高電平

else

{GPIO_ResetBits（OUT2_PORT， OUT2_PIN）;} // PC9輸出低電平

}

2.2.4" 變道警示功能

通過超聲波傳感器檢測后方是否來車，設置左右兩個超聲波傳感器實現對不同方向來車的檢測。若檢測到有車輛時警示燈亮并提示，若未檢測到車輛則重復檢測，實現了電動自行車騎行變道警示功能[9-11]。超聲波檢測進行相應信號輸出的關鍵代碼為：

while （1）

{

uint32_t distance;

// 左側超聲波傳感器檢測

distance = get_distance（TRIG1_PIN， ECHO1_PIN）;

if （distance gt; 0）

{GPIO_SetBits（GPIOB， LED1_PIN）;

delay_us（50000）;

GPIO_ResetBits（GPIOB， LED1_PIN）;}

// 右側超聲波傳感器檢測

distance = get_distance（TRIG2_PIN， ECHO2_PIN）;

if （distance gt; 0）

{GPIO_SetBits（GPIOB， LED2_PIN）;

delay_us（50000）;

GPIO_ResetBits（GPIOB， LED2_PIN）;}

}

3" 實驗測試與分析

將DS18B20傳感器置于不同環境溫度進行控制測試，在外界溫度35 ℃時、用手加熱等大于所設定27 ℃閾值時均能打開風扇；在室內24 ℃時無反應；用冰塊降溫低于所設定19 ℃閾值時可以打開加熱片。能滿足在不同環境溫度下對遮風擋陽裝置的控制，實現調溫功能。溫度傳感器控制遮風擋陽裝置測試過程圖如圖7所示。

多次測試超聲波傳感器的準確性，當未檢測到后方有物體時LED燈常亮表示系統正常運行，如圖8（a）所示。當檢測到后方有物體存在則進行滅燈提示和語音警示，如圖8（b）所示。達到預期效果滿足變道警示功能的要求。

圖7" 溫度傳感器控制遮風擋陽裝置測試過程圖

（a）未檢測到物體效果圖（燈亮）

（b）檢測到物體效果圖（燈滅）

圖8" 超聲波傳感器檢測準確性過程圖

除此之外，對不同的物體經過熱釋電傳感器，檢驗熱釋電傳感器能否準確檢測人體并實現自動控制。通過對滾動的瓶子、可動玩具和人體進行多次實驗測試，結果表明，滾動的瓶子、可動玩具無法觸發熱釋電傳感器停止語音提示，但對人體的多次實驗均可觸發熱釋電傳感器停止語音提示。滿足佩戴頭盔提示功能的要求。

4" 結" 論

該騎行防護裝置基于STM32單片機結合溫度傳感器、熱釋電傳感器、光照強度傳感器和超聲波傳感器實現了溫度調節功能、頭盔佩戴檢測功能、太陽能電池板追光功能和變道警示功能。可以解決能源與環保問題，響應節能減排和碳中和的國家政策。能夠解決人們騎行時隨意變道而引起的騎行安全問題。智能控制系統控制風扇和加熱裝置能夠滿足人們對騎行舒適度的需求，具有一定的應用價值和經濟效益。

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作者簡介：蔡鳳帥（2000—），男，漢族，山東臨沂人，本科，研究方向：電子信息工程；李麗欣（1956—），女，漢族，山東德州人，副教授，本科，研究方向：電工電子；鄭文秀（1997—），女，漢族，山東德州人，助教，碩士，研究方向：圖像處理及應用技術；左鳳（2003—），女，漢族，山東臨沂人，本科在讀，研究方向：電子信息工程；華川（2000—），男，漢族，山東菏澤人，本科，研究方向：電子信息工程。