一種基于單片機控制的自行車自動變速器的制作方法

本發明涉及自行車變速裝置，具體地說，涉及一種基于單片機控制的自行車自動變速器。

背景技術：

自行車變速器類型很多，如日本西馬諾公司的自動變速器，是一種機械式的自動換擋控制機構，其利用離心力與杠桿原理，根據轉軸轉速，轉速升高時利用離心力作為換擋動力進行換擋，換擋參數無法進行調整。這種內變速結構質量較大，不允許車手自主拆卸。

在傳統的機械式換擋中，騎行者通過推或勾動作操縱指撥，使其轉化為拉線的拉或放，作用于變速器，拉會克服變速器彈簧彈力使變速器改變位置，而放時彈簧拉力會做功，使變速器向反方向運動。變速器可改變鏈條的位置，并且變速器每一個相對于車架不同的位置對應了鏈條在車架上的不同位置，即使鏈條對應了不同的齒輪，所以在變速器對應完成騎行者對指撥拉或勾的操作時，可完成換擋，即改變自行車的傳動比。騎行者在騎行過程中，可根據路況、騎行方式、踏頻不同參數改變傳動比。

發明專利201310258801.3提出“一種自動變速自行車”，包括自行車車體，和自動變徑鏈輪機構，自動變徑鏈輪機構包括鏈輪片安裝板和輪板，鏈輪片安裝板上沿徑向均布有滑桿，滑桿上套設彈簧和滑塊鏈輪片組件，滑塊鏈輪片組件由套設于滑桿上的滑塊與自行車鏈條配合的鏈輪片、承受輪板作用力的軸承以及用于連接各部件的螺紋銷組成，輪板上均布導向滑槽，軸承置于導向滑槽內，當輪板旋轉時，經軸承帶動滑塊鏈輪片組件旋轉；當騎車施力改變時，使軸承沿導向滑槽滑移，改變由滑塊鏈輪片組件構成的鏈輪直徑的大小，實現自動變速。該設計采用了大量滑塊，鏈片，結構較復雜，變速的精度差，且在特殊路況條件下操控性不好。

專利201610055396.9公開了“一種變速自行車的自動變速裝置及其自行車自動變速的方法”，包括用于和變速自行車撥鏈器相連接的自動變速器及與自動變速器進行信號傳輸的力矩傳感器和角度傳感器。使用者在騎行過程中全自動變速,是根據自行車的車速變化的快慢及力矩的變化自動完成，不需要手操縱，達到省力和提速的目的，取代了手操作變速。但該設計信號輸入參數多，裝拆不易，且全自動結構在面對特殊路況以及突發情況下會出現調節滯后的情況，或調節狀態與實際不符，實用性不如人工操縱。

技術實現要素：

為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種基于單片機控制的自行車自動變速器；采用單片機控制換擋，采用踏頻作為輸入信號，通過編制程序判斷所在踏頻區間，結合速度信號作出升降擋位動作的自動變速控制，換擋邏輯合理。該自動變速器結構簡單，易于安裝，且具有手動換擋和電子換擋兩種模式，以增強自行車可操作性和變檔范圍。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括變速器、顯示器、撥鏈器，所述顯示器包括數字顯示屏、觸控按鍵、夾座，顯示器通過夾座底部的螺孔與雙頭螺柱配合固定在車把上，并通過導線連接控制電路，數字顯示屏用于操控并閱讀數據，數字顯示屏下方有觸控按鍵，用于切換手動或電動變速模式；

所述變速器包括絲杠電機、電路導線、主控電路、電池、傳感器數據采集器、電機卡槽座、絲杠、變速器殼體、控制電路封裝盒，變速器安裝在自行車車架上，變速器殼體為長方形結構，傳感器數據采集器與電池、控制電路封裝盒分別固定在變速器殼體內，傳感器數據采集器與電池連接,電池與控制電路封裝盒內主控電路通過電路導線連接，傳感器數據采集器端部設有數據輸入輸出端口，變速器殼體底部有傳感器連線入口，用于接入顯示器與傳感器的導線；絲杠電機通過卡槽與電機卡槽座配合安裝，電機卡槽座固定在變速器殼體內底部，變速器殼體下端壁開有通孔用于絲杠穿過，絲杠端部有絲杠端孔用于連接變速線，單片機與絲杠電機連線焊接在正負極接線柱上；

所述撥鏈器包括尾勾、導輪、復位彈簧盒，撥鏈器與自行車后輪軸架通過尾勾連接，兩導輪、復位彈簧盒安裝在撥鏈器上,變速線連接孔與絲杠端孔通過變速線連接；絲杠電機在接受到主控信號動作時，通過固連在絲杠端孔的變速線帶動撥鏈器變速，拉動時復位彈簧盒內彈簧彈力使變速機構改變位置，放開時彈簧拉力使變速機構反方向運動改變鏈條位置。

所述主控電路包括電源電路、換擋執行電路、換擋模式控制電路、且封裝于控制電路封裝盒內，控制電路封裝盒端部有USB端口，用于充電和讀入數據，通過控制程序及顯示器的系統進行升級。

所述變速器殼體采用工程塑料。

有益效果

本發明提出的一種基于單片機控制的自行車自動變速器，利用傳感器收集行車狀態信息，包括速度，踩踏頻率，檔位。通過單片機利用編制的程序控制高電平與低電平輸出，從而達到控制絲杠電機動作與停止的作用，絲杠電機通過變速拉線對后撥鏈器進行控制，實現自動變速。

本發明基于單片機控制的自行車自動變速器，相比于傳統機械式換擋，采用了單片機控制的電控換擋，換擋邏輯更為合理，自動模式下省去騎行者對指撥的操作，降低了騎行的強度；相比于電控換擋，增加了自動換擋的換擋方式，降低了使用成本；相比集成在花鼓內的機械式自動換擋，提高了傳動比，并降低了成本；相比于集成在花鼓內的機械自動換擋，增加了手動模式，在手動模式下可手動電控換擋，通過觸碰顯示屏上的按鍵進行升降檔操作且省力。解決了自行車不能自動變速的問題，并允許變換手動與電動兩種操作模式以保證自行車自動變速對不同路況的適應性。

本發明基于單片機控制的自行車自動變速器，由于主控芯片設有自動與手動兩種變檔模式，保證在實際使用時的可操作性優于僅有的單一自動設置。采用絲杠牽拉來控制撥鏈器，機械結構簡單，維護性好；采用踏頻和速度作為輸入參數，利用現有的踏頻器和速度傳感器，參數少且準確，結構簡易，操作安裝方便，使用壽命長。

附圖說明

下面結合附圖和實施方式對本發明一種基于單片機控制的自行車自動變速器作進一步詳細說明。

圖1為帶有自動變速器的自行車總體裝配示意圖。

圖2為本發明自行車自動變速器的顯示器示意圖。

圖3a-1、圖3a-2、圖3a-3為本發明自行車自動變速器結構示意圖。

圖3b-1、圖3b-2為本發明自行車自動變速器內結構及電機卡槽座示意圖。

圖4為本發明自行車自動變速器的絲杠電機結構示意圖。

圖5a為本發明自行車自動變速器的撥鏈器示意圖。

圖5b為本發明自行車自動變速器的復位彈簧盒內部結構示意圖。

圖6為本發明自動變速器的控制器電路圖:圖6a為電源供電部分電路圖；

圖6b、圖6c為換擋執行電路圖；圖6d為數顯電路圖；圖6e為主控電路圖；

圖6f為換擋模式控制電路圖；圖6g為踏頻采集電路圖。

圖7為本發明自動變速器工作流程圖:圖7a為騎行人使用控制流程圖；

圖7b為控制程序工作流程圖。

圖中:

1.數字顯示屏 2.觸控按鍵 3.變速器殼體 4.變速器 5.控制電路封裝盒 6.撥鏈器 7.自行車 8.顯示器 9.夾座 10.螺孔 11.電路導線 12.USB端口 13.主控電路 14.傳感器連線入口 15.電池 16.傳感器數據采集器 17.電機卡槽座 18.數據輸入輸出端口 19.絲杠 20.絲杠端孔 21.電機卡槽 22.螺釘 23.接線柱 24.絲杠電機 25.尾勾 26.導輪 27.變速線連接孔 28.復位彈簧盒 29.通孔

具體實施方式

本實施例是一種基于單片機控制的自行車自動變速器。

參閱圖1～圖7，本實施例利用單片機控制的自行車自動變速器由變速器4、顯示器8、撥鏈器6和單片機組成，變速器4通過變速器殼體3底部螺孔與螺栓配合固定安裝在自行車車架上。顯示器8包括數字顯示屏1、觸控按鍵2、夾座9，顯示器8通過帶有橡膠涂層的夾座9底部的螺孔與雙頭螺柱配合固定在車把上，并通過導線連接控制電路，數字顯示屏1用于操控并閱讀數據，數字顯示屏1下方有時速、公里數、檔位三個觸控按鍵2，用于切換手動或電動變速模式；或使用手動模式后進行升降檔。

變速器4包括絲杠電機24、電路導線11、主控電路13、電池15、傳感器數據采集器16、電機卡槽座17、絲杠19、變速器殼體3、控制電路封裝盒5、傳感器連線入口14、數據輸入輸出端口18、絲杠端孔20、螺釘22、接線柱23、通孔29；變速器4固定安裝在自行車車架上，變速器殼體3為長方形結構，傳感器數據采集器16與電池15、控制電路封裝盒5分別固定在變速器殼體內，傳感器數據采集器16與電池15連接，電池15與控制電路封裝盒5內主控電路13通過電路導線11連接。變速器殼體3底部有傳感器連線入口14，用于接入顯示器與傳感器的導線；傳感器數據采集器16的數據輸入輸出口18用于傳感器數據線和數字顯示屏連線的接入。絲杠電機24通過卡槽21與電機卡槽座17配合安裝，電機卡槽座17固定在變速器殼體內底部，變速器殼體3下端壁開有通孔29用于絲杠穿過，絲杠19端部有絲杠端孔20用于連接與撥鏈器的變速線；通孔29直徑大于絲杠5mm，便于絲杠調節變速線松緊及進出。變速器殼體3為工程塑料。單片機與絲杠電機連線焊接在正負極接線柱23上。主控電路13包括電源電路，換擋執行電路，換擋模式控制電路，且封裝于控制電路封裝盒5內，控制電路封裝盒5上有USB端口12，用于充電、讀寫數據和對單片機程序的寫入，通過控制程序及顯示器的系統進行升級。

撥鏈器6包括尾勾25、導輪26、復位彈簧盒28，撥鏈器6與自行車后輪軸架通過尾勾25連接，兩個導輪26、復位彈簧盒28安裝在撥鏈器6上,變速線連接孔27與絲杠端孔20通過變速線連接；絲杠電機24在接受到主控信號動作時，通過固連在絲杠端孔20上的變速線帶動撥鏈器6的拉動或放開，拉動時復位彈簧盒28內彈簧彈力使變速機構改變位置，放開時彈簧拉力使變速機構反方向運動改變鏈條位置。

系統電源由行車附帶的電池提供，電源輸出控制采用3V供電電路，用于將直流7.2V電池電壓轉換為穩定的直流3.3V電壓，給其余工作電路供電。7.2V電壓由電池15提供，并設有穩壓芯片對電池電壓進行穩壓，保證電路工作穩定可靠。

電路部分是對騎行者的踏頻進行采集，同時根據采集的踏頻自主完成升降擋操作，或是選取手動操作模式，通過絲杠電機24電動助力輔助完成升降擋操作。

系統分為以踏頻采集和騎行者操縱的輸入系統；單片機處理系統；執行指令進行升降擋的絲杠電機的執行系統以及供電系統。系統在自動模式下，有對應大多數情況的踏頻區間和可調節閾值。手動模式下由騎行者自己給出。該指令被絲杠電機執行，作用于變速機構，最終進行升降擋的操作；若是騎行者不做踩踏動作而利用慣性前進，則踏頻收集器收到空信號，單片機不動作維持原有運行狀態。

升降擋閾值在數字顯示屏上顯示給騎行者；騎行者在手動模式下通過系統安檢允許手動進行升降擋操作；騎行者在騎行時產生踏頻；踏頻采集系統將踏頻轉化為單片機可識別的信號傳遞給單片機，單片機給絲杠電機動作信號；絲杠電機操作換擋機構完成換擋動作；同時檔位顯示在數字顯示屏上,供騎行者掌握檔位信息。