本發(fā)明涉及自行車變速裝置，具體地說，涉及一種基于單片機(jī)控制的自行車自動(dòng)變速器。

背景技術(shù)：

自行車變速器類型很多，如日本西馬諾公司的自動(dòng)變速器，是一種機(jī)械式的自動(dòng)換擋控制機(jī)構(gòu)，其利用離心力與杠桿原理，根據(jù)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速升高時(shí)利用離心力作為換擋動(dòng)力進(jìn)行換擋，換擋參數(shù)無法進(jìn)行調(diào)整。這種內(nèi)變速結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，不允許車手自主拆卸。

在傳統(tǒng)的機(jī)械式換擋中，騎行者通過推或勾動(dòng)作操縱指撥，使其轉(zhuǎn)化為拉線的拉或放，作用于變速器，拉會(huì)克服變速器彈簧彈力使變速器改變位置，而放時(shí)彈簧拉力會(huì)做功，使變速器向反方向運(yùn)動(dòng)。變速器可改變鏈條的位置，并且變速器每一個(gè)相對(duì)于車架不同的位置對(duì)應(yīng)了鏈條在車架上的不同位置，即使鏈條對(duì)應(yīng)了不同的齒輪，所以在變速器對(duì)應(yīng)完成騎行者對(duì)指撥拉或勾的操作時(shí)，可完成換擋，即改變自行車的傳動(dòng)比。騎行者在騎行過程中，可根據(jù)路況、騎行方式、踏頻不同參數(shù)改變傳動(dòng)比。

發(fā)明專利201310258801.3提出“一種自動(dòng)變速自行車”，包括自行車車體，和自動(dòng)變徑鏈輪機(jī)構(gòu)，自動(dòng)變徑鏈輪機(jī)構(gòu)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(shè)彈簧和滑塊鏈輪片組件，滑塊鏈輪片組件由套設(shè)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(dǎo)向滑槽，軸承置于導(dǎo)向滑槽內(nèi)，當(dāng)輪板旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)軸承帶動(dòng)滑塊鏈輪片組件旋轉(zhuǎn)；當(dāng)騎車施力改變時(shí)，使軸承沿導(dǎo)向滑槽滑移，改變由滑塊鏈輪片組件構(gòu)成的鏈輪直徑的大小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速。該設(shè)計(jì)采用了大量滑塊，鏈片，結(jié)構(gòu)較復(fù)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(dòng)變速裝置及其自行車自動(dòng)變速的方法”，包括用于和變速自行車撥鏈器相連接的自動(dòng)變速器及與自動(dòng)變速器進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)牧貍鞲衅骱徒嵌葌鞲衅?。使用者在騎行過程中全自動(dòng)變速,是根據(jù)自行車的車速變化的快慢及力矩的變化自動(dòng)完成，不需要手操縱，達(dá)到省力和提速的目的，取代了手操作變速。但該設(shè)計(jì)信號(hào)輸入?yún)?shù)多，裝拆不易，且全自動(dòng)結(jié)構(gòu)在面對(duì)特殊路況以及突發(fā)情況下會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)滯后的情況，或調(diào)節(jié)狀態(tài)與實(shí)際不符，實(shí)用性不如人工操縱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于單片機(jī)控制的自行車自動(dòng)變速器；采用單片機(jī)控制換擋，采用踏頻作為輸入信號(hào)，通過編制程序判斷所在踏頻區(qū)間，結(jié)合速度信號(hào)作出升降擋位動(dòng)作的自動(dòng)變速控制，換擋邏輯合理。該自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，且具有手動(dòng)換擋和電子換擋兩種模式，以增強(qiáng)自行車可操作性和變檔范圍。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括變速器、顯示器、撥鏈器，所述顯示器包括數(shù)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(dǎo)線連接控制電路，數(shù)字顯示屏用于操控并閱讀數(shù)據(jù)，數(shù)字顯示屏下方有觸控按鍵，用于切換手動(dòng)或電動(dòng)變速模式；

所述變速器包括絲杠電機(jī)、電路導(dǎo)線、主控電路、電池、傳感器數(shù)據(jù)采集器、電機(jī)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(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，傳感器數(shù)據(jù)采集器與電池、控制電路封裝盒分別固定在變速器殼體內(nèi)，傳感器數(shù)據(jù)采集器與電池連接,電池與控制電路封裝盒內(nèi)主控電路通過電路導(dǎo)線連接，傳感器數(shù)據(jù)采集器端部設(shè)有數(shù)據(jù)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(dǎo)線；絲杠電機(jī)通過卡槽與電機(jī)卡槽座配合安裝，電機(jī)卡槽座固定在變速器殼體內(nèi)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(jī)與絲杠電機(jī)連線焊接在正負(fù)極接線柱上；

所述撥鏈器包括尾勾、導(dǎo)輪、復(fù)位彈簧盒，撥鏈器與自行車后輪軸架通過尾勾連接，兩導(dǎo)輪、復(fù)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(jī)在接受到主控信號(hào)動(dòng)作時(shí)，通過固連在絲杠端孔的變速線帶動(dòng)撥鏈器變速，拉動(dòng)時(shí)復(fù)位彈簧盒內(nèi)彈簧彈力使變速機(jī)構(gòu)改變位置，放開時(shí)彈簧拉力使變速機(jī)構(gòu)反方向運(yùn)動(dòng)改變鏈條位置。

所述主控電路包括電源電路、換擋執(zhí)行電路、換擋模式控制電路、且封裝于控制電路封裝盒內(nèi)，控制電路封裝盒端部有USB端口，用于充電和讀入數(shù)據(jù)，通過控制程序及顯示器的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。

所述變速器殼體采用工程塑料。

有益效果

本發(fā)明提出的一種基于單片機(jī)控制的自行車自動(dòng)變速器，利用傳感器收集行車狀態(tài)信息，包括速度，踩踏頻率，檔位。通過單片機(jī)利用編制的程序控制高電平與低電平輸出，從而達(dá)到控制絲杠電機(jī)動(dòng)作與停止的作用，絲杠電機(jī)通過變速拉線對(duì)后撥鏈器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速。

本發(fā)明基于單片機(jī)控制的自行車自動(dòng)變速器，相比于傳統(tǒng)機(jī)械式換擋，采用了單片機(jī)控制的電控?fù)Q擋，換擋邏輯更為合理，自動(dòng)模式下省去騎行者對(duì)指撥的操作，降低了騎行的強(qiáng)度；相比于電控?fù)Q擋，增加了自動(dòng)換擋的換擋方式，降低了使用成本；相比集成在花鼓內(nèi)的機(jī)械式自動(dòng)換擋，提高了傳動(dòng)比，并降低了成本；相比于集成在花鼓內(nèi)的機(jī)械自動(dòng)換擋，增加了手動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下可手動(dòng)電控?fù)Q擋，通過觸碰顯示屏上的按鍵進(jìn)行升降檔操作且省力。解決了自行車不能自動(dòng)變速的問題，并允許變換手動(dòng)與電動(dòng)兩種操作模式以保證自行車自動(dòng)變速對(duì)不同路況的適應(yīng)性。

本發(fā)明基于單片機(jī)控制的自行車自動(dòng)變速器，由于主控芯片設(shè)有自動(dòng)與手動(dòng)兩種變檔模式，保證在實(shí)際使用時(shí)的可操作性優(yōu)于僅有的單一自動(dòng)設(shè)置。采用絲杠牽拉來控制撥鏈器，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)性好；采用踏頻和速度作為輸入?yún)?shù)，利用現(xiàn)有的踏頻器和速度傳感器，參數(shù)少且準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，操作安裝方便，使用壽命長(zhǎng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種基于單片機(jī)控制的自行車自動(dòng)變速器作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為帶有自動(dòng)變速器的自行車總體裝配示意圖。

圖2為本發(fā)明自行車自動(dòng)變速器的顯示器示意圖。

圖3a-1、圖3a-2、圖3a-3為本發(fā)明自行車自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3b-1、圖3b-2為本發(fā)明自行車自動(dòng)變速器內(nèi)結(jié)構(gòu)及電機(jī)卡槽座示意圖。

圖4為本發(fā)明自行車自動(dòng)變速器的絲杠電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5a為本發(fā)明自行車自動(dòng)變速器的撥鏈器示意圖。

圖5b為本發(fā)明自行車自動(dòng)變速器的復(fù)位彈簧盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明自動(dòng)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(zhí)行電路圖；圖6d為數(shù)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(fā)明自動(dòng)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(shù)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(dǎo)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(shù)據(jù)采集器 17.電機(jī)卡槽座 18.數(shù)據(jù)輸入輸出端口 19.絲杠 20.絲杠端孔 21.電機(jī)卡槽 22.螺釘 23.接線柱 24.絲杠電機(jī) 25.尾勾 26.導(dǎo)輪 27.變速線連接孔 28.復(fù)位彈簧盒 29.通孔

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種基于單片機(jī)控制的自行車自動(dòng)變速器。

參閱圖1～圖7，本實(shí)施例利用單片機(jī)控制的自行車自動(dòng)變速器由變速器4、顯示器8、撥鏈器6和單片機(jī)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(shù)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(dǎo)線連接控制電路，數(shù)字顯示屏1用于操控并閱讀數(shù)據(jù)，數(shù)字顯示屏1下方有時(shí)速、公里數(shù)、檔位三個(gè)觸控按鍵2，用于切換手動(dòng)或電動(dòng)變速模式；或使用手動(dòng)模式后進(jìn)行升降檔。

變速器4包括絲杠電機(jī)24、電路導(dǎo)線11、主控電路13、電池15、傳感器數(shù)據(jù)采集器16、電機(jī)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(shù)據(jù)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(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，傳感器數(shù)據(jù)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(nèi)，傳感器數(shù)據(jù)采集器16與電池15連接，電池15與控制電路封裝盒5內(nèi)主控電路13通過電路導(dǎo)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(dǎo)線；傳感器數(shù)據(jù)采集器16的數(shù)據(jù)輸入輸出口18用于傳感器數(shù)據(jù)線和數(shù)字顯示屏連線的接入。絲杠電機(jī)24通過卡槽21與電機(jī)卡槽座17配合安裝，電機(jī)卡槽座17固定在變速器殼體內(nèi)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(diào)節(jié)變速線松緊及進(jìn)出。變速器殼體3為工程塑料。單片機(jī)與絲杠電機(jī)連線焊接在正負(fù)極接線柱23上。主控電路13包括電源電路，換擋執(zhí)行電路，換擋模式控制電路，且封裝于控制電路封裝盒5內(nèi)，控制電路封裝盒5上有USB端口12，用于充電、讀寫數(shù)據(jù)和對(duì)單片機(jī)程序的寫入，通過控制程序及顯示器的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。

撥鏈器6包括尾勾25、導(dǎo)輪26、復(fù)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(gè)導(dǎo)輪26、復(fù)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(jī)24在接受到主控信號(hào)動(dòng)作時(shí)，通過固連在絲杠端孔20上的變速線帶動(dòng)撥鏈器6的拉動(dòng)或放開，拉動(dòng)時(shí)復(fù)位彈簧盒28內(nèi)彈簧彈力使變速機(jī)構(gòu)改變位置，放開時(shí)彈簧拉力使變速機(jī)構(gòu)反方向運(yùn)動(dòng)改變鏈條位置。

系統(tǒng)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(zhuǎn)換為穩(wěn)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(shè)有穩(wěn)壓芯片對(duì)電池電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，保證電路工作穩(wěn)定可靠。

電路部分是對(duì)騎行者的踏頻進(jìn)行采集，同時(shí)根據(jù)采集的踏頻自主完成升降擋操作，或是選取手動(dòng)操作模式，通過絲杠電機(jī)24電動(dòng)助力輔助完成升降擋操作。

系統(tǒng)分為以踏頻采集和騎行者操縱的輸入系統(tǒng)；單片機(jī)處理系統(tǒng)；執(zhí)行指令進(jìn)行升降擋的絲杠電機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)。系統(tǒng)在自動(dòng)模式下，有對(duì)應(yīng)大多數(shù)情況的踏頻區(qū)間和可調(diào)節(jié)閾值。手動(dòng)模式下由騎行者自己給出。該指令被絲杠電機(jī)執(zhí)行，作用于變速機(jī)構(gòu)，最終進(jìn)行升降擋的操作；若是騎行者不做踩踏動(dòng)作而利用慣性前進(jìn)，則踏頻收集器收到空信號(hào)，單片機(jī)不動(dòng)作維持原有運(yùn)行狀態(tài)。

升降擋閾值在數(shù)字顯示屏上顯示給騎行者；騎行者在手動(dòng)模式下通過系統(tǒng)安檢允許手動(dòng)進(jìn)行升降擋操作；騎行者在騎行時(shí)產(chǎn)生踏頻；踏頻采集系統(tǒng)將踏頻轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)給絲杠電機(jī)動(dòng)作信號(hào)；絲杠電機(jī)操作換擋機(jī)構(gòu)完成換擋動(dòng)作；同時(shí)檔位顯示在數(shù)字顯示屏上,供騎行者掌握檔位信息。