一种自行车智能感压充气装置的制作方法

本发明涉及机电领域，特别是指一种自行车智能感压充气装置。

背景技术：
轮胎阻力测试结果表明，随着胎压的增加，轮胎的形变减少造成的内部损耗降低，而车身振动和反弹造成的悬挂系统损耗增加。即同样的骑行动力下，胎压越大，速度就更快，骑行就更舒适，但性能的提升在胎压上升至临界值后变得平缓。临界胎压下的行驶，既可优化舒适度，也可优化性能。可见，在骑行过程中保证胎压处于临界胎压，能够使自行车的骑行者获得更好的骑行感受。为实现该目的，目前已提出一些用于在自行车骑行过程中为其自动充气的方案。如授权公告号CN2902770Y的实用新型发明专利公开的“自行车自动充气装置”，该装置的不足之处是充气时需要人在骑行的同时捏合车把上的控制手柄进行充气，但是对充气量的多少没有限制，需要靠人凭感觉把握，这样在高速骑行时充气容易出现爆胎的情况。如授权公告号CN2205783Y的实用新型专利公开的“自行车自动充气装置”，该装置需要在车叉上安装弧形板，且前后轮都必须要有引线连接到车把的控制手柄上，这种设计结构复杂，零部件多，引线多且长，给系统增加了很多不稳定性。综上所述，现有的自行车自动充气技术中，以采用纯机械式自动充气的装置较多，对自行车本身的机械结构改造较大，降低了车身性能。另外机械式的充气方式需要人在骑行时人为动作实现充气，对充气量的多少也要靠人的经验来把握，操作复杂，智能化程度不高。因此需要一种对现有的自行车机械机构改造小且不需要人为动作即可实现对自行车进行自动充气的装置。

技术实现要素：
为了解决现有的自行车自动充气技术对自行车本身的机械结构改造较大，充气方式需要人在骑行时人为动作实现充气，操作复杂，智能化程度不高问题，本发明提供一种自行车智能感压充气装置，该装置结构简单，可实时监测胎压状态，智能感压充气，不需要人为控制，省时省力，充气效果好，能有效延长轮胎的使用寿命，增加骑行的乐趣。本发明提供的自行车智能感压充气装置，包括相互连接的电路控制模块和充放气执行模块；所述电路控制模块用于实时检测自行车胎压，并在检测到胎压低于预定胎压范围下限值时，自动控制所述充放气执行模块对车胎充气；在检测到胎压高于预定胎压范围上限值时，自动控制所述充放气执行模块对车胎放气。其中，所述充放气执行模块包括安装在自行车车轮轴心上的圆盘壳体，所述圆盘壳体内固定有气泵及电磁阀，所述圆盘壳体的外壁上开设有电池卡槽；所述气泵的排气口与电磁阀的进气口连接，所述气泵的排气口经输气管与车胎气嘴连接。其中，所述电路控制模块包括胎压传感器、传感器信号处理电路模块、单片机主控模块、继电器模块、电源、电源降压模块和电源开关；所述继电器模块包括第一继电器电路模块、第二继电器电路模块；所述胎压传感器固定于自行车的轮辋和内胎之间；所述传感器信号处理电路模块、单片机主控模块、第一继电器电路模块、第二继电器电路模块、电源降压模块集成于同一块电路控制板上，所述电路控制板与电源开关固定于所述圆盘壳体内；所述电源安装于所述电池卡槽内；所述胎压传感器的信号输出端经过所述传感器信号处理电路模块与所述单片机主控模块的信号输入端连接，所述单片机主控模块的第一控制输出端与所述第一继电器电路模块连接，所述单片机主控模块的第二控制输出端与所述第二继电器电路模块连接；所述电源通过所述电源开关，首先分别通过第一、第二继电器模块的常开动合端口与所述气泵的供电端、所述电磁阀的受控端连接，其次通过所述电源降压模块后分别与所述单片机主控模块的供电端、所述继电器模块的供电端连接。其中，所述电路控制模块还包括集成于所述电路控制板上的蓝牙模块，所述蓝牙模块的输入端与所述单片机主控模块的串行输入端连接，所述蓝牙模块与自行车骑行者的手机通过蓝牙无线连接；所述单片机主控模块将所述胎压传感器实时检测到的胎压电信号经过转换计算得出的实时胎压值，通过所述蓝牙模块传输至与所述蓝牙模块连接的手机上显示；所述单片机主控模块还用于根据所述手机通过所述蓝牙模块发来的设定胎压值，控制所述充放气执行模块对车胎充/放气，直至胎压达到所述设定胎压值。其中，所述气泵、电磁阀、电路控制板及电源按照重力配比固定于所述圆盘壳体内。其中，所述蓝牙模块型号为HC-05。其中，所述气泵的主体为RS-540直流电机。其中，所述电磁阀为CHUKA公司的2V025-08型号电磁阀。其中，所述胎压传感器的型号为FSR402长尾式半导体压力传感器。其中，所述单片机主控模块的单片机型号为ATmega16。本发明的工作过程为：单片机主控模块对胎压传感器的信号进行实时检测，计算判断当前自动车的胎压是否在预定的正常范围内，若胎压低于预设的正常胎压范围，则单片机主控模块控制电磁阀关闭，气泵开启，对车胎充气；若胎压高于预设的正常胎压范围，则单片机主控模块控制气泵关闭，电磁阀开启，对车胎放气。此外，单片机主控模块还可将检测到的胎压电信号经过转换计算得出对应的气压值(即胎压)，将计算出的胎压值通过蓝牙模块传输实时显示在手机APP终端界面。如果用户需要手动控制车胎充放气，则只需在手机APP终端界面输入想要的胎压值，按“确定”即可经蓝牙无线传输到自行车的接收模块，随后单片机主控模块根据接收到的人为设置的胎压值实现对气泵或电磁阀的控制。通过维持上述“检测”-“反馈”-“控制”的循环周期，来达到自行车胎压实时监测及自动控制的目的。本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述方案中，通过一胎压传感器能够实现骑行中智能感压，并通过单片机对检测数据进行计算，并将其与正常胎压数值进行对比后自动控制充放气执行模块为轮胎进行充气或放气。该装置结构简单，部件安装在自行车车轮上，对自行车的机械机构改动很小，不会影响车体本身的性能；能够随时为车胎充气，无需外接气筒手动充气，省时省力；由于在骑行中检测到车胎亏气时可即时充气，充放气能够实现完全自动控制，无需人为控制充、放气调节，智能化程度高；且胎压传感器对胎压是实时检测反馈，能保证胎压始终保持在最佳骑行胎压范围内，降低了车胎的损耗，保证了骑行的舒适度。此外，通过和手机的连接，可实现骑行人员对胎压的实时调节与监测，在车胎微损的情况下，仍能保证人的正常骑行，加强了对异常情况的适应性，增强了智能骑行的乐趣。附图说明图1为本发明实施例提供的自行车智能感压充气装置的安装示意图；图2为胎压传感器的安装位置图；图3为电路控制模块的原理结构框图；图4为旋钮开关安装位置图；图5为圆盘壳体上电池卡槽、电源开关、旋钮开关安装位置图；图6为气泵的主视图；图7为图6所示气泵的前视图；图8为电磁阀的主视图；图9为图8所示电磁阀的前视图；图10为ATmega16单片机的主控电路图；图11为蓝牙模块电路图；图12为本发明实施例提供的自行车智能感压充气装置的控制流程图；图13为与蓝牙模块连接的手机APP软件界面示意图；[附图标记说明]1、圆盘壳体；2、气泵；3、电磁阀；4、电路控制板；5、电池卡槽；6、输气管；7、气嘴；8、胎压传感器；9、轮辋；10、内胎；11、直流电机；12、电机转子；13、活塞；14、曲柄齿轮；15、气缸；16、电磁阀受控端；17、电磁阀进气口；18、电磁阀排气口；19、旋钮开关；20、气泵排气口；21、传感器信号处理电路模块；22、单片机主控模块；23、第一继电器电路模块；24、第二继电器电路模块；25、电源；26、电源开关；27、电源开关卡槽；28、电源降压模块；29、继电器模块；30、T型三通气管接头；31、旋钮开关安装孔；221、单片机主控模块的信号输入端；222、第一控制输出端；223、第二控制输出端。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明实施例提供一种自行车智能感压充气装置，包括相互连接的电路控制模块和充放气执行模块；其中，电路控制模块用于实时检测自行车胎压，在检测到胎压低于预定胎压范围下限值时，自动控制充放气执行模块对车胎充气直至检测到的胎压处于预定胎压范围内；在检测到胎压高于预定胎压范围上限值时，自动控制充放气执行模块对车胎放气直至检测到的胎压处于预定胎压范围内。图1所示为本发明实施例提供的自行车智能感压充气装置的安装示意图，如图1中所示，充放气执行模块包括安装在自行车车轮轴心上的圆盘壳体1，圆盘壳体1固定于自行车车轮的辐条内部，随车轮旋转。圆盘壳体1内固定有气泵2及电磁阀3，圆盘壳体1的外壁上开设有电池卡槽5，以方便拆装电池；气泵2的排气口与电磁阀的进气口17连接，气泵2的排气口经输气管6与车胎气嘴7连接。气泵2在胎压下降或低于预期值的时候在电路控制模块的控制下对车胎进行充气，增大胎压；电磁阀3的作用是在胎压过大的时候在电路控制模块的控制下使气门芯放气，从而使得胎压减小。图1中为方便表示，仅画出了安装在自行车前轮上的智能感压充气装置，实际上，自行车后轮也可以安装该装置。优选地，电路控制模块和充放气执行模块均安装于以车轮轴为圆心的直径10cm的圆盘壳体1内。优选地，电路控制模块包括胎压传感器、传感器信号处理电路模块、单片机主控模块、继电器模块、电源、电源降压模块和电源开关；其中，继电器模块包括第一继电器电路模块、第二继电器电路模块共两路继电器电路。如图2所示，胎压传感器8固定于自行车的轮辋9和内胎10之间。优选地，传感器信号处理电路模块、单片机主控模块、第一继电器电路模块、第二继电器电路模块、电源降压模块集成于图1所示的同一块电路控制板4上，如图1所示，电路控制板4固定于图1所示的圆盘壳体1内。电源安装于图1所示的电池卡槽5内。图3为电路控制模块的原理结构框图，如图3中所示，胎压传感器8的信号输出端经过传感器信号处理电路模块21后与单片机主控模块22的信号输入端221连接，单片机主控模块22的第一控制输出端222与第一继电器电路模块23连接，单片机主控模块22的第二控制输出端223与第二继电器电路模块24连接。电源25输出端连接电源开关26的一端，电源开关26的另一端分别连接第一继电器电路模块23、第二继电器电路模块24、电源降压模块28的输入端，第一继电器电路模块23的常开动合端口与气泵2的供电端连接，第二继电器电路模块24的常开动合端口与电磁阀3的受控端连接，电源降压模块28分别输出连接继电器模块29的供电端和单片机主控模块22的供电端；即电源25首先分别通过两路继电器与气泵2、电磁阀3连接，其次通过电源降压模块28分别为单片机主控模块、继电器模块供电。通过这样的结构，单片机主控模块22即可通过两路继电器分别实现对气泵2和电磁阀3的控制。优选地，电源降压模块28为12V转5V的电源降压模块，两路继电器电路模块输出的高低电平分别决定着气泵的电机和电磁阀与12V电源之间的通断，即决定着它们是否工作。优选地，电源采用11.1v2200mAh的充电电池组为系统供电。图3所示的电路控制板的工作原理是：传感器信号处理电路模块21对胎压传感器8采集到的胎压电信号处理后，单片机主控模块22将胎压电信号经过转换函数转换计算为对应的压强值即胎压值，将该胎压值与预设定的胎压值进行对比分析，从而根据对比分析结果控制气泵2和电磁阀3的开关，以使胎压达到并维持在预设值。其中，计算使用的转换函数由多次实验得到的数据经过拟合得出。优选地，电路控制模块还包括集成于电路控制板4上的蓝牙模块，蓝牙模块的输入端与单片机主控模块22的串行输入端连接，蓝牙模块与自行车骑行者的手机通过蓝牙配对实现无线连接。这样，单片机主控模块22将胎压传感器8实时检测到的胎压电信号经过转换计算得出的实时胎压值，通过蓝牙模块将传输至与蓝牙模块连接的手机上的APP软件界面显示给用户；显然，手机APP端也可通过蓝牙模块传送设定的值至单片机，实现人为的对胎压进行充放气控制。具体地，用户通过手机终端界面的操作，就能够在任何情况下对车胎进行充气和放气，并实时监测胎压状况，预设胎压值，单片机主控模块22还用于根据手机通过蓝牙模块发来的设定胎压值，控制充放气执行模块对车胎充/放气，直至胎压达到用户设定的胎压值。优选地，图1中的气泵2、电磁阀3、电路控制板4及电池卡槽5内的电源按照重力配比固定于圆盘壳体1内，以减少本发明提供的装置对自行车车轮的影响，保证自行车本身的行驶性能。优选地，为进一步提高该充气装置的可靠性，本发明提供的上述自行智能感压充气装置包括两个开关，一个是图3所示的电源开关26，用于控制电源25给系统各模块提供电源；另一个如图4所示，是位于气泵2与车胎气嘴7的连接处的旋钮开关19，用于防止系统出现故障或失效时的急停，如前所述，气泵2的排气口、电磁阀的进气口17和车胎气嘴7三者相互连接，因此采用一个T型三通气管接头30实现三者之间的连接关系。图5为圆盘壳体上电池卡槽、电源开关、旋钮开关安装位置图，如图5所示，作为电源25的电池安装于圆盘壳体1外壁的电池卡槽5内，便于拆装；电源开关26安装于圆盘壳体1外壁的电源开关卡槽27内；旋钮开关19安装于圆盘壳体1外壁的旋钮开关安装孔31内。优选地，如图6和图7所示，气泵2的主体为RS-540直流电机11，电机转子12连接着活塞13的曲柄齿轮14。气泵排气口20通过图1所示的输气管6与气嘴7连接。直流电机11转动时，活塞13把曲柄齿轮转动的圆周运动转化为气缸15的往复运动，从而可以连续向轮胎内打气。优选地，电磁阀3为CHUKA公司的2V025-08型号电磁阀。如图8和图9所示，电磁阀受控端16在接收到单片机主控模块提供的高电平信号时，电磁阀进气口17与电磁阀排气口18处于连通状态，此时轮胎开始放气；反之当电磁阀受控端16接收到低电平信号时，电磁阀进气口17与电磁阀排气口18不连通，轮胎内气体无法通过电磁阀排出轮胎，以此控制车胎的排气过程。优选地，单片机主控模块22的单片机选用型号为ATmega16，该单片机为高性能、低功耗的8位AVR微处理器，处理器的管脚分布情况如图10所示。在图10所示的AVR微处理器所有的32个I/O(或其复用的第二功能)端口中，处理传感器信号处理电路模块22发来的胎压传感器信号的管脚为PA0(ADC0)；控制第一继电器模块23(即第一控制输出端222)的管脚为PC0(SCL)；控制第二继电器模块24(即第二控制输出端223)的管脚为PC1(SDA)；控制蓝牙模块接收、发送数据的管脚为PD0(RXD)与PD1(TXD)。除此之外，单片机主控模块22还提供了几组VCC与GND管脚，为需要5V供电的模块(如蓝牙模块、传感器信号处理电路模块)供电使用。优选地，蓝牙模块型号为HC-05，该蓝牙模块电路图如图11所示，能够透明传输任何大小的数据，同时具有小体积，宽电压等特点，模块外部接口采用透明数据传输方式，能适应标准或非标准的用户协议，方便的与各种MCU通信蓝牙模块也分为主机和从机两部分，主机能够主动地与从机进行搜索、配对，从机设备能方便地与蓝牙适配器、PDA以及带蓝牙的手机进行串行通信。蓝牙模块与手机连接成功后，将单片机传送的数据发给手机APP端，实现对胎压的实时检测与控制。优选地，胎压的检测采用FSR402长尾式半导体压力传感器，该传感器本质上是一种利用半导体压阻效应构成的传感器，其电阻率随所承受应力增大而减小。因为其电阻有随压力不同而变化的特性，所以可借此达到将不易直接测量的胎压值转化为易于直接测量的电阻值的目的，即初步完成了自行车胎压监测功能。该胎压传感器输出信号经过传感器信号处理电路模块后接入单片机AD采集端口。本发明实施例提供的上述自行车智能感压充气装置的系统软件采用模块化程序设计方法，由主程序，传感器数据采集转换以及蓝牙串口发送接收等程序模块组成。使用C语言编写，编译环境为ICCAVR，其工作流程为如图12所示。为使方案具有更强的适应性，同时编写了Android平台手机APP软件，软件界面如图13所示。如图12中所示，本发明提供的自行车智能感压充气装置的控制流程为：步骤一：打开电源后，首先检测当前胎压值；步骤二：判断单片机是否与手机通信，是则继续执行步骤三，否则执行步骤四；步骤三：向手机APP发送当前胎压值，随后执行步骤五；步骤四：使用程序内部胎压预设值，随后执行步骤六；步骤五：接收手机APP发来的胎压预设值；步骤六：判断胎压值是否在预设值变化范围内，是则返回执行步骤一，否则执行步骤七；步骤七：判断胎压预设值是否大于当前值，是则执行步骤八，否则执行步骤九；步骤八：关闭电磁阀，打开气泵为轮胎充气，并返回执行步骤一；步骤九：关闭气泵，打开电磁阀为轮胎放气，并返回执行步骤一。其中，胎压传感器输入单片机的为0～255的数字信号，而手机APP端显示给用户的是压强值。在软件设计中，使用单片机对读到的数字信号进行了函数转换，计算出胎压值。转换函数关系式的推导如下：根据分析胎压传感器信号处理电路，可得到加在传感器上的电压值Vf为：其中：Rf——胎压传感器FSR402的阻值；E——ATmege16芯片模数转换器(ADC)基准参考电压(5V)。由公式(1)可知，显然Vf取值范围在0～5V之间，而此电压信号可被ATmege16芯片模数转换器(ADC)转换为上述0～255的数字信号。根据AD采集模拟量与数字量的比例关系，可推出胎压传感器FSR402实际阻值Rf为：其中：α——ATmege16芯片模数转换器(ADC)转换结果；R0——传感器信号处理电路内置电阻阻值。由实验发现，正常的胎压下胎压传感器FSR402的阻值约为250Ω～350Ω，故为提高模数转换的精度，本装置的软件系统中将R0其取为300Ω。由实验测定若干个胎压(记作p)值下对应的胎压传感器电阻值，并由Excel拟合得到胎压传感器FSR402阻值Rf与胎压p(单位：Psi)之间的函数关系如公式(3)所示：调用公式(2)以及公式(3)的转换函数，单片机将采集到的胎压传感器的数字信号α转换为胎压值p，通过蓝牙模块实时传输到手机APP软件界面显示。为测试本发明实施例提供的自行车智能感压充气装置的性能，发明人还对在自行车上安装好的该装置进行了以下测试实验：1)打开手机端APP，连接蓝牙，手机端显示当前胎压值。滑动滑动条，将设定胎压值调高，此时气泵对轮胎充气，手机端接收到的胎压传感器测量的胎压值升高。待当前胎压值达到设定胎压值时，气泵停止工作，同时能够听到电磁阀间歇放气，这为正常现象，是系统在进行微调。2)用户通过手机端APP界面拖动滑动条，使胎压设定值低于当前胎压值，电磁阀开启对车胎进行放气。当胎压传感器反馈的当前胎压值等于设定值时，电磁阀停止工作。3)将车胎内气体放空，通过手机端将设定胎压值设定为50PSI。设定后，气泵开始工作，40秒后，实测胎压值达到设定值。4)将轮胎扎破，在扎破瞬间，气泵开始工作，对车胎充气，此时仍可进行正常骑行。上述方案中，通过一胎压传感器能够实现骑行中智能感压，并通过单片机对检测数据进行计算，并将其与正常胎压数值进行对比后自动控制充放气执行模块为轮胎进行充气或放气。该装置结构简单，部件安装在自行车车轮上，对自行车的机械机构改动很小，不会影响车体本身的性能；在骑行中可随时为车胎充气，解决了需要人下车手动打气的不便，且对胎压的实时监测与充放气控制，尤其适合长途骑行中遭遇扎胎的异常状况补救，在车胎异常损坏的情况下仍能正常骑行。在车胎经受太阳暴晒胎压过高时，本装置可自动放气，防止爆胎发生。手机APP端的交互可人为设定合适的胎压值并查看胎压状况，达到最舒适的骑行体验。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。