一种基于单片机控制的自行车自动变速器的制作方法

本实用新型涉及自行车变速装置，具体地说，涉及一种基于单片机控制的自行车自动变速器。

背景技术：

自行车变速器类型很多，如日本西马诺公司的自动变速器，是一种机械式的自动换挡控制机构，其利用离心力与杠杆原理，根据转轴转速，转速升高时利用离心力作为换挡动力进行换挡，换挡参数无法进行调整。这种内变速结构质量较大，不允许车手自主拆卸。

在传统的机械式换挡中，骑行者通过推或勾动作操纵指拨，使其转化为拉线的拉或放，作用于变速器，拉会克服变速器弹簧弹力使变速器改变位置，而放时弹簧拉力会做功，使变速器向反方向运动。变速器可改变链条的位置，并且变速器每一个相对于车架不同的位置对应了链条在车架上的不同位置，即使链条对应了不同的齿轮，所以在变速器对应完成骑行者对指拨拉或勾的操作时，可完成换挡，即改变自行车的传动比。骑行者在骑行过程中，可根据路况、骑行方式、踏频不同参数改变传动比。

发明专利201310258801.3提出“一种自动变速自行车”，包括自行车车体，和自动变径链轮机构，自动变径链轮机构包括链轮片安装板和轮板，链轮片安装板上沿径向均布有滑杆，滑杆上套设弹簧和滑块链轮片组件，滑块链轮片组件由套设于滑杆上的滑块与自行车链条配合的链轮片、承受轮板作用力的轴承以及用于连接各部件的螺纹销组成，轮板上均布导向滑槽，轴承置于导向滑槽内，当轮板旋转时，经轴承带动滑块链轮片组件旋转；当骑车施力改变时，使轴承沿导向滑槽滑移，改变由滑块链轮片组件构成的链轮直径的大小，实现自动变速。该设计采用了大量滑块，链片，结构较复杂，变速的精度差，且在特殊路况条件下操控性不好。

专利201610055396.9公开了“一种变速自行车的自动变速装置及其自行车自动变速的方法”，包括用于和变速自行车拨链器相连接的自动变速器及与自动变速器进行信号传输的力矩传感器和角度传感器。使用者在骑行过程中全自动变速,是根据自行车的车速变化的快慢及力矩的变化自动完成，不需要手操纵，达到省力和提速的目的，取代了手操作变速。但该设计信号输入参数多，装拆不易，且全自动结构在面对特殊路况以及突发情况下会出现调节滞后的情况，或调节状态与实际不符，实用性不如人工操纵。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本实用新型提出一种基于单片机控制的自行车自动变速器；采用单片机控制换挡，采用踏频作为输入信号，通过编制程序判断所在踏频区间，结合速度信号作出升降挡位动作的自动变速控制，换挡逻辑合理。该自动变速器结构简单，易于安装，且具有手动换挡和电子换挡两种模式，以增强自行车可操作性和变档范围。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:包括变速器、显示器、拨链器，所述显示器包括数字显示屏、触控按键、夹座，显示器通过夹座底部的螺孔与双头螺柱配合固定在车把上，并通过导线连接控制电路，数字显示屏用于操控并阅读数据，数字显示屏下方有触控按键，用于切换手动或电动变速模式；

所述变速器包括丝杠电机、电路导线、主控电路、电池、传感器数据采集器、电机卡槽座、丝杠、变速器壳体、控制电路封装盒，变速器安装在自行车车架上，变速器壳体为长方形结构，传感器数据采集器与电池、控制电路封装盒分别固定在变速器壳体内，传感器数据采集器与电池连接,电池与控制电路封装盒内主控电路通过电路导线连接，传感器数据采集器端部设有数据输入输出端口，变速器壳体底部有传感器连线入口，用于接入显示器与传感器的导线；丝杠电机通过卡槽与电机卡槽座配合安装，电机卡槽座固定在变速器壳体内底部，变速器壳体下端壁开有通孔用于丝杠穿过，丝杠端部有丝杠端孔用于连接变速线，单片机与丝杠电机连线焊接在正负极接线柱上；

所述拨链器包括尾勾、导轮、复位弹簧盒，拨链器与自行车后轮轴架通过尾勾连接，两导轮、复位弹簧盒安装在拨链器上,变速线连接孔与丝杠端孔通过变速线连接；丝杠电机在接受到主控信号动作时，通过固连在丝杠端孔的变速线带动拨链器变速，拉动时复位弹簧盒内弹簧弹力使变速机构改变位置，放开时弹簧拉力使变速机构反方向运动改变链条位置。

所述主控电路包括电源电路、换挡执行电路、换挡模式控制电路、且封装于控制电路封装盒内，控制电路封装盒端部有USB端口，用于充电和读入数据，通过控制程序及显示器的系统进行升级。

所述变速器壳体采用工程塑料。

有益效果

本实用新型提出的一种基于单片机控制的自行车自动变速器，利用传感器收集行车状态信息，包括速度，踩踏频率，档位。通过单片机利用编制的程序控制高电平与低电平输出，从而达到控制丝杠电机动作与停止的作用，丝杠电机通过变速拉线对后拨链器进行控制，实现自动变速。

本实用新型基于单片机控制的自行车自动变速器，相比于传统机械式换挡，采用了单片机控制的电控换挡，换挡逻辑更为合理，自动模式下省去骑行者对指拨的操作，降低了骑行的强度；相比于电控换挡，增加了自动换挡的换挡方式，降低了使用成本；相比集成在花鼓内的机械式自动换挡，提高了传动比，并降低了成本；相比于集成在花鼓内的机械自动换挡，增加了手动模式，在手动模式下可手动电控换挡，通过触碰显示屏上的按键进行升降档操作且省力。解决了自行车不能自动变速的问题，并允许变换手动与电动两种操作模式以保证自行车自动变速对不同路况的适应性。

本实用新型基于单片机控制的自行车自动变速器，由于主控芯片设有自动与手动两种变档模式，保证在实际使用时的可操作性优于仅有的单一自动设置。采用丝杠牵拉来控制拨链器，机械结构简单，维护性好；采用踏频和速度作为输入参数，利用现有的踏频器和速度传感器，参数少且准确，结构简易，操作安装方便，使用寿命长。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型一种基于单片机控制的自行车自动变速器作进一步详细说明。

图1为带有自动变速器的自行车总体装配示意图。

图2为本实用新型自行车自动变速器的显示器示意图。

图3a-1、图3a-2、图3a-3为本实用新型自行车自动变速器结构示意图。

图3b-1、图3b-2为本实用新型自行车自动变速器结构及电机卡槽座示意图。

图4为本实用新型自行车自动变速器的丝杠电机结构示意图。

图5a为本实用新型自行车自动变速器的拨链器示意图。

图5b为本实用新型自行车自动变速器的复位弹簧盒内部结构示意图。

图6为本实用新型自动变速器的控制器电路图:

图6a为电源供电部分电路图；图6b、图6c为换挡执行电路图；

图6d为数显电路图；图6e为主控电路图；图6f为换挡模式控制电路图；

图6g为踏频采集电路图。

图7为本实用新型自动变速器工作流程图:

图7a为骑行人使用控制流程图；图7b为控制程序工作流程图。

图中:

1.数字显示屏 2.触控按键 3.变速器壳体 4.变速器 5.控制电路封装盒6.拨链器 7.自行车 8.显示器 9.夹座 10.螺孔 11.电路导线 12.USB端口13.主控电路 14.传感器连线入口 15.电池 16.传感器数据采集器 17.电机卡槽座18.数据输入输出端口 19.丝杠 20.丝杠端孔 21.电机卡槽 22.螺钉 23.接线柱24.丝杠电机 25.尾勾 26.导轮 27.变速线连接孔 28.复位弹簧盒 29.通孔

具体实施方式

本实施例是一种基于单片机控制的自行车自动变速器。

参阅图1～图7，本实施例利用单片机控制的自行车自动变速器由变速器4、显示器8、拨链器6和单片机组成，变速器4通过变速器壳体3底部螺孔与螺栓配合固定安装在自行车车架上。显示器8包括数字显示屏1、触控按键2、夹座9，显示器8通过带有橡胶涂层的夹座9底部的螺孔与双头螺柱配合固定在车把上，并通过导线连接控制电路，数字显示屏1用于操控并阅读数据，数字显示屏1下方有时速、公里数、档位三个触控按键2，用于切换手动或电动变速模式；或使用手动模式后进行升降档。

变速器4包括丝杠电机24、电路导线11、主控电路13、电池15、传感器数据采集器16、电机卡槽座17、丝杠19、变速器壳体3、控制电路封装盒5、传感器连线入口14、数据输入输出端口18、丝杠端孔20、螺钉22、接线柱23、通孔29；变速器4固定安装在自行车车架上，变速器壳体3为长方形结构，传感器数据采集器16与电池15、控制电路封装盒5分别固定在变速器壳体内，传感器数据采集器16与电池15连接，电池15与控制电路封装盒5内主控电路13通过电路导线11连接。变速器壳体3底部有传感器连线入口14，用于接入显示器与传感器的导线；传感器数据采集器16的数据输入输出口18用于传感器数据线和数字显示屏连线的接入。丝杠电机24通过卡槽21与电机卡槽座17配合安装，电机卡槽座17固定在变速器壳体内底部，变速器壳体3下端壁开有通孔29用于丝杠穿过，丝杠19端部有丝杠端孔20用于连接与拨链器的变速线；通孔29直径大于丝杠5mm，便于丝杠调节变速线松紧及进出。变速器壳体3为工程塑料。单片机与丝杠电机连线焊接在正负极接线柱23上。主控电路13包括电源电路，换挡执行电路，换挡模式控制电路，且封装于控制电路封装盒5内，控制电路封装盒5上有USB端口12，用于充电、读写数据和对单片机程序的写入，通过控制程序及显示器的系统进行升级。

拨链器6包括尾勾25、导轮26、复位弹簧盒28，拨链器6与自行车后轮轴架通过尾勾25连接，两个导轮26、复位弹簧盒28安装在拨链器6上,变速线连接孔27与丝杠端孔20通过变速线连接；丝杠电机24在接受到主控信号动作时，通过固连在丝杠端孔20上的变速线带动拨链器6的拉动或放开，拉动时复位弹簧盒28内弹簧弹力使变速机构改变位置，放开时弹簧拉力使变速机构反方向运动改变链条位置。

系统电源由行车附带的电池提供，电源输出控制采用3V供电电路，用于将直流7.2V电池电压转换为稳定的直流3.3V电压，给其余工作电路供电。7.2V电压由电池15提供，并设有稳压芯片对电池电压进行稳压，保证电路工作稳定可靠。

电路部分是对骑行者的踏频进行采集，同时根据采集的踏频自主完成升降挡操作，或是选取手动操作模式，通过丝杠电机24电动助力辅助完成升降挡操作。

系统分为以踏频采集和骑行者操纵的输入系统；单片机处理系统；执行指令进行升降挡的丝杠电机的执行系统以及供电系统。系统在自动模式下，有对应大多数情况的踏频区间和可调节阈值。手动模式下由骑行者自己给出。该指令被丝杠电机执行，作用于变速机构，最终进行升降挡的操作；若是骑行者不做踩踏动作而利用惯性前进，则踏频收集器收到空信号，单片机不动作维持原有运行状态。

升降挡阈值在数字显示屏上显示给骑行者；骑行者在手动模式下通过系统安检允许手动进行升降挡操作；骑行者在骑行时产生踏频；踏频采集系统将踏频转化为单片机可识别的信号传递给单片机，单片机给丝杠电机动作信号；丝杠电机操作换挡机构完成换挡动作；同时档位显示在数字显示屏上,供骑行者掌握档位信息。