佟智 覃炳森 梁楚 黄文举 王博

【摘 要】本文介绍一种自行车电控变速系统，用Arduino NANO为主控板，由自行车头部的控制部分下达命令，通过蓝牙传输到自行车末端的执行机构上，通过舵机的旋转，带动自行车后拨链器进行变换档位。提出了一种稳定性高，方便可行自行车电控变速的变速系统。

【关键词】Arduino；自行车；蓝牙；换挡机构

随着时代的进步，汽车遍布了我们的生活。随着汽车的逐步增多，道路的拥堵，以及提倡的绿色出行，大多数人选择自行车出行。自18世纪末西夫拉克发明自行车以来，自行车发生过无数次变革，但一直局限于线控变速，大大影响了自行车的美观和加大了布线成本。自行车电控变速系统的出现，颠覆了传统拉线变速的历史，不再拘束于力在线中的传导，使用无线变速更实用和更具时代科技感。自行车变速系统是针对变速自行车的换挡机构，其利用平行四边形机构对边平行原理，变换临边的角度，使自行车链条平行地拨入下一个档位。

一、电控变速系统的总体设计

（一）机械结构设计

机械结构采用舵机主轴安装法兰盘后装在平行四边形机构的一根轴上，舵机本体与平行四边形固定边固连，舵机旋转角度带动平行四边形机构转动，改变了临边角度，使自行车链条拨入下一个档位。其结构紧凑，稳定性好，美观大方、不累赘。[1]

（二）控制原理

自行车电控变速系统，该系统安装在自行车右后叉和车把上，其内部包括电源模块、Arduino NANO主控板、蓝牙模块、舵机、按键和自行车后拨组成。本系统由控制部分和执行部分组成，控制部分中第一电源模块输出端与第一Arduino主控板、第一蓝牙模块电源相接，按键与第一Arduino NANO主控板I/O口对应相接，构成一个控制整体；执行部分中第二电源模块与第二Arduino主控板、第二蓝牙模块、舵机信号线相接，舵机主轴安装法兰盘后与自行车后拨相连接。主要运动形态是，按动车把上控制部分的按键，第一CH-05蓝牙模块发送数据给执行部分的第二CH-05蓝牙模块，经Arduino NANO主控板处理后，产生PWM信号，使舵机执行变档動作。[2-4]

（三）电子硬件选择

1.主控板

该系统的控制中心由Arduino NANO组成，Arduino NANO其核心处理器是ATmega168和ATmega328两种，具有14路数字输入输出口，其中3、5、6、9、10、11具有PWN输出，还具有8位模拟输入。拥有一个mini-B USB口，方便程序上传和调试。该系统使用的I/O口不多，所以选用体积小，使用方便的Arduino NANO作为主控板。其功能主要为编译蓝牙数据、处理蓝牙数据和对舵机下达指令。

2.信号传输模块

在小型短距离传输信号中，常用WiFi传输、红外线传输、蓝牙传输作为传输途径，但WiFi传输成本贵，虽然带宽大，但功率消耗大，对电源的要求高；红外线传输对位置要求大，不能有障碍挡住；蓝牙低功耗，传输距离短，但抗干扰能力强，可以与手机等通讯器互动。故该系统选择蓝牙传输模式。

蓝牙是一种近距离无线传输技术。该系统利用蓝牙实现两块蓝牙之间的透传，在该系统使用CH-05蓝牙模块，蓝牙模块的数据发送引脚（TXD）与Arduino NANO主控板的数据接收引脚（RXD）相接，蓝牙模块的数据接收引脚（RXD）与Arduino主控板的数据发送引脚（TXD）相接。

3.动力模块

动力装置是机械运动的基本动力来源，该系统使用舵机提供力的来源。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机体积小，但能输出较大的扭矩，和精确的定位角度。在该系统中采用MG 996R舵机转动不同的角度去控制机械结构部分作出反应，形成相对位移，促使自行车换挡。舵机的棕线接电源负极，红线接电源正极，黄线接控制信号端口。

（四）电子硬件电路设计

Arduino NANO为系统提供编程控制的基本条件，而蓝牙模块为信息的获取和发送，舵机等部件为程序的响应部分，一个系统需要其相互协同和配合。

自行车电控变速系统的设计，包含两个重要的部分：控制部分和执行部分。

1.控制部分

控制部分硬件电路结构图如图1所示，其中包含了Arduino NANO主控板、第一CH-05蓝牙模块、供电电路、按键电路。

其中按键经过消抖后通过I/O口接入Arduino NANO主控板通过识别高低电平的方法，判断按键是否按下。具有5个点触式按键，分别为最大档位、最小档位、档位加、档位减和电源键。最大档位键即将档位调到速度最快档，用于自行车急速竞技；最小档位键即将档位调到速度最小档位，用于爬陡坡。档位加键即向速度更快加档；档位减键即向速度慢减小档位；电源键即开机和关机按键。

2.执行部分

执行部分硬件电路结构图如图2所示，包含Arduino NANO主控板、第二CH-05蓝牙模块、供电电路、MG 996R舵机。

二、程序设计

（一）控制部分程序设计

当电源接通时，Arduino NANO主控板、CH-05蓝牙模块进行初始化设置，与执行部分的蓝牙模块连接后，检测按键对应的I/O口的电平变化，如果电平改变，则让蓝牙发送指定信号。

（二）执行部分程序设计

当电源接通时，Arduino NANO主控板、CH-05蓝牙模块进行初始化设置，与控制部分的蓝牙模块连接后，检测是否接收到主机发来的信号，如果接收到信号，即执行相对应的语句，使舵机转动对应角度；若没接收到信号，则保持原有的状态。

三、电子硬件电路与软件系统调试

在蓝牙模块的设置中，将第一CH-05蓝牙模块设置为主模式，主要用于数据的接收和发送，在AT设置中记录第二蓝牙模块的地址；将第二CH-05蓝牙设置为从模式，只能被第一CH-05蓝牙搜索到，并将密码设为与主机相同的密码。开机时，第一CH-05蓝牙与第二CH-05蓝牙自动连接。

控制部分中，第一Arduino NANO主控板、第一CH-05蓝牙模块的电源由第一电源模块提供。当按键按动时，第一Arduino NANO主控板编译对应代码，通过蓝牙发送给第二Arduino主控板。控制部分具有5个点触式按键，分别为最大档位、最小档位、档位加、档位减和电源键。最大档位键即将档位调到速度最快档，用于自行车急速竞技；最小档位键即将档位调到速度最小档位，用于爬陡坡。档位加键即向速度更快加档；档位减键即向速度慢减小档位；电源键即开机和关机按键。

执行部分中，第二Arduino NANO主控板、第二CH-05蓝牙模块、舵机的电源由第二电源提供。当第二CH-05蓝牙模块接收到第一CH-05蓝牙模块发送的指令后，通过Arduino NANO主控板的处理，给舵机提供PWM信号，旋转到指令的角度，通过拉线使自行车后拨，得出相对位移，将自行车链条拨向指定档位，指令执行完毕，等待下一条指令的到来。[5-9]

当双方电源打开，第一CH-05藍牙模块主动与第二CH-05蓝牙模块配对连接，连接后双方的呼吸灯将缓慢闪烁，按下控制部分的按键，逐个检查是否能正常工作，若正常工作，则电路调试完成。

四、总结

本文阐述了自行车电控变速系统的基本结构、控制原理、电子硬件设计、程序设计和如何调试系统。提出了自行车电控变速系统的理念，该系统的提出方便了人们对变速自行车的使用，也一定程度上提高了自行车的科技感。

【参考文献】

[1]张国华.自行车拨链器专利[J].中国自行车，1992（04）：27-29+11.

[2]蔡睿妍.基于Arduino的舵机控制系统设计[J].电脑知识与技术，2012，8（15）：3719-3721.

[3]刘俊畅，芦利斌，谭力宁.基于Arduino的遥控舵机技术的实现[J].信息技术，2015（05）：195-198.

[4]孟浩，王妍玮.基于Arduino的双足仿人机器人设计[J].林业机械与木工设备，2014，42（02）：38-40.

[5]刘琳琳，朱振宇，蔡金玉，蒋艺华.基于Arduino的环境数据检测蓝牙控制小车设计[J].中国传媒科技，2018（08）：66-69.

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[7]何福贵，张梅.Android手机蓝牙控制智能小车设计[J].北京劳动保障职业学院学报，2017，11（04）：50-53+58.

[8]杨潞霞.基于Arduino的智能浇花系统设计与实现[J].山西电子技术，2017（06）：46-49.

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