基于太陽能的智能自行車燈系統(tǒng)

王碩 戈佳磊 郝崢榮 郭益軍 胡體鈴

摘 要：該文介紹的基于太陽能的智能自行車燈系統(tǒng)主要分為3個部分，前車燈系統(tǒng)、后車燈系統(tǒng)以及電源儲蓄模塊，2個車燈系統(tǒng)均以89S51作為主控芯片。前車燈系統(tǒng)主要利用自行車車速以及上下坡時傾角的變化，來控制車燈的亮度，而后車燈系統(tǒng)則是通過超聲波傳感器感應(yīng)與車后方障礙物距離，當(dāng)小于安全距離時，蜂鳴器報警，車尾燈閃爍，從而提醒后車注意跟車距離，保證行車安全。

關(guān)鍵詞：太陽能；89S51 陀螺儀；霍爾傳感器；超聲波測距

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，普通的生活方式已經(jīng)很難滿足人們快節(jié)奏的生活需求，智能、健康、節(jié)能的生活必將是未來人們的首要選擇，太陽能智能自行車便是在這個理念的基礎(chǔ)上提出的一個創(chuàng)新型想法。該款自行車基于先進(jìn)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，象嵌入式系統(tǒng)等，利用可再生的清潔能源，象太陽能、動能等，再加上新型的傳感器，象坡度傳感器以及障礙物傳感器等，從而達(dá)到節(jié)能減排以及高度智能化的目的。在這個道路越來越擁堵的現(xiàn)代社會，汽車、飛機等交通工具的智能化進(jìn)程在不斷加速，自行車當(dāng)然也要向前發(fā)展。

我國也大力支持自行車行業(yè)朝著更加智能的方向發(fā)展。2016年6月26日，國務(wù)院總理李克強來到飛鴿自行車天津勝利路體驗店新型自行車，并表示：“我愿為中國自行車 做廣告，更愿為‘中國制造智能升級‘坐臺。在《中國自行車行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》 中也提到會從“提高創(chuàng)新能力、推進(jìn)智能生產(chǎn)”等方面發(fā)展中國自行車產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟。

同年12月8日，亞洲自行車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ABA）年會在印度舉行，我國自行車協(xié)會也參加了該次年會，與日本、韓國、俄羅斯印度等國在論壇、展會、騎行等方面進(jìn)行產(chǎn)業(yè)交流。目前我國甚至是國際市場中，絕大多數(shù)的自行車都僅具有日常代步功能，很多自行車并沒有配備夜燈以及障礙物感知的功能，夜晚的行車照明以及安全便成了很大的問題。因此，能 夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排、自動控?zé)舻闹悄茏孕熊?，便具有很大的市場競爭能力以及發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

考慮到自行車有前后2個車燈，因此針對其不同的作用單獨進(jìn)行設(shè)計。后車燈的主要作用是提醒后方來車，因此選用超聲波距離傳感器實時監(jiān)控與后方來車的距離，當(dāng)小于設(shè)置的安全距離時，尾燈閃爍，蜂鳴器報警，起到提醒后車的作用。前車燈作為照明車燈，利用三軸陀螺儀檢測車身傾角，當(dāng)自行車處于上坡和下坡路段時，車燈會隨之變亮，當(dāng)然，還利用霍爾傳感器實時監(jiān)測車輛行駛速度，當(dāng)速度比較快時，車燈也會隨之變亮。

2 硬件設(shè)計

采用ST公司的STC89S51單片機作為主控制器，STC89S51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，帶有8K 系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 存儲器，該單片機功耗低、接口豐富、成本低廉，完全能滿足該設(shè)計要求。

太陽能發(fā)電模塊運用太陽能發(fā)電板為12V7AH鋰蓄電池組供電，鋰蓄電池通過升降壓模塊為控制板和車燈提供合適的電壓，外接USB接口，可為手機等設(shè)備充電，并且為手機設(shè)置合適的位置，方便人們查看地圖以及使用導(dǎo)航，方便了人們的長時間騎行以及旅行。

測量坡度系統(tǒng)由三軸加速度傳感器、微處理器、信號調(diào)理電路和人機交互電路組成，首先進(jìn)行初始化設(shè)置，即設(shè)置好傳感器檢測的初始化，設(shè)置測量范圍，設(shè)置器件帶寬和輸出數(shù)據(jù)速率，選擇電源模式，中斷使能設(shè)置，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，之后進(jìn)行參數(shù)修改，使該系統(tǒng)正常運行。為騎行者提供了該系統(tǒng)的路況信息，方便人們騎行時選擇合適的檔位，讓人可以更加省力，舒適地騎行。運用障礙物檢測傳感器與蜂鳴器相連，當(dāng)周圍有障礙物時蜂鳴器響，該系統(tǒng)雖簡單，但也有一定的實用性，可以更好地保障人騎行時的安全。

測速模塊主要利用霍爾傳感器，在車輪裝定霍爾傳感器對應(yīng)的磁鐵或者小鐵片，再把霍爾傳感器固定在相應(yīng)位置的車架上，然后用處理器接收并記錄脈沖個數(shù)，由于車輪轉(zhuǎn)一圈會有一個脈沖，因此只需記錄脈沖間隔時間，再根據(jù)車輪半徑，便可得出行駛速度，將脈沖個數(shù)累計，就可以得到行駛里程。在此基礎(chǔ)上加入藍(lán)牙模塊，將自行車行駛速度和里程實時上傳到手機APP，使騎行者能夠方便而又快捷地查詢自己的騎行速度。

3 軟件設(shè)計

單片機上電開始工作時，先進(jìn)行外部中斷、定時器、液晶顯示屏的初始化。

對于前車燈系統(tǒng)，先檢測設(shè)置按鍵是否被按下，若按鍵按下，可修改當(dāng)前的速度上限。在修改好需要設(shè)置的數(shù)據(jù)或者設(shè)置按鍵沒被按下時，單片機開始對速度和傾角進(jìn)行檢測，此時程序不斷地檢測到霍爾傳感器傳來的脈沖所觸發(fā)的中斷以及陀螺儀上傳的傾角數(shù)據(jù)，從而計算出車輪速度、行車?yán)锍桃约败嚿韮A角，當(dāng)自行車速度超過了速度上限或車身出現(xiàn)較大的傾角時，報警電路報警，前車燈燈光變亮。

對于后車燈系統(tǒng)，先檢測按鍵是否被按下，若按鍵按下，則可修改安全距離值。修改好數(shù)據(jù)且按鍵沒有被按下時，單片機開始實時上傳超聲波傳感器檢測到的后方障礙物的距離，當(dāng)上傳的距離小于設(shè)定的安全距離時，觸發(fā)報警系統(tǒng)，蜂鳴器發(fā)出報警且車尾燈開始閃爍。

4 仿真測試

依據(jù)整個系統(tǒng)的設(shè)計思想，利用Proteus軟件對測速模塊以及測距模塊進(jìn)行仿真，使用按鍵模擬霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖，對測速模塊進(jìn)行仿真，可以看到LCD屏實時顯示出了按鍵按下的速度，利用按鍵模擬實時距離，從LCD屏中可以看到障礙物實時距離。

5 結(jié)語

采用太陽能板作為發(fā)電源且外接USB口，既節(jié)約資源又方便生活；采用霍爾傳感器、超聲波傳感器以及陀螺儀，降低了模塊成本，使設(shè)計結(jié)構(gòu)更加簡單化，便于后期維護(hù)。

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