基于Arduino骑行辅助系统的设计
摘要：本骑行辅助系统设计的基本设计思想是通过采用AT89C51型号的单片机为核心器件来实现数据的采集与读取，通过使用AT89C51型单片机作为核心的开发板，加之以多类模块系统，如蓝牙模块、霍尔传感器模块，温湿度传感器模块，GPS模块，配以一块LCD液晶显示屏实现对单车状态如位置信息、骑行时长、行进速度等的捕获与显示，最终反映给骑行者来使骑行者获得更舒适便捷的骑行体验。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译二进制文件，收录进控制器。对Arduino的编程是利用 Arduino编程语言 (基于 Wiring)和Arduino开发环境(based on Processing)来实现的。Arduino是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。主要解决单车的运动方向定位。主要利用超声波测距的原理，进行发射信号，由超声波定位仪将其定位，并显示出运动方向轨迹。利用Arduino软件将其物体时间每秒运行的距离方向。
关键词: 单车；智能控制；数据采集；单片机；Arduino
ABSTRACT: The basic design idea of this bicycle assistant system is to collect and read data by using AT89C51 single-chip computer as the core device, using AT89C51 single-chip computer as the core development board, together with a variety of module systems, such as Bluetooth module, Hall sensor module, temperature and humidity sensor module, GPS module, with a LCD LCD display screen. Acquisition and display of bicycle status, such as location information, riding time, speed, etc. are realized, and ultimately reflected to the rider to make the rider more comfortable and convenient riding experience. Arduino can sense the environment through a variety of sensors, and feedback and influence the environment by controlling lights, motors and other devices. Controller can write program through Arduino programming language, compile binary files, and input controller. Arduino programming is realized by using Arduino programming language (based on Wiring) and Arduino development environment (based on Processing). Arduino is an excellent hardware development platform, but also the trend of hardware development. Arduino's simple development method makes developers pay more attention to creativity and implementation, complete their own project development faster, save the cost of learning greatly, and shorten the development cycle. It mainly solves the orientation of bicycle movement. This paper mainly uses the principle of ultrasonic ranging to transmit signals, which are positioned by the ultrasonic positioner and show the trajectory of the moving direction. Arduino software is used to calculate the distance direction of the object running every second.
Key words: bicycle; intelligent control; data acquisition; microcontroller; Arduino
目录
第一章 绪论 3
1.1课题的来源及研究意义 3
1.2骑行辅助系统 4
1.2.1骑行辅助系统的优点 4
1.2.2骑行辅助系统的前景 4
1.3课题背景 5
1.4研究意义 5
1.5研究内容 6
1.6研究方法 7
第二章 系统硬件部分的设计 10
2.1 数据采集系统框图 10
2.1.1基本设计思想 10
2.2系统主要硬件介绍 10
2.2.1 AT89C51单片机 11
2.2.2蓝牙模块介绍 13
2.2.3 LCD液晶显示 15
2.2.4温湿度传感器 16
2.2.5 定位系统的设计 18
2.2.5.1基本框架 18
2.2.5.2接收节点介绍 19
1 Arduino 19
2 nRF24L01 20
3接收模块 21
3.3发射节点介绍 22
3.3.1 DHT22 22
3.3.2 HC-05 23
3.3.3发射模块 23
2.2.6霍尔传感器模块 24
2.3系统具体实现方法 25
2.3.1蓝牙模块的连接 25
2.3.2霍尔传感器的模块设置 27
第三章 系统软件设计 30
3.1 51单片机的数据采集 30
3.2蓝牙模块 31
3.2温湿度的获取 32
第四章 总结与展望 36
展望 36
参考文献 38
第一章 绪论
随着国家大力推展低碳环保出行，越来越多的有车一族选择更改短途出行方式来积极响应国家号召。但是公交地铁对于短途的市民来说出行太过拥挤，而步行又太累，因此单车出行成为诸多市民朋友短途出行的首要选择方式。中国有着世界公认的自行车市场最大占有率，可以说是家家户户都有它的身影。单车轻便，骑行速度适宜，无尾气污染，且一定程度上锻炼了骑行者的身体，可大大减轻城市道路的拥挤情况，具备其他出行方式无法比拟的优势，单车出行俨然成为短途出行的主流。近年来人们越来越重视安全出行、环保出行,对电动自行车的使用也越来越多。传统的纯电动自行车的车速是通过手把进行调速,调速系统基于开环控制,安全性和舒适性都存在不足,而电动助力自行车是通过动力辅助系统检测骑行时的脚踏力大小,来控制助力电机的输出,从而实现助力电机对骑行状态的智能助力。而我要做的是用多个传感器来进行骑行的辅助，使其对健康与安全合二为一。在当今迅速发展的时代，产品开发与创新需要更丰富的跨学科知识体系，更复杂的技术力量支撑，更完善的创新理论基础。创新技术能将多种领域的科学知识有机地结合起来，促使设计者拓宽思维，打破思维定势，获得突破性的创新知识，为产品创新提供创造性的设计方案。用计算机辅助技术进行创新设计，首先需要清楚人是如何进行思维的，这一点尤为重要。思维过程的模型包括:对象选例模型、约束联想模型、分解综合模型、抽象逆反模型。而创新与其中两种思维模型有着密切的关系，一是抽象和联想，一是分解(分析)和综合。这两种思维操作，有助于设计出相应的创新性计算机辅助设计系统帮助人进行创新设计。然而在现代这个高科技时代，我们可以根据需要的地方安装特定的传感器就可以把自行车变得多功能起来，也可以让自行车多出很多的功能让人们可以尽情使用。
1.1课题的来源及研究意义
目前国内多家企业公司在出行上大力投入精力与财力，校园内外，城市中心随处可见多家公司的代步产品“共享单车”，这些共享单车在街道市区的出现为市民的日常出行大大的减轻了压力。本课题即在此前景下选择，本课题重点研究的是通过单片机、蓝牙模块、温湿度传感器模块以及GPS卫星定位模块的原理进而利用这些元器件进行组合来解决骑行辅助系统中面临的实际问题。为的是能够进一步优化市民在单车出行时的骑行体验，使得更多的人爱上单车出行，受益于单车出行，为我国的低碳环保的愿景来进行有力的保障。自行车传动系统的形式多样，曾出现过杠杆驱动、双重曲柄式、脚蹬上下式、无链传动、轴传动、棘轮棘爪传动、齿轮传动、链条铸轮传动等各种形式。许多方式都因传动效率不高或不适合而被淘汰，但自行车的齿轮传动方式、链条链轮传动方式等依然适用，并在此基础上持续发展。
变速传动是机械传动系统的一个分支，其理论发展已有60多年的历史。非圆链轮传动作为一种变速比传动，以其独特的优点，在近十年期间，得到国内外有心人士的关注，将它有效的运用到自行车上。国内王展国的角速度凸圆链轮传动装置，根据人脚踏作用力的变化情况，设定曲柄位置，设定在最佳受力夹角处，使人力脚踏容易发挥较大脚踏力且链轮传动比加大，从而提高传动效率。日本奥特克公司开发的新型自行车驱动装置，将传统的圆形链条轮改造成椭圆形，把传动方式由链条改为齿轮传动。这种骑行时脚的运动轨迹是椭圆形，便于腿发力且节约运行距离。IPD公司己生产出凸轮驱动系统;日本岛野公司有非圆链轮产品。这些非圆链轮传动系统的优点在于人骑车时省力、舒适、不易疲劳，是一种很有发展前景的自行车。
1.2骑行辅助系统
1.2.1骑行辅助系统的优点
骑行辅助系统是基于单车骑行的数据记录与处理，它可以在骑行者骑行过程实时的将数据展现给骑行者本人，它相较于普通单车有着以下多个突出的优点：
1．骑行路线可视性：在单车数据模块中，我们为其加入了广泛应用于汽车导航智能系统中的GPS模块，这样骑行者可以通过移动设备显示出所骑行车辆的骑行路线，也可以为自己的出行路径提供多方面的选择，缩短骑行路程。
2．骑行环境可观性：我们在系统中添加了温湿度传感器模块这样便可以让骑行者在骑行时实时获取天气温度与湿度，方便骑行者确定转穿衣指数。
3．骑行速度可控性：通过霍尔元器件模块，配合GPS模块可以为骑行者提供现在的骑行速度，然后根据自身喜好来适当加速骑行或者减速。
4．结构简单：因为骑行辅助系统是在普通单车上进行植入模块设计，所以不用过花费过多的时间与精力，且各模块技术都已相对成熟，不会在今后存在硬件上的问题。
参考文献
[1] 陈育中.霍尔传感器测速系统的设计 [A].南京：河海大学，2010，(30).
[2] 韩丹翱，王菲.DHT11 数字式温湿度传感器的应用性研究 [A].吉林：吉林大学，2013，(13).
[3] 霍爱清.基于 89C51单片机的远程数据采集系统设计 [J].西安：西安石油学院，2001，(6).
[4] 李明明，代绍庆，朱海锋， 吴荣森.基于AT89C51单片机的温湿度测试系统设计与仿真[A].浙江：嘉兴职业技术学院，2017，(3).
[5] 廖月琴.基于AT89S51单片机数字温度计的设计 [A].湖北：武汉大学，2013，(12).
[6] 卜永波，罗小玲，陈一. 基于 DHT11 传感器的温湿度采集系统 [A].内蒙古：内蒙古农业大学，2013，(11).
[7] 徐春剑，吴一辉，武俊峰，宣明，白越. 基于 F P G A 的高精度霍尔测速方法 [A].吉林：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2009，(10).
[8] 王宇.基于单片机C8051的数据采集和控制系统设计 [A].天津：天津滨海职业学院，2017，(5).
[9] 刘国兰.基于霍尔元件的测速装置设计 [J].福建：福建水利电力职业技术学院，2017，(5).
[10] 张群，杨絮，张正言，陆起涌. 蓝牙模块串口通信的设计与实现 [A].上海：复旦大学，2012，(3).
