电动自行车超速报警电路的硬件设计

魏承启　魏强

摘 要：电动车已成为城市和乡村居民出行的重要交通工具，违规超速是行车过程中的一大隐患，极易造成交通事故。在学习霍尔传感器原理的基础上，设计了超速报警电路的硬件部分，主要包括测速电路、超速报警语音电路和LED速度显示电路。提高了电动车驾驶中的安全性，而且电路简单，适合于安装在电动车内。

关键词：电动自行车；速度；霍尔传感器；报警；LED显示

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.173

1 引言

城市交通堵塞是近年来全国大部分城市普遍存在的难题，虽然道路狀况一直在改善，但远远赶不上车辆数目的增加。上下班驾车或乘坐公交车被堵在车流中几乎是每个人每天都要面对的，尽管骑行电动车存在着舒适度的差异，特别是在炎热的夏季和寒冷的冬季，但为了赶时间，越来越多的人选择电动车出行，电动车还有着价格低廉、便于放置、灵活机动的优点，据报道目前中国电动自行车的保有量已超过两亿辆[1]。

虽然国家明文规定，电动车的行车速度最高不得超过20公里/小时，而且生产厂商设置了限速装置，但部分车主为了追求快捷，驾驶电动车的速度普遍远超这个数字，极易引发交通事故[2]。据济南市槐荫区交警大队统计，今年1至7月份槐荫共发生致死车祸18起，21人在事故中不幸遇难，其中涉及电动车的死亡事故有10起，大部分是因为超速所造成的。因此设计一个电动车速度检测与超速报警装置，并加装在电动车上，对于行车安全是非常重要的。

本文使用在物理课本中学到的A44E霍尔传感器测量电动车转速，并可以将电动车的速度以及里程数用LED实时显示，当出现超速时产生报警信号，提醒驾驶人降低速度。

2 测速报警原理

霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁场传感器。其工作原理：一个金属或半导体薄片置于磁场中，当薄片通以电流I时，在薄片的两个侧面上就会产生一个微量的霍尔电压U，如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小也会随之改变[3]。当磁场消失后，霍尔电压变为零。霍尔传感器输出的信号是矩形脉冲信号，很适合于数字控制系统，用公式表示为

U=K·I·B

式中：K为霍尔器件的灵敏度系数；I为控制电流；B为磁感应强度。

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度变化而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动车电动机转轴上转盘的边沿，则当转盘转动时，磁钢随被测轴旋转，只要在转盘附近安装一个霍尔元件，则转盘随转轴旋转时，霍尔元件由于要受到磁钢所产生的磁场的影响，就会输出脉冲信号[4]。当计数器测得的脉冲信号个数为n时，可得到电动车运行的总里程S，用公式表达

S=L·n

式中S为电动车运行里程；L为电动车轮圈的周长；n为计数器计数值。计数器计时车轮每转一圈所用的时间t，就可以计算出实时速度v。当速度键按下时，速度指示灯亮，LED切换显示当前速度；当里程键按下时，里程指示灯亮，LED切换显示当前里程。设置速度上限值，与当前行车速度相比较，如果超过了上限值，则产生报警信号。

3 测速报警电路设计

电动自行车的速度里程表的硬件电路设计是基础部分，它包括信号的采集、滤波、放大、整形、存储，单片机外围基本电路的设计，单片机的计算处理和数码管的实时显示，两大主要器件就是单片机和传感器。系统的原理框图如图1所示。

3.1 测速电路设计

使用霍尔传感器采集信号，其机械结构较为简单，只要在转轴的齿轮盘上固定一粒磁钢，霍尔元件固定在前叉上，当车轮转动时霍尔元件靠近磁钢，就有信号输出，转轴连续旋转时，就会不断地产生脉冲信号并输出。当在齿轮盘上固定多粒磁钢，可以实现车轮旋转一周，获得多个脉冲信号输出。在固定磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，安装之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于信号采集的有A44E，该传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作。工作电压范围宽，使用非常方便。A44E的外形如图2所示。

3.2 报警电路设计

为了让电动车的超速报警系统更加人性化，该报警系统使用语音报警，报警电路的核心是WTV040语音芯片[5]。之所以选择WTV040语音芯片作为电动车超速报警器电路的核心，是因为WTV040语音芯片不仅仅能满足电动车超速报警器性能的各种要求，而且芯片价格便宜，外围电路简单，容易制作，最重要的是内容可以由自己决定选用。

在这里，我们先做一个简单又能满足大部分车主要求的电动车超速报警器，也就是说只在语音芯片里面录制一段报警语音，DIP16封装的WTV040语音芯片就能够满足这些要求了。如果需要特殊制作豪华型的多段语音报警的汽车超速报警器，可以选用SSOP20封装的WTV040语音芯片，在SSOP20封装的WTV040封装模式下，最多可提供128段语音的播放。其工作框图如图3所示。

其电路图如图4所示。

3.3 显示电路的设计

LED数码管显示电路具有显示清晰、使用电压低、亮度高、寿命长的特点，因此使用非常广泛。本次设计采用共阴极接法，采用动态扫描显示接口电路，动态显示就是一位一位地按次序点亮各位数码管。各位数码管的段选线相应并联在一起，并由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（共阴极或共阳极）由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时依次选通，使其稳定显示须采用扫描的方式，即在某一时刻只选通一位数码管，而在另一时刻则选通另一位数码管，并将相应的段码送出，按此规律循环，就可使各位数码管显示需要显示的字符，尽管这些字符是在不同的时刻分别显示的，但是由于人的视觉暂留效应，只要每位显示间隔能够短到0.1秒一下，就可以给人同时显示的感觉[6]。显示器如图5所示。

4 结论

本文主要设计了电动车测速与报警器的硬件电路部分。由于需要安装在电动车上，为了节省成本，节约空间，尽可能简化硬件电路，节省线路板的空间，达到硬件电路最优化设计。设计出的报警器配以模块化软件，能够实现对电动自行车里程/速度的计算功能，并用LED显示，当速度超过规定值时，产生报警语音信号，提醒驾驶人降低速度，从而提高了行车安全性。能够满足人们对多功能、高性能自行车的要求，可在很多速度/里程测量场合使用，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]http：//www.evtimes.cn/html/201502/57587.html

[2]彭春兰，万永强，张井华等.电动自行车最高车速测量结果的可靠性分析[J].现代测量与实验室管理，2015（01）：5-7.

[3]人民教育出版社课程教材研究所编著.物理（选修3-1）[M].人民教育出版社，2010.

[4]贺颖，李盼，王志兰.自行车智能测速器的设计[J].自动化与仪器仪表，2016（01）：201-203.

[5]丁春晓，艾信友，潘超伟等.具有语音功能的超声导盲仪的设计[J].科技创新与应用，2014（06）.

[6]郑三婷，白燕燕，胡晓霞.浅谈数字电子时钟的设计及应用[J]. 电子制作，2015（05）：32-34.

作者简介：魏承启（1999-），男，学生。