电动自行车超速报警电路的硬件设计
作者：魏承启　魏强
来源：《山东工业技术》2017年第02期
        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/jki.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，虽然道路状况一直在改善，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
山东电动汽车
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。