一種創新型的智能電動車車速提示器

收稿日期：2023-07-21

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.042

摘" 要：文章對如何提高電動自行車車速檢測的準確度進行了研究。一方面對電動自行車驅動電機霍爾信號濾波整形，通過單片機精確計算出信號周期，進而得出準確的電機轉速；另一方面針對不同體重的電動自行車駕駛員，對電動自行車車輪產生的壓力不同，進而導致輪子實際運行半徑的不同，文章采用手動輸入車輪半徑的方式，使得車輪半徑的參數更加精準。以上兩個改進措施大大提高了電動自行車車速檢測的準確度。當電動車超速時，提示器準確發出超速報警，從而減少交通事故的發生。

關鍵詞：車速；提示器；車速準確度；電動車

中圖分類號：TP368" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）05-0194-05

An Innovative Intelligent Electric Bicycle Speed Reminder

QIAN Shaowei， ZHU Junfan， SHEN Bin， TANG Zhiling

（1.Suzhou Higher Vocational School， Suzhou" 215009， China;

2.Suzhou Branch of Jiangsu United Vocational and Technical College， Suzhou" 215009， China）

Abstract： This paper studies how to improve the accuracy of speed detection for electric bicycles. On the one hand， the Hall signal of the electric bicycle driving motor is filtered and reshaped， and the signal period is accurately calculated by a Single-Chip Microcomputer to obtain the accurate motor speed. On the other hand， for electric bicycle drivers of different weights， the pressure generated on the wheels of the electric bicycle is different， which leads to differences in the actual running radius of the wheels. This paper adopts a manual input of the wheel radius to make the parameters of the wheel radius more accurate. The accuracy of electric bicycle speed detection has been greatly improved through the above two improvement measures. Thus， when the electric bicycle exceeds the speed limit， the reminder will accurately issue an overspeed alarm， thereby reducing the occurrence of traffic accidents.

Keywords： electric bicycle speed; reminder; electric bicycle speed accuracy; electric bicycle

0" 引" 言

隨著人們生活水平的日益提高，2021年我國電動自行車、電動摩托車、電動汽車合計保有量突破3.95億輛[1]。但現有電動車自行車在出廠只安裝了限速器，并且車速表顯示的車速準確度低，且沒有超速報警提示功能。本文將對如何提高電動自行車車速檢測的準確度進行了研究。通過對電動自行車驅動電機霍爾信號濾波整形，精確計算出信號周期，進而得出準確的電機轉速；同時針對不同體重的電動自行車駕駛員，對電動自行車車輪產生的壓力不同，進而導致輪子實際運行半徑的不同，采用手動輸入車輪半徑的方式，使得車輪半徑的參數更加精準。通過以上兩個改進措施大大提高了電動自行車車速檢測的準確度。從而當電動車速度超過25 km/h時，準確的發出超速報警，從而減少交通事故的發生。

1" 國內外現狀

我國在2018年12月28日發布了國家推薦性標準GB/T 37153—2018《電動汽車低速提示音》[2]，要求電動汽車在低速行駛時（20 km/h以下）必須向車內、外人員發出適當提示性聲響，并于2019年7月1日起正式實施[3]。歐盟也規定，自2019年7月1日開始，在歐盟出售的電動汽車（包括所有全新的以及所有現有的電動汽車）都必須在2021年之前安裝噪聲發生裝置（車輛聲學警報系統AVAS，也稱電動汽車低速行駛提示音系統），并且時速在20千米以下時就會自動啟動。時速在20千米以上時，車胎和風噪聲足以警醒路人車輛在靠近[4]。但由于我國的標準為推薦性標準，并且只針對電動汽車，這就導致所有的電動自行車、電動摩托車以及絕大部分電動汽車沒有提示音。

為了減少和避免該類事故的產生，現有技術方案將車速檢測速器裝在車輪上，實時檢測車輪轉速，輸出一個模擬信號，車速顯示電路將該模擬信號進行處理，轉換成數字信號，最后通過顯示譯碼器在顯示裝置（液晶屏、LED數碼管）上顯示出來[5]。如圖1現有車速顯示器方案原理框圖所示。現有技術方案存在一些缺陷，比如：首先車速檢測裝置需要安裝在車輪附近，固定困難，增加成本。其次車輪的顛簸，雨水污泥的侵蝕使得車速檢測裝置容易損壞或者產生誤差，使得電路的不穩定性大大增加。最后該方案并不能給車輛駕駛員提供警示信號，所以無法起到安全提示作用[6]。

圖1" 現有車速顯示器方案原理框圖

2" 智能電動車車速提示器系統設計

本發明“一種創新型的智能電動車車速提示器”（如圖2智能電動車車速提示器系統實物圖所示）利用現在電動車一般都采用的是直流無刷電機作為驅動電機，而直流無刷電機都擁有霍爾信號端。我們從霍爾信號端取出信號作為采樣信號。通過將該信號濾波后接入單片機后檢測出頻率，再根據車輪半徑，精確計算出電動車的車速。計算公式如下：

式中，V表示車速（km/h），T表示霍爾信號周期（μs），p表示磁極對數，R表示車輪半徑（m）。

圖2" 智能電動車車速提示器系統實物圖

當車速超過國家規定的25 km/h時，單片機發出控制信號，控制語音模塊播放超速提示聲音。其原理框圖如圖3智能電動車車速提示器系統原理框圖所示，智能電動車車速提示器系統有轉換電路、單片機、屏幕、功能按鍵、反相器、語音模塊、揚聲器和DC-DC電源這幾個模塊構成。

2.1" 轉換電路模塊

如圖4霍爾信號采樣所示，我們發現采樣出的霍爾信號帶有大量雜波這樣是無法通過單片機檢測出頻率，進而無法計算出準確的車速。所以要通過轉換電路的處理，濾除雜波。

圖4" 霍爾信號采樣

轉換電路使用了一個一級RC濾波電路和一個整形電路進行濾波處理，如圖5一級濾波電路和整形電路原理圖所示。由于所用的是電動自行車的直流無刷電機，該電機具有23對磁極，故而輪子轉一圈，霍爾信號端口會產生23個完整周期的方波信號，輪子轉速越快該信號的周期越短，頻率越高。根據本例的輪子直徑，我們計算出最快車速下（大約30 km/h）頻率約為200 Hz左右。故而濾波電路截止頻率設置為482 Hz。

其中一級RC低通濾波電路選用了3.3 kΩ的電阻和100 nF的電容（通過公式f = 1/2πRC計算截止頻率約為482 Hz），經過該電路濾波后仍有一部分雜波，如圖6一級濾波電路后的波形所示。因此我們選擇在一級濾波電路后接一個集成運放構成的比較器進行整形，這里采用了集成運放的非線性運用，我們在反相端接一個2.5 V左右的電壓，當同相端電壓高于反向端電壓時，輸出高電平。反之，輸出低電平。最后輸出一個濾除雜波后完美的方波，如圖7整形后的波形所示。

圖6" 一級濾波電路后的波形

圖7" 整形后的波形

2.2" 單片機模塊

單片機模塊中包含了經典的51單片機型號為STC89C52、數碼顯示屏和按鍵開關等，如圖8單片機實物圖所示。

圖8" 單片機實物圖

在本發明中單片機從P3.2口接收將轉換電路轉換好的信號，通過按鍵輸入電動車輪子半徑R，經過內部程序處理后顯示實時車速，當車速超過國家規定的25 km/h時，則發出超速提示語音控制信號。具體端口及功能如表1單片機端口功能對照表所示。

表1" 單片機端口功能對照表

端口（引腳） 功能 備注

P3.2 頻率檢測輸入 外部中斷INT0

P3.1 半徑輸入鎖定 獨立按鍵K1

P3.0 半徑數值增加 獨立按鍵K2

P3.3 半徑數值確認 獨立按鍵K4

P2.7 LCD1602顯示模塊 LCD RS

P2.6 LCD1602顯示模塊 LCD WR

P2.5 LCD1602顯示模塊 LCD EN

P0.0 LCD1602顯示模塊 LCD D0

P0.1 LCD1602顯示模塊 LCD D1

P0.2 LCD1602顯示模塊 LCD D2

P0.3 LCD1602顯示模塊 LCD D3

P0.4 LCD1602顯示模塊 LCD D4

P0.5 LCD1602顯示模塊 LCD D5

P0.6 LCD1602顯示模塊 LCD D6

P0.7 LCD1602顯示模塊 LCD D7

P2.4 聲音信號輸出 接反相器

如圖9單片機程序原理框圖所示，單片機程序由頻率檢測、速度計算與顯示、聲音輸出幾部分組成。

圖9" 單片機程序原理框圖

頻率檢測需要用到一個定時器以及一個外部中斷。程序開始運行時，通過設置定時器的初值運行定時器，每100 μs觸發一次定時器中斷，T0Count+1。在單片機INT0端口，即P3.2口，接入經過處理的脈沖信號。

接入單片機INT0口，為了使測量更加準確，通過設置IT0選項（外部中斷0觸發方式選擇位）設為1，將外部中斷0的觸發方式為邊沿觸發方式。當INT0接收到脈沖的下降沿時，觸發外置中斷0，讀取定時器0中的T0Count參數。當第二次檢測到下降沿時，此時的T0Count與第一次下降沿T0Count值的差值，即為一個周期。

為了減少誤差，使數據更加準確，通過檢測5個周期時間的脈沖信號的時間，取平均值，得到單個脈沖的定時時間，該時間即為脈沖在一個周期情況下檢測到的周期參數。同時在此時對T0Count做清零，并將參數賦值輸出。以此循環，不斷進行周期檢測。

單片機通過頻率檢測，得到一個完整脈沖的周期時間。通過帶入公式計算，最后可以得到實際對應的速度。從而在LCD屏幕上顯示車速數值，再通過外接輸出端，連接反相器驅動語音模塊以及揚聲器，當檢測到車速超過國家規定的25 km/h，揚聲器從而發出超速提示音。從而提示駕駛員自己以及周邊的行人車輛。（以上發出的聲音音量大小均在國家要求范圍內，具體參考《中華人民共和國噪音污染防治法》國家標準GB3096—2015《環境噪音標準》）

2.3" 反相器模塊

本模塊由VCC（+5 V）電源、電阻R6和三極管9013構成開關電路，實現反相功能，其原理圖如圖10反相器模塊原理圖所示。

圖10" 反相器模塊原理圖

由于語音模塊是下降沿時觸發其語音播報功能，同時為了防止出現開機就報警的誤動作發生。所以在單片機P2.4輸出端口接一個反相器進行信號轉換及過渡。

本模塊運行原理：當車速超過25 km/h時，單片機P2.4輸出端口輸出一個高電平（約4.8 V），三極管9013為導通狀態，此時三極管發射極與集電極為接通狀態，反相器輸出端（語音模塊輸入端）為低電平，對地觸發（下降沿觸發）語音模塊工作，播放超速提示音。當車速未超過25 km/h時，單片機P2.4輸出端口輸出狀態為低電平（約0.7 V）時，三極管9013為截止狀態，輸出端為高電平，此時語音模塊保持原狀態不變。其中電位器R7起到降低輸入電壓的作用，因為單片機低電平輸出電壓為0.7 V左右，如不降壓，則容易誤開啟三極管9013。

2.4" 語音模塊

語音模塊采用的是CZ3457（語音芯片模塊定制音樂智能語音播報USB串口MP3識別模塊JQ8900—16P），其原理框圖如圖11語音模塊原理圖所示。運用原理為語音模塊在通電的情況下，I07端口（9號引腳）輸入一個經過反相器處理的控制信號，來控制語音模塊是否發出預先儲存好的聲音信號，最后通過SPK-端口（7號引腳）和SPK+端口（8號引腳）傳輸至揚聲器進行功放。最后通過控制信號來決定：當車輛時速未超過25 km/h的情況下，語音模塊未觸發工作，車輛正常行駛。當車速超過25 km/h的情況下，語音模塊因為控制信號而驅動，發出超速提示音。具體提示語音通過通信端提前錄入芯片。

圖11" 語音模塊原理圖

2.5" DC-DC電路模塊

本發明中用到的DC-DC模塊為8～60 V轉5 V，它分別給轉換電路、單片機模塊和反相器供電如圖12 DC-DC模塊所示。

圖12" DC-DC模塊

2.6" 揚聲器模塊

揚聲器接收功率放大器放大的信號（本揚聲器為4 Ω的內阻），向外界播放電動車超速時的超速提示聲音。如圖13揚聲器實物圖所示。

圖13" 揚聲器實物圖

3" 創新點

1）車速檢測通過從無刷電機（電動自行車車輪）霍爾端提取轉速信號，相比傳統的安裝車速傳感器（編碼器）的車輛，大大減少了硬件設備的投入，同時提高了穩定性。

2）不同體重，不同胎壓會使得電動自行車車輪半徑發生變化，從而使得顯示的車速不準確。本發明通過手動輸入車輪半徑，提高了車速準確度，避免出現常見的“快樂表”，同時擴大了適用范圍，適用于各種輪徑的電動自行車。

3）在超速情況下，使用超速報警的提示語音替代了傳統的“滴滴滴”的提示音，降低了駕駛人員的煩躁感，提高了安全性。

4" 結" 論

本發明能夠大大的降低了電動車超速行駛事故的風險，并可以讓駕駛員養成一個良好的駕駛習慣，保障電動車、行人的財產和生命安全，盡量使電動車因超速行駛而引發的交通事故率變低，保護自身安全的同時，也保護他人安全。此外該發明還有許多需要改進和優化的地方。我們會努力攻克難關，繼續改進。

參考文獻：

[1] 公安部網站.2021年全國機動車保有量達3.95億 新能源汽車同比增59.25% [R/OL].（2022-01-12）.https：//www.gov.cn/govweb/xinwen/2022-01/12/content_5667715.htm.

[2] 曹斯敏.城市交通路口電動汽車低速行駛的提示聲音設計研究 [D].廣州：華南理工大學，2020.

[3] 高岳.安靜行駛車輛低速提示音標準法規國際狀況及發展趨勢分析 [J].科技創新與應用，2013（19）：44-45.

[4] 常晏寧，謝東明，彭偉強.倒車提示音標準與相關車外提示音標準對比分析 [J].標準科學，2022（3）：76-80.

[5] 蘇輝，劉琳，王震武，等.電動自行車車速提示音測試方法及測試結果影響因素分析 [J].摩托車技術，2022（2）：38-44.

[6] 劉琳，吉文博，蘇輝，等.電動自行車產品車速提示音檢測現狀和整改技術研究（1） [J].摩托車技術，2022（6）：39-42.

[7] 朱彬，張軍.基于連續轉速樣本的發動機音效實時合成方法 [J].計算機應用研究，2020，37（S2）：123-125.

[8] 陳成，朱廉潔，陸楠.運動感排氣聲合成技術在純電動汽車上的應用 [J].汽車技術，2020（6）：13-16.

[9] 王偉東.聲音的特征分類在新能源汽車主動發聲設計中的應用 [J].上海汽車，2020（3）：6-9.

[10] 肖聰，盧俊輝，候群，等.基于電動車的冷機系統控制策略設計與研究 [J].北京汽車，2022（1）：37-42.

[11] 沈林邦，譚龍，王子龍，等.電動汽車低速提示音室內試驗研究 [J].客車技術與研究，2021，43（1）：56-59.

[12] 夏小均，陳德兵.電動汽車低速提示音室內測試分析 [J].公路與汽運，2021（2）：12-15.

[13] 李玉剛，彭偉強，常晏寧.我國汽車車外提示音相關標準淺析 [J].中國汽車，2021（5）：52-57.

作者簡介：錢少偉（1981.02—），男，漢族，江蘇蘇州人，高級講師，教務處副處長，工程碩士，研究方向：電子與通信方向；諸俊帆（2005.05—），男，漢族，江蘇蘇州人，研究方向：電子與通信。