Велосипедный спидометр

С помощью этого устройсва Вы можете измерять скорость движения велосипеда и пройденное расстояние. Использование в схеме микроконтрроллера позволяет на месте корректировать параметры измерений, и, таким образом, устанавливать его на велосипеды различных конструкций

 

Основные технические характеристики

Напряжение питания 3 В

Ток потребления 3мА

Пределы измерения скорости, км\ч 0...99

Предел измерения расстояния, км (с шагом 1 км) 250

Основная погрешность измерения, не более % 2

 

 

 

Для велосипедиста в процессе движения важно знать скорость велосипеда и пройденный путь. Определение длины велопробега довольно просто решается с помощью механического прибора, серийно выпускаемого промыш­ленностью и устанавливаемого на одну из вилок колеса. Механический указатель скорости велосипеда не получил широкого применения.

Автором предлагается несложная схема цифрового велоспидометра, который позволяет измерять скорость велосипеда с погрешностью не более 1…2 км/ч и питается от источника с напряжением +9 В. При включении схема потребляет ток около 30…40 мА. Она реализована на пяти цифровых KMOП -микросхемах серии К564 или К561, одной аналоговой микросхеме К140УД1А и двух цифровых индикаторах К490ИП1, в каждый из которых входят внутренний десятичный счетчик, дешифратор и семисегментный индикатор.

 

 

Общий принцип работы

цифрового велоспидометра заключается в следующем. Светодиод типа АЛ107Б в инфракрасной области непрерывно генерирует световые импульсы, которые принимаются фотодиодом ФД-9 и далее усиливаются операционным усилителем К140УД1А. Светодиод и фотодиод устанавливаются на вилке одного из колес велосипедиста друг против друга между спи­цами на расстоянии 1…2 см. Когда спица закрывает световое излучение, то на фотодиоде и выходе опера­ционного усилителя на время пролета спицы устанав­ливается уровень логического 0. Специальная триггерная схема непрерывно анализирует состояние между входом и выходом оптопары и при исчезновении импуль­сов с фотодиода формирует сигнал, соответствующий времени пролета спицы между светодиодом и фото­диодом. Далее генерируется определенный интервал времени, в течение которого суммируются все спицы, зафиксированные оптопарой. Полученная сумма и даст скорость велосипеда, так как количество промелькнув­ших спиц линейно возрастает со скоростью велосипеда. Изменением длины интервала суммирования (счета) добиваются необходимой калибровки прибора.

 Принципиальная схема и временные диаграммы ра­боты цифрового велоспидометра приведены соответ­ственно на рис. 1 и 2.

На микросхемах DD1.1 и DD1.2 собран генератор импульсов с периодом следования около 20 мкс. После­довательность этих сигналов усиливает и одновре­менно инвертирует транзистор VT1, в коллекторной нагрузке которого включен светодиод VD1 типа АЛ107Б. Импульсы светового излучения на длине волны около 1 мкм принимает фотодиод V D2 типа ФД-9, включенный между входами операционного усилителя DA1. Соотно­шением резисторов R4 и R5 устанавливают необходи­мую чувствительность фотоприемной схемы. Tранзистор VT2 согласует выход усилителя DA1 с требуемым вход­ным потенциалом КМОП микросхем. Конденсатор C2 не пропускает постоянную составляющую на базу тран­зистора VT2. Tриггеры DD3.1 и DD3.2 непрерывно следят за состоянием между входом и выходом оптопары. В исходном состоянии, когда спица не закрывает све­товое излучение, триггер DD3.1 по S-входу устанавли­вается в единичное состояние, а триггер DD3.2 по R-входу — в нулевое. Tриггер DD5.1 делит частоту с генера­тора на микросхемах DD1.1 и DD1.2 на два. Как только спица велосипеда закрывает световое излучение, импуль­сы с выхода триггера DD5.1 по синхровходу С сбрасы­вают в нуль триггер DD3.1. Если через два последующих такта не приходит сигнал с фотодиода, то триггер DD3.2 устанавливается в единицу, тем самым формируя фронт + 1 для суммирования количества спиц. Одновременно по входу R блокируется в нуль триггер DD5.1, запрещая прохождение сигналов со входа оптопары. В таком со­стоянии схема находится несколько секунд, пока спица закрывает световой поток. Длительность времени пролета спицы определяется скоростью велосипеда и толщиной спицы. Когда открывается световой поток, срабатывает фотодиод VD1, и все триггеры по входам R и S уста­навливаются в исходное состояние. Tриггер DD5.1 необ­ходим для ликвидации «дребезга» схемы при входе спицы в  полосу светового  излучения.  Микросхемы  DD1.5 и DD1.6 совместно с конденсатором СЗ и резисторами R8 и R9 образуют генератор импульсов, во время действия которых суммируется количество спиц за определенный промежуток времени (t_сч= 100-200 мс). Резистором R8 плавно регулируется длительность интервала счета.

Следует отметить, что у различных типов велосипеда интервал счета также различен. Он определяется в зави­симости от радиуса колес, количества спиц и других параметров. Поэтому величина t_сч, для каждого велоси­педа устанавливается экспериментально. Cхема вело­спидометра непрерывно определяет скорость велосипеда с периодом 8tсч (от 1 до 1,5 с), в результате чего можно оперативно следить за изменением скорости на опреде­ленных участках пути: с горы, при ускорении или тор­можении. Причем на время t_cч индикаторы погашены, а на время t_инд = 7t_сч индицируется сумма количества спиц, которая и определит скорость велосипеда в еди­ницах измерения км/ч за данный промежуток времени.

Погрешность измерения зависит от стабильности ин­тервала (и при изменении уровня питающего напря­жения и температуры окружающей среды и не превы­шает 3…5%.

Схема счета и индикации работает следующим об­разом.

Tактовые сигналы с генератора на микросхемах DD1.5 и DD1.б поступают на триггеры DD4.1 и DD4.2, которые делят исходную частоту на четыре. При по­ступлении с выхода микросхемы DD4.2 фронта восьмого импульса цепочка микросхем DD1.3, DD2.3 и DD2.4 формирует короткий сигнал для сброса в нуль по уста­новочным R-входам триггера DD5.2 и цифровых инди­каторов DD6 и DD7. Сигнал логического 0 с инверсного выхода микросхемы DD5.2 гасит индикацию по входу Г DD6 на время t_сч. Одновременно импульс логической 1 с прямого выхода микросхемы DD5.2 разрешает на время г_сч проход сигналов суммирования +1 с микро­схемы DD2.2.

В состав индикатора DD7 входит внутренний деся­тичный счетчик, который суммирует эти сигналы. При по­ступлении на счетчик DD7 десятого импульса на выхо­де Р формируется сигнал переноса, который поступает на индикатор DD6. Первым последующим тактом с ге­нератора триггер DD5.2 переходит в нулевое состояние, в результате чего запрещается счет импульсов и высвечивается сумма количества спиц на время 7t_сч. Далее цикл повторяется вновь. Резисторы R11 и R12 умень­шают яркость свечения индикаторов, сокращая потреб­ляемую мощность от источника питания. Велоспидометр включается в работу кнопкой SB1. В первый такт изме­рения (около 1 с) за счет переходных процессов воз­можно неверное определение скорости велосипеда, после чего каждую секунду высвечивается точное значение скорости до выключения питания.

Наладку спидометра

начинают с проверки осцилло­графом работы генератора на микросхемах DD1.1 и DD1.2. на коллекторе транзистора VT1 должна быть по­следовательность импульсов с периодом следования около 20 мкс. Далее размещают светодиод и фотодиод друг против друга на расстоянии 1…2 см и проверяют наличие импульсов на выходе операционного усилителя DA1. Резисторами R4 и R5 устанавливают такую чув­ствительность фотоприемной схемы, при которой еще со­храняются сигналы на коллекторе транзистора VT2 при увеличении расстояния между светодиодом и фотодиодом до 4…5 см. Проверяют исходное состояние триг­геров DD5.1, DD3.1 и DD3.2 согласно временным диа­граммам рис. 2. Затем налаживают схему индикации и счета. Длительность импульсов на выводе 13 микро­схемы DD5.2 должна плавно регулироваться резисто­ром R8 в пределах от 100 до 200 мс. Подается напря­жение +9 В на входы Г индикаторов DD6 и DD7 и на вывод 5 микросхемы DD2.2, а входы R индикаторов DD6 и DD7 заземляют. Если между светодиодом и фото­диодом поместить предмет толщиной со спицу велоси­педа, то на индикаторах должна прибавиться единица. После этого следует восстановить схему согласно рис. 1. Калибровку схемы производят в процессе движения резистором R8.

О заменах деталей.

Вместо фотодиода ФД-9 можно использовать фотодиоды ФД-10, ФД-5, ФД26К, ФД27К, ФД265А, но тогда уменьшится чувствительность схемы, которую можно увеличить изменением резисто­ров R4 и R5. Возможно использование светодиодов АЛ107А, АЛ107Б, АЛ115А, АЛ115Б, АЛ118А, АЛ118Б, а также операционных усилителей К140УД1Б. Микро­схемы серии К564 можно заменить серией К561, которая более критична к уровню питающего напряжения и исполнена в другом пластмассовом корпусе. Подстроечный резистор R8 типа СП3- 16а, однако лучше приме­нять резисторы с фиксатором ручки потенциометра, так как в процессе езды возможны толчки и смешение движка резистора. Тип разъемов XI—Х5 можно выбрать по своему усмотрению, но для обеспечения надежности лучше использовать разъемы с резьбовым соединением.

Конструкция и установка схемы.

Вид печатной платы велоспидометра представлен на рис. 3 и 4. Она изго­товлена из двустороннего стеклотекстолита и установ­лена вместе с источником питания GB1 в специальный герметичный корпус с разъемами XI—Х5.

На рис. 5 показана плата индикаторов, которая крепится либо на торцевой части коробки, либо на руле велосипеда и соединяется с основной схемой гибкими проводниками. Возможные варианты установки рабочих элементов схемы на велосипеде представлены на рис. 6 и 7.

В первом ва­рианте корпус со схемой, индикаторами, источником питания крепится под рулем велосипеда. Светодиод и фотодиод устанавливаются на передней вилке, а кнопка В1 — на руле. Во втором варианте оптопара крепится на заднем колесе, схема с источником питания — под сиденьем, а индикаторы с кнопкой — на руле. Можно положить корпус со схемой просто в кобуру для ключей. Тип крепления элементов к раме каждый радиолюбитель может выбрать по своему усмотрению в зависимости от размеров, конструкции вилок и типа велосипеда.

С.Гудов. В помощь радиолюбителю №107, 1990г.