Цифровой спидометр для велосипеда

Принцип измерения скорости описываемым спидометром основан на подсчете числа импульсов, наведенных в датчике спицами вращающегося колеса велосипеда за определенное время. Для илдикации скорости используются светодиодные семисегментные индикаторы с малым током потребления. Спидометр позволяет на месте корректировать время измерения импульсов при установке спидометра на велосипеды различных конструкции.

Основные технические характеристики

Пределы измерения скорости, км/ч ..:...... 0...99

Длительность, одного цикла измерений, с 0,2...0,25

Ток потребления устройства без индикации, не более, мА 1

Ток потребления двухзарядного индикатора, не более, мА 15

Основная погрешность измерения, не более, % . . . . 2

Принципиальная схема спидометра изображена на рис. 1, а на рис. 2 приведены временные диаграммы его работы. Импульсы с датчика BR1, наведенные в нем спицами вращающегося колеса, поступают на вход усилителя-ограничителя DA1. С его выхода положительные импульсы поступают на входной вывод 1 элемента DD1.1, выполняющего функцию формирователя отрицательных импульсов (рис. 2, а), по фронту которых цепочка C5R9 формирует узкие (длительностью 7 мкс) счетные импульсы (рис. 2,6), поступающие далее на вход 6 элемента DD1.2. Первый положительный импульс (рис. 2, в), сформированный цепочкой C6R10 из положительного перепада исходных импульсов, инвертируется, элементом DD2.1 и его выходной сигнал запускает формирователь импульса разрешения счета (стробирующего), собранный на элементах DD2.2, DD2.3, конденсаторе С8 и резисторах R12, R13.

Дифференцирующая цепочка C4R8 формирует положительный импульс обнуления счетчиков DD3, DD6 (длительность импульса 7 мкс) в начале каждого стробирующего импульса. С выходов этих счетчиков двоичный код числа подсчитанных импульсов поступает на регистры, памяти, выполненные на микросхемах DD4, DD5, DD7 и DD8. После окончания счета выходной код счетчиков записывается в регистры отрицательным импульсом (рис. 2, и), сформированным цепочкой C10R16 и задержанным относительно окончания стробирующего импульса на время (около 60 мкс), определяемое номиналами R15, С9. Это время выбрано значительно большим времени задержки распространения в элементе DD1.2 и счетчиках DD3 и DD6. Кроме того, в момент окончания счета цепочка C7R11 формирует отрицательный импульс (рис. 2, ж) на входе 2 элемента DD2.1, запрещающий прохождение следующего запускающего импульса (на рис. 2, в — импульс 5) на вход формирователя стробирующего импульса. Длительность импульса запрета (100 мкс) должна быть больше суммарной длительности импульса записи кода счетчика в регистр (7 мкс) и времени задержки этого импульса (60 мкс) относительно окончания стробирующего импульса.

Следующий цикл измерения (следующий стробирующий импульс) запускается первым после импульса запрета положительным импульсом на входе 1 элемента DD2.1 (на рис. 2, в — импульс 6). Регистры DD4, DD5, DD7, DD8 запоминают выходной код счетчиков до следующего импульса записи. Этот код уровней логических напряжений через резисторы R17 — R30 поступает на соответствующие сегменты светодиодных индикаторов HG1 и HG2. Резисторы R17 — R30 ограничивают ток через сегменты индикаторов до 1 мА. Яркость свечения индикаторов при этом вполне достаточна, для наблюдения при дневном свете. При необходимости яркость можно увеличить, уменьшив сопротивления этих резисторов, но в этом случае уменьшается время работы источника питания GB1.

На логических элементах DD1.3 и DD1.4 собран генератор импульсов, определяющих длительность времени счета. В зависимости от конструкции колеса велосипеда для отображения на индикаторе скорости в км/ч время счета Т_сч в секундах можно определить по следующей формуле:

где R — радиус колеса под нагрузкой (м), К — число спиц в колесе.

Практически для всех велосипедов Т_сч =0,18...0,25 с.

При нажатии на кнопку SB1 генератор начинает вырабатывать сигнал, поступающий далее на вход 2 элемента DD1.1 с частотой, определяемой параметрами R6, R7, СЗ. Период колебаний Т ≈ 1,8 (R6+R7) СЗ.

Частоту следования импульсов устанавливают подстроечным резистором R7 такой, чтобы при максимально необходимом времени счета (0,25 с) на индикаторе высвечивалось число 99. Эта частота F=99/0,25= = 396 Гц. Счет числа импульсов генератора происходит аналогично счету импульсов от спиц.

При перестановке спидометра с одного велосипеда на другой сначала определяют необходимое время счета Т_сч и, нажав кнопку SB1 и перемещая движок резистора R13, получают на индикаторе число N, которое определяется из выражения:

Вместо операционного усилителя К140УД6 (DA1) можно использовать К140УД7, К140УД12 или К153УД2, К140УД14 с корректирующим конденсатором емкостью 10 пФ между 1 и 8 выводами, а также другие операционные усилители с соответствующими цепями коррекции. Вместо каждой микросхемы К561ТМЗ (DD4, DD5, DD7, DD8) с четырьмя D-триггерами можно использовать две микросхемы К176ТМ1 или К176ТМ2 с двумя D-триггерами, При этом входы R и S (выводы 4 и 10 для К176ТМ1 и выводы 4, 10, б, 8 для К176ТМ2) соединяют с общим проводом, а тактовые входы О и С2 (выводы 3 и 11) — с цепочкой R16C10. Входы и выходы триггеров .подключают аналогично К561ТМЗ.

Источником питания спидометра служит батарея Крона.

Датчик BR1 изготовлен из малогабаритного электромагнитного реле типа РЭС-10, что позволило установить спидометр даже на детских велосипедах Дружок. Для повышения чувствительности датчика желательно использовать для него реле с возможно большим числом витков обмотки (паспорт РС4.524.300 или РС4.524.301).

Дюралюминиевый корпус используемого реле развальцовывают и удаляют. Удаляют также контактную группу, якорь и другие ненужные для датчика детали. На основании реле с наружной стороны оставляют только четыре крайних вывода, а центральный убирают. К ярму / (рис. 4) клеем Суперцемент, ПВА или эпоксидным приклеивают магнит 4 (от компрессора для аквариума типа ВК-1 или от магнитной защелки для дверей), предварительно обрезанны до размеров 12X8X5 мм алмазным диском или "другим инструментом. Бортики основания реле 3 стачивают, а его корпус 2 укорачивают так, чтобы электромагнит реле свободно входил в него до упора и края корпуса были вровень с наружным краем основания. Щели между корпусом и основанием или все пространство между корпусом и датчиком заполняют эпоксидной- смолой.

Далее из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2...3 мм вырезают пластину 6 и сверлят в ней четыре отверстия диаметром 1 мм под выводы датчика. Резцом со стороны фольги выделяют контактную площадку 5. Вставляют датчик выводами в отверстия (один из выводов обмотки — в отверстие контактной площадки 5), припаивают выводы, затем к выводам обмотки припаивают экранированный провод 7 (центральный провод—к площадке 5). К двум другим выводам припаивают, слегка прижимая провод, крепежную скобу 8. Все места пайки вместе с проводом заливают эпоксидной смолой и закрывают пластмассовой декоративной пластиной 12. Крепежная пластина 9 и хомут 11 изготовлены из дюралюминия толщиной 2...3 мм. Профиль хомута определяет форма велосипедной вилки.10 переднего колеса.

Такой датчик при малых габаритах имеет чувствительность в 5 раз большую, чем изготовленный из телефона ТГ-7М [1].

Крепят датчик по возможности ближе к ободу колеса на расстоянии 5 мм от ближнего к датчику ряда спиц. Ось АА датчика должна быть параллельна радиусу колеса.

Размещение деталей спидометра в корпусе показано на рис. 5. Сам корпус склеен из пластмассовых пластин толщиной 3 мм дихлорэтаном (или другим специальным клеем с соблюдением мер предосторожности). Внешние размеры корпуса 94X80X32 мм. К его основанию приклеивают боковые стенки и переднюю панель 4. На передней панели просверливают 3 отверстия: для тумблера SA1 (поз. 9), для кнопки SB1 (поз. 8) и для индикаторов 6. С внутренней стороны панели против отверстия для индикаторов приклеивают пластину 5 из прозрачного оргстекла, затем нефольгированной стороной к оргстеклу приклеивают эпоксидной смолой пластину 7 из фольгированного стеклотекстолита, на которой предварительно вытравливают рисунок для монтажа индикаторов и подпайки соединительных проводников.

К боковым стенкам и передней панели приклеивают стойки 10 с резьбовыми отверстиями МЗ для крепления крышки корпуса. Место расположения батареи питания Крона 11 ограничивают бортики высотой 10... 15 мм. В основании необходимо просверлить еще два отверстия диаметром 3 мм для крепления блока плат 2 и два отверстия диаметром 4 мм в центре — для хомута 13, обеспечивающего крепление спидометра на руле велосипеда. Крепежные винты 12 закрывают пластиной 14 из диэлектрика.

Между блоком плат и основанием в местах соединения вставляют диэлектрические втулки высотой 3 мм. В задней стенке в углу в отверстие под угловой крепежной стойкой через резиновую втулку-уплотнитель проходит провод 1 от датчика, закрепленный внутри корпуса (можно предусмотреть разъемное соединение). На крышке по периметру приклеивают уплотняющую резиновую прокладку из ленточной резины толщиной 0,5...1 мм. Через резьбовое отверстие М4 сбоку корпуса, закрытое винтом 3, открывается доступ к резистору R13 регулировки времени счета.

Спидометр крепят на руле велосипеда с помощью хомута 13 и винта М4 с гайкой под удобным для наблюдения углом, предварительно проложив под хомут резиновую прокладку.

Настройка спидометра заключается в подгонке резистором R7 частоты генератора, равной 396 Гц, и последующей установке на индикаторе с помощью резистора R13 (при нажатой кнопке SB1) числа N = 369Т_сч для необходимого времени счета (в секундах), определяемого по приведенной выше формуле.

Если на выходе 6DAI (см. рис. 1) в статическом режиме появляется напряжение логической 1 вследствие разброса напряжения смещения используемого операционного усилителя, то необходимо увеличить сопротивление резистора R1 до получения на выходе б этого усилителя логического 0.

Погрешность измерения скорости может быть связана с температурной нестабильностью емкости конденсаторов СЗ, С8 и с изменением напряжения источника питания. При изменении напряжения с 9 до 8 В погрешность измерения должна быть не более 1,5%, а суммарная погрешность не более 2%.