青少年科技创新大赛创新发明获奖作品《基于Arduino微型控制器的新型共享单车坐垫系统》

作品说明书项目题目基于Arduino微型控制器的新型共享单车坐垫系统的设计学校名称宁波市鄞州中学学生姓名林哲豪指导教师刘勇完成日期2017 年10 月20 日本共享单车坐垫系统基于Arduino微型控制器，该坐垫盖保护系统避免了单车由于晴天太阳暴晒带来的坐垫表面高温，雨后坐垫上的水珠和由于如今空气恶化带来的灰尘与细菌滋生。

在使用过程中用户只需要在APP上解锁自行车，保护坐垫的坐垫盖随即打开；当用户还车时，坐垫盖通过自动检测判断用户是否还在坐垫上，从而使坐垫盖关闭。

通过以上控制手段控制坐垫盖的翻合，避免了上一位用户忘关坐垫盖而对下一位用户的影响，保证了使用过程中的智能化，为用户免去了直接接触有雨滴或温度极高的坐垫盖的不便，一定程度上促进了绿色出行，为环境保护做出了贡献。

关键词：Arduino微型控制器；共享单车；绿色出行1 项目背景及意义 (1)1.1 项目背景 (1)1.2 项目意义 (2)2 系统设计分析 (3)2.1 想法检索 (3)2.2 系统方案选择 (4)2.2.1 方案一 (4)2.2.2 方案二 (4)2.2.3 方案三 (4)2.2.4 最终方案 (4)2.3 设计思路 (5)3 制作过程 (6)3.1 主要器件选择 (6)3.1.1 主控选择 (6)3.1.2 步进电机 (6)3.2 软件程序设计 (7)3.3 机械结构设计 (8)3.4 整体组装 (10)3.4.1 焊接 (10)3.4.2 组装 (10)3.5 设计中出现的问题及改动 (11)4 总结 (12)4.1 结论 (12)4.2 设计回望及展望 (13)1 项目背景及意义1.1 项目背景共享单车如今作为一种更为方便的出行工具广为普及，因其多在室外，导致其坐垫下雨时会被淋雨，夏天多被暴晒坐垫温度极高，以及空气恶化导致细菌滋生导致用户使用时十分不方便。

实例：七月中旬，江沪一带持续40度高温不下，满大街的共享单车也在烈日下被晒得白光闪闪，若是把温度计放在单车坐垫表面，发现最高温度可达60度。

正午街上行人寥寥，即使有人骑车也都采取“站立”姿势。

但却有一个“后知后觉”的23岁小伙，骑车10多分钟后才发现大腿和臀部火辣辣的疼，低头一看红晕了一大片部分地方还有脱皮。

小伙忍着疼痛回到社区医院看医生，竟然真的被烫伤了。

医生诊断为：臀部皮肤低温I度烫伤。

由此可见，现如今的共享单车坐垫部分还是有诸多弊病，在雨后或高温天会导致共享单车无法正常被用户使用。

1.2 项目意义随着电力电子技术的迅速发展，共享单车正广泛应用于城市公共交通中，共享单车作为具有零排放以及随用随骑、随停随锁优点的“绿色”交通工具成为人们日益关注的焦点。

然而在共享单车发展过程中，其影响城市整洁以及露天停放对用户的体验差等一系列缺点也越来越引起人们的反思，我们这个项目解决了由于露天停放太阳暴晒带来的坐垫表面高温，雨后坐垫上的水珠和由于如今空气恶化带来的灰尘与细菌滋生的问题。

该项目通过观察生活、了解时事热点得到的启发，并上网检索过有关共享单车坐垫防护的资料，发现现阶段该类项目还处于空白阶段。

解决了由于露天停放太阳暴晒带来的坐垫表面高温，雨后坐垫上的水珠和由于如今空气恶化带来的灰尘与细菌滋生的问题。

通过项目分析，发现运用现有技术手段，完全可以解决发现的烫伤问题。

所以该项目符合新颖性、科学性、先进性、实用性的原则。

综上该项目具有以下优点：1、解决恶劣天气对共享单车使用的影响；2、实现使用或未启用状态下的自动切换、检测系统对错误操作判断，使整个控制系统智能化；3、促进了绿色出行，响应了国家保护环境的号召。

在用户越来越重视自身体验的当下,在某种意义上来说解决共享单车由于露天停放导致的用户体验差的问题，更能使共享单车得到长足发展，更能有效的为人们的城市出行提供便捷。

2 系统设计分析本系统设计完全以实际需求为目标进行设计，通过实际测试现象，不断优化、改善设计方案，最终实现智能化控制坐垫盖，并带有一系列的人机交互，方便使用者观察整个过程的运行状况。

2.1 想法检索这个想法是我在17年7月想到的，有了这个想法后，我就在电脑上检索了。

在各个搜索引擎、各个专利检索板块检索后，我都没有发现这样的锁和类似的设计，这样我就开始着手设计、制作。

2.2 系统方案选择2.2.1 方案一起初，我的方案是做个双面坐垫，当正面被暴晒或是被雨淋湿，就可以将坐垫翻转，达到至少有一面干爽清凉的目的。

但是考虑到机械要求高，使用过程中可能会使用户感觉不方便，因此这个方案被否定了。

2.2.2 方案二在方案二中，我打算通过在自行车把手上安装开关来控制舵机，当用户用手握住手把时，舵机被触发完成自行车坐垫盖的打开与合拢。

但出于操作不够简洁，机器稳定性不强，并且由于舵机需要一直工作，所以比较浪费电，所以这个想法也随后被我否定。

2.2.3 方案三在方案三中，我打算只通过Arduino传感器完成坐垫盖的打开或关上的判断。

但由于操作复杂，自动化不高，并且还是需要用户手动开盖，外界用户干扰因素不能排除，因此本方案被否定。

2.2.4 最终方案最终，我将方案二和方案三结合，并将其中的电子元件进行删减，做到电子配合最稳定化，用户不直接接触坐垫盖的目标。

当用户想要使用共享单车或公共自行车时先在手机APP上解锁自行车，解锁自行车后，红外传感接收器接收信号，坐垫盖通过步进电机控制自动翻转，翻转到指定位置时，直到传感器判断坐垫盖全部翻转。

当用户还车时，将车锁锁上，并在APP中还车后，红外传感接收器接收信号，若传感器判断坐垫上有人则直到无人时，坐垫盖由电机关闭，再由红外检测直到坐垫盖完全关闭。

2.3 设计思路本设计采用Arduino微型控制器作为主控单元，通过压力传感器、红外传感器等一系列传感器作为检测手段，使其判断接受到的指令并判断坐垫盖是否翻回，极大程度上实现了自动化，为用户提供了更舒适便捷的骑行，保证了共享单车全环境的可使用性。

前向通道包括红外遥控，压力检测，位置检测；后向通道包括LED显示，上位机串口调试及电机。

传感器输出信号经滤波后输入Arduino微型控制器的AD 转换通道和数字IO口，通过实时采样压力和位置信息，并根据采样信息控制电机；同时将实时信息通过LED灯显示，并通过串口传送至上位PC机，方便系统调试软件程序、硬件电路测试。

如图图2-1所示为本系统的系统模块的整体设计框图。

图2-1 系统的整体结构框图3 制作过程3.1 主要器件选择3.1.1 主控选择在微控制器的选择上，我使用了Arduino微型控制器作为整机的主控芯片，这款微型控制器作为一款优良的开源硬件，非常适合刚入门的电子DIY爱好者，针对本次的设计其内部硬件资源绰绰有余，同时还有较低的功耗，便于电池供电。

相关程序使用C语言编写，配合Arduino软件编译、调试。

3.1.2 步进电机在这次项目中我们选用28BYJ-48步进电机，其工作电压为5V，输出转矩基本满足此次项目对转矩的要求。

进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作。

由于供电电压的限制，导致普通的交流电机无法拥有将坐垫盖翻起的动力，因此我选择使用扭力较大的步进电机作为执行机构。

3.2 软件程序设计软件设计主要遵循以下两个设计原则：即功能模块划分原则和程序层次分明原则。

在该项目的功能实现过程时，考虑到了按键消抖技巧、数据滤波以及控制过程中的外界干扰（比如判断人是否在坐垫上，等人离开坐垫后，留有一定余量的时间再闭合坐垫盖），从而使系统稳定运行。

具体软件的整体流程图如图3-2所示。

图3-2 软件整体流程图3.3 机械结构设计原本坐垫盖需要考虑材料，但是由于实现较为困难，所以此次采取模型的方式，通过3D打印技术将我们需要的坐垫盖打印出来。

在画图软件的选择上，我使用的是SolidWorks2016，因为我前期没有接触过相关的设计绘图，因此在画图这方面还是比较吃力，SolidWorks2016这款软件他能比较好的让设计师完成相关的零件设计，界面和操作系统都比较简单，初学者只需要一本教程就可以比较好的应用此软件。

由于翻盖制作精度较高，其质量也要轻，因此我使用的是3DP工艺，也就是PC材料，是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性。

高强度，耐高温，抗冲击，抗弯曲，可以作为最终零部件使用,应用于交通工具及家电行业。

打印时，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。

喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。

铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。

如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。

坐垫盖3D设计图坐垫盖3D打印过程最终坐垫盖3D打印实物由于考虑到坐垫需要模拟操作，方面最后美观和操作方便，我们增加了一个底座，用于固定坐垫系统。

3.4 整体组装3.4.1 焊接由于以前没有使用过电烙铁，都是通过面包板插接的，所以通过上网搜索相关资料，掌握焊接步骤及技巧，完成电路焊接。

焊接完的电路板效果如下：3.4.2 组装整个结构以木头和3D打印的树脂为主，所以在整个连接时主要以热熔胶衔接。

在组装过程中，针对传感器摆放位置，通过完成主体结构后，按照实际情况对信号的要求进行细致调整。

组装完成后的效果图如下：3.5 设计中出现的问题及改动1、将普通电机换为步进电机在设计模型时，我采用的驱动元件是普通电机，但是由于单片机供电有限，输出电压不足以带动大电机，而小电机又不足以驱动坐垫盖，在发现问题后，我查阅了相关文献，也请教了老师，最后决定用步进电机替换直流电机以换取更大的驱动力。

但由于我之前没有接触过步进电机的使用方法，因此前辈老师给了我很大帮助，在这里感谢给予我帮助的老师。

2、取消电子锁及卡槽，改用红外检测。

在制作过程中，我发现电子锁与卡槽与坐垫间的配合很难控制，而且加上卡槽会使装置笨重不美观，因此我最后决定将卡槽及电子锁用红外检测代替，提高了系统的稳定性与可操作性。

3、用红外控制传输命令由于知识以及能力的局限，我在模型中无法实现在APP上直接命令装置，在本模型中，以红外遥控技术，代替APP传输命令。

4、外观优化原本电路用面包板进行连接，并且线路零散，非常不利于后期实物展示，最终选择采取洞洞板焊接连接，并对零散的线路进行整理。

原本的作品优化后的作品4 总结4.1 结论本次设计的内容是设计一套基于Arduino微型控制器的新型共享单车坐垫系统，通过我不断的努力在这一个多月的时间内完成了基本部分。

在最开始着手做的时候，由于平时有老师手把手教学，并不知道一个项目拿到手应该怎么分析、怎么制定方案，所以当时是最艰难的一段时间。