1、基于单片机的电动自行车设计基于单片机的电动自行车设计摘 要由于微电子、计算机和通讯技术的发展，微型计算机的应用已经深入到国民经济的各个领域，从家用电器、机电一体化产品到航空航天技术、人工智能、生物工程以及现代通信技术等各个领域，微型计算机的应用都取得了巨大的社会效益和经济效益。当今，计算机的应用水平已在很大程度上决定了生产力的水平。微型单片机系统以其体积小、性能价格比高，指令丰富、提供多种外围接口部件、控制灵活等优点，广泛应用于各种家电产品和工业控制系统中。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况,并能将多余的电能回溃。该系统具有调速性能好
2、、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。本文从系统要求分析入手，将整个系统分成五个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各部分的控制电路基于LPC933单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。关键词：单片机；无刷直流电动机；动态显示AbstractDue to the development of micro-electronics, computer
3、and communication technology, application of the microcomputer has in-depth to all fields of national economy, from the home appliance, mechanical and electrical integration products to aerospace technology, artificial intelligence, biological engineering and modern communications technology and oth
4、er fields, and microcomputer applications have achieved great social benefits and economic benefits. Today, the computer application level has been largely determines the level of productivity. Miniature single chip microcomputer system with its small volume, high cost performance, instruction is ri
5、ch, offers a variety of peripheral interface components, flexible control, etc, are widely used in various kinds of home appliances and industrial control system.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。The of the single a machine control has no to brush the direct current motive adjusts soon the system is applicable to the work
6、 circumstance that electricity move small power in etc. in bicycle. Combining can return the superfluous electric power This system possesses the advantage of good experimental characteristic, high power factor,energy-saving ,small volume、etc.This paper debates the circuit principle, control method
7、and realization method of into four parts. At the same time, the work condition of every part and the energy transmission direction are discussed .The control circuits of the system are based on LPC933 control chip microcontroller .The system by cooperating the hardware and software harmoniously, ac
8、cording to the feature of the experimental motor.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。Keywords: SCM; brushless DC motor; dynamic display1 绪言1.1 能源与环境问题二十一世纪是“绿色环保”的世纪，环境保护和能源节约问题成为新世纪最为突出的两大主题。随着工业的发展，城市汽车数量急剧上升，石油资源严重缺乏。研究表明，目前世界石油蕴藏量按照现在的清耗速度仅可供使用50到70年。而石油与国家安全密切相关，该问题己引起各国的极大重视。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。从环境角度讲，石油燃烧造成的大气污染曰益严重。在世界环境污染最为
9、严重的十大城市中，我国就占了7个，形势严峻可见一般。汽车排出的CO、HC和微尘颗粒等，会对人类的身体健康造成危害；另外汽车排出的二氧化碳虽然对人体健康无害，但它造成的温室效应破坏大自然的生态平衡，对大气造成严重影响。因此，这两大问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用的积极因素。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。1.2 电动自行车的发展状况1881年8月在巴黎举行的国际电气展览会上，法国特鲁夫展出了世界上第一辆电动交通工具电动三轮车。这是世界电动车史的开端，也是机动车辆史上具有划时代意义的一件大事。而此时，燃油汽车还尚未“出世”，它是在二十世纪初才出现的。但是当时由于电动机、电池等关键技术的发展还很不
10、理想，而且电动车速度慢、价格高，这一切限制了电动车推广的步伐，所以它只在贵族阶层中作为玩物流行了一段时间便被随后出现的相对便宜且有速度优势的燃油汽车所取代。到了1933年，电动车的数量已经将近为零。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。在随后的几十年间，电动车辆一直处于发展的低谷，而燃油车辆却发展迅猛，几乎占有了所有市场。于是，托着常常尾巴的机动车开始横行于世，为今天的能源危机和环境污染问题埋下了隐患。而人们直到七、八十年代才开始关注这两大问题，才把零污染零排放的电动车辆从新推到了前台。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。国外的科研机构早在20世纪60年代就开始了新一轮的电动车研究与开发，到现在电动车大致经历了三各阶段：9
11、0年代前，电动车的设计主流是单独采用蓄电池供电，发展了高功率密度的新型蓄电池及其充电技术；90年代起人们开始注意到仅仅使用蓄电池，电动车在近期内还难于传统汽车匹敌，从而混合动力车的研究得到了很大的重视。蓄电池与燃油系统的相互配合使用，可以大大减小车辆在市区的废气排放和污染，在长途运行时可使用燃油系统，但它只是电动车发展过程中的过渡产品：1994年Daimler Chrysle公司推出了采用燃料电池的电动车。它是通过氢氧化合反应得到电能，而副产物仅为纯净水(或水和少量的二氧化碳)。尽管燃料电池汽车技术性能目前已经能和内燃机汽车相媲美，但近期内由于价格太高，还难与内燃机汽车竞争。从70年代起，我国
12、电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到1993年，已被确定为国家十大重点科技工程，并制定了电动汽车的发展目标。而与汽车相比，灵活方便的中短途个人交通工具，如自行车、助动车和摩托车等，在全球依然占据绝大多数。全世界每天在骑的自行车约为10亿辆，每年有l亿辆新自行车进入市场。实际上，全球的电动车辆工业领域中发展最快的也是电动自行车、电动助动车和电动摩托车等一类小型电动车辆。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。在经济发达国家，一般家庭除了必备汽车之外，通常还希望配备多辆小型交通工具，供短途交通或休闲娱乐用，这对没有驾驶执照的老人和未成年人尤其具有吸引力。亚洲城市，一般人口众多，交通拥挤，自行车一直是大多数居民的主
13、要交通工具。但随着城市规模与人们日常活动范围的扩大，骑车就较辛苦，特别是遇到恶劣的天气或路况时，就更加费劲。而目前普通居民的购买力有限，小轿车普遍进入家庭还不太可能，况且燃油、环境和场地等多方因素都制约着汽车不可能成为大众化的代步工具；燃油摩托车曾一度成为许多城市比较普及的交通工具，但由于交通安全和环境保护等因素的影响，近年来在许多大中城市已经采取了限制措施。而电动自行车具有摩托车与自行车的综合优势：轻便、无污染、低噪音且价格较为低廉，它无疑将最有希望首先替代传统的交通工具，成为私人交通工具的重要组成部分。这是一个极其巨大的市场，尤其在人口居各大洲首位的亚洲。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。我国对电动自
14、行车的研究起步于20世纪80年代初期，经历了几次起落，目前在国内大中城市的应用和推广已可见端倪。但是有部分相关技术水平还存在一定问题，市场的孕育还未完全进入良性循环，有待进一步改善。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。1.3 电动自行车的前景展望由于电动自行车自身所具有的优点和近几年来行业内技术的不断进步，决定了其将会有较为广阔的市场前景，尤其在中国这个人口大国，更是有它的用武之地。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。首先，它具有的轻(质量轻，不大于40kg)、低(速度低，不大于20kmh)、廉(售价低廉，2000-3000元)、省(省时省力)、绿(绿色环保)的突出特点，十分符合广大老百姓的需求；其次，技术进步为电动自行
15、车的发展奠定了基础。无论是整车还是零部件的技术水平都有了很大的提高，特别是其核心部件一电池技术得到了突飞猛进的发展，为电动自行车的进一步发展奠定了良好的技术基础并提供强大的技术支持；再次，电动自行车符合可持续发展要求。对城市而言，大气污染物中的42来自汽车、摩托车等内燃机车的废气排放物，严重威胁着人类的健康。而电动自行车具有零排放、低噪声等独特的绿色环保特点，是一种符合可持续要求的交通工具； 最后，我国的经济发展是以内需为主要对象的，作为系统工程技术产品的电动自行车自然能够成为拉动内需新的动力之一。发展才是硬道理。电动自行车作为朝阳产业，前景是非常乐观的，应积极探索、加强管理、加快行业技术进步
16、，以保持在国际上的领先地位，以应对加入WTO的挑战。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。2 系统总体方案设计2.1 设计思路本设计采用脉宽调制（PWM）配以单片机为中心控制元件的调速系统。利用霍尔传感器实现传统的车把调速。把电压信号通过单片机中的数模转换控制占空比，速度显示利用八段数码管通过单片机输出显示。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。2.2 电动自行车工作原理电动自行车控制系统的硬件电路主要有五个部分：（1）电源电路（2）控制电路；（3）驱动电路；（4）测速电路；（5）显示电路。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑
17、稳定性，抗干扰性。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。控制核心采用LPC933单片机，仅用一块单片机就可以实现信号采集，电机控制和转速显示。如图2-1所示。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。图 2-1 总体电路方框图其整体工作过程为：打开电源后，单片机上电复位后，数码管显示车速为00.0。电动车开始行进，人通过拧动手把来调节车速时，单片机中的A/D转化器将采集手把处的模拟电压信直接进行A/D转换。单片机里的数字信号经过处理输出相应的PWM波形，用来驱动安装在后轮的无刷直流电机转动并调节其转速。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。此时，车轮每转一圈，安装在后轮附近的测速电路就向单片机发出信号，单片机通过计时和计算得出车速，然后通过动态
18、扫描的方式在数码管上显示出来。单片机等器件所需要的+3.3V电压由电动车的电源经过电源电路转化而得到。这样，只需要用一个电源，就能够满足电动机与各个芯片与器件的供电需求。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。2.3 功能分析 2.3.1 电源电路主控制器中的各个芯片及数字逻辑器件所的正常工作电压远小于无刷电机的额定电压。为了方便电源的配置和保护控制电路中的元器件，需要设计一个电源电路，使电机的额定电压经过转化后，输出一个所需的3.3V电压，并且其输出电压不随着电源电能的消耗而降低，能够保持稳定的3.3V，以供控制器部分正常运行。这样，电动自行车只需要用一个电源，就能够满足电动机与各个芯片的供电需求。陽簍埡鲑罷
19、規呜旧岿錟。2.3.2 控制电路控制电路是人主观调节车速的部分，体现了人对车的控制。手把处安装一个电位器，人转动手把即是在控制此电位器的电压。这个模拟电压作为A/D转换器的输入信号，它决定着单片机输出什么样的驱动信号，决定着电机的转速即电动车的车速。这是控制信号的采集。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。单片机中的A/D转化后，将这个数字信号处理成为一系列相应占空比的方波信号（即PWM波形）并输出，作为控制驱动电路通断的控制信号，以便调节电机的转速。这是控制信号的输出。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。2.3.3 驱动电路驱动电路的输入为控制信号，输出为电机转速。由于转速的改变需要时间，不能够突变，我们可以通过改变在一
20、小段时间内的平均速度来调节。控制信号是一系列等幅不等宽的方波信号，驱动电路中的开关器件会根据控制信号来进行频繁的开关动作，则驱动电路就会频繁的通和断。控制信号的占空比较大时，驱动电路开通时间长，电机转速就比较高；相反，控制信号的占空比较小时，驱动电路开通时间断，电机转速就比较低。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。2.3.4 测速电路骑车人需要明确车速大小以便对其进行调节。所以，测速电路和显示电路的设计是十分必要的。将转速传感器安装在电机附近，每当电机转一圈，传感器向单片机发出一个脉冲信号。单片机根据收到的脉冲个数和轮圈周长等数据计算出电动车的速度，并输出给显示电路。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。2.3.5 显示电
21、路单片机将计算出的车速用动态扫描数码管的方式显示出来。由于电动自行车最高车速不得超过20km/h，所以显示器用2个八段LED数码管即可。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。2.4 电动车对电动机的基本要求电动车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的。（1）电动车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为(34)，加速性能好，使用寿命长的特点。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。（2）电动车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。麸
22、肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。（3）电动车用电动机应能够在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。（4）电动车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。另外还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。3 硬件系统设计3.1 电源电路3.1.1 电源电路设计电源电路如图3-1所示,24V直流电源经三端稳压器74LS05的输出即为单片机所要求的+3.3V电源。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。电路中
23、接入电容C1、C2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。大容量的C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于二级管的PN结，造成二极管PN结击穿而损坏。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。图3-1 电源电路3.1.2 三端式稳压器78LS05稳压管用于控制板电路的稳压以防止电压过高烧毁电路。在这里78L05的作用是提供+3.3V的工作电压给各个芯片与器件。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调
24、的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。在使用时必须注意：(VI)和(Vo)之间的关系，该三端稳压器的固定输出电压是3.3V，而输入电压至少大于7V，这样输入/输出之间有23V及以上的压差。使调整管保证工作在放大区。但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不至于功耗偏大。另外一般在三端稳压器的输入输出端接一个二极管，用来防止输入端短路时,输出端存储的电荷通过稳压器而损
25、坏器件。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。图3-2 三端稳压器的典型接法图3-2是应用78L05输出固定电压VO的典型电路图。正常工作时，输入、输出电压差应大于23V。电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。3.2控制电路 3.2.1 控制电路设计控制电路选用LPC933作为控制器，内部存在A/D转换器，可与外部+5V电压连接。选通A
26、DCO通道(P1.7)作为电压输入接口,晶振采用外部12MHZ晶振。电路图如图3-3所示。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。图3-3 控制电路图3.2.2 单片机（1）主控制器的选择LPC933单片机是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。LPC933采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。LPC933集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。LPC933单片机是一个基于80C51内核的高速 低功率单片机，主要集成了字节方式的IC总线接口、UART通信接口
27、、A/D转换器、ISPIAP在线编程等一系列有特色的功能部件。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。所以本设计中选用了LPC933单片机。（2）单片机介绍LPC933单片机作为主控制器所做的工作为：接收经过A/D转化的控制信号、将控制信号转化为PWM方波并输出、检测速度传感器送来的脉冲信号、计算自行车车速并输出给显示电路、检测车速。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。下面就所用到的功能对单片机进行介绍（1）单片机的内部结构a.A/D转换器P89LPC933器件有一个A/D。每个A/D转换器包含4个结果寄存器。六种操作模式，分别有固定通道，单次转换模式固定通道，连续转换模式自动扫描，单次转换模式自动扫描，连续转换模式双通道，
28、连续转换模式单步模式，本实验选固定通道，单次转换模式。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。根据需要本实验选择单个输入通道进行转换。执行单次转换并将转换结果存放到所选输入通道对应的结果寄存器中b.触发启动模式定时器触 发启动定时器0溢出时启动一次A/D转换。一旦转换过程被启动，其它的定时器0触发操作均无效，直至转换过程结束。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。立即启动 编程为该模式将立即启动一次转换。立即启动模式适用于所有A/D工作模式。边沿触发 由P1.4脚的上升或下降沿来启动A/D转换。一旦转换过程被启动，其它的边沿触发操作均无效，直至转换过程结束。边沿触发启动模式适用于所有A/D工作模式。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。c.
29、比较单元该单元有以下特性：16位定时器，并可在溢出时重装16位值4个比较/PWM输出，可选择极性对称/非对称PWM选择7个中断（1个溢出、2个捕获和4个比较）使用同一个中断向量，通过映像寄存器进行安全的16位读写。2路捕获输入，带有事件计数器和数字噪声滤波器d.输出比较四个输出比较通道A、B、C和D分别通过4个16位寄存器OCRAH：OCRAL，OCRBH：OCRBL，OCRCH：OCRCL和OCRDH：OCRDL进行控制。每个输出比较通道在进行操作之前都必须使能。设置捕获比较x控制寄存器-CCCRx(x=A,B,C,D)中的OCMx1：0位可使能不同的输出比较类型。当使能一个比较通道时，用户
30、必须将相应的I/O口设置为所需要的输出类型（注：作为比较通道输出时，管脚P2.6，P1.6，P1.7，P2.1必须置为1）。当TH2：TL2的内容和OCRxH：OCRxL相匹配时，TIFR2中的定时器输出比较中断标志TOCFx置位。该位的置位发生在出现比较的下一个CCUCLK周期。如果EA和定时器输出比较中断使能位TOCIE2x（位于TICR2寄存器中）以及IEN1中的ECCU位都已置位，程序计数器将指向相应的中断。用户可通过软件写入“0”将其手动清零。CCCRx中的两个位，输出比较x模式位OCMx1和OCMx0对匹配发生时所采取的动作进行选择。即使中断被禁止，所使能的比较动作仍然会发生。嵝硖
31、贪塒廩袞悯倉華糲。为了产生比较输出，比较值必须在CCU 定时器的计数范围之内。当比较通道使能时，I/O口（必须配置为输出）将会连接到一个由比较逻辑控制的内部锁存。该锁存的值在复位后为0，可通过激活一个强制的比较来改变。强制比较的产生是通该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。过置位CCCRx中的强制比较x输出位FCOx实现的。当OCMx1/OCMx0对I/O口进行设置后，向FCOx位写入1将使相应的I/O口产生一个跳变，但不会产生中断。在基本定时器操作模式中，读取FCOx位总是为0（注：该位在PWM模式中有不同的功能）。当输出比较管脚使能，连接到比较锁存时，比较管脚的状态保持不变，直到发生比较事件或强制比较为止
32、。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。e.PWM操作PWM操作有两种主要的模式：对称和非对称。这两种定时器工作模式通过向TMOD21:TMOD20写入10H或11H进行选择。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。在非对称PWM 操作中，CCU 定时器按照递减计数模式操作，与TDIR2 的设定无关。该情况下，TDIR2 的值读出总是为1。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。在对称模式中，定时器交替递增/递减计数并且TDIR2的值无效。该模式与基本定时器操作的主要区别在于比较模块的操作。该模块在PWM模式中用于PWM波形的产生。表52所示为PWM模式中比较管脚的状态。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。用户必须将输出比较管脚配置为输出状态以使能PWM输出。与基本定时器操作一样，当PWM（比较）管脚连接到比较逻辑时，它们的逻辑状态保持不变。但是，有一点不同：由于FCO位用于保持停止的值，因此只有比较事件才能改变管脚的状态。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。（2）P89LPC932单片机特性a.同一时钟频率下，其速度为标准80C51器件的6倍。只需要较低的时钟频率即 可达到同样的性能，这
