1、. . . . I / 38摘摘 要要本文設(shè)計(jì)了以 80C51 單片機(jī)為控制器的電動自行車。設(shè)計(jì)中采用 PWM 技術(shù)對無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，用開關(guān)器件繼電器控制電機(jī)停和轉(zhuǎn)，并通過霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速,其轉(zhuǎn)速通過八段數(shù)碼管動態(tài)顯示。用 protel99se 繪制了系統(tǒng)的硬件電路圖。控制器與電機(jī)驅(qū)動電路用光耦完全隔離以避免干擾。控制上采用分時(shí)復(fù)用技術(shù),實(shí)現(xiàn)了信號采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 永磁無刷直流電動機(jī) 脈寬調(diào)制 動態(tài)顯示AbstractThe single chip microcomputer (SCM) 80C51 is used as the control center o

2、f the design of electric bicycle. The speed is regulated through Pulse Width Modulation (PWM) accordi-ng to the characteristics of permanent magnet brushless direct-current (DC) motor. The motor is controlled by a relay used as switching devices to started up and stopped. The speedis measured throug

3、h a hall sensor, and then displayed dynamically in 8-led-digital tube.The hardware circuit diagram of the system is drew with the protel99se software. Controlcenter is completely isolated from motor drive circuits by an optical coupler (OC) to avoid i-nterference. Time division multiplex access (TDM

4、A) is adoptted to control for data acq-uisition, motor control and speed display.K Ke ey yw wo or rd ds s: :SCMpermanent magnet brushless DC motorPWMdynamic display. . . . 目 錄第一章緒論 1第二章系統(tǒng)功能需求分析 32.1 電動自行車的工作原理 32.2 功能分析 4第三章硬件電路設(shè)計(jì) 73.1 電源電路 73.1.1 電源電路設(shè)計(jì) 73.1.2 三端式穩(wěn)壓器 78L0573.2 控制電路 83.2.1 控制電路設(shè)計(jì) 83

5、.2.2 單片機(jī) 93.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 143.3 驅(qū)動電路 163.3.1 驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 163.3.2 繼電器 JQC-3FF173.3.3 光電耦合器 173.3.4 無刷直流電動機(jī) 193.3.5 PWM 調(diào)速原理 223.4 測速電路 253.4.1 測速電路設(shè)計(jì) 253.4.2 速度傳感器 253.5 顯示電路 273.5.1 顯示電路設(shè)計(jì) 273.5.2 八段 LED 數(shù)碼顯示器 283.6 超速報(bào)警電路設(shè)計(jì) 29第四章軟件設(shè)計(jì) 314.1 主程序設(shè)計(jì) 31. . . . 1 / 384.2 INT0 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 324.3 TO 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 32參考文獻(xiàn) 33致

6、 35附錄 37第一章第一章 緒緒 論論人類與環(huán)境共存和全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展使人們迫切希望尋求到一種既能代替人力又低排放和有效利用資源的交通工具。電動車是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競爭力。它以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動能源，以電動機(jī)作動力，具有無廢氣污染、 “零排放” 、無噪音、輕便美觀等特點(diǎn)，特別適合在人口較集中的大中城市中使用。因此，使用電動車無疑是一種很有希望的方案。電動自行車（以下簡稱電動車）是以蓄電池、鋰電池等電能作為輔助能源，具有兩個車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動或電助動功能的特種自行車。它雖然具有普通自行車的外表特征（甚至具有摩托車的外表特征

7、） ，但是主要的是，它是在普通自行車的基礎(chǔ)上，安裝了電機(jī)、控制器、電池、轉(zhuǎn)把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng)的機(jī)電一體化的個人交通工具。現(xiàn)代電動車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)以與化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動自行車一般由動力部分、傳動部分、行車部分、操縱制動部分、電氣儀表部分等五部分組成。不同類型的電動自行車，其電池安裝位置、控制形式等有所不同。電動自行車各部分組成的作用：1）動力部分電動自行車動力部分通常由蓄電池和電動機(jī)組成，它是電動自行車的動力來源。2）傳動部分電動自行車傳動部分主要由變速器、后傳動裝置組成。它的作用是

8、將動力部分輸出的功率傳遞給驅(qū)動輪，驅(qū)使電動自行車行駛。通過變速器或調(diào)速器，使電動自. . . . 1 / 38行車獲得行駛所需要的驅(qū)動力和速度，并保證電動自行車平穩(wěn)起步和停車。3）行車部分電動自行車行車部分主要由車架、前叉（前減振器） 、前后輪、座墊等組成。它的作用是使電動自行車構(gòu)成一個整體，支撐全車的總重量，將傳動部分傳遞的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電動自行車行駛的牽引力，同時(shí)承受吸收和傳遞路面作用于車輪上的各種反力，確保電動自行車正常、安全行駛。4）操縱制動部分電動自行車操縱部分主要由車把、控制器、制動裝置、調(diào)整手把等組成。它的作用是直接控制騎行方向、速度、制動等，以確保電動自行車行駛安全。5）電氣儀

9、表部分電氣儀表裝置主要由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器燈和儀表等組成。它是保證車輛安全行駛并反映車輛運(yùn)行狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效的對車輛行駛適時(shí)地進(jìn)行控制。基于自動化專業(yè)所學(xué)的知識，本文僅對電動自行車傳動部分，操縱部分，和儀表部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第二章第二章 系統(tǒng)功能需求分析系統(tǒng)功能需求分析2.1 電動自行車的工作原理單片機(jī)控制的永磁無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)適用于電動自行車等小功率的工作情況。該系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、功率因數(shù)高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。電動自行車控制系統(tǒng)的硬件電路主要有六個部分：1）電源電路 2）控制電路；3）驅(qū)動電路；4）測速電路；5）顯示電路；6）超速報(bào)警電路。從總的方面來

10、考慮，傳感器的使用應(yīng)該盡量減少單片機(jī)的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如。控制電路要根據(jù)選用的電機(jī)和傳感器來設(shè)計(jì)，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性。控制核心采用 51 單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光電耦合器完全隔離以避免干擾。光電耦合器可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨(dú)立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響。控制上采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)信號采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖 2.1 所示. . . . 超速報(bào)警電路直流電動機(jī)驅(qū)動電路單片機(jī)顯示電路控制電路測速電路圖 2.1 電動車控制系統(tǒng)框圖其整體工作過程為：打開電源后，單片機(jī)上電復(fù)位后，數(shù)碼管顯示車速為 00.0。電動車開始

11、行進(jìn)，人通過擰動手把來調(diào)節(jié)車速時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)化器采集手把處的模擬電壓信號并經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)化后傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)將接受到的數(shù)字信號經(jīng)過處理輸出相應(yīng)的 PWM 波形，用來驅(qū)動安裝在后輪的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。此時(shí)，車輪每轉(zhuǎn)一圈，安裝在后輪附近的測速電路就向單片機(jī)發(fā)出信號，單片機(jī)通過計(jì)時(shí)和計(jì)算得出車速，然后通過動態(tài)掃描的方式在數(shù)碼管上顯示出來。一旦車速超過 20km/h，開始報(bào)警，示意駕車人減速。單片機(jī)、A/D 轉(zhuǎn)換器等芯片、光耦等器件所需要的+5V 電壓由電動車的電源經(jīng)過電源電路轉(zhuǎn)化而得到。這樣，只需要用一個電源，就能夠滿足電動機(jī)與各個芯片與器件的供電需求。2.2 功能分析2.2.1 電源電

12、路主控制器中的各個芯片與數(shù)字邏輯器件所的正常工作電壓為 5V，遠(yuǎn)小于無刷電機(jī)的額定電壓。為了方便電源的配置和保護(hù)控制電路中的元器件，需要設(shè)計(jì)一個電源電路，使電機(jī)的額定電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)化后，輸出一個所需的 5V 電壓，并且其輸出電壓不隨著電源電能的消耗而降低，能夠保持穩(wěn)定的+5V，以供控制器部分正常運(yùn)行。這樣，電動自行車只需要用一個電源，就能夠滿足電動機(jī)與各個芯片的供電需求。2.2.2 控制電路控制電路是人主觀調(diào)節(jié)車速的部分，體現(xiàn)了人對車的控制。手把處安裝一個電位器，人轉(zhuǎn)動手把即是在控制此電位器的電壓。這個模擬電壓作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸. . . . 3 / 38入信號，它決定著單片機(jī)輸出什么樣的驅(qū)

13、動信號，決定著電機(jī)的轉(zhuǎn)速即電動車的車速。這是控制信號的采集。A/D 轉(zhuǎn)化結(jié)束后，轉(zhuǎn)換器以總線形式將數(shù)字信號傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將這個數(shù)字信號處理成為一系列相應(yīng)占空比的方波信號（即 PWM 波形）并輸出，作為控制驅(qū)動電路通斷的控制信號，以便調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是控制信號的輸出。2.2.3 驅(qū)動電路驅(qū)動電路的輸入為控制信號，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)速的改變需要時(shí)間，不能夠突變，我們可以通過改變在一小段時(shí)間的平均速度來調(diào)節(jié)。控制信號是一系列等幅不等寬的方波信號，驅(qū)動電路中的開關(guān)器件會根據(jù)控制信號來進(jìn)行頻繁的開關(guān)動作，則驅(qū)動電路就會頻繁的通和斷。控制信號的占空比較大時(shí)，驅(qū)動電路開通時(shí)間長，電機(jī)轉(zhuǎn)速就比較高

14、；相反，控制信號的占空比較小時(shí)，驅(qū)動電路開通時(shí)間斷，電機(jī)轉(zhuǎn)速就比較低。2.2.4 測速電路騎車人需要明確車速大小以便對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，測速電路和顯示電路的設(shè)計(jì)是十分必要的。將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電機(jī)附近，每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，傳感器向單片機(jī)發(fā)出一個脈沖信號。單片機(jī)根據(jù)收到的脈沖個數(shù)和輪圈周長等數(shù)據(jù)計(jì)算出電動車的速度，并輸出給顯示電路。2.2.5 顯示電路單片機(jī)將計(jì)算出的車速用動態(tài)掃描數(shù)碼管的方式顯示出來。由于電動自行車最高車速不得超過 20km/h，所以顯示器用 3 個八段 LED 數(shù)碼管即可。2.2.6 超速報(bào)警電路鑒于“時(shí)速 20 公里以上的電動自行車，將稱為輕便電動摩托車或電動摩托車，劃入機(jī)動車

15、疇”的規(guī)定，也出于對安全的考慮，有必要設(shè)計(jì)一個超速報(bào)警電路。當(dāng)車速超過 20km/h 時(shí)，蜂鳴器發(fā)出響聲報(bào)警，示意騎車人應(yīng)該手動減速。直到車速低于 20km/h，才停止報(bào)警。第三章第三章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì). . . . 本章對第二章中的各個模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用 protel99se 軟件繪制了硬件電路圖。3.1 電源電路3.1.13.1.1 電源電路設(shè)計(jì)電源電路設(shè)計(jì)圖 3.1 電源電路24V 直流電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器 74L05 的輸出即為單片機(jī)所要求的+5V 電源。電路中接入電容C1、C2是用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)模煞乐狗€(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的C3是電解電容，

16、以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D1是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時(shí)，給輸出電容器C3一個放電通路，防止C3兩端電壓作用于二級管的 PN 結(jié)，造成二極管 PN 結(jié)擊穿而損壞。3.1.23.1.2 三端式穩(wěn)壓器三端式穩(wěn)壓器 78L0578L05穩(wěn)壓管用于控制板電路的穩(wěn)壓以防止電壓過高燒毀電路。在這里 78L05 的作用是提供+5V 的工作電壓給各個芯片與器件。三端穩(wěn)壓器，主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器，另一種輸出電壓是可調(diào)的，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器，其基本原理一樣，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使

17、用方便，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。在使用時(shí)必須注意：(VI)和(Vo)之間的關(guān)系，該三端穩(wěn)壓器的固定輸出電壓是5V，而輸入電壓至少大于 7V，這樣輸入/輸出之間有 23V 與以上的壓差。使調(diào)整管保證工作在放大區(qū)。但壓差取得大時(shí)，又會增加集成塊的功耗，所以，兩者應(yīng)兼顧，即既保證在最大負(fù)載電流時(shí)調(diào)整管不進(jìn)入飽和，又不至于功耗偏大。 . . . . 5 / 38另外一般在三端穩(wěn)壓器的輸入輸出端接一個二極管，用來防止輸入端短路時(shí),輸出端存儲的電荷通過穩(wěn)壓器,而損壞器件。圖 3.2 三端穩(wěn)壓器的典型接法圖 3.2 是應(yīng)用 78L05 輸出固定電壓 VO 的典型電路圖。正常工作時(shí)，輸入、

18、輸出電壓差應(yīng)大于 23V。電路中接入電容 C1、C2 是用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)模煞乐狗€(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。C3 是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D 是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時(shí)，給輸出電容器 C3 一個放電通路，防止 C3 兩端電壓作用于調(diào)整管的 be 結(jié)，造成調(diào)整管 be 結(jié)擊穿而損壞。3.2 控制電路3.2.13.2.1 控制電路設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)圖 3.3 控制電路 XTAL1 和 XTAL2 兩個時(shí)鐘引腳外接晶體與片的反響放大器構(gòu)成了一個振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號。由于 ADC0809 片無時(shí)鐘，可利用單片機(jī)提供的地址鎖存允

19、許信號ALE（Pin30）來獲得。ALE 腳的頻率是 8051 單片機(jī)時(shí)鐘頻率的 1/6（但要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將少一個 ALE 脈沖） 。單片機(jī)所采用的時(shí)鐘頻率為12MHz，則 ALE 腳的輸出頻率剛好為 500kHz,恰好符合 ADC0809 對時(shí)鐘頻率的要求。. . . . 由于 ACD0809 具有輸出三態(tài)鎖存器，其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。打開系統(tǒng)電源后由電位器 R1 控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，IN0-IN6 線上哪一路模擬電壓被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由 A,B,C 線上的地址決定，A,B,C 懸空，則 ADC0809 部“地址鎖存與譯碼”電路便將 IN7 上模擬電壓送

20、入 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。將 P2.7 作為片選信號，在啟動 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號和 P2.7 控制 ADC 的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟WR動，由于 ALE 和 START 連在一起，因此 ADC0809 在鎖存通道地址的同時(shí)，啟動并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一旦 A/D 轉(zhuǎn)換完成，ADC0809 一方面把 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入它的三態(tài)輸出緩沖器,另一方面又使 EOC 線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C(jī)提出中斷請求。在讀取0INT轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用低電平的讀信號和 P2.7 腳經(jīng)一級或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作RD為 OE 信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器，以便可以從 D0-D7 引線上取走 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。單片機(jī)

21、根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出相應(yīng)的巨型脈沖信號。當(dāng)執(zhí)行指令 MOVX DPTR，A 時(shí)，單片機(jī)的信號有效，從而產(chǎn)生一個啟動信WR號給 ADC0809 的 START 引腳送入脈沖，開始對選道轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0809發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束 EOC（高電平信號） ，反相后作為單片機(jī)發(fā)出的中斷請求信號；當(dāng)執(zhí)行指令 MOVX A，DPTR 時(shí)，單片機(jī)發(fā)出讀控制信號，OE 端由高電平，且把經(jīng)過RDADC0809 轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字量讀到 A 累加器中。3.2.23.2.2 單片機(jī)單片機(jī)a.a.主控制器的選擇主控制器的選擇MCS-51 系列單片機(jī)由于其具有集成度高、處理功能強(qiáng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、易于

22、使用等優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)控制、智能儀器儀表、辦公室自動化、家用電器等諸多領(lǐng)域得到廣泛的普與和應(yīng)用。8051 是 MCS-51 系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，8051 單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元與數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。8051 單片機(jī)與 80C51 單片機(jī)從外形看是完全一樣的，其指令系統(tǒng)、引腳信號、總線等完全一致（完全兼容） ，也就是說在 8051 下開發(fā)的軟件完全可以在 80C51 上應(yīng)用，反過來，在 80C51 下開發(fā)的軟件也可以在 8051 上應(yīng)用。這兩種單片機(jī)外形與部結(jié)構(gòu)都一樣，它們之間的主

23、要差別在于芯片的制造工藝上。80C51 的制造工藝. . . . 7 / 38是在 8051 基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。8051 系列單片機(jī)采用的是 HMOS 工藝：高速度、高密度；80C51 系列單片機(jī)采用的是 CHMOS 工藝：高速度、高密度、低功耗；也就是說 80C51 單片機(jī)是一種低功耗單片機(jī)。所以本設(shè)計(jì)中選用了 80C51 單片機(jī)。b.b.單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹80C51 單片機(jī)作為主控制器所做的工作為：接收經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)化的控制信號、將控制信號轉(zhuǎn)化為 PWM 方波并輸出、檢測速度傳感器送來的脈沖信號、計(jì)算自行車車速并輸出給顯示電路、檢測車速是否需要報(bào)警且輸出。下面就所用到的功能對單片機(jī)進(jìn)行

24、介紹（1）單片機(jī)的部結(jié)構(gòu)8051 是 MCS-51 系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。如圖 3.1.1 所示，8051 單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元與數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：圖 3.4 MCS-51 單片機(jī)部結(jié)構(gòu)1）中央處理器中央處理器(CPU)是整個單片機(jī)的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。 2）數(shù)據(jù)存儲器(RAM)80

25、51 部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。3）程序存儲器(ROM). . . . 8051 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 4）定時(shí)/計(jì)數(shù)器(ROM)8051 有兩個 16 位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向，有四種工作方式。 5）并行輸入輸出(I/O)口8051 共有 4 組 8 位 I/O 口(

26、P0、 P1、P2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 6）全雙工串行口8051 置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 7）中斷系統(tǒng)8051 具備較完善的中斷功能，有兩個外部中斷、兩個定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。8）時(shí)鐘電路8051 置最高頻率達(dá) 12MHz 的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但 8051 單片機(jī)需外置振蕩電容。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用

27、的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL 的 MCS-51 系列單片機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式。圖 3.5 是 MCS-51 系列單片機(jī)的部結(jié)構(gòu)示意圖。. . . . 9 / 38圖 3.5 MCS-51 系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖（2）MCS-51 的引腳說明MCS-51 系列單片機(jī)中的 8031、8051 與 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP結(jié)構(gòu)，圖 3.6 是它們的引腳配置，40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3 口線復(fù)用。現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以

28、說明：Pin20:接地腳。Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ?EPROM 燒寫程序時(shí)，接+5V 電源。Pin19:時(shí)鐘 XTAL1 腳，片振蕩電路的輸入端。Pin18:時(shí)鐘 XTAL2 腳，片振蕩電路的輸出端。圖 3.6 MCS-51 系列單片機(jī)引腳圖8051 的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片時(shí)鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取 10p-30p。另外一種是外部時(shí). . . . 鐘方式，即將 XTAL1 接地，外部時(shí)鐘信號從 XTAL2 腳輸入，如圖 3.7 所示。本設(shè)計(jì)采用部時(shí)鐘方式。圖 3.7 8051 單片機(jī)的時(shí)鐘方式Pin9:R

29、ESET/Vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，本設(shè)計(jì)中僅用到復(fù)位功能，高電平有效。當(dāng) 8051 通電，時(shí)鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器 PC 指向 0000H，P0-P3 輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入 07H，其它專用寄存器被清“0” 。RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)為小于 0.5V 的低電平。8051 的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(fù)位，本文中將單片機(jī)設(shè)計(jì)為自動復(fù)位。Pin30:，ALE 為地址鎖存允許信號，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，PROGA

30、LE /ALE 引腳不斷輸出正脈沖信號。不訪問外部鎖存器時(shí)，ALE 端由正脈沖信號輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率的 1/6。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)所采用的時(shí)鐘頻率為 12MHz，則ALE 腳的輸出頻率為 500kHz,輸入輸出(I/O)引腳：Pin39-Pin32 為 P0.0-P0.7 輸入輸出腳，Pin1-Pin8 為 P1.0-P1.7 輸入輸出腳，Pin21-Pin28 為 P2.0-P2.7 輸入輸出腳，Pin10-Pin17 為 P3.0-P3.7 輸入輸出腳，其中 P30-P3.7 的可以作為第二功能使用。其第二功能定義如下：P3.0：RXD（串行輸入口）P3.1：TXD（串行輸出口）P3

31、.2：（外部中斷 0 輸入）0INTP3.3：（外部中斷 1 輸入）0INT. . . . 11 / 38P3.4：T0（定時(shí)器 0 外部計(jì)數(shù)輸入）P3.5：T1（定時(shí)器 1 外部計(jì)數(shù)輸入）P3.6：（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通輸出）WRP3.7：（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通輸出）RD本設(shè)計(jì)中用到的了（外部中斷 0 輸入） 、T0（定時(shí)器 0 外部計(jì)數(shù)輸入）0INT（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通輸出） 、（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通輸出）等功能。WRRD3.2.33.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器a.ADC0809a.ADC0809 的選擇的選擇A/D 轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。隨著超大

32、規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，A/D 轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測與控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同，性能各異的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)運(yùn)而生。逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器件。雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢。考慮到電動車采用脈沖寬度調(diào)速（PWM）對精度要求不高，且需要實(shí)時(shí)采集要求較快的轉(zhuǎn)換速度，則本設(shè)計(jì)中選用逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809。b.ADC0809b.ADC0809 工作原理工作原理ADC0809 是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模 數(shù)轉(zhuǎn)換

33、的器件。其部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8 路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。圖 3.8 ADC0809 的結(jié)構(gòu)框圖. . . . 1）部結(jié)構(gòu)ADC0809 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.8 左圖所示。ADC0809 是采用逐次比較的方法完成A/D 轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V 電源供電。片帶有鎖存功能的 8 路選 1 的模擬開關(guān)，由C、B、A 的編碼來決定所選的通道。0809 完成一次轉(zhuǎn)換需 100us 左右，輸出具有TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到 MCS-51 的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809 可對 05V 的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2）引腳功能ADC

34、0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 3.8 右圖所示。下面說明各引腳功能。IN0IN7：8 路模擬量輸入端。DB0DB7：8 位數(shù)字量輸出端。A、B、C：3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入高電平有效。 START：A/D 轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動（脈沖上升沿使 ADC0809 復(fù)位，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換） 。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平） 。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，高電平有效。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入

35、一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。 Vref(+)、Vref(-)：參考電壓輸入端。 Vcc：電源，5V。 GND：地。 3）ADC0809 的工作過程首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8 路模擬輸入之一到比較器。START 上升沿將 ADC0809 復(fù)位，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，此 EOC 信號可用作中斷申請。當(dāng) OE 輸入高電平 時(shí)，輸出三

36、態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。. . . . 13 / 383.3 驅(qū)動電路3.3.13.3.1 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。圖 3.9 為型號為 JQC-3FF 的繼電器的接口電路。圖 3.9 驅(qū)動電路繼電器的動作由單片機(jī)的 P2.3 端控制。P2.3 端輸出低電平時(shí)，繼電器 J 吸合；P2.3 端輸出高電平時(shí)，繼電器 J 釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位時(shí)不吸合。繼電器 J 由晶體管驅(qū)動，其可以提供 300Ma 的驅(qū)動電流，適用于繼電器線圈工作電流小于 300mA 的場合。Vc 的電壓圍是 630V，這里取電源

37、電壓 24V。光電耦合器是為 TIL117。TIL117 有較高的電流傳輸比，最小值為 50%。晶體管 9013 的電流放大倍數(shù)大于 50。繼電器線圈工作電流為 300mA 時(shí)，光電耦合器需要輸出大于 6.8mA 的電流，其中 9013 基極對地的電阻分流約 0.8mA。輸入光電耦合器的電流必須大于 13.6mA，才能保證向繼電器提供 300mA 的電流。光電耦合器的輸入電流由 7407 提供，電流約為 20mA。二極管 D 的作用是保護(hù)晶體管 T。當(dāng)繼電器 J 吸合時(shí)，二極管 D 截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這是晶體管 T 已經(jīng)截止，所有會在線圈的兩端產(chǎn)生較高

38、的感應(yīng)電壓。這個感應(yīng)電壓的機(jī)型是上負(fù)下正，正端接在 T 的集電極上。當(dāng)感應(yīng)電壓與 Vc 之和大于晶體管 T 的集電結(jié)反向耐壓時(shí)，晶體管 T 就有可能損壞。假如二極管 D 后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電路由二極管 D 流過，因此不會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，晶體管 T 得到了保護(hù)。. . . . 3.3.23.3.2 繼電器繼電器 JQC-3FFJQC-3FF繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路） ，通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)” 。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。圖 3.10 繼電器圖形符號

39、繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機(jī)電一體化與電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應(yīng)機(jī)構(gòu)（輸入部分） ；有能對被控電路實(shí)現(xiàn)“通” 、“斷”控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（輸出部分） ；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進(jìn)行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進(jìn)行驅(qū)動的中間機(jī)構(gòu)（驅(qū)動部分） 。在本設(shè)計(jì)中驅(qū)動信號接繼電器 JQC-3FF 左邊的兩個腳，右邊的腳連接電機(jī)和電源。驅(qū)動信號控制繼電器的通斷狀態(tài)來改變電機(jī)的工作狀態(tài)。驅(qū)動信號時(shí)方波信號，則繼電器時(shí)開時(shí)關(guān)，驅(qū)動電路也

40、時(shí)通時(shí)斷。驅(qū)動電路通電時(shí)，電機(jī)在 24V 電壓下正常工作，驅(qū)動電路斷電時(shí)，電機(jī)依靠慣性繼續(xù)減速轉(zhuǎn)動。3.3.33.3.3 光電耦合器光電耦合器a.a.線性光耦合器的選取線性光耦合器的選取 光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是 70 年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備與微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電

41、源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成. . . . 15 / 38光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。由于光耦種類繁多，結(jié)構(gòu)獨(dú)特，優(yōu)點(diǎn)突出，因而其應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用以下場合：1) 在邏輯電路上的應(yīng)用光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。2) 作為固體開關(guān)應(yīng)用在開關(guān)電路中，往往要求控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離，對于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實(shí)現(xiàn)。3) 在觸發(fā)電路上的應(yīng)用將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路，可有效地解決輸出與負(fù)載

42、隔離地問題。4) 在脈沖放大電路中的應(yīng)用光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號進(jìn)行放大。5) 在線性電路上的應(yīng)用線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中，具有較高地線性度以與優(yōu)良地電隔離性能。6) 特殊場合的應(yīng)用光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點(diǎn)繼電器以與用于 A/D電路等多種場合。TIL117 是小功率電機(jī)驅(qū)動電路中常用到的光耦，其引腳圖為引：圖 3.11 til117 引腳圖b.b.光耦的工作原理光耦的工作原理耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：

43、光的發(fā)射、光的接收與信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED） ，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸. . . . 出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信與實(shí)時(shí)控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。3.3.43.3.4 無刷直流電動機(jī)無刷直流電動機(jī)a.a.無刷直流

44、電動機(jī)的選擇無刷直流電動機(jī)的選擇電機(jī)是電動自行車的心臟，是關(guān)鍵部件，電機(jī)要適應(yīng)頻繁起動，頻繁變速又考慮到薄形安裝特點(diǎn)，目前大都采用盤式結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了適應(yīng)道路使用和環(huán)境特點(diǎn)，電機(jī)通常設(shè)計(jì)成全封閉結(jié)構(gòu)形式，具有可靠防護(hù)性能。從當(dāng)前市場上銷售的電動自行車看主要是用直流永磁印制繞組電機(jī)和直流無刷電機(jī)，印制繞組電機(jī)關(guān)鍵是印制轉(zhuǎn)子的制造工藝，而且需引進(jìn)部分設(shè)備如轉(zhuǎn)子片疊好后外圓點(diǎn)和孔點(diǎn)的氬弧焊點(diǎn)焊機(jī)。一旦轉(zhuǎn)子工藝突破，該電機(jī)的批量生產(chǎn)即不成問題了。直流無刷電機(jī)存在質(zhì)量可靠性問題，控制器較復(fù)雜成本較高，這些問題一旦解決推廣使用則更廣。總之上述二種電機(jī)用于電動自行車是較為理想的。鑒于電動車對電動機(jī)的基本要求，

45、本設(shè)計(jì)采用永磁無刷直流電動機(jī)。1）永磁無刷直流電動機(jī)的基本性能永磁無刷直流電動機(jī)是一種高性能的電動機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機(jī)既有一般直流電機(jī)良好的調(diào)速起動性能，又具有壽命長，沒有換向火花，沒有無線電干擾，運(yùn)行可靠，維修簡便與噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無刷直流電動機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動車中有著很好的應(yīng)用前景。 2）永磁無刷直流電動機(jī)的控

46、制系統(tǒng)典型的永磁無刷直流電動機(jī)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)非常適合于運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型 SPWM 法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動機(jī)也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實(shí)質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸. . . . 17 / 38去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。 3）永磁無刷直流電動機(jī)的不足永磁無刷直流電動機(jī)受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機(jī)的功率圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)

47、還會損壞電動機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)造價(jià)很高。所選電機(jī)規(guī)格：名稱額定電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率額定扭矩效率輪轂電機(jī)24 V2750 r/min250 W12 N/m90%b.b.無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理無刷直流電動機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等

48、構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。無刷直流電動機(jī)的原理簡圖如圖 3.12 所示：主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻 5-26KHZ 調(diào)制波的對稱交變矩形波。永磁體 N-S 交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差 120的 U、V、W 方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產(chǎn)生 T1-T4導(dǎo)通、T1-T6 導(dǎo)通、T3

49、-T6 導(dǎo)通、T3-T2 導(dǎo)通、T5-T2 導(dǎo)通、T5-T4 導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在 A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對 N-S 極，T1-T6 功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(dāng)于 60電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器 U、V、W 按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo). . . . 通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進(jìn) 60電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)

50、。正因?yàn)闊o刷直流電動機(jī)的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強(qiáng)制換向的，所以也稱作自控式同步電動機(jī)。圖 3.12 無刷直流電動機(jī)原理圖無刷直流電動機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機(jī)在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性。在一定的 時(shí)，改變占空比 ，就可以線性地改變電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵直流電動機(jī)電樞電壓控制一樣的控制特性和機(jī)械特性。無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決

51、于速度指令 V 的高低，如果速度指令最大值為+5V 對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速，那么+5V 以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速 n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。 當(dāng) V 設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時(shí)，反饋電壓 Vfb 變小，調(diào)制波的占空比 就會變大，電樞電流變大，使電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時(shí)， 減小，Tm 減小，發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，無刷直流電動機(jī)在允許的電壓波動圍，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在 1%左右，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速圍恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)

52、行。3.3.53.3.5 PWMPWM 調(diào)速原理調(diào)速原理電動自行車使用 24V 直流電機(jī)， 對于這種小功率直流電機(jī)的調(diào)速方法一般有. . . . 19 / 38兩種。一種線性型：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過電阻 R 的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。另一種脈寬調(diào)制型：脈寬調(diào)速（PULSE WIDE MODULATIONPWM）較常用的一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采

53、用 PWM 方式控制直流電機(jī)。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理永磁式直流電動機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓 UD決定，電樞電 UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓 UD降為0V，電機(jī)就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動一段時(shí)間，然后切斷電源，脈沖信號：tT轉(zhuǎn)速：VmaxVD圖 3.13 電機(jī)轉(zhuǎn)速圍電動機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動機(jī)再次接通電動機(jī)因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號） 就可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的圍。如圖 5.1 所示： Vmax 為電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值。Vmin 為電動機(jī)的最小轉(zhuǎn)速值。VD 為二者的平均值。VD=D * Vmax 式中 D=t/T 稱

54、為占空比 D 越大 VD 就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比 D 之間的關(guān)系如 3.14 圖：由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)速 VD 就可以有占空比 D 加以控制。PWM 調(diào)速分為雙向式和單向式兩種：. . . . 1）一種雙向式VD（平均速度）圖 3.14 平均轉(zhuǎn)速與占空比的關(guān)系在一個脈沖周期(T=TaTb)，T1 和 T3 導(dǎo)通的時(shí)間為 Ta，T2 和 T4 導(dǎo)通的時(shí)間為 Tb，這樣在 Ta 這段時(shí)間，電機(jī)通過的是正向電流，在 Tb 這段時(shí)間為反相電流。當(dāng) Ta=Tb 時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，TaTb 時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)， Ta Tb 則

55、電動機(jī)正轉(zhuǎn)。通過改變 Ta 、Tb 的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。脈沖寬度調(diào)制的優(yōu)點(diǎn) ：PWM 的一個優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0 或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時(shí)，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM 可以極延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 總之，PWM 既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種

56、值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。3.4 測速電路3.4.13.4.1 測速電路設(shè)計(jì)測速電路設(shè)計(jì)圖 3.17 測速電路. . . . 把小磁鐵固定在被測的轉(zhuǎn)動的車輪邊緣，小磁鐵與霍爾傳感器的相對位置在車輪轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生變化，當(dāng)小磁鐵轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器附近時(shí)，傳感器的輸出端Vout 產(chǎn)生一個低電平，將此低電平接到單片機(jī)的 T0/P3.4 引腳。編程決定當(dāng)單片機(jī)被第一個信號觸發(fā)中斷后，T0 計(jì)數(shù)一次，并且立刻啟動定時(shí)器 T1 計(jì)時(shí)。而當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動一圈后使得小磁鐵第二次靠近霍爾傳感器，傳感器把第 2 個霍爾信號發(fā)到單片機(jī)上的 T0/ P3.4 引腳，停止計(jì)時(shí)。這時(shí)候單片機(jī)記錄下定時(shí)器所計(jì)數(shù)的

57、時(shí)間，這個時(shí)間就是車輪轉(zhuǎn)動一周的時(shí)間，用這個時(shí)間除輪圈周長就得出了電動車的速度。3.4.23.4.2 速度傳感器速度傳感器a.a.霍爾傳感器霍爾傳感器 A3144A3144 的選擇的選擇圖 3.18 A3144 結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)前市場上的大多數(shù)電動車都采用霍爾傳感器來測速，常見的為 A3144。霍爾傳感器 A3144 的結(jié)構(gòu)如圖 3.18 所示。它的優(yōu)點(diǎn)有：自動化或工業(yè)應(yīng)用中穩(wěn)定性好；工作電壓為 4.5V24V，不需提供準(zhǔn)確工作電壓；集電極輸出 25mA 電流，兼容數(shù)字邏輯；具有反向保護(hù)電池功能；觸發(fā)電壓小，可用永磁體；外形小，重量輕，易于安裝，使用方便；抗外磁場干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是容易損壞。目前，無

58、霍爾傳感器技術(shù)是未來電動自行車發(fā)展的方向，也是一個有待突破的瓶頸。b.b.霍爾傳感器介紹霍爾傳感器介紹1）霍爾傳感器的原理霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的傳感器。. . . . 23 / 38根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路與穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。圖 3.19 霍爾傳感器霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形小巧，使用方便，如圖 3.19

59、所示，是其中一種型號的外形圖。如 3.20 所示，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測出轉(zhuǎn)速。圖 3.20 霍爾傳感器測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運(yùn)動速度。3.5 顯示電路3.5.13.5.1 顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路采用 LED 動態(tài)顯示方式。在多位 LED 顯示時(shí)，為簡化硬件電路，將所有位的段碼線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由一個 8 位 I/O

60、 控制，而各位的共陰極分別由相應(yīng)的 I/O 線控制，形成各位的分時(shí)選通。. . . . 圖 3.21 顯示電路圖 3.21 是一個 3 位 8 段 LED 動態(tài)顯示電路。其中段碼線占用一個 8 位 I/O 口P0，而位選線占用一個 3 位 I/O 口，即將 P2.0、P2.1 和 P2.2 分別作為三位 LED 顯示管的片選端。由于各位的段碼線并聯(lián)，8 位 I/O 口輸出的斷碼對各個顯示位來說都是一樣的。因此，在同一時(shí)刻，如果各位的位選線都處于選通狀態(tài)的話，3 位LED 將顯示一樣的字符。若要各位 LED 能夠同時(shí)顯示出與本為相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動態(tài)顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位