智能电动自行车调速控制系统.docx
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智能电动自行车调速控制系统
1绪论
电动车比燃油车有更长的发展史。
世界第一辆机动车就是电动车而不是燃油车。
起初燃油汽车技术快速发展，电动车却未能在能源和行驶里程的研究上取得突破性成果。
在上世纪20年代初到80年代末这段时间里，电动车一直没有得到重视。
自从进入70年代以后，中东石油问题爆发并且人类逐渐认识到环境问题日益加重，电动车的研究再次成为人类关注的热点。
近年来，许多国家投入了大量资金和人才到电动车开发研究领域。
因此电动车的技术发展也获得了巨大成果。
虽然电动车的能源和行驶距离方面至今还没有得到令人非常满意的突破，但是电动车的前景依然值得人们继续不断的开发和改善相关技术。
现代社会的不断发展，石油煤炭等不可再生能源持续消耗，清洁可再生能源的需求越加明显，电动自行车已经成为了当今世界各国急需开发的新型交通工具。
虽然智能电动自行车在能源和续航时间的开发领域里，至今都没有取得突破性的成果，然而智能电动车光明的未来前景仍然激励着人类坚持不懈地研究新型电动自行车，不断完善和改良其性能。
二十一世纪，能源紧缺和环境污染给人类带来了巨大的生存压力，越来越多的声音呼唤人类尽快的改善自身的自然生存环境，减少对环境的污染，更多使用绿色能源。
为了推动这一倡导的发展，世界各国各地区的相关政府机关、学术研究领域、工业生产领域都在加大对电动自行车开发研究的投资资金和人才派遣力度，以推进电动自行车商品化的进度。
虽然目前电动车在能源利用和行驶距离方面的表现还未能达到理想程度，但已经可以满足人们出行的基本要求。
从技术不断发展的方面来看，相信在经过漫长而艰难的研究开发历程以后，电动自行车将会获得的技术突破，有望成为二十一世纪的重要交通工具。
在我国自行车的使用量相当大，在很长一段时期内，自行车仍将是老百姓出行最方便常用的交通工具。
近年来，人民生活水平不断提高，一种以蓄电池为能的自行车用其轻便、安全、省时、省力、低能耗、零排放、低噪音、有利于创造绿色人居环境等优点，赢得了越来越受到人民群众的喜爱。
在现如今的城乡大小街道上，电动自行车越来越普及，并且大有取代传统自行车的趋势。
电动车电机的基本要求：
（1）电动车的运行，相比于一般的工业应用有所区别，相当复杂。
因此，对电动机驱动系统有很高的要求。
（2）电动车使用的电动机应具备瞬时功率大，过载能力比较强、加速的性能比较好，使用寿命相对长的特点。
（3）电动车用电动机的调速范围应该比较宽。
在恒转矩区运行时，低速运行需要具有较大的转矩，从而能够达到起动和爬坡的需求；在恒功率运行时，低转矩运行需要具有较高的速度，从而达到车在平坦的路面可以高速行驶的要求。
（4）电动车使用的电机应能够在车子速度减慢时实现能量回收，把减速的能量传输给蓄电池，提高电动车能量的利用率，在摩托车这种情况上是不能实现的。
2总体方案论证
总体方案论证部分选取了两个方案进行比较，一个方案是采用PSOC单片机来实现电动车调速系统，另一个方案则是使用STC89C52单片机实现课题要求的方案。
2.1系统方案一
关于通过PSOC单片机来实现电动车调速系统的设计，单片机产生PWM脉冲信号来完成信号检测、控制系统的任务。
采用霍尔元件检测电动机所在的位置信号与当前转速，用场效应管MOSFET进行功率转换。
PSOC片上系统具有很灵活的特性，控制效果可以达到很好的程度，并且可以增加系统的可靠性、安全性以及快速性。
PSOC单片机通过霍尔元件测出频率，经过换算以后间接得到电机转速。
电机刚开始启动时，速度变化快，电流输入信号大，得到较高的输出占空比，电动机所得到的平均电压提高。
这样可以使电动机在启动的一段时间内拥有一个较高的启动转矩，但这是电流输入信号需要被限制从而可以减少因启动电流太大而导致电动机损坏。
该控制系统原理框图如图2.1所示。
图2.1调速系统框图
调速系统根据对电动自行车和蓄电池的需要，设置保护电路等其他防护措施。
在电动车运行时，通过电流中断保护电动机的方法最为有效。
2.2系统方案二
本设计的基本思想是以STC89C52为核心器件，从而控制电动自行车的行驶。
以STC89C52为核心所组成的闭环控制系统，能够实现速度显示，速度控制，采用改变电机驱动电压的方法实现电机调速。
电压调速的实现方法有多种，在应用单片机输出控制信号进行调速的场合，比较便于实现而且调整性能良好的是脉冲宽度调制（PWM）技术。
系统框图如图2.2所示。
图2.2系统框图
2.2.1电源电路
220V电压经过变压器调整过后变为12V电压，在经过L7805三端稳压器以后，可以输出单片机工作所需要的+5V的电压，作为工作电源。
电路中电容用来补偿频率，
这样可以防止稳压器产生过多的自激振荡，而且这样也可以减少电路产生的高频干扰。
二极管用来起保护作用，电解电容具有较大容量，这样可以降低稳压电源输入电路以后产生的低频干扰。
当输入端因为不可预知的原因而短路的时候，二极管可以给电容一个放电通路。
2.2.2显示电路
显示部分使用LCD1602液晶显示，1602液晶也可以称做1602字符型显示液晶，数字、字母、符号等信号都可以用LCD1602来显示在它的点阵型液晶模块上面。
通过串行口通讯来连接液晶显示和单片机，可以充分利用单片机的端口，液晶显示依靠单片机的中断来工作。
LCD1602的表示为是十六乘以二，意思是每行有16个字符的显示空间，可以显示两行。
单片机计算出电动机的转速以后，再显示到LCD1602上面。
2.2.3速度控制原理
电动车所使用的电源电压一般都比较小。
调控小功率的直流电动机一般会使用脉宽调制的方法控制转速。
脉宽调制是一种经常被工程师使用的调速方法，这种调速方法拥有很多的优点：
调速特性好、过载能力较大、可以频繁承受负载冲击、调速区间大、可以频繁瞬间启动、制动等。
所以经过考虑选择采用脉宽调制方式控制直流电动机。
2.2.4无刷直流电动机
无刷直流电机是一种新型的直流电机，它伴随着迅猛发展起来的电子信息技术应运而生。
现在无刷直流电动机已经成为一种重要的元件，并且被广泛的应用于新型科学技术以及军事装备中。
法拉第电磁感应技术作为无刷直流电机的基础，然后加以电子、数字技术辅助，加上各种物理原理支持，这些都寄予了无刷直流电动机强大的生命力。
无刷直流电机没有换向器以及电刷所构成的机械接触机构，这是它最大的特色。
无刷直流电机的转子是永磁体所构成的，减少了能量的消耗。
无刷直流电机的电枢绕组被安装在定子上。
这样的设计减少了热量的产生，便于散热。
由于有这样的设计就使得无刷直流电动机不会产生换向火花，失去了电磁干扰，使用时间变长，运行起来更加可靠。
同时无刷直流电动机可以快速的实现无级变速，这样的特性使得它很适合用于电动自行车。
2.2.5单片机选择
STC89C52是具有损耗小，性能好的CMOS八位微处理器，片内有8K的快速擦除、写入、可重复编程的存储器。
MCS-51作为STC89C52的核心，并且做了很多更新改良，这样使STC89C52具备了更多的功能。
STC89C52拥有方便的8位处理器以及可在系统可编程Flash。
STC89C52有高灵活度、高效率的特点使系统设计变得更为简单。
2.3系统方案确定
经过两种设计方案的比较，并且根据任务要求，第二种方案更加适合本课题的需要，相对来说第二种方案程序设计比较简单操作起来更为方便，因此选择第二种方案来进行本次课题设计。
3硬件电路设计
硬件电路设计主要分为电源电压转换电路、电动机驱动电路、电动机调速、液晶显示电路、速度控制电路几大部分。
具体的各部分电路以及所用到的芯片和元件将会在各个部分中详细进行介绍。
3.1电源电路
单片机所需要的+5V电源需要通过三端稳压器LM7805将12V电源转换以后得到。
选用LM78/LM79系列三端稳压电源，可以极大地减少外围电路的元件。
在芯片内部电路有过流和过热的保护电路。
这一系列的集成稳压型号中，LM78XX其中XX表示的是经过三端稳压器输出来的电压大小。
例如LM7808的含义就是三端稳压输出电压为正8V，LM7910含义是三端稳压输出电压为负10V。
LM78XX系列输出电压分别有：
5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V。
电源电路图如图3.1所示。
图3.1电源电路图
220V电压经过变压器调整过后变为12V电压，在经过L7805三端稳压器变压以后，可以输出单片机工作所需要的+5V的电压，作为工作电源。
电路中电容用来补偿频率，这样可以防止稳压器产生过多的自激振荡，而且这样也可以减少电路产生的高频干扰[1]。
二极管用来起保护作用，电解电容具有较大容量，这样可以降低稳压电源输入电路以后产生的低频干扰，当输入端口因为不可预知的原因而短路的时候，二极管可以给电容一个放电通路。
3.2液晶显示电路
显示模块采用LCD1602来实现在本系统中，采用占用I/O资源少，功耗低，体积小，显示字符多的1602液晶显示器作为显示器件。
LCD液晶连接图如图3.2所示
图3.2LCD仿真连接图
LCD液晶显示器的优点：
（1）显示质量高：
液晶显示器相比于阴极射线管来说有很多的优点，阴极射线管现实的时候要通过不停的刷新亮点来保持显示，而液晶则不需要这样，液晶上的每个点接收到信号以后，就可以一直显示，持续发出光亮，所以液晶显示器画质好而且不会产生闪烁现象。
（2）数字式接口：
液晶显示器通过串行口与单片机系统接口连接操作起来更加便利而且可靠。
（3）体积小、重量轻：
液晶显示器相比于传统显示器在重量上要有很大的优势，液晶显示器上的液晶分子由电极控制从而能够正常的把信息显示出来。
（4）功耗低：
在功耗方面液晶显示器比其它显示器要省电得多，因为液晶显示器消耗的电能主要用于内部电路以及芯片的驱动。
LCD液晶显示器的显示原理：
LCD1602的点阵图是16×2个显示字符构成的，每行有16个字符，一共有2行，所以LCD1602一共有16×8=128个点组成，液晶显示屏上通过各个点位置的明暗来显示信息。
比如说第一行的明暗对应RAM区的000H——00FH的16个字节。
如果（000H）=FFH的时候，这时液晶显示屏左上方显示一条明亮的线，有8个字符的长度，如果（3FFH）=FFH的时候，那么屏幕右下方就会显示一条亮线。
LCD的基本显示原理就是这样。
3.3单片机介绍
3.3.1STC89C52单片机
STC89C52是具有损耗小，性能好的CMOS八位微处理器，片内有8K字节的可重复擦除快速写入可重复编程的存储器。
MCS-51作为STC89C52的核心，并且做了很多更新改良，这样使STC89C52具备了更多的功能。
STC89C52拥有方便的8位处理器以及可在系统可编程Flash。
因为STC89C52具有高灵活度、高效率的特点为应用系统提供了很大便利。
STC89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
单片机最常用的是40引脚双列直插式集成电路芯片。
由于单片机是一个芯片。
本身体积小，为了增加其功能，许多管脚具有两个功能[2]。
为了方便说明，下面将单片机的引脚按功能分为4部分：
（1）主电源引脚Vcc和GND
Vcc（40脚）——接+5V电源。
GND（20脚）——接地端。
（2）外接晶体引脚XTALl和XTAL2
XTAL2（18脚）——接外部晶振和微调电容。
当需要外部时钟时，这个引脚可以作为外部时钟的输入端口。
XTAL1（19脚）——接外部晶振和微调电容的另一端口。
当需要外部时钟时，这个引脚只有接地才能使时钟生效。
（3）控制信号引脚
RST（9脚）——复位输入，高电平有效，使单片机回复到初始状态。
（29脚）——该端口低电平有效，同时也是外部程序存储器读选通信号输出端。
此引脚的输出作为外部程序存储器的读选通信号。
ALE（30脚）——地址锁存信号，并且输出高电平时有效。
当外部存储器受访问时，ALE（允许地址锁存）的输出脉冲用于锁存P0端口地址/数据总线上的低8位地址。
ALE信号通常连接到外部地址锁存器的使能引脚上。
因此，它可用作对外输出用于定时的时钟电路。
在复位期间，ALE可以被强制输出高电平。
（31脚）——用于访问存储器程序的控制信号。
当EA为低电平时，对程序存储器ROM的读操作限定在外部程序存储器。
当选用内部没有程序存储器，必须扩展外部程序存储器的单片机时，EA信号应为低电平，即接地。
当选用内部具有程序存储器的单片机时，EA信号为高电平时，对程序存储器ROM的读操作从内部ROM延伸到外部ROM[3]。
（4）输入/输出端口引脚P0、P1、P2、P3（共32条口线）
P0口（32脚～39脚）：
一个8位漏极开路型双向I/O口。
当用作通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载；当用作输入时，每个端口首先置1。
在反问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，此时，P0口内含上拉电阻。
P1口（1脚～8脚）：
一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。
当用作通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载。
当用作输入时，每个端口首先置1。
P1口还用于第二功能。
P1.0（T2）：
定时器2的外部事件输入端；可编程脉冲输出端。
P1.1（T2EX）：
定时器2的捕捉/重装触发器输入端；定时器2的计数方向控制端。
P1.5（MOSI）：
Flash串行编程/下载时串行指令输入端。
P1.6（MISO）：
Flash串行编程/下载时串行数据输出端。
P1.7（SCK）：
时钟输入端。
P2口（21脚～28脚）：
一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。
P2口可以驱动四个TTL负载。
当用作输入时，每个端口首先置1。
P3口（10脚～17脚）：
一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。
能驱动四个TTL负载。
当用作输入时，每个端口首先置1。
P3口还用于第二功能。
P3.0（RxD）：
串行口输入端；
P3.1（TxD）：
串行口输出端；
P3.2（INT0）：
外部中断0请求输入端；
P3.3（INT1）：
外部中断1请求输出端；
P3.4（T0）：
定时器/计数器0计数脉冲输入端；
P3.5（T1）：
定时器/计数器1计数脉冲输入端；
P3.6（WR）：
外部RAM写选通输出端；
P3.7（RD）：
外部RAM读选通输出端。
STC89C52单片机主要特点：
（1）兼容MCS51指令系统。
（2）8kb可反复擦写（大于1000次）FlashROM。
（3）32个双向I/O口。
（4）256×8bit内部RAM。
（5）3个16位可编程定时/计数器中断。
（6）时钟频率0MHz～24MHz。
（7）2个串行中断，可编程UART串行通道。
（8）2个外部中断源，共8个中断源。
（9）2个读写中断口线，3级加密位。
（10）低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。
（11）有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应产品的需求[8]。
3.3.2STC89C52最小系统
单片机的扩展一般是以基本的最小系统为基础的，所谓的最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统。
而对于本系统中所使用的单片机，基于其片内自带有程序存储器，因此只需要在芯片相应引脚外接复位电路和晶振电路就构成简单的最小系统。
单片机的XTAL1和XTAL2引脚通过与一个12MHz的晶振和两个33pF的电容相连接形成晶体振荡器，二者分别组成振荡器的反相放大器的输入端和输出端[4]。
RST接单片机的复位电路，是单片机的复位端，当该引脚为高电平是，单片机复位，所有数据回到初始状态。
本系统的复位电路包含复位开关，复位电阻和复位电容[7]。
STC89C52单片机最小系统如图3.3所示。
图3.3STC89C52单片机最小系统
单片机的最小系统指的是外接部分简单的电路就能够开始独立工作，完成一定的工作任务的单片机系统，一般由最基本的电路元件组成[5]。
STC89C52单片机的最小系统由单片机芯片、电源、时钟电路和复位电路组成。
单片机的时钟电路用来产生时钟信号，为单片机片内各数字逻辑电路模块的工作提供时间基准。
片内振荡方式和片外振荡方式是STC89C52单片机时钟电路的两种电路形式。
本实验采用内部振荡方式。
晶振电路图如图3.4所示。
图3.4单片机晶振电路
在实际的电路中，本设计方案采用的是上电复位法中的高电平复位法：
即将电容接在高电平上，电阻与地相连接，中间为RST。
其工作原理是：
通电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电时电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行[9]。
本设计时钟方式采用的内部时钟方式，在时钟工作的时候通过XTAL1、XTAL2引脚外接晶振电路构成自激振荡以此向内部时钟提供振荡时钟，其振荡频率主要取决于所选择的晶体。
复位电路如图3.5所示。
图3.5单片机复位电路
复位对于单片机来说是一项非常重要的调零操作。
复位电路是为了电路的安全起见，是系统上电提供复位信号，当系统电源稳定后系统才撤销复位。
同时为了防止电源抖动对系统的影响，一般情况都会对系统经过一定时间的延时再撤销复位信号。
在单片机的程序进入死循环后，复位电路能使单片机重新执行程序而非进入死循环。
在本设计方案中，采用的是上电复位的方法[6]。
上电复位法指的是上电压从无到有在RESET处会先处于高电平一段时间，然后由于该点通过电阻接地则RESET该点的电平会逐渐的改变为低电平，从而使得单片机复位口电平从1到0，达到给单片机复位的功能。
3.4控制电路
控制电路中LM2596开关电压调节器能够输出3A的驱动电流，而且它还具有良好的线性调节特性和负载特性。
可调版本可以输出任意小于27V的电压值。
LM2596是性能较好的降压型电源控制集成芯片[7]。
控制电路图如图3.6所示。
图3.6控制电路
控制电路原理：
单片机通过I/O发送信号到锁存器74HC573。
因为单片机I/O端口输信号的能力较弱，有时高电平甚至可能会低于3V，这样权电阻网络会午盘I/O口输出的信号，所以选择锁存器74HC573来加强单片机I/O端口的驱动能力。
经过74HC573处理过的信号就会很稳定，然后信号经过权电阻网络以后，数字信号被转换为电压信号。
电压信号经过5脚进入电压跟随器LM324，以稳定电压信号。
接着信号通过3脚进入电压比较器和进入2脚的基准电压进行比较。
当3脚电压高于2脚电压时，1脚就会输出高电平，3脚电压低于2脚电压时，1脚就会输出低电平。
电容C7用来抑制运算放大器产生的干扰。
信号从1脚出来以后，经过4脚进入LM2596，不断通断的电压信号就是PWM信号。
LM2596是PWM控制型电压开关芯片，通过改变LM2596的4脚PWM脉冲信号，就可以改变LM2596的输出电压和电流。
最后电压信号输出到电机驱动电路。
LM2596封装形式包括标准的5脚TO-220封装（DIP）和5脚TO-263表贴封装（SMD）。
该器件还有其他一些特点：
在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内；可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路[8]。
特点：
可以选择固定电压输出3.3V、5V、12V和可调电压输出，可调输出电压范围1.2V～37V±4%，输出线性好且负载可调节，输出电流可高达3A，输入电压可高达40V。
其采用150kHz的内部具有振荡频率，属于第二代开关电压调节器，而且功耗小、效率高，低功耗待机模式，IQ的典型值为80μA。
具有TTL断电能力，具有过热保护和限流保护功能。
74HC573输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
当74HC573的锁存使能端LE为高电平时，这些器件的锁存对于数据是透明的，也就是说输出同步[9]。
当锁存的使能变低电平时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
U36755X出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上；U25805X作电压范围：
2.0V～6.0V；U20302X输入电流：
1.0uA；CMOS器件具有高噪声抵抗特性。
三态总线驱动输出：
置数并行存取、缓冲控制输入、使能输入有改善抗扰度的滞后作用。
原理说明：
M54HC563/74HC563/M54HC573/74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能G为高时，Q输出将随数据输入数据D的变化而变。
当输入使能端为低电平时，输出信号就可以锁存到已建立的数据电平上[3]。
之前被存储的数据可以先被存储，甚至在输出关闭的时候也可以不受影响，因此输出的控制不会影响到锁存器内部的工作秩序。
同时新数据仍然可以继续出入，这样的电路设计能够驱动大电容以及低阻抗的负载，这样可以直接和系统总线借口共同驱动，节省了外接接口的麻烦[10]。
这样的设计很适合于双向驱动器。
3.5电机驱动电路
电机转速检测：
电路中的无刷直流电动机模型本身就附带了3个霍尔传感器，几个霍尔传感器输出信号的相位差是120度。
电机转子每转过60度就会数除一种编码状态，所以每当无刷电机的转子旋转一周时，霍尔传感器就能够输出6种编码状态[11]。
因此每当霍尔传感器输出状态变化一次以后，这就表示无刷直流电动机的转子旋转了60度。
在单位时间T内接收到霍尔传感器输出编码改变的次数n得到电机的转速为V=60n/T。
根据这个原理，通过信号输入捕获得到一个霍尔传感器的输出信号周期，可以较为准确的检测出无刷直流电动机的转速。
无刷直流电机的连接图如图3.7所示。
图3.7无刷直流电机
在做仿真的设计时Motors元件库里有两种无刷直流电动机模型可以进行选取，一种是三相星型联接方式的电机，另一种是三相角型联接方式的电机。
这两种无刷电机的区别在于它们的联接绕组方式不同。
模型的引脚左边三个是a、b、c作用是绕组线圈信号出入的端口，右边三个引脚sa、sb、sc则是作为霍尔传感器的输出端。
load作为负载输入端口，omega作为转子速率输出端[12]。
电机驱动原理：
电动及驱动电路可以分为三部分，MOTORA、MOTORB、MOTORC。
这三部分的电路原理是一样的，具体通过MOTORA讲述。
MOTORA部分电路是H桥的变形两个三极管B772、D882是其中两个桥臂，另外两个桥臂是芯片ULN2003的内部反相器。
ULN2003连接到单片机上来驱动电动机，单片机输出信号给ULN2003，经过两级反相器之后，控制电机两端的电压。
驱动电路中从LM2596输出的电压和电流从MOTOR_VDD输入，R11的15脚的低电平，从ULN2003的15脚送过来。
这时Q1是导通的，电机左端电压高于右端电压，电动机正向转动。
由于电动自行车行驶只需要一个方向的转动，因此单片机输出的信号不用改变只要正向转动既可以。
MOTORB、MOTORC与MOTORA电路原理相同。
最后通过MOTORA、MOTORB、MOTORC分别输入到电动机的a、b、c三个输入端来驱动电动机。
电机驱动电路图如图3.8所示。
图3.8电动机驱动电路
电动自行车一般使用低功率的直流电机，目前较为常用的对于小功率的直流电机调速方法有两种。
第一种方法称作线性型调速：
这种调速方法要用到功率三极管作为放大器；经信号放大输出后来控制无刷直流电机[13]。
这种驱动电路结构较为简单，原理也容易理解并且材料成本较低，加速效果也比较好。
然而这种方法最大的问题是功率损耗太大，尤其是在低速大转矩区域工作时，电阻中通过的电流大，大量发热，有很大的能量损耗。
第二种方法称作脉宽调制型调速：
目前这种调速方式被广泛应用于电动机调速。
脉宽调速方式有很多的优点：
速度调整区间大、能承受较大过载、可以频繁承受负载冲击、调速后反应速度快。
因此决定选择脉宽调速方式控制无刷直流电机[14]。
PWM直流电机面宽调速的原理：
无刷直流电机的转速
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