基于单片机的电动自行车控制系统研究本科毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的电动自行车控制系统研究本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

绪论 6 动机、开关磁阻电动机和直流无刷电动机。 其基本性能比较如表 所示。 表 电动车驱动电动机基本性能比较 基本性能 电动机类型 效 率 体 积 技术性能 寿 命 成 本 直流有刷电动机 较 高 小 好 短 高 直流无刷电动机 高 小 好 长 高 交流电动机 低 大 一 般 长 低 开关磁阻电动机 较 高 较 小 较 好 长 低 从表 的几个主要指标可以看出，这几种电动机各有优缺点，但考虑综合因素，直流无刷电动机较为合适。 虽然它 的一次成本稍高，但其效率高，二次成本降低。 但是在功率很大的电动巴士中，电动机的功率往往要达到 100～ 200kw。 此时直流无刷电动机的方案要受到稀土磁钢材料和大功率管的制约。 目前，一般以开发应用几十千瓦以下的无刷直流电动机为宜。 电动车是机电一体化的高科技产品，它包括电池、电动机、控制器和充电器等多个部件，其结构模式如图 1— 1 所示。 图 1— 2 电动车模式 衡量电动车动力性能的指标主要是续驶里程、最大时速、最大爬坡度及最大加速度等四项，它们是电 动车中电动机设计的主要依据： （ 1） 当最大时速一定时。 根据车轮直径可推算出电动机的最大转速，并确定电动机的额定转速。 （ 2） 根据最大爬坡度的要求，结合车体自身重量、负载重量及风阻等，可以计算出电动机的额定转矩、过载转矩及控制器的过载电流。 （ 3） 根据最大速度的要求和车重来决定电动机的瞬时过载转矩（即最高转矩）电池 控 制 器 电动机 车轮 电动轮 充电器 或 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论 7 及控制器的最大电流。 值得指出的是，上述因素往往是相互制约的，各种类型的车辆对上述要求也各有侧重，在设计时要针对具体情况并注意它们之间的相互匹配。 MCS51 单片机简介 MCS51 系列单片机 单片微型计算机简称单片机或单片微机，又称微型控制器。 即是在一块半导体芯片上，集成了中央处理器、只读存储器、随机存取存储器、输入 /输出接口、定时器 /计数器、中断系统等功能部件，构成了一台完整的数字电子计算机。 由于集成电路技术的进步，片内甚至还包括 HSO、 HIS、 A/D 转换器、 PWM 等称为“片内外设”的特殊功能部件。 本设计所采用的单片机是 AT89C51，是属于 MCS51 系列的单片机，能与 51系列单片机很好的兼容。 MCS51 系列单片机是美国 Intel 公司在 1980 年推出的高性能 8 位单片微型计算 机，较原来的 MCS48 系列结构更为先进，功能增强，它包括 51 和 52 两个子系列。 在 HMOS 技术大发展的背景下， Intel 公司在 MCS48 系列的基础上于 1980年推出了 8 位 MCS51 系列单片机。 它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了 INTEL8085 的 CPU 和 Z80 的 CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。 较早的 MCS51 典型时钟为 12MHz，而目前与 MCS51 单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到 40MHz 甚至更高，现在已有 400MHz 的单片机问世。 51 系列是基本型， 包括 805 875 803 ，仅在于片内程序储存器。 8051 为 4KBROM， 8751 为 4KBEPROM， 8031 片内无程序储存器，8951 为 4KBEEPROM。 其他性能结构一样，有片内 128B RAM， 2 个 16 位定时器 /计数器， 5 个中断源。 其中， 8031 性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。 51 系列单片机的特点 (1) 8 位 cpu （ 2） 片内带振荡器，频率范围为 ~12MHz （ 3） 片内带 128B 的数据存储器 （ 4） 片内带 4KB 的程序存储器 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论 8 （ 5） 程序存储器的寻 址空间为 64KB （ 6） 片外数据存储器的寻址空间为 64KB （ 7） 128 个用户位寻址空间 （ 8） 21 个字节特殊功能寄存器 （ 9） 4 个 8 位的 I/O 并行接口： P0、 P P P3 （ 10） 两个 16 位定时、计数器 （ 11） 两个优先级别的五个中断源 （ 12） 一个全双工的串行 I/O 接口，可多机通信 （ 13） 111 条指令，包含乘法指令和除法指令 （ 14） 片内采用单总线结构 （ 15） 有较强的位处理能力 （ 16） 采用单一 +5V 电源 MCS51 系列单片机内部结构 作为主流的单片机品种， MCS51 系列单片机 市场份额占有量巨大， PHILIPS公司、 ATMEL 公司等纷纷开发了以 8051 为内核的单片机产品，这些产品都归属于 MCS51 单片机系列。 单片机 内核是 8051CPU， CPU 的内部集成有运算器和控制器，运算器完成运算操作（包括数据运算、逻辑运算等），控制器完成取指令、对指令译码以及执行指令。 MCS51 单片机的片内资源有： （ 1） 中央处理器： 中央处理器 (CPU)是整个 微型计算机 的核心， 包含运算器、控制器、存储器这三个部分。 是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码， 主要 完成运算和控制输入输出功能等操 作。 （ 2） 数据存储器 (RAM)： MCS51 内部有 128 字节数据存储器（ RAM）和 21 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能用作用户数据的存放，用户能使用的 RAM 只有 128个字节，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 （ 3） 程序存储器 (ROM)： MCS51 共有 4K 字节程序存储器（ ROM），用于存放用户程序和数据表格。 （ 4） 定时 /计数器 (ROM)： MCS51 有两个 16 位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数，当定时 /计数器产生溢出时， 可用中断方式控制程序转向。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论 9 （ 5） 并行输入输出 (I/O)口： MCS51 共有 4 个 8 位的并行 I/O 口 (P0、 P PP3)，用于对外部数据的传输。 （ 6） 全双工串行口： MCS51 单片机中的 异步 通信 串行 接 口 能方便地与其他计算机或串行传送信息的外围设备（如串行打印机、 CRT 终端等） ， 实现双机、多机通信。 该串行口 一般 用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 （ 7） 中断系统： MCS51 中断系统的功能为： 5 个（ 52 子系列为 6 个）中断源；2 个中断优先级，从而可实现二级中断嵌套；每一个中断源的优先级可用程序设定， 可基本满足不同的控制要求。 （ 8） 时钟电路： MCS51 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。 图 12 是 MCS51 系列单片机的内部结构示意图 : 图 1— 3 MCS51系列单片机的内部结构 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论 10 MCS51 系列单片机外部引脚说明 MCS51 系列单片机芯片有 40 个引脚。 用 HMOS 工艺制造 的芯片采用双列直插式封装，见图 14 图 1— 4 MCS51系列单片机芯片引脚图 低功耗的、采用 CHMOS 工艺制造的机型（在型号中间加一“ C”字作为识别，如 80C3 80C5 87C51）也有用方行封装结构的。 现将各引脚分别说明如下： 1．主电源引脚 Vcc：接电源正端（ +5V）。 Vss：接电源地端（ +5V）。 2. 外接晶体引脚 XTAL1：接片内反相放大器的输入端。 XTAL2：接片内反相放大器的输出端。 3．输入 /输出引脚 ： P0 口的 8 个引脚在不接片外存储器 与不扩展 I/O 接口的情况下，可作为准双向输入 /输出接口。 在接有片外存储器或扩展 I/O 接口的情况下，攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论 11 P0 口做为分时复用低 8 位地址总线和双向数据总线。 ： P1 口的 8 个引脚可作为准双向 I/O 接口使用。 对于 52 子系列， 与 还有第二种功能： 可用作定时器 /计数器 2 的计数脉冲输入端T2； 可用作定时器 /计数器 2 的外部控制端 T2EX。 ： P2 口的 8 个引脚。 一般可作为准双向 I/O 接口；在接有片外存储器或扩展 I/O 接口且寻址范围超过 256 个字节时， P2 口用为高 8 位 地址总线。 :P3 口的 8 个引脚。 除作为准双向 I/O 接口使用外，还具有第二功能，详见表 12。 引脚 第二功能 RXD (串行输入端 ) TXD (串行输出端 ) INT0 （外部中断 0请求输入端） INT1 （外部中断 1请求输入端） T0 （定时器 /计数器 0计数脉冲输入端） T1 （定时器 /计数器 1计数脉冲输入端） WR （片外数据存储器写通信号输出端） RD （片外数据存储器读通信号输出端） 表 12 P3口第二功能 4．控制线 ALE/PROG:ALE为 CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址锁存信号，将 8 位地址锁存在片外的地址锁存器中。 PROG 为该引脚的第二功能，即在对片内 Flash 存储器编程时，此引脚作为编程脉冲输入端。 此外，单片机在正常运行时， ALE 端一直有正脉冲信号输出，该信号也有上述频率（震荡频率 f 的六分之一）出现，所以一般可用作对外输出的时钟脉冲信号。 不过在访问片外数据存储器期间， ALE 脉冲计数将与实际不符，这种情 况下一般不用作时钟输出。 对于片内含可擦除可编程只读存储器的机型，在编程期间，此引脚用作编程脉冲 PROG 的输入端口。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论 12 PSEN：片外程序存储器读选通信号，低电平有效。 在访问片外数据存储器期间， PSEN 信号将不出现。 RET/Vpd: RST 写全是 RESET，为单片机的复位（初始状态）端。 高电平有效，在此引脚加上持续时间大于 2 个机器周期的高电平，就可以使单片机复位。 在单片机正常工作时，此引脚应为小于 的低电平，上电时，考虑到振荡器有一定的起震时间，该引脚上高电平的持续时间必须在 10ms 以上才能保证有效复位。 Vcc 掉电期间，该引脚如接 Vdd（在 +5V 上下 内），可用于保存片内 RAM中的数据。 当 Vcc 下降到某规定值以下， Vpd 便向片内 RAM 供电。 EA/Vdd：片外程序存储器选用端。 该引脚有效（低电平）时只选用片外程序存储器，否则计算机上电或者复位后先选用片内程序存储器。 对于片内含 EPROM 的机型，在编程期间，此引脚用作 21V 编程电源 Vdd 的输入端。 对于 MCS51 系列单片机的引脚可归纳出下列两点： （ 1）单片机功能多，引脚数少，致许多引脚都具有第二功能。 （ 2）单片机对外呈三总线形式。 由 P P0 组成 16 位地址总线；由 P0 分时复用为数据总线，由 ALE、 PSEN、 RST、 EA、与 P3 口中 INT0、 INT T0、 TWR、 RD 共 10 个引脚组成控制总线。 因是 16 位地址线，使片外存储器的寻址范围达到 64KB。 2 电动自行车控制系统的设计方案 控制器硬件设计 控制器硬件系统 采用 MCS51 单片机为系统控制器。 从该系统设计要求可知，单片机接收信号输入，然后由单片机计算出车速并传给数码管显示器显示出来。 车速的控制由ADC0808 接受的外界模拟信号转换成数字信号传给单片机，由 单片机控制其加速或减速。 显示。