基于单片机电动自行车调速系统的设计(编辑修改稿)

基于单片机电动自行车调速系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

ION— PWM）较常用的 一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。 因此决定采用 PWM 方式控制直流电机。 永磁式直流电机脉宽调速原理：永磁式直流电动机电机转速由电枢 电压 UD 决定，电枢电压 UD 越高电机转速越快，电枢电压UD 降为 0V，电机就就停转。 直流电机的具体调速过程是：先让它启动一段时间，然后切断电源，电动机因惯性而降速转动。 在转速降到一定限度时使电动机再次接通，电动机因此而再次加速，不断的给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号）就可以使电动机的转速控制在指定的范围内。 如图 26所示： 脉冲信号： t T 转速： VMAX VD VMIN 图 26 脉冲信号图 Vmax 为电动机的最大转速值， Vmin 为电动机的最小转速值， VD为二者的平均值。 VD=D*max 式中 D=t/Tc 称为占空比， D越大 VD 就越大反之亦然。 平均转速和电枢上的脉冲占空比 D之间关系如图 27所示： 由图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系，但可以近似的看成是线性关系。 因此，电动机的平均转速 VD 就可以有占空比 D加以控制。 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设计 9 VD（平均速度） 0 1 D（占空比） 图 27 VD/D 关系图 PWM 调速分为双向式和单向式两种： 双向式：在一个脉冲周期内（ T=Ta+Tb） ,T1 和 T3导通时间为 Ta,T2和 T4导通时间为 Tb，这样在 Ta 这段时间内，电机通过的是正向电流，在 Tb这段时间内为反相电流。 当 Ta=Tb 时电机停转， TaTb 电机正转， TaTb 电机反转。 单向式：单向式的电路和双向式相同，同的是在电机正转时， Tb这段时间内不通过反相电流；电机反转时， Ta 内不通过正向电流。 其调速原理基本与双向相同，单向式与双向式相比，三极管的开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况，故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差。 外特性、低速性也不如双向式好。 综合以上两种方式的优缺点，并考虑到电动 自行车对调速精度要求不太高，以及省电、器件损耗等方面因素，决定采用单向式 PWM；考虑到编程时可能会产生使 T TT T4 都导通的情况，以致电源短路，烧毁器件。 为了避免出现这种情况，设计了图28 所示的电路： 此电路只用一个三极管控制电路的通断，用四个继电器控制电流流向，从而控制电机的转向。 这样无论如何，都不会出现因编程原因而造成电源短路的情况。 由于采用单片机控制电机，如果单片机的电源采用与电机同一电源，虽然经过稳压、滤波，但单片机仍然容易受到电机以及继电器的干扰。 为了避免干扰，采用光电隔离，单片机和 电机采用两套电源， 4N26 光耦一般需要 2mA 以上的驱动电流，由于单片机的输出电流只有几百毫安，故需要先接 74LS245 或者接一个三极管增加驱动能力（ 74LS245 的高电平驱动能力为 15mA）。 光耦的输出再接给达林顿管，考虑到电机的短路电流有 2A，故选用 TIP132 型号的达林顿管（允许通过的最大瞬时电流为 8A）。 另外，在达林顿管的C极。 和电源的正极之间接一个耐流为 2A 的二极管，这样在关断电源后，使继电器反相，可以让电机放电，这样停时车不至于因为惯性滑行太远而浪费能源。 因此，切断电源后要将电动车停下来而采取的无 谓制动不能将电能回馈给蓄电池。 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设计 10 NPN9031A+24V 140W2mA2mAK2 ONK3 OFFK4 0NK11k24vOFF+61K1KTIP123 图 28 电源电路 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 2 总体设计 11 考虑到电动自行车对电机转速距离控制要求不高，为了简化程序和外接电路，所以没有考虑采用闭环 PWM 控制，用开环 PWM 控制和就可以实现自行车的功能。 脉冲信号 Ta Tb 图 29脉冲信号波形图 工作时 Ta 为高电平，通过光耦驱动复合管 T导通，此时 Tb为高电平通过光耦使三极管导通，继电器各线圈被短路。 K K2 为常闭触点，所以电动机加正向电压。 当 Tb为低电平电压时所有继电器得电，常开触点闭合常闭触点断开， K K3断开 K K4 导通。 电动机加反向电压。 如果保证 TaTb 则电动机正转。 通过改变 Ta、 Tb 的占空比即可改变转速。 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3 主要器件性能及原理 12 3 主要器件性能及原理 8051 单片机内部结构 8051 是 MCS51 系列单片机的典型产品 ， 我们以这一代表性的机型进行系 统的讲解。 8051 单片机包含中央处理器、程序存储 器 (ROM)、数据存储 器 (RAM)、定时 /计数器 、 并行接口 、 串行接口和中断系统等几大单元及数据总 线 、 地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明： 中 央处理器 中央处理器 (CPU)是整 个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能 处理 8 位二进制数据或代码， CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的 工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数 据存储 器 (RAM) 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们 是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能 用于存放用户数据，所以，用户能使用的的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程 序存储 器 (ROM) 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定 时 /计 数 器 (ROM) 8051 有两个 16 位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数产生中断用于 控制程序转向。 并 行输入输 出 (I/O)口 8051 共有 4 组 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。 全 双工串行口 8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该 串行口既可以用作异步通信收发器，也可以 当同步移位器使用。 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3主要器件性能及原理 13 中 断系统 8051 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时 /计数器中断和一 个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 时 钟电路 8051 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脉冲 时序，但 8051 单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即 哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存 储器合二为一的结构，即普林斯顿 (Princeton)结构。 INTEL 的 MCS51 系列单片 机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 MCS96 系列单片机则采用普 林斯顿结构。 图 31 8051 引脚图 aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3主要器件性能及原理 14 图 32 MCS51 内部结构图 8051 的引脚说明： Pin20:接地脚。 Pin40 为正电源脚，正常工作或对片内 EPROM 读写程序时，接 +5V电源。 Pin19 为时钟 XTAL1 脚，片内振荡电路的输入端。 Pin18 为时钟 XTAL2 脚，片内振荡电路的输出端。 输入输出 (I/O)引脚： Pin39Pin32 为 输入输出脚， Pin1Pin1 为 输入输出脚，Pin21Pin28 为 输入输出脚， Pin10Pin17 为 输入输出脚，这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。 Pin9:RESET/Vpd 复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引脚上出现 24个时钟周期以上的高电 平，系统即初始复位。 初始化后，程序计数器 PC指向 0000H， P0P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入 07H，其它专用寄存器被清“ 0”。 RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。 然而，初始复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的状态， 8051 的初始态如表 33 所示 : 表 33 8051 初始状态 特殊功能寄存器 初始态 特殊功能寄存器 初始态 ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3主要器件性能及原理 15 DPH 00H TH0 00H DPL 00H TL0 00H IP xxx00000B TH1 00H IE 0xx00000B TL1 00H TMOD 00H TCON 00H SCON xxxxxxxxB SBUF 00H P0P3 1111111B PCON 0xxxxxxxB Pin30: ALE/ 当访问外部程序器时， ALE(地址锁存 )的输出用于锁存地址的低位字节。 而访问内 部程序存储器时， ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。 Pin29: 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号， PC 的 16位地址数据将出现在 P0和 P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上， CPU 读入并执行。 Pin31:EA/Vpp 程序存储器的内外部选通 线， 8051 和 8751 单片机，内置有 4kB 的程序存储器，当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取内部程序存储器指令数据，而超过 4kB 地址则读取外部指令数据。 A/D 转换芯片 （ 1）内部结构 ADC0809 芯片是最常用的 8 位模数转换器。 它的模数转换原理采用逐次逼近型，芯片由单个 +5V 电源供电，可以分时对 8 路输入模拟量进行 A/D 转换，典型的 A/D 转换时间为 100 微秒左右。 ADC0809 的内部逻辑结构，如图 34： 图 34 ADC0809 的内部结构 由上图可知，多路开关可选通 8个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D转换器进行转换。 三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时， aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa 本科毕业论文 3主要器件性能及原理 16 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 （ 2）引脚结构 图 35 ADC0809 引脚结构图 IN0－ IN7： 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0－ 5V，若信号太 小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线： 4条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。 当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A， B， C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。 A， B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0－ IN7 上的一路模拟量输入。 通道选择表如表 36所示： 表 36通道选择表 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1。