畢業(yè)設計電動自行車智能控制器的設計與制作

畢業(yè)設計(論文)-電動自行車智能控制器的設計與制作

分類號密級

無錫職業(yè)技術學院

畢業(yè)設計說明書

題目：電動自行車控制器設計

英文題目;Designofelectricbicyclecontroller

學生姓名:黃賽華

專業(yè)：機電一體化

指導教師：石炳存

職稱：副教授

畢業(yè)設計說明書提交日期：2021年4月15日地址：機電學院

畢業(yè)設計任務書

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無錫職業(yè)技術學院機電工程系

2021年2月20日

目錄

目錄

摘要????????????????????????????????2英文摘要??????????????????????????????2

第一章引言????????????????????????????3

1.1電動自行車的意義及開展狀況?????????????????3

1.1.1自行車的歷史背影及意義????????????????3

1.1.2電動自行車的優(yōu)點???????????????????4

1.1.3電動自行車的開展前景?????????????????4

第二章控制器系統(tǒng)的分析???????????????????????5

2.1智能控制器的系統(tǒng)框圖????????????????????5

2.2系統(tǒng)主要硬件介紹??????????????????????6

2.2.1無刷直流電動機????????????????????6

2.2.2AT89C51???????????????????????8

2.2.3MC14585B和CD4040B??????????????????9

2.3系統(tǒng)具體實現(xiàn)方法?????????????????????10

2.3.1無刷直流電動機的調速????????????????11

2.3.2測速電路??????????????????????13

2.3.3速度預置與顯示???????????????????14

2.3.4電機驅動電路????????????????????15

2.3.5無刷直流電動機及控制器的保護????????????16

第三章系統(tǒng)軟件設計????????????????????????18

第四章結束語???????????????????????????20參考文獻?????????????????????????????21附錄???????????????????????????????22

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摘要

電動自行車用于輕便靈活，節(jié)能環(huán)保，價格適中而得到人們的廣泛使用，成為人們短途出行的理想交通工具。同時中國具有龐大的自行車市場，電動自行車產(chǎn)業(yè)在中國有著非常廣闊的應用前景，因此開展電動自行車具有良好的社會意義和客觀的經(jīng)濟效益

基于單片機系統(tǒng)為核心的，以無刷直流電動機驅動的電動自行車智能控制器的設計方案。該系統(tǒng)包括PWM控制方案、速度測量和顯示方案、剎車控制方案和電路保護方案等。本設計主要是以單片機為核心，特別采用軟硬件相結合的方式，可以極大地提高系統(tǒng)的平安性和可靠性。

關鍵詞：電動自行車；智能控制；脈沖寬度調制；單片機；電機保護

Abstract

Electricbicycleforportableandflexible,energy-savingenvironmentalprotection,moderateinpriceandarewidelyusedinpeople,anidealvehicleforthepeopleinthetravel.Atthesametime,Chinahasahugemarketofbicycle,electricbicycleindustryhasaverybroadapplicationprospectsinChina,andsothedevelopmentofelectricbicyclehasagoodsocialsignificanceThispaperintroducesadesignprogramofintelligentcontroloftheelectronicbicyclewhichisbasedonthesinglechipcomputersystem.ItisderivedbynobrushDCmotor.ThissystemintroducesspeedPWMcontrolproject,speedmeasureanddisplayproject,brakecontrolproject,electrocircuitprotectionproject.Thisdesignisbasedonthesinglechipcomputer,itsspecialtiesadoptcombininghardwarewithsoftwareforimprovingcredibilityandsecurity.

KeyWords：electricbicycle；intelligentcontrol；PWM;singlechipcomputer;

electrocircuitprotection

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第一章引言

隨著人們物質生活水平的提高，電動自行車作為一種新興的交通工具正在越來越多地走進人們的生活。對于普通消費者而言，汽車太貴買不起，自行車太累不想騎，公交車人太多不想擠，摩托車太危險路段又禁駛，而電動自行車是最適合他們的產(chǎn)品。由于電動車輕便，速度適中，平安價廉，無噪音尾氣污染，可大大提高非機動車道的通行效率，非常適合城市內單人短程出行，具有其他交通工具無法比較的優(yōu)勢。據(jù)全國各大城市的市場需求調查，有高達76%的市民有將電動自行車作為代步交通工具的需求。

1.1電動自行車的意義及開展狀況

1.1.1自行車的歷史背影及意義

隨著人們生活水平的不斷提高，需求清潔、經(jīng)濟的動力和能源，開展路色交通工具已成為當今世界上緊迫的技術、經(jīng)濟和社會課題；相信不久的將來隨著電力電子技術不斷開展和車用電源的日趨成熟，電動自行車將成為大都市人們日常生活中短距離的主要綠色交通工具。我國是世界公認的“自行車王國〞，在相當長時期內，自行車仍將是老百姓出行最常用的交通工具。隨著人民生活水平的提高，近年來，一種用蓄電池為動力源的自行車因為其輕便、平安、省時省力、低能耗、零排放、低噪音、有利于創(chuàng)造綠色人居環(huán)境等優(yōu)點，越來越受到廣闊人民群眾的喜愛。在今天的城鄉(xiāng)大街小巷里，電動自行車越來越多，其來勢洶涌，大有取代傳統(tǒng)自行車的趨勢。

1.1.2電動自行車的優(yōu)點

電動自行車繼承了傳統(tǒng)自行車的優(yōu)點，并且使用起來比傳統(tǒng)自行車更方便、更快捷；與摩托車、燃油助動車相比，它具有突出的優(yōu)點：

1、無污染：電動自行車是以蓄電池發(fā)出的電能作為驅動能源，以電動機作為動力，

運行工程中沒有廢氣排放；因此和摩托車、燃油助動車相比，沒有污染。

2、噪音、振動?。弘妱幼孕熊囀怯呻妱訖C驅動的，電動機在運行中產(chǎn)生的噪音比較

小，運行比較平穩(wěn)。而摩托車、燃油助動車是由燃油發(fā)電機驅動，起汽缸產(chǎn)生的噪音比較大，由于受到體積限制，起發(fā)電機的缸數(shù)較少，運行時不夠平穩(wěn)，振動2

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較大。

3、高時速20公里，行駛平安：摩托車、燃油助動車的速度快，在機動車上行駛，事

故率較高；而電動自行車，國家強制性規(guī)定〔國標GB17761-1999〕其速度不能超過20Km/h，而且電動自行車一般不能在機動車道上行駛，因此相比之下平安很多。

4、效率高：摩托車、燃油助動車的效率一般只有30%左右，而電動自行車的效率可

以到達70%以上。

5、結構簡單、輕便，易維護、維修：電動自行車一般是有蓄電池、控制板、電機和

車身組成；蓄電池用的是免維護的，電機的故障率較低，根本上不要維護，控制板由于帶的電力電子技術比較成熟，損壞率也比較低，另外電動自行車沒有機械傳動結構，體積小、重量輕，因此相比摩托車、燃油助動車來來說，其日常的維護、維修量少得多。

專家認為：電動車輕便，速度適中，平安價廉，無噪音尾氣污染，占用車位小，可大大提高非機動車道的通行效率，非常適合城市內單人短程出行，具有其他交通工具無法比較的優(yōu)勢。據(jù)預測，隨著我國城鄉(xiāng)路況日新完善，效率更好、經(jīng)濟實用的電動自行車代替?zhèn)鹘y(tǒng)自行車將是一個不可逆轉的市場需求趨勢。

1.1.3電動自行車的開展前景

由于電動自行車自身所具有的優(yōu)點和近幾年來行業(yè)的技術進步等諸多因素，決定了其將會具有較為廣闊的市場前景。經(jīng)過一段時間的開展，目前全國的生產(chǎn)廠家已經(jīng)超過了100家，預計今年全國電動自行車產(chǎn)量可達200到250萬輛，到2021年產(chǎn)量將到達400萬輛。但目前電動自行車的開展也存在著一些問題。

電動自行車雖然是零排放的綠色交通工具，但也存在著潛在的污染，在電動自行車中廣泛使用的鉛酸電池壽命不長，造成的二次污染比較嚴重，鉛的毒性較大，所以對其污染問題我們決不能掉以輕心。據(jù)有關資料顯示，我國每年大約有5000萬支廢鉛酸電池產(chǎn)出，由于種種原因，廢鉛酸電池的回收管理不善，措施不力，收購無序，加之廢電池回收再生技術落后，甚至有亂棄廢電池等行為，直接導致了環(huán)境污染。

電動自行車雖然結構要比摩托車和燃油助動車簡單，但也是一個相當復雜的系統(tǒng)，整車的性能還有待提高。局部生產(chǎn)企業(yè)為了一味迎合消費者不合理的需求，置產(chǎn)品的平安性不顧，提高車速，增加質量，退化了電動自行車的人力騎行功能，摩托化傾向非常嚴重，存在嚴重的平安隱患。

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第二章系統(tǒng)的硬件設計

2.1根本設計思想

本設計的根本思想是以89C51為核心器件，從而控制電動自行車的行駛。以AT89C51為核心所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng),能夠實現(xiàn)速度顯示,速度控制，采用改變電機驅動電壓的方法實現(xiàn)電機調速,電壓調速的實現(xiàn)方法有多種,在應用單片機輸出控制信號進行調速的場合,比較便于實現(xiàn)而且調整性能良好的是脈沖寬度調制(PWM)技術。

系統(tǒng)方框圖如圖2－1所示：

圖2-1系統(tǒng)框圖

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2.2系統(tǒng)主要硬件介紹

2.2.1無刷直流電動機

無刷直流電動機是隨著電子技術的迅速開展而開展起來的一種新型直流電動機。它是現(xiàn)代科學技術和軍事裝備中重要的機電元件之一。無刷直流電動機是以法拉第的電磁感應定律為根底，而又以新興的電子技術、數(shù)字技術和各種物理原理為后盾，因此它具有很強的生命力。

無刷直流電動機的最大特點，就是沒有換向器和電刷組成的機械接觸機構。另外，它通常采用永磁體為轉子，沒有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，這樣，熱阻較小，散熱容易。因此，無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維護簡便。此外，它的轉速不受機械換向的限制，可以方便地實現(xiàn)無級變速，因而非常適合用在電動自行車上。

一．根本結構

無刷直流電動機是由電動機本體〔帶有電樞繞組的定子和永磁轉子〕、轉子位置傳感器和電子開關線路3局部組成，其原理框圖如圖2-2所示。

圖2-2無刷直流電動機的方框原理圖

二．工作原理

無刷直流電動機是在有刷直流電動機的根底上開展起來的，就它們內部發(fā)生的電磁過程來說，本質上無多大差異。在無刷直流電動機中，借助反映主轉子位置的位置傳感器的輸出信號，通過電子換向線路去驅動與電樞繞組聯(lián)結的響應的功率開關元件，使電樞繞組依次饋電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉磁場，拖動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動機的無接觸式換流過程的實質。

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圖2-3無刷直流電動機換向線路

三．無刷直流電動機的運行特性

討論各種電動機的運行特性時，一般都從電勢公式〔即轉速公式〕、電勢平衡方程式、轉矩公式和轉矩平衡方程式出發(fā)。對于無刷直流電動機來說，其電勢平衡方程式為

UEIacpracpU〔2-1〕

式中U——電源電壓〔伏〕；

E——電樞繞組反電勢〔伏〕；

Iacp——平均電樞電流〔安〕；

racp——電樞繞組的平均電阻〔歐〕；

⊿U——功率晶體管飽和管壓降〔伏〕；對于橋式換向線路為2⊿U。

對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞繞組反電勢有不同的等效表達式，但不管哪一種繞組和線路結構，均可表示為

EKen〔2-2〕

四．起動特性

由方程〔2-1〕和〔2-1〕可知，電動機在起動時，由于反電勢為零。因此電樞電流〔即起動電流〕為

In

UU2-3〕

racp

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其值可為正常工作電樞電流的幾倍到幾十倍。所以起動電磁轉矩很大，電動機可以很快起動，并能帶負載直接起動。隨著轉子的加速，反電勢E增加，電磁轉矩降低，加速力矩也減小，最后進入正常工作狀態(tài)。在空載起動時，電樞電流和轉速的變化如圖2-4。

圖2-4空載起動時電樞電流和轉速的變化

2.2.2AT89C51

AT89C51是由美國Atmel公司生產(chǎn)的高性能八位單片機，它具有功能強、體積小、功耗低、價格廉價、工作可靠、使用方便等特點。下面對該單片機的根本情況作一下介紹。

一.AT89C51的特點

AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內有4k字節(jié)的在線可重復編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的本錢。

二.AT89C51引腳功能

AT89C51單片機為40引腳芯片見圖2-5。其40個引腳中有2個專門用于主電源的引腳，2個外接晶體的引腳，4個控制或與其他電源復用的引腳，以及32條輸入輸出I/O引腳。

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圖2-5AT89C51引腳圖

圖2-5AT89C51芯片管腳圖

2.2.3MC14585B和CD4040B

一.MC14585B

MC14585B芯片是一個16腳的4位比較器，它有8個比較輸入端ComparingInputs〔A0、B0、A2、B2、A3、B3〕、3個級聯(lián)輸入端CascadingInputs〔A〈B、A=B、A〉B〕和3個輸出端outputs〔A〈B、A=B、A〉B〕。真值表和引腳圖見表2-1和圖2-6。

表2MC14585B的真值表

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圖2-6MC14585B的引腳圖圖2-7CD4040B的引腳圖

二.CD4040B

CD4040B芯片是一個16腳的12位計數(shù)器，可作分頻器使用使用，也可制作電子電位器。如電位可有4096擋次，如電壓在4.096V，每伏有1000個1ｍV變化進位擋，每進1位上升1ｍV，電路二進制位0～11位以高位電阻最小。如第11位50ｋΩ、第10位100ｋΩ、第9位200ｋΩ、第8位400ｋΩ、第7位800ｋΩ、第6位1.6MΩ、第5位3.2MΩ、第4位6.4MΩ、第3位12.8MΩ、第2位25.6MΩ、第1位51.2MΩ、第0位102.4MΩ，向下按每退1位、阻值加1倍順序排列。如排錯，或電阻不是倍數(shù)，電位的上升值會不均勻，進到某數(shù)值便突然跳變。

CD4040內部沒有振蕩電路，需要外部提供時鐘脈沖，當外部時鐘脈沖是低電平時計數(shù)器加一。電源是5伏時，時鐘脈沖頻率需在1.5-4MHz之間。其引腳如圖2-7。

2.3系統(tǒng)具體實現(xiàn)方案

圖2-8是以AT89C51單片機為核心的系統(tǒng)電路原理圖。其中，P0.0-P0.3口分別作為電動機過流、過熱、電池欠壓和剎車信號的輸入口，P0.4-P0.7口分別作為電動機過流、過熱、電池欠壓和剎車指示信號的輸出口；P1.0-P1.7口作為預設速度值的輸出口；P2.0-P2.7、P3.6和P3.7口作為速度顯示信號的輸出口；P3.2口作速度信號的輸入口；P3.3口作為報警信號輸出口；P3.4和P3.5口作為速度給定口；ALE口作為CD4040B芯片時鐘脈沖的輸出口。

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圖2-8為系統(tǒng)總原理圖

2.3.1無刷直流電動機的調速

直流電機調速可采用的方法:改變電機勵磁電流、在電機繞組中串接電阻、改變電機的驅動電壓。電動自行車中的電機均采用永磁電機,因此改變電機勵磁電流的方法無法應用在電動自行車電機調速中。電機繞組中串接電阻的方法，一方面會增加電

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路的功耗，另外，要實現(xiàn)連續(xù)的速度調節(jié)必須用電位器，而在主回路的大電流工作狀態(tài)中，很難有適宜的電位器可以選用。因此本方案采用改變電機驅動電壓的方法實現(xiàn)電機調速。

電壓調速的實現(xiàn)方法有多種，在應用單片機輸出控制信號進行調速的場合，比較便于實現(xiàn)而且調整性能良好的是脈沖寬度調制(PWM)技術。由于定寬調頻法和調寬調頻法在調速時改變了控制脈沖的周期,當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時,將會引起振蕩,所以,在此采用定頻調寬法,即保持周期不變,同時改變調速脈沖的占空比。

采用脈沖寬度調制方法實現(xiàn)調速的原理是，單片機根據(jù)輸入的速度給定信號控制輸出脈沖的脈寬。當脈沖信號處于高電平時，使開關閉合,主回路接通，電機被驅動；當脈沖信號處于低電平時,使開關斷開，主回路斷開，電機停止轉動。通過頻率一定的脈沖信號的高電平寬度變化,控制電機在一個脈沖周期內的通斷比例,從而實現(xiàn)電機的轉速調節(jié)。

PWM信號可由單片機通過編程直接產(chǎn)生，但這樣做將會加大程序的復雜程度，影響系統(tǒng)其它功能的實現(xiàn)以及系統(tǒng)的可靠性。在本設計中采用三片通用數(shù)字芯片產(chǎn)生PWM信號，單片機只需根據(jù)速度給定值輸出一個相應的X值，就能由外部電路產(chǎn)生所需的PWM信號，使軟件大大簡化，有利于單片機系統(tǒng)的正常工作。

PWM波的頻率太高時,對直流電機驅動的功率管要求太高,太低時產(chǎn)生電磁噪聲較大。經(jīng)綜合分析,本系統(tǒng)采用兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計數(shù)器4040組成了PWM信號發(fā)生電路。兩片比較器的A組接4040計數(shù)輸出Q1～Q8端,B組接單片微機的P1端口。改變P1端口的輸出值,可使PWM信號的占空比產(chǎn)生變化,進行調速控制。計數(shù)器4040的計數(shù)輸入端CLK接單片機AT98C51晶振的振蕩輸出ALE。晶振選用12MHz時,ALE脈沖的頻率為2M，經(jīng)Q1～Q8的256分頻,產(chǎn)生的PWM波形的頻率為7.8kHz,適合光耦及功率開關管的合理工作范圍。

計數(shù)器4040每來1個脈沖,其輸出Q1～Q8加1,當計數(shù)值小于或等于單片機P1端口輸出值X時,U2的(A>B)輸出端保持為低電平,當計數(shù)值大于X時U2的(A>B)輸出端為高電平。隨著計數(shù)值的增加,Q1～Q8由全“1〞變?yōu)槿?〞時,(A>B)輸出端又變?yōu)榈碗娖?這樣,在U2的(A>B)端得到PWM的信號,其占空比為(255-X/255)×100%,改變X值可改變PWM信號的占空比,進行直流電機的轉速控制，如圖3-6。由于單片機上電復位時P1端口輸出全“1〞,使用4585的B組與P1端口相連,升速時P0端口輸出X按一定規(guī)律減少,降速時按一定規(guī)律增大。

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預置速度由按鍵S1和S2輸入，按S1加速，按S2減速，雖然這樣的調速方法與普遍采用的旋車把調速法有較大區(qū)別，但這種調速方法無需AD轉換，還能為單片機省下6個端口作它用，并有利于剎車后無刷直流電動機的斷電處理。

如圖2-9所示為PWM波產(chǎn)生電路：

圖2-9PWM產(chǎn)生電路

2.3.2測速電路

待測信號經(jīng)預處理電路后加至單片機的P3.2〔INT0〕引腳可為單片機測量信號周期提供有效的輸入信號。單片機通過檢測P3.2引腳電平來決定是否啟動測量周期程序。當該引腳為高電平時系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，要一直到該引腳出現(xiàn)低電平時才開始測周期。測量時首先將零賦給TH0、TL0兩個存放器，以將定時器T0的運行控制位TR0置位，同時也將ET0置位以允許定時器T0中斷。然后再判斷P3.2引腳是否還為低電平，如為低電平那么等待，直到出現(xiàn)高電平再開始判斷P3.2引腳是否為低電平，當其不是低電平時再等待。一旦出現(xiàn)低電平，那么立即復位TR0以終止定時器，以結束測周期程序。測周期過程中可能會發(fā)生定時器T0的中斷，每發(fā)生一次中斷那么將R0存放器加一，因此R0實際上是周期值的高字節(jié)。測出的周期值存儲在R0、TH0、TL0三個存放器中，然后將其轉換成速度。速度是用車輪的周長除以脈沖周期得到的。由于所測周期的單位是μｓ，因此在相除轉換時應將被除數(shù)擴大106倍，以保證得出正確的速度。每秒進行一次里程數(shù)累加時，可用當前的速度值加上一秒前的里程數(shù)得

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出當前的總里程數(shù)。

圖2-8中由信號發(fā)生器產(chǎn)生0-6Hz的矩形波接入P3.2,作為測得電機的參考量。

2.3.3速度預置與顯示

一、速度預置

預置速度由按鍵S5、S6輸入,進行“+〞“-〞控制,單片機P3.4，P3.5分別接升速按鈕S5和降速按鈕S6。當S5鍵按下時,將送到P1口的數(shù)據(jù)N減1以增大PWM信號的占空比;當S6按下時,將N加1以減少PWM信號的占空比。

二、速度顯示

由于系統(tǒng)要顯示的內容較簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。LED有共陰極和共陽極兩種。

根據(jù)AT89C51單片機灌電流能力強，拉電流能力弱的特點，我們選用共陽數(shù)碼管。如圖2-10所示，將AT89C51的P2.0～P2.7分別與共陽數(shù)碼管的a～g及dp相連，高電平的位對應的LED數(shù)碼管的段暗，低電平的位對應的LED數(shù)碼管的段亮，這樣，當P2口輸出不同的段碼，就可以控制數(shù)碼管顯示不同的字符。例如：當P2口輸出的段碼為11000000，數(shù)碼管顯示的字符為0。

數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)掃描顯示方式。

為節(jié)省端口及降低功耗，本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示方式。動態(tài)掃描顯示方式需解決多位LED數(shù)碼管的“段控〞和“位控〞問題，本電路的“段控〞〔即要顯示的段碼的控制〕通過P2口實現(xiàn)；而每一位的公共端，即LED數(shù)碼管的“位控〞，那么由P3口控制。這種連接方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內容，必然要采取輪流顯示的方式，即在某一瞬間，只讓其中的某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)，同時字段線上輸出這一位相應要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位那么暗。在本系統(tǒng)中,字位線的選通與否是通過PNP三極管的導通與截止來控制,即三極管處于“開關〞狀態(tài)。

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圖2-10顯示電路

2.3.4電機驅動電路

圖2-11是利用開關管對直流電動機進行PWM調速控制的原理圖。在圖中，當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓Vs。當開關管柵極輸入變?yōu)榈碗娖街?，開關管截止，電動機電樞電壓兩端電壓為0V。電樞電流通過續(xù)流二極管續(xù)流，即當脈沖信號處于高電平時，使開關閉合，主回路接通，電機被驅動；當脈沖信號處于低電平時，使開關斷開，主回路斷開，電機停止轉動。通過頻率一定的脈沖信號的高電平寬度變化，控制電機在一個脈沖周期電機驅動電路

由2-11圖可知：電動機兩端平均電壓

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式中

Ud

ton

UsUsT

(1.1)

tonUd

為占空比。改變ρ，即可改變其平均電壓。

TUs

2.3.5無刷直流電動機及控制器的保護

如圖2-12所示：

圖2-12保護電路

一、電機過流和過熱保護

電機過流保護和過熱保護〔電機的過載保護和小電流過載保護也可以通過過熱保護來實現(xiàn)〕，由單片機循環(huán)檢測電機電流樣值信號和電機過熱信號,檢測到任何一種信號,單片機將進入保護方式，令單片機輸出的PWM信號變?yōu)榱忝}寬，使電機失電，同時借助于自行車本身的制動系統(tǒng)，使自行車停止前進。如下圖，此兩種信號由P0.0和P0.1提供。二、蓄電池欠壓保護

系統(tǒng)軟件設計時,當出現(xiàn)欠壓信號時，并不是馬上就切斷主回路，而是在一定時

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間內連續(xù)檢測欠壓信號，如果欠壓信號保持兩秒鐘，系統(tǒng)將進入欠壓保護報警程序，如果欠壓信號持續(xù)不到兩秒鐘，系統(tǒng)就不進入保護報警程序，繼續(xù)正常工作。如下圖，此種信號從單片機的P0.2口輸入。

三、剎車控制

剎車控制也采用實時響應方式,當系統(tǒng)檢測到剎車信號后,立即使單片機輸出的PWM信號變?yōu)榱忝}寬,使電子開關斷開,電機失電。同時借助于自行車本身的制動系統(tǒng),使自行車停止前進。這時單片機系統(tǒng)應處于等待狀態(tài),剎車信號消失后,系統(tǒng)恢復工作，此時PWM信號為零脈寬，騎車人需進行加速才能繼續(xù)前進。這樣做的好處是，可以防止自行車在剎車信號消失后急速前沖，給騎車人帶來不平安因素。如下圖，此信號從單片機的P0.3口輸入。

四、報警指示

報警指示電路由四個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器構成，由單片機的P0.4-P0.7口和P3.3口控制，四個發(fā)光二極管分別表示電動機過熱、過流、蓄電池欠壓和剎車，當電動機過熱、過流或蓄電池欠壓時，相應的發(fā)光二極管就被點亮，同時發(fā)出報警聲提醒騎車人，而當剎車信號出現(xiàn)時，相應的二極管點亮，但不發(fā)出報警聲。為了方便單片機控制，發(fā)光二極管正極接+5V電源，負極通過限流電阻與單片機相連，驅動蜂鳴器的三極管采用9015，其電路如圖2-12。

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第三章系統(tǒng)軟件設計

基于AT89C51單片機的需要，本設計用匯編語言進行編程。由于給直流電動機調速用的PWM信號由外電路產(chǎn)生，大大減小了程序的復雜程度，其程序流程如圖3-1。

圖3-1程序主流程圖

在本系統(tǒng)控制中，欠壓保護采用多點檢測，當出現(xiàn)欠壓信號時，并不是馬上就切斷主回路，而是在一定時間內連續(xù)檢測欠壓信號，如果欠壓信號保持兩秒鐘，系統(tǒng)將進入欠壓保護報警程序，如果欠壓信號持續(xù)不到兩秒鐘，系統(tǒng)就不進入保護報警程序，17

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繼續(xù)正常工作。過流、過熱保護都采用實時響應，一旦檢測到過流或過熱保護，系統(tǒng)就立即進入保護報警程序。在上述保護方案中,電流保護和蓄電池欠壓保護采用非恢復性保護,一旦進入保護狀態(tài),就必須等排除故障、重新啟動單片機系統(tǒng)后,才能恢復工作。而過熱保護采用可恢復性保護,在軟件保護過程中,假設電動機溫度下降到保護值以下時,應撤消保護,系統(tǒng)恢復正常工作狀態(tài)。加速、減速控制也采用實時響應，一旦檢測到加速或減速信號，單片機就相應改變X的值，以到達加速或減速的效果。另外，為了便于騎車人調速，系統(tǒng)的加速或減速的幅度和騎車人按加速或減速按鈕的時間成正比，按得越長，改變的速度值就越大，只要按著加速或減速按鈕，系統(tǒng)就一直執(zhí)行加速或減速程序，直到速度到達最大值或零。剎車控制也采用實時響應，一檢測到剎車信號，剎車燈亮，并將速度調到零。

因為目前我國在電動自行車中采用的無刷直流電動機都是低轉速的，一般為200轉/分，并與車輪整合在一起，不經(jīng)過變速，無刷直流電動機轉子的轉速就是車輪的轉速，而采用12M晶振的單片機系統(tǒng)定時器的最長定時只有60多毫秒，在這么短的時間里，車輪不可能轉一周，因此測速只能采用周期法，即屢次中斷定時，每次中斷設為15毫秒，測出車輪轉一周所需的中斷次數(shù)，就可以得到車輪每轉一周所需的時間，從而算出車子的行進速度，在本程序中暫時將車輪的周長定為1米，中斷程序流程圖見圖3-2。

圖3-2中斷程序流程圖

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第四章結束語

電動自行車控制器的性能在很大程度上決定了電動自行車的整車性能。通過單片機AT89C51將各硬件局部有機地組合起來，使系統(tǒng)能及時、有效地檢測到各種控制信號并將轉換后的信號反應給各控制部件，實現(xiàn)了軟硬件的完美組合。此控制器具有節(jié)能、工作可靠等特點，根本符合了人們對電動自行車控制器的要求。

經(jīng)過這次畢業(yè)設計，我覺得自己學到了不少東西。學會了更好地查閱資料和利用工具書。當在設計過程中需要用一些不曾學過的東西時，就要去有針對性地查找資料，然后加以吸收利用，以提高自己的應用能力，而且還能增長自己見識，補充最新的專業(yè)知識，并且加強了PROTEL軟件的應用設計，最主要的是，使我對編程有了一定的提高，我是最怕編程的，因為在以前學習中，編程就是我最大的弱點，所以真的很感謝這次畢業(yè)設計。同時在這里，我要感謝我的導師石炳存老師和畢業(yè)設計過程中所有給我真誠幫助的老師和同學。

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ComputerAidedDesign

Goodengineeringdesignisnecessarytoguaranteetatapartormechanismfunctionscorrectlyandlastsforareasonablylongtime.Functionalconsiderationsduringdesigninvolve,amongotherthings,weight,strength,thermalproperties,kinematics,anddynamics.Theperformanceofadesigncanbeevaluatedbycomparingitsperformancemeasurementswiththerequiredspecifications.Asimportantassatisfactoryperformanceis,thereareotherareaspartshouldbedesignedeconomically.Thisimpliesthatthefinishedpartshouldbedesignedasclosetothespecificationsaspossible.Ifthefunctionofasupportingmemberofastructurerequiresthemembertowithstand10,000psiofcompressivestress,thendesigningthemembertowithstand30,000psiisunnecessaryandwillprobablybemoreexpensivethantherequireddesign.Engineeringdesign,thereforeshouldaddressfunctionalityandeconomics,Functionalityisdeterminedbyapart’sgeometry,materialproperties,andenvironment.Theeconomicfactorsincludematerials,processingcosts,andmarketingdetails.

Asmuchas70%oftheproductioncostsofamanufacturedpartaredeterminedduringtheengineeringdesignprocess.Thismeansthatbythetimetheparthasleftthedesigner’shandsthelargemajorityofitsproductioncostshavebeenestablished.Theyaredefinedimplicitlybythematerials,dimensions,tolerances,surfacefinishes,andotherparameterswhichdetermineprocessingcosts.Therefore,only30%ofthepart’scostissubjecttomoney-savingeffortsduringthemanufacturingplanningstage.This70/30ratioemphasizestheimportantofthedesigncanbeamajorhelpinassuringproperfunctionandreasonableproductioncosts.

Computer-aideddesign(CAD)isatermwhichmeansmanythingstomanypeople.Tosome,itmeanscomputer-aideddraftingordrawing.Toothers,itmeanscompute-aidedanalysis.Andtostillothers,itsuggeststotallyautomateddesignwheretheengineerneedspecifyonlythefunctionofapartandthecomputerarrivesatasatisfactoryorevenoptimaldesign.CADisalloftheabove,aimingmostlyforthefastdescriptionthroughtechniquesinartificialintelligence.CAD,however,stillexistsseparatelyineachofthestagesmentioned.ProbablythemostcommonandsimplestCADsystemsarelimitedtoautomateddraftingcapabilities.Moreadvancedsystemscanperformanalysesandeven21

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helpguidetheengineertotheequationsnecessarytodeterminetheeffectivenessofthedesign.

BecauseoftheavailabilityofawidevarietyofCADsystemswithdifferentcharacteristicssuppliedbydifferentvendors,propercommunicationandexchangeofdatabetweenthesesystemshavebecomeasignificantproblem.TheneedforasingleneutralformatforbettercompatibilityispresentlyfilledlargelybytheInitialGraphicsExchangeSpecificaton(IGES).Vendorsneedonlyprovidetranslatorsfortheirownsystemstopreprocessthedataintotheneutralformatintotheirsystem.IGESisusedfortranslationintwodirections(intooroutofasystem)andisalsousedwidelyfortranslationof3-Dlineandsurfacedata.

Amorerecentdevelopmentisasolid-model-basedstandardcalledProductDataExchangeSpecification(PDES),whichisbasedonIGES.AlthoughIGESisadequatefromostrequirement,PDEShaslessmemorysize,requireslesstimeforexecution,andislesserrorprone.Becauseoftheexistenceofvariousstandardsinothercountriesaswell,itisexpectedthatinthenearfuturethesestandardswillculminateinaninternationalstandard,calledtheStandardfortheExchangeofProductModelData(STEP).

HardwareandSoftware

HardwarevariesagreatdealbetweenCADsystems.MainframeshavelongbeenusedforCADsystems.TherapidincreasesinprocessingspeedshavemademicroandminicomputersviableCADstations.Networksgenerallyareusedsothatdesignscanbestoredcentrallyanddatacanbesharedamongdesigners.Manyinputdevicesareused.CommonI/Odevicesincludekeyboard,mouse,trackball,digitizingpad,joystick,keypad,andlightpens.Outputdevicesaretypicallyscreen,plotter,printer,andharddrivesanddisksforstorage.

ThereisawidevarietyofCADsoftwareavailableformainframesengineeringstationsandmicrocomputers.Thepackagesvarytosomedegreeininformationintheformofdrawingexchangefiles.Thesefilescanbeimportedintoothersoftwaretoassistinprogrammingthemachinetool.

ElementsofCADSystems

ThedesignprocessinaCADsystemconsistsoffourstages,asdescribedbelow.

Geometricmodeling.Ingeometricmodeling,aphysicalobjectoranyofitspartsis22

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describedmathematicallyoranalytically.Thedesignerfirstconstructsageometricmodelbygivingcommandsthatcreateormodifylines,surfaces,solids,dimensions,andtextthattogetherareandaccurateandcompletetwo-orthree-dimensionalrepresentationoftheobject.Themodelscanbepresentedinthreedifferentways.Inthelinerepresentation(wire-frame;Figure10.ld),alledgesarevisibleassolidlines.Thisimagecanbeambiguous,particularlyforcomplexshapes.However,variouscolorsaregenerallyused

fordifferentpartoftheobject,thusmakingtheobjecteasiervisualize.

Inthesurfacemodel,allvisiblesurfaceareshowninthemodel,andinthesolidmodel,allsurfacesareshown,butthedatadescribetheinteriorvolume(Figure10.1e,f)

Designanalysisandoptimization.Afterthedesign’sgeometricfeatureshavemayconsistofanalyzingstresses,strains,deflection,vibrations.Thisphasetemperaturedistribution,ortolerance.Varioussophisticatedsoftwarepackagescapableofcomputingthesequantitiesaccuratelyandrapidlyareavailable.

Designreviewandevaluation.Animportantdesignstageisreviewandevaluationtocheckforanyinterferencebetweenvariouscomponentsinordertoavoiddifficultiesduringassemblyoruseofthepart,andwhethermovingmembers,suchaslinkages,aregoingtooperateasintended.Softwareisnowavailablewithanimationcapabilitiestoidentifypotentialwithmovingmembersandotherdynamicsituations.Duringthedesignreviewandevaluationstage,thepartispreciselydimensionedandtolerance,asrequiredformanufacturingit.

Documentationanddrafting.Aftertheprecedingstageshavebeencompleted,thedesignisreproducedbyautomateddraftingmachinesfordocumentationandreference.Detailandworkingdrawingsarealsodevelopedandprinted.TheCADsystemiscapableofdevelopingdraftingsectionalviewsofthepart,scalingthedrawings,andperforming23

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transformationtopresentvariousviewofthepart.InCADsystems,muchofthedesignprocesswasformerlycarriedoutonworkstationconnectedtoamainframecomputer,butthetrendhaschangedrapidlytopowerful,high-performance,andmuchlessexpensivestand-alonedesktop32-bitUnixworkstation;64-bitprocessorswithevenbetterperformancearealsobecomingavailable.

TheDesignProcess

BeforedelvingintoCAD,itisimportanttounderstandthedesignprocessitself.Computertechniquesarenomorevaluablethanthetheoryonwhichtheyarebased.Afterashortdiscussionofdesigningeneral,wewillexplorehowthecomputercanhelpwitheachofthedesignstages.

Shigleydefinesthedesignprocessasaniterativeprocedureconsistingofsixphase:Recognitionofneed

Definitionofproblem

Synthesis

Analysisandoptimization

Evaluation

Presentation

Thefirststep,recognitionofneed,arisesfromanidentifiedproblem.Suppose,forexample,thatanew,moreefficientjetengineisrequiredbecauseofafuelshortage.Step2,definitionoftheproblemismorespecific.Definingthespecificsofthejetengineinvolvesknowingthethrust,horsepower,allowableweight,etc.Someofthesespecificationsareconstraints;I.e.,theyarerequirementsthatmustbemetforthedesigntobefeasible.Thejetengineweightlimitmaybeoneconstraintontheavailableliftoftheplanewings.Amaximumweight,then,wouldbeaconstraint.Constraintsareusuallyexpressedasamaximumorminimumvalueorrageofvalues.Otherspecification,however,aretermedcriteria,i.e.,measuresofthegoodnessorqualityofthedesign.Criteriaareusedtomeasureadesignandcomparedesignsagainstoneanother,asoccursduringtheoptimizationstage.Onecriterionofthejetenginemaybegallonsoffuelburnedperhourorpermileoftravel.Criteriahavenomaximumorminimumlimitsonvalues.Asatisfactorydesignisoneinwhichalltheconstraintsaremet.Thisbestdesign,Iadditiontomeetingtheconstraints,24

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willhavethebestcombinationofcriteriavalues.Selectionofconstraintsandcriteriaisanintegralpartofstep2,definitionoftheproblem.

Followingdefinitionoftheproblem,thenextthreesteps(synthesis,analysis/optimization,andevaluation)areiterative.Synthesisandanalysisareperformedinconjunctionwithoneanother.

Severaltypesofproblemscanariseduringthedesignprocess.Synthesisrequiresdeterminingtheotakestheformofengineeringdrawingsincludinggeometry,tolerances,materialtypes,andcomponentparnumbers.Analysismayrangefromasimpleestheticevaluationtothesolutionofasetofcomplexdifferentialequationswhichdescribetheperformanceofthepartorassembly.Theresultsofanalysescanbeexpressedintabularorgraphicalform.Itisthejobofthedesignertoevaluatetheanalysisdataandtoperformanyredesign.Evaluationsalsoatypeofanalysis,butusuallyrequiresanexpensiveprototypeandracksofinstrumentation.Thedesignprocesscanbeverycostlyandinvolvemanypeople.Designcostmaybelowed,however,byreducingthenumberofpeopleandtheprototypingprocessitself.

Analysis

TheanalysisisthecornerstoneofCAD.Theresultsgeneratedbyanalysismodulesareusedbytheengineertodeterminethefeasibilityofadesignortooptimizeorredesigntheobject.Fundamentaltoanalysisisdevelopedtoaccuratelypredicttheperformancebasedonthedesignvariablevalues.Typically,sophisticatedanalysisprogramsaretheperformancemodelsofthedesign.Theuserdoesnotneedtoformulateequationswhichdescribetheperformanceorfunctionality.Whattheusermustdoinsteadistomodeltheobjectgeometryinanappropriateformat.

Usuallytieengineerwhoisdesigningacommonlyanalyzedpartorassemblycanpurchaseanalysissoftwaretoevaluatethedesign.Itisonlyinthecaseofanunusualdesignorperformancerequirement,whereoff-the-shelfsoftwareisnotavailable,thattheengineermustformulateauniquemodel.Inthiscase,theengineerwillusuallyderiveamathematicalmodelintheformofequationsusinghelawsofphysicsandwriteaprogramtoreadthedesigndescriptionandcalculateteperformanceparameters.Thesecommonlyavailableanalysismodulesreadthedesigndescriptionandgenerateperformanceresultin25

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theformofnumbers,graphs,charts,etc.

AnExampleofUsingCAD

CAD,normallyusedinengineeringdepartments,hasdrasticallychangedthesedepartments.Drawingusedtobemadeonpaperwithpencilorpenanddrawinginstruments.Theywerethencopied,andthecopiesweresenttothefloorforproduction.Theoriginalswerestoredinlargedrawers.Evenasmallenterprisecouldhavethousandsoflargeblueprintsonfile.Ifchangeswerenecessary,theengineerwouldgettheoriginaloutofthefiledrawer,maketheneedforallofthephysicalstorageofprints.Thecomputeralsoallowedforrapidandeasyprintmodifications.

Theengineerordesignerfirstdrawsthepartonthescreenthispartdrawingistheactualpartgeometry.Thesizesandlocationareallcorrectsothattheinformationcanbeusedlatertocreateaprogramtomachinethepart.

Theengineerordesignerfirstdrawsthepartonthescreen.Thispartdrawingistheactualpartgeometry.Thesizesandlocationsareallcorrectsothattheinformationcanbeusedlatertocreateaprogramtomachinethepart.

Thedesignermustworkcloselywiththemanufacturingpeopletoestablishsomestandardsfordesign.CADallowsdifferentlayers(orlevels)tobecreated.Thisallowsthedesignertoputdifferentpotionsofthepartgeometryondifferentlayers.Forexample,imagineasimplepartthathasa1/2-inchslotmilledinitandfourholesdrilledthroughit.Thedesignerwouldputtheslotononelayerofthedrawingandtheholesonanotherlayer.Thiswillallowothersoftwaretotakethepartgeometryformeachlayerandassigndifferenttoolstoit.Thinkofdifferentlayersasdifferentmachiningoperationthatwouldhavedifferenttoolassignedtothem.Layersareliketransparency.Ifweputallofthetotaltransparenciesontopofeachother,weseethetotalpart.Butwecanstilltakeanyonetransparencyandisolatesomeofthepartgeometry.TheCADsystemwillprinttheblueprintsoitappearsthereisonlyonelayer,orindividuallayerscanbeprinted.

Thedesigneralsodimensionsthepart.Thisisquiteautomatic.Thedesignerchooseswherehe/shewantsdimensionsplacedandthecomputerplacestheactualdimensions.Dimensionswouldbeonadifferentlayerthanpartgeometry.

Thecomputerallowsdesignstobeviewedandtestedbeforetheactualpartiseven26

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manufactured.Thepartcanbetestedmakesureitfitswithanymatingpars.CADsystemcancheckforinterferenceofparts,whichcansavealotofwastedmachininganddevelopmenttime.CADsystemscanstress-testparttoseeiftheywillmeetthestrengthrequirementsoftheapplication.ThegraphicsabilitiesofCADsystemalsoallow3-Dviewingofpartfromanyangle.

IntegratedCAD

TheemphasisofthechapterisintegratedCAD/CAM.Theintegrationaspectisaccomplishedwhenthedesignandanalysismodulesareunitedintoonepackage.Thedesigngeometryenteredbyt