【正文】 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 1 基于單片機的 智能電動車控制器 設(shè)計 摘 要 隨著市場的發(fā)展，電動車的市場日益遞增，實現(xiàn)并完善電動車的智能控制、簡單操作已經(jīng)成為需求的一部分。運用單片機的硬件電路與軟件相結(jié)合的方法來實現(xiàn)電動車的加速、減速、測速等功能，使電動車的操縱更智能，更簡單，更安全，更加適應(yīng)市場的需求。 關(guān)鍵詞： 直流電機、步進(jìn)電機、 89C5測速電路 1 引言 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們收入的增多，衣食住行都發(fā)生這明顯的變化。自行車代步的年代已經(jīng)過去，取而代之的是電動車，摩托車甚至是小汽車的普遍。但是相對而言，小汽車代價相對比較高昂，不是一 般家庭能夠承擔(dān)得起，摩托車噪音大，事故率高，安全系數(shù)低，也被很多大小城市所禁止。相比前兩者，電動車有很大的市場優(yōu)勢，體型輕巧、環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)適用，成為眾多人心中的理想的代步工具。市場的強大需求，推動了電動車的飛速發(fā)展，越來越智能化。其中以單片機為核心的智能控制電動車將成為目前發(fā)展的一個方向，引領(lǐng)電動時代的潮流。 今天，能源和環(huán)境對人類的壓力越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)工業(yè)界正在加大對電動車開發(fā)的投資力度，加快電動車的商品化步伐。 中國作為 電動車最大擁有國，電動車的發(fā)展與國外基本同步。我國在 1992年就把電動車的開發(fā)列人國家“八五”重點科技攻關(guān)項目。 98年我國發(fā)展電動車以來產(chǎn)量大幅增長，從 1998年的 2022年的 2369萬輛。目前我國電動車的保有量已經(jīng)超過 億臺，此部分包括了未進(jìn)入統(tǒng)計的一些小型工廠的銷量。截至目前為止我國電動車出口占全世界出口量的90%，雖然目前電動車在能源和行駛里程方面還未能盡如人意，但已足以滿無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計說明書（論文） 2 足人們的基本需要。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，在走過了漫長而艱難的發(fā)展歷程之后，電動車正面臨著重大的技術(shù)突破，有望成 為 21 世紀(jì)的重要交通工具。 中國人口眾多，具有世界最龐大的電動車市場。目前自行車擁有量為 4億多輛，如把 10 個自行車換成電動自行車，就需 4000以每輛均價 500元計算，就是 60 個億，這是一個巨大的市場，有著強大的吸引力。 現(xiàn)代電動車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)更多的趨向于單片機控制。因為單片機更適合應(yīng)用于嵌計算機?，F(xiàn)代人類 生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12 部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備 40PC機和其他計算的 單片機除了具備一般微型計算機的功能外，為了增強實時控制能力，絕大部分單片機的芯片上還集成有定時器 \計數(shù)器。單片機在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計主要是面向控制的需要，因此，它的硬件結(jié)構(gòu) 、指令系統(tǒng)、和 I\O 能力等方面均有其獨特之外，其顯著的特點之一就是非常有效的控制功能，為此，又稱為微控制器 MCU。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計說明書（論文） 3 單片機自誕生以來，由于其固有的優(yōu)點 —— 低成本、小體積、高可靠性、高附加值、通過更改軟件就可改變控制對象等，已越來越成為電子工程師設(shè)計師設(shè)計產(chǎn)品的首選器件之一。 本次設(shè)計主要以 ATM 公司的 89C51 為核心元件，圍繞其外部硬件電路與軟件相結(jié)合的方式來控制電動車的加速、減速、測速等。 2 總體方案設(shè)計 整體設(shè)計 單片機控制系統(tǒng)是一個集成電路，可以構(gòu)成各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)。與其他控制系統(tǒng)相比 ，單片機具有以下特點： （ 1） 由于現(xiàn)在單片機的價格相對都比較低，而且外圍電路的元器件價格也不高，所以整體設(shè)計起來，成本比較低。 （ 2） 可以對外部存儲容量根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計可以相對比較靈活。 （ 3） 由于現(xiàn)存有許多已經(jīng)設(shè)計很完善的子程序，在系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)計中可以直接調(diào)用，減少較大工作量。綜上所述，決定運用單片機系統(tǒng)，詳見下圖圖 1： 單片機 電動機模塊 控制模塊 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計說明書（論文） 4 圖 1 結(jié)構(gòu)框圖 本次設(shè)計 主要是分為兩大部分：一部分是電機控制部分，另一部分是測速部分。首先，介紹一下電機控制部分，電機控制部分控制步驟：變動數(shù)據(jù)輸入 —— 數(shù)據(jù)的處理 —— 電動的狀態(tài)。數(shù)據(jù)輸入主要是通過數(shù)字電路或是模擬電路的方法改變某一個量（電流、電壓、電阻）的變化，然后將這種變化輸送給單片機，單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、儲存、分析、處理，最終將以數(shù)字量的形式輸出，輸出電路根據(jù)數(shù)字信號的變化，再將變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康男问剑斔徒o電機，從而實現(xiàn)電機的速度、轉(zhuǎn)向的改變。接著，測速部分控制步驟：速度的采集 —— 數(shù)據(jù)的處理 —— 速度的顯示。速度的采集主要是通 過 S/T 來獲得， S代表路程， T代表時間，通過額定的時間所行的路程，不過數(shù)據(jù)的采集主要采集 S、時間 T，而數(shù)據(jù)的處理則有單片機完成。單片機取兩個量的商，并對小數(shù)部分進(jìn)行處理，將一個整型的數(shù)據(jù)類型輸送給顯示器，顯示根據(jù)單片機的指令進(jìn)行顯示。 上圖就是整個設(shè)計的模塊圖，不難看出，在整個設(shè)計模塊中，最為核速度顯示 模塊 測速模塊 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計說明書（論文） 5 心的就是數(shù)據(jù)的處理，其實就是單片機。無論輸入量是什么類型，單片機都要根據(jù)輸出量來進(jìn)行分析、處理，從而實現(xiàn)其各個功能。 單片機說明 單片機系統(tǒng)中，起到控制和樞紐作用的單片機模塊無疑是其中最重要的部分。本設(shè)計 中采用的是 Atmel 公司的帶 8KB Flash 的 8 位微控制器AT89C51 作為單片機芯片，它完全與 MCS51 系列單片機兼容（從指令集到引腳）。芯片采用 40 腳雙列直插式封裝， 32 個 I/O 口，芯片工作電壓為，工作溫度為 070 度，工作頻率可達(dá)到 30MHz。它是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8KB 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器，使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計說明書（論文） 6 圖 2 單片機最小系統(tǒng) 下面來介紹一下 89C51 單片機最小系統(tǒng)（如圖 2），單片機最小系統(tǒng)指的是能單獨運行的最簡系統(tǒng)，一般只是包括 5V 電源、復(fù)位電路和晶振電路。電源就不多介紹了，具體介紹一下復(fù)位電路和晶振電路。 復(fù)位電路：單片機的復(fù)位電路包含兩種，上電復(fù)位和手動復(fù)位。所謂上電復(fù)位，即當(dāng)單片機加電時由相關(guān)電路產(chǎn)生一個復(fù)位信號，從而使單片機復(fù)位。手動復(fù)位指的是用戶根據(jù)需要使用按鍵等方式驅(qū)動單片機進(jìn)行復(fù)位的一種電路。 STC 單片機可以不使用復(fù)位電路，但是為了保證系統(tǒng) 的穩(wěn)定運行，一般要求至少要加上電復(fù)位電路。復(fù)位電路的構(gòu)成方法有很多，比如專用復(fù)位芯片、看門狗等，但是這些電路相對較為復(fù)雜，本設(shè)計的復(fù)位電路使用的是較為簡單的阻容復(fù)位電路。 由 C3和 R5構(gòu)成一個上電復(fù)位電路 ,。當(dāng)單片機上電時，因為電容兩端電壓不能突變，所以在單片機的 RST引腳產(chǎn)生一個高電平，從而使單片機復(fù)位，隨著電容 C3充電時間延長，電容充電電路逐漸下降， RST引腳的電壓也隨著下降。當(dāng)電壓下降到一定程度時， RST引腳的電壓已經(jīng)不足以使單片機復(fù)位，單片機從而進(jìn)入到正常的工作狀態(tài)。 手動復(fù)位電路使用的按鍵復(fù)位電路 ，當(dāng)用戶單擊 SW1 時， RST 引腳出現(xiàn)一個高電平信號，強制驅(qū)使單片機進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)用戶放開 SW1 時，無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計說明書（論文） 7 RST 引腳恢復(fù)為低電平，單片機開始正常運行。注意：當(dāng)用戶單擊 SW1 時 ,由 C R6 和 SW1 構(gòu)成一個環(huán)路， C3 在改回路上進(jìn)行放電，所以 R6 不可缺少；如果缺少 R6或者 R6阻值太小，將可能會造成 C3 損壞。本設(shè)計采用手動復(fù)位的方法。 震蕩電路：作用給單片機提供一個合適的工作頻率信號。一般而言，單片機的震蕩信號產(chǎn)生由兩種方法：單端驅(qū)動和雙端驅(qū)動。單端驅(qū)動即時使用一個外部的穩(wěn)定時鐘信號直接輸入給單片機，該方法要求外部存在一個 穩(wěn)定的時鐘信號，一般由有源晶體振蕩器或者是其他 IC 產(chǎn)生。單端驅(qū)動目前已經(jīng)很少使用，只有在嚴(yán)格要求系統(tǒng)同步的一些系統(tǒng)才會出現(xiàn)。 所謂雙端驅(qū)動就是說使用一個簡單的無源晶體振蕩器來構(gòu)成振蕩電路。本設(shè)計使用的就是雙端方式，在單片機 18 和 19 號兩個振蕩信號輸入引腳間接入一個頻率為 的無源晶體振蕩器構(gòu)成一個振蕩電路。對于這種無源晶體振蕩器而言，其兩端一般要加入負(fù)載電容進(jìn)行頻率的微調(diào)，對于 晶體振蕩器而言，一般使用 20~30pF 的瓷片電容即可，此次是采用 30pF 的電容。 為了保證單片機 的運行，還有一些外圍電路也需要注意：尤其要注意EA引腳，當(dāng)程序在單片機內(nèi)部時， EA一定要連接到高電路，本設(shè)計電路 EA腳已被拉高。 單片機的內(nèi)部單元的作用： 1：并行 I/O 接口：單片機芯片內(nèi)有一項主要功能就是并行 I/O 口。 51系列共有 4 個 8位的并行 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3 每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實際上，它們已被歸入專用無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計說明書（論文） 8 寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴(kuò)展存儲器時，低八位地址和數(shù)據(jù)由 P0口分時傳送，高八位地址由 P2 口傳送。 2：定時器 /計 數(shù)器：定時器 /計數(shù)器（ timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)和簡化外圍電路都大有好處。 C51系列包含有兩個 16 位的可編程定時器 /計數(shù)器分別稱為定時器 /計數(shù)器 T0 和定時器 /計數(shù)器 T1；在 C51部分產(chǎn)品中，還包含有一個用做看門狗的 8 位定時器。定時器 /計數(shù)器的核心是一個加 1 計數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加 1 功能。在單片機的定時器 T0 或 T1 中，有一個定時器發(fā)生由 0 到 1的跳變時，計數(shù)器增 1，即為計數(shù)功能；在單片機內(nèi)部對機器周期或其分頻進(jìn)行計數(shù)，從而得到定 時，這就是定時功能。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進(jìn)行的。 定時器 /計數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時器 0、定時器 定時器方式寄存器 TMOD 和定時器控制寄存器 TCON 組成。當(dāng)定時器 /計數(shù)器設(shè)置為定時工作方式時，計數(shù)器對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加 1，直至計滿溢出。定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因為 C51 系列單片機的一個機器周期由 12 個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率fc=fosc/12。 當(dāng)定時器 /計數(shù)器設(shè)置為計數(shù)工作方式時，計數(shù)器對來自輸入引腳 T0（ ）和 T1（ ）的外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。在每個機器周期的 S5P2 期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器周期采樣值為 1，后一個機器周期采樣值為 0，則計數(shù)器加 1。新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生 1 到 0 的負(fù)跳變后，于下一個機器周期的 S3P1期間裝入計數(shù)器中的，可見，檢測一個由 1 到 0 的負(fù)跳變需要兩個機器周無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè)設(shè)計說明書（論文） 9 期，所以最高檢測頻率為振蕩頻率的 1/24。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。 3：振蕩器： XTAL1 和 XTAL2 分別 為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2應(yīng)不接。當(dāng)輸入至內(nèi)部時鐘信號時要通過一個二分頻觸發(fā)器，而對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 4：芯片擦除：整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條 件下靜態(tài)邏