【正文】 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 1 基于單片機(jī)的 智能電動(dòng)車控制器 設(shè)計(jì) 摘 要 隨著市場(chǎng)的發(fā)展，電動(dòng)車的市場(chǎng)日益遞增，實(shí)現(xiàn)并完善電動(dòng)車的智能控制、簡(jiǎn)單操作已經(jīng)成為需求的一部分。運(yùn)用單片機(jī)的硬件電路與軟件相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的加速、減速、測(cè)速等功能，使電動(dòng)車的操縱更智能，更簡(jiǎn)單，更安全，更加適應(yīng)市場(chǎng)的需求。 關(guān)鍵詞： 直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、 89C5測(cè)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(dòng)車，摩托車甚至是小汽車的普遍。但是相對(duì)而言，小汽車代價(jià)相對(duì)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(dòng)車有很大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)的強(qiáng)大需求，推動(dòng)了電動(dòng)車的飛速發(fā)展，越來越智能化。其中以單片機(jī)為核心的智能控制電動(dòng)車將成為目前發(fā)展的一個(gè)方向，引領(lǐng)電動(dòng)時(shí)代的潮流。 今天，能源和環(huán)境對(duì)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(duì)電動(dòng)車開發(fā)的投資力度，加快電動(dòng)車的商品化步伐。 中國(guó)作為 電動(dòng)車最大擁有國(guó)，電動(dòng)車的發(fā)展與國(guó)外基本同步。我國(guó)在 1992 年就把電動(dòng)車的開發(fā)列人國(guó)家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。 98 年我國(guó)發(fā)展電動(dòng)車以來產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)，從 1998 年的 萬(wàn)輛發(fā)展到 2021 年的 2369 萬(wàn)輛。目前我國(guó)電動(dòng)車的保有量已經(jīng)超過 億臺(tái)，此部分包括了未進(jìn)入統(tǒng)計(jì)的一些小型工廠的銷量。截至目前為止我國(guó)電動(dòng)車出口占全世界出口量的90%，雖然目前電動(dòng)車在能源和行駛里程方面還未能盡如人意，但已足以滿無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(zhǎng)而艱難的發(fā)展歷程之后，電動(dòng)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(guó)人口眾多，具有世界最龐大的電動(dòng)車市場(chǎng)。目前自行車擁有量為 4億多輛，如把 10 個(gè)自行車換成電動(dòng)自行車，就需 4000以每輛均價(jià) 500 元計(jì)算，就是 60 個(gè)億，這是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，有著強(qiáng)大的吸引力。 現(xiàn)代電動(dòng)車是融合了電力、電子、機(jī)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(yùn)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(jī)控制。因?yàn)閱纹瑱C(jī)更適合應(yīng)用于嵌計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類 生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)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(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備 40PC機(jī)和其他計(jì)算的 單片機(jī)除了具備一般微型計(jì)算機(jī)的功能外，為了增強(qiáng)實(shí)時(shí)控制能力，絕大部分單片機(jī)的芯片上還集成有定時(shí)器 \計(jì)數(shù)器。單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)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(dú)特之外，其顯著的特點(diǎn)之一就是非常有效的控制功能，為此，又稱為微控制器 MCU。 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 3 單片機(jī)自誕生以來，由于其固有的優(yōu)點(diǎn) —— 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(duì)象等，已越來越成為電子工程師設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)產(chǎn)品的首選器件之一。 本次設(shè)計(jì)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(dòng)車的加速、減速、測(cè)速等。 2 總體方案設(shè)計(jì) 整體設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)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(jī)具有以下特點(diǎn)： （ 1） 由于現(xiàn)在單片機(jī)的價(jià)格相對(duì)都比較低，而且外圍電路的元器件價(jià)格也不高，所以整體設(shè)計(jì)起來，成本比較低。 （ 2） 可以對(duì)外部存儲(chǔ)容量根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)可以相對(duì)比較靈活。 （ 3） 由于現(xiàn)存有許多已經(jīng)設(shè)計(jì)很完善的子程序，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中可以直接調(diào)用，減少較大工作量。綜上所述，決定運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)，詳見下圖圖 1： 單片機(jī) 電動(dòng)機(jī)模塊 控制模塊 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 4 圖 1 結(jié)構(gòu)框圖 本次設(shè)計(jì) 主要是分為兩大部分：一部分是電機(jī)控制部分，另一部分是測(cè)速部分。首先，介紹一下電機(jī)控制部分，電機(jī)控制部分控制步驟：變動(dòng)數(shù)據(jù)輸入 —— 數(shù)據(jù)的處理 —— 電動(dòng)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(gè)量（電流、電壓、電阻）的變化，然后將這種變化輸送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)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(hào)的變化，再將變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康男问剑斔徒o電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向的改變。接著，測(cè)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(shí)間，通過額定的時(shí)間所行的路程，不過數(shù)據(jù)的采集主要采集 S、時(shí)間 T，而數(shù)據(jù)的處理則有單片機(jī)完成。單片機(jī)取兩個(gè)量的商，并對(duì)小數(shù)部分進(jìn)行處理，將一個(gè)整型的數(shù)據(jù)類型輸送給顯示器，顯示根據(jù)單片機(jī)的指令進(jìn)行顯示。 上圖就是整個(gè)設(shè)計(jì)的模塊圖，不難看出，在整個(gè)設(shè)計(jì)模塊中，最為核速度顯示 模塊 測(cè)速模塊 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 5 心的就是數(shù)據(jù)的處理，其實(shí)就是單片機(jī)。無(wú)論輸入量是什么類型，單片機(jī)都要根據(jù)輸出量來進(jìn)行分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)其各個(gè)功能。 單片機(jī)說明 單片機(jī)系統(tǒng)中，起到控制和樞紐作用的單片機(jī)模塊無(wú)疑是其中最重要的部分。本設(shè)計(jì) 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(jī)芯片，它完全與 MCS51 系列單片機(jī)兼容（從指令集到引腳）。芯片采用 40 腳雙列直插式封裝， 32 個(gè) 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(chǔ)器，使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 6 圖 2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 下面來介紹一下 89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)（如圖 2），單片機(jī)最小系統(tǒng)指的是能單獨(dú)運(yùn)行的最簡(jiǎn)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位電路包含兩種，上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。所謂上電復(fù)位，即當(dāng)單片機(jī)加電時(shí)由相關(guān)電路產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，從而使單片機(jī)復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位指的是用戶根據(jù)需要使用按鍵等方式驅(qū)動(dòng)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位的一種電路。 STC 單片機(jī)可以不使用復(fù)位電路，但是為了保證系統(tǒng) 的穩(wěn)定運(yùn)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(duì)較為復(fù)雜，本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路使用的是較為簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位電路。 由 C3 和 R5 構(gòu)成一個(gè)上電復(fù)位電路 ,。當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔?，所以在單片機(jī)的 RST引腳產(chǎn)生一個(gè)高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位，隨著電容 C3 充電時(shí)間延長(zhǎng)，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(shí)， RST 引腳的電壓已經(jīng)不足以使單片機(jī)復(fù)位，單片機(jī)從而進(jìn)入到正常的工作狀態(tài)。 手動(dòng)復(fù)位電路使用的按鍵復(fù)位電路 ，當(dāng)用戶單擊 SW1 時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)一個(gè)高電平信號(hào)，強(qiáng)制驅(qū)使單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)用戶放開 SW1 時(shí)，無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 7 RST 引腳恢復(fù)為低電平，單片機(jī)開始正常運(yùn)行。注意：當(dāng)用戶單擊 SW1 時(shí) ,由 C R6 和 SW1 構(gòu)成一個(gè)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(huì)造成 C3 損壞。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)復(fù)位的方法。 震蕩電路：作用給單片機(jī)提供一個(gè)合適的工作頻率信號(hào)。一般而言，單片機(jī)的震蕩信號(hào)產(chǎn)生由兩種方法：?jiǎn)味蓑?qū)動(dòng)和雙端驅(qū)動(dòng)。單端驅(qū)動(dòng)即時(shí)使用一個(gè)外部的穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)直接輸入給單片機(jī)，該方法要求外部存在一個(gè) 穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，一般由有源晶體振蕩器或者是其他 IC 產(chǎn)生。單端驅(qū)動(dòng)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(huì)出現(xiàn)。 所謂雙端驅(qū)動(dòng)就是說使用一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源晶體振蕩器來構(gòu)成振蕩電路。本設(shè)計(jì)使用的就是雙端方式，在單片機(jī) 18 和 19 號(hào)兩個(gè)振蕩信號(hào)輸入引腳間接入一個(gè)頻率為 的無(wú)源晶體振蕩器構(gòu)成一個(gè)振蕩電路。對(duì)于這種無(wú)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(duì)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(jī) 的運(yùn)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(jī)內(nèi)部時(shí)， EA 一定要連接到高電路，本設(shè)計(jì)電路 EA腳已被拉高。 單片機(jī)的內(nèi)部單元的作用： 1：并行 I/O 接口：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片內(nèi)有一項(xiàng)主要功能就是并行 I/O 口。 51系列共有 4 個(gè) 8 位的并行 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3 每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。實(shí)際上，它們已被歸入專用無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(chǔ)器時(shí)，低八位地址和數(shù)據(jù)由 P0 口分時(shí)傳送，高八位地址由 P2 口傳送。 2：定時(shí)器 /計(jì) 數(shù)器：定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器（ timer/counter）是單片機(jī)中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡(jiǎn)單，使用它對(duì)減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)和簡(jiǎn)化外圍電路都大有好處。 C51 系列包含有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器分別稱為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T1；在 C51 部分產(chǎn)品中，還包含有一個(gè)用做看門狗的 8 位定時(shí)器。定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的核心是一個(gè)加 1 計(jì)數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加 1 功能。在單片機(jī)的定時(shí)器 T0 或 T1 中，有一個(gè)定時(shí)器發(fā)生由 0 到 1 的跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器增 1，即為計(jì)數(shù)功能；在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)機(jī)器周期或其分頻進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到定 時(shí)，這就是定時(shí)功能。在單片機(jī)中，定時(shí)功能和計(jì)數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進(jìn)行的。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時(shí)器 0、定時(shí)器 定時(shí)器方式寄存器 TMOD 和定時(shí)器控制寄存器 TCON 組成。當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器設(shè)置為定時(shí)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，每過一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加 1，直至計(jì)滿溢出。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因?yàn)?C51 系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期由 12 個(gè)振蕩脈沖組成，所以，計(jì)數(shù)頻率fc=fosc/12。 當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器設(shè)置為計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)來自輸入引腳 T0（ ）和 T1（ ）的外部信號(hào)計(jì)數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)。在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2 期間采樣引腳輸入電平，若前一個(gè)機(jī)器周期采樣值為 1，后一個(gè)機(jī)器周期采樣值為 0，則計(jì)數(shù)器加 1。新的計(jì)數(shù)值是在檢測(cè)到輸入引腳電平發(fā)生 1 到 0 的負(fù)跳變后，于下一個(gè)機(jī)器周期的 S3P1期間裝入計(jì)數(shù)器中的，可見，檢測(cè)一個(gè)由 1 到 0 的負(fù)跳變需要兩個(gè)機(jī)器周無(wú) 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 期，所以最高檢測(cè)頻率為振蕩頻率的 1/24。計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入信號(hào)的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號(hào)的高電平與低電平的持續(xù)時(shí)間在一個(gè)機(jī)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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。當(dāng)輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，而對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)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(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 AT89C51 設(shè)