【文章內(nèi)容簡介】 號代替外同步信號，切入自同步運行。具體的軟件程序設(shè)計見第五章。 電動自行車的運行參數(shù)顯示功能設(shè)計 速度顯示 電動自行車在行駛過程中，使用者常常需要了解車行的速度，以便更好地控制 速度，保證行駛的安全。本課題使用筆段型液晶顯示器件 （ 如圖 ） 來顯示電動自行車的行駛速度，液晶顯示驅(qū)動器采用 ICM7211(A)控制的靜態(tài)數(shù)字量輸 入 型，其原理如圖 所示；ICM7211(A)具有完整的脈沖發(fā)生器，它由 RC 振蕩器， 128 分頻電路，背電極 BP 圖 七段型液晶顯示的電極引線排布 驅(qū) 動器和使能檢測器等組成 ； 驅(qū)動器一方面提供片內(nèi) 2 位段驅(qū)動器的驅(qū)動波形，另一方面通過作為輸出 的 BP 提供液晶顯示器件的背電極的驅(qū)動信號和級聯(lián)從機的同步信號 [7]。 12 ICM7211(A)接口部結(jié)構(gòu)為 4 位數(shù)據(jù)線 B0～ B3和 2 路位選線 D0D1。數(shù)據(jù)線 B0～ B3接單片機的Ｉ /Ｏ口，輸入 BCD 碼， BCD 碼經(jīng)譯碼器譯碼后輸出七段顯示字形數(shù)據(jù)。 2 路位選線 D0D1，分別控制 2 路七段數(shù)據(jù)鎖存器，為“ l”選通，為“ 0”封鎖，可以同時為“ 1”全部選通，也可以同時為“ 0”全部封鎖。 日前，筆段型液晶顯示器件和靜態(tài)數(shù)字量輸入型液晶顯示驅(qū)動技術(shù)已形成產(chǎn)品，可以直接連接到單片機 I/O接口上，單片機將需要顯示的數(shù)據(jù)以 BCD碼形式發(fā)送到 I/O接口上，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。 圖 ICM7211(A)原理框圖 蓄電池的 容量顯示 電動自行車在使用過程中蓄電池的剩余容量顯示給用戶帶來比較大的方便，它表明蓄電池提供的電能大約能夠使電動自行車行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等。蓄電池的總?cè)萘客ǔＲ猿渥汶姾?，放電至其端電壓達到規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時，它的容量 (Q)等于放電電流 (Id)和放電時間 (td)的乘積 ： dd tIQ ?? （ ） 式中 Id 的單位為安 (A)， td 的單位為小時 (h)， Q 的單位為安時 (A h)。其放電特性如圖 所示。 13 圖 蓄電池連續(xù)放電曲線 如果放電電流不是一個恒定的常數(shù)，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應(yīng)時間的乘積之和 ： dndndddd tItItIQ ??????? ?2211 () 由于蓄電池的容量受到多種因素的影響，長時間的使用，反復(fù)的充電放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準(zhǔn)確顯示蓄電池的剩余容量比較困難。如果采用此方式來顯示蓄電池 的容量，還需要考慮蓄電池充電特性和蓄電池的放電率﹝放電率 =額定容量 Q 鎖定(A h)/放電電流 Id(A)﹞等因素 [8]。 在本方案中，利用蓄電池端電壓與容量之間的關(guān)系，通過測量蓄電池的端電壓來顯示蓄電池的容量。 蓄電池的電勢是指蓄電池在開路時的端電壓，由于蓄電池內(nèi)阻 r 的存在，當(dāng)蓄電池兩端接上負載 R 時，內(nèi)阻上就會產(chǎn)生壓降，此時蓄電池的端電壓不是電勢 E，而是 ： IrEU ?? () 而蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池的容量成反比，在充電過程中，內(nèi)阻逐漸減小，在放電過程中增加，由式 ()可知，通過實驗的辦法測出蓄電池的容量與端電壓的關(guān)系。電動自行車在行駛中，利用軟件讓單片機對蓄電池端電壓 U進行測量、處理，并將處理的結(jié)果值經(jīng) I/O端口發(fā)送到液晶顯示驅(qū)動器進行處理，實現(xiàn)顯示。 14 第 4 章 驅(qū)動控制的硬件設(shè)計 PIC 單片機簡介 在微控制器 （ Microcontroller） 應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個領(lǐng)域的應(yīng)用也向微控制器廠商提出了更高的要求，希望速度快、功耗低、 體積小、價格更廉 價 以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件更少。目前在中國市場上有幾十家半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)的微控制器，不同廠商生產(chǎn)的微控制器各有自己的特點；在眾多的微控制器芯片中，美國 Microchip 技術(shù)公司生產(chǎn)的 PIC 系列微控制器芯片則異軍突起 [9]。它率先推出采用精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛 (Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)高性價比的 8 位嵌入式控制器 (Embedded Controller)。 其高速度 （ 每條指令最快可達 160ns） 、低工 作電壓 （ 最低工作電壓可為 3V） 、低功耗 （ 3V， 32kHZ 時 15μ A） 、較大的輸入輸出直接驅(qū)動 LED 能力 (灌電流可達 25mA)、一次性編程 OTP(One Time Programmable)芯片的低價格、小體積 (最小為 8 引腳 )指令簡單易學(xué)易用 (3557 條指令 )等，都體現(xiàn)了微控制器芯片工業(yè)發(fā)展的新趨勢，在市場上具有極強的競爭力，該系列微控制器在全球已廣泛應(yīng)用于家電、辦公自動化設(shè)備、電子電訊、金融電子、汽車、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域，在 8 位微控制器市場從 90 年的第 20 位提高到 96 年的第 5 位，以至成為 8 位微控制器中最 具有影響力的主流嵌入式控制器 [10]。 根據(jù)直流無刷無位置傳感器電動自行車設(shè)計方案的要求，選用 PIC16C74A 單片機作為主控芯片。 PIC16C74 單片機主要性能特點可歸納如下 [11]： 簡指令集，僅有 37 條指令。 執(zhí)行速度快 ： 20Mhz 的振蕩時鐘， 200ns 的指令周期。 低功耗 SLEEP 方式。 工作電壓范圍寬 ： — 。 較大的輸入輸出直接驅(qū)動 LED 能力，灌入電流可達 25mA。 具有方便的 8 個 8 位 A/D 接口和 33 路可復(fù)用的 I/O 接口。 具有 4K*l4 位字的 EPROM，可以滿足普通的系統(tǒng)軟件的容量要求。同時大大簡化了外圍硬件，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 具有 8 級堆棧，多個內(nèi)部及外部中斷源。 具有 3 個 8 位定時器和 2 個 PWM 輸出。 15 驅(qū)動電路 由于 PIC16C74 單片機使用的電源電壓是 +5V，其 I/O 端口輸出輸入的電壓電流相對來說比較小，不能直接驅(qū)動功率器件 MOSFET，因此需要根據(jù) PIC16C74 單片機的特點設(shè)計出驅(qū)動電路的上下橋臂，如圖 、圖 所示。 T3T1T2R1R2R3R E S 2R4D1D3 D2V C CGBPS+ C1 圖 上橋臂驅(qū)動電路 上橋臂中， P 點和單片機輸出口 RCx(x=5， 6， 7)相連 ， G、 S 與上半橋臂功率管 MOSFET相連，如圖 所示， MOSFET 源極電位是在 0 與 DC(主電路直流電壓 )之間跳變，當(dāng)功率管 MOSFET 導(dǎo)通時，柵極電位必高于源極，因此若信號源與主電路共地，則驅(qū)動電路電壓必很高，自舉電容在導(dǎo)通前已充電至 +12V（ 相對于源極 ） ，導(dǎo)通時， US=UDC， UG=US+12V，保證了 UGS=12V。 下半橋臂中， P 點和與門 CD4081 相連， G 與下半橋臂功率管管 MOSFET 相連。圖 所示得電路，當(dāng) T4截止， Tl 截止， T2導(dǎo)通，功率管 MOSFET 柵極輸入電容上的電荷釋放使功率管 MOSFET 關(guān)斷，當(dāng) Tl導(dǎo)通時， T2必然截止，功率管 MOSFET 柵極輸入電容被充電，功率管 MOSFET 由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通。圖 除了具有上述功能外，還起著電平轉(zhuǎn)化作用，因為一般 TTL 的工作電平轉(zhuǎn)低（ 5V），不宜直接驅(qū)動電流容量較大的功率管 MOSFET。 16 圖 下橋臂驅(qū)動電路 另外，單片機在剛通電執(zhí)行初始化程序時，還未來得及封鎖 I/O 端口 (RC RC RC RB RB RB3)使功率管 MOSFET 關(guān)斷，若上下橋臂中 P 點同為低電平或同為高電平，功率管 MOSFET 導(dǎo)通，則此時，有可能出現(xiàn)上下橋臂中的功 率管 MOSFET(即 V V4 或V V6或 V V2)同時導(dǎo)通，這樣使電源的正負極直通，電流很大，燒壞功率器件 (在實驗中遇到這種情況 )。因此在設(shè)計上下橋臂的驅(qū)動電路時，需要注意讓上橋臂中 P 點為低 (高 )電平時，功率管 MOSFET 導(dǎo)通，為高 (低 )電平時，功率管 MOSFET 關(guān)斷 。而在下半橋臂中則要讓 P 點為高 (低 )電平時，功率管 MOSFET 導(dǎo)通，為低 (高 )電平時，功率管 MOSFET 關(guān)斷，以避免出現(xiàn)電源短時的直通，燒壞功率器件現(xiàn)象 [12]。 在直流無刷電機驅(qū)動主電路中，電機換向時功率管 MOSFET 突然關(guān)斷，某一相 的電流突變?yōu)?0。根據(jù) 下 式 ： dtdiLU? 可知，電機相繞組電感在電流突變?yōu)?0 的瞬間，產(chǎn)生的電壓很大，若不采取續(xù)流措施，使換向時相電流逐漸衰減為 0，則可能損壞功率器件或電機。在直流無刷電機驅(qū)動主電路中使用的每個功率管 MOSFET 實際上在其內(nèi)部集成并聯(lián)一個續(xù)流二極管，如圖 所示。 17 圖 主電路 調(diào)速和過流保護 電動自行車的調(diào)速 電動自行車的在行駛過程中，并不是以恒定的速度進行，有時 需要加快速度，有時需要減慢速度，因此調(diào)速是電動自行車不可缺少的一個功能。電動自行車的調(diào)速常常是在手柄上安裝一個光耦可調(diào)電阻，由手動實現(xiàn)的；在實驗中用的是可調(diào)電阻，其原理如圖 所示。 K 點的電壓 UK值將隨著可調(diào)電阻的位置變化而變化，向上調(diào)， UK值增大；向下調(diào)，UK減小。單片機將 UK值采樣后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送到 PWM 波占空比寄存器來決定 PWM 波占空比。 圖 電動自行車調(diào)速原理圖 PIC16C74 單片機有 8 個 8 位 A/D 接口，這里只使用一個端口 RA0作為速度采樣端口，圖 所示的是 PICI 6C74 單片機 PWM 工作方式結(jié)構(gòu)示意圖， PWM 的輸出周期是由定時 18 器 2 的周期寄存器 PRZ 的設(shè)置決定的，同時，也 與 上器件頻率和定時器 2 的預(yù)分頻值有關(guān)。下式說明 PWM 周期和占空比的計算。 PWM 周期 =[(PR2)+l] 4 Tosc (TMR2 預(yù)分頻值 ) PWM 占空比 =(DC1) 4 Tosc （ TMR2 預(yù)分頻值 ) 其中， DC1 的 10 位值由 8 位的 CCPR1L 的值 (作為 10 位中的高 8 位 )和控制寄存器CCP1CON 中的 D5 和 D4(作為最低兩位 )組成，所以 PWM 的輸出分辨率是可編程的，可從 8 位的定時 器 2 模塊得到 10 位的分辨率。 當(dāng) RA0將給定 UK值采樣后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送給占空比寄存器 CCPR1L，由單片機的 CCP1端口發(fā)出 PWM 波，對與下橋臂相連的 I/O 口輸出波進行脈寬調(diào)制，決定功率管的導(dǎo)通時間。 圖 PWM 工作方式結(jié)構(gòu)示意圖 過流保護 直流無刷電機在起動或超負荷運行時，其電流很大，如不加限流保護，將會燒壞控制板上的功率器件，甚至?xí)p壞電機。當(dāng)電機剛起動時，反電勢 E 尚未建立或者很小 (可以忽略不計 )，則直流無刷電動機的相電壓平衡方程由下式 EdtdiLiRU ????相 （ ） 可得 ： 19 dtdiLiRU ???相 （ ） 由式 ()可知，此時電流很大，燒壞功率開關(guān)器件，若電動機的磁極是永磁體，則能引起永磁體的去磁。因此必須過流保護措施，其過流保護電路如圖 所示 [13]。 K 點與圖 中的 K 點相連 （ 圖 中的電阻 R1是取樣電阻，其值很小，常取 )，取樣電壓在被 LM328 放大后，送至比較器 LM324，給定參考電壓比較，當(dāng)主電路的電流增大，大到取樣電壓高于參考電 壓值時， LM324 輸出為低電平，使半導(dǎo)體開關(guān)器件 T 立即導(dǎo)通， B 點的電勢降為 0，而 B 點與圖 上橋臂中的 B 點相連 ， 此時上橋臂半導(dǎo)體開關(guān)器件 Tl的基極電壓為 0，半導(dǎo)體開關(guān)器件 Tl關(guān)閉，使得上橋臂的功率管 MOSFET 關(guān)斷，切斷主電路的電流，當(dāng)主電路的電流正常時，采樣電壓降到低于參考電 壓值，比較器 LM324 輸出為高電平，由于電容 C3的存在，需要給電容 C3充電，使得半導(dǎo)體開關(guān)器件 T 延時一段時間后截止，上橋臂的驅(qū)動恢復(fù)正常。圖 電路中的 D R C3 圖 過流保護電路圖 組成了一個單 穩(wěn)電路，使得主電路 過流時，保護電路立即響應(yīng)，切斷主電路電流；當(dāng)主電路電流降到安全值時，保護電路要延時一段時間后，才使主電路恢復(fù)正常。在實驗過程中需要正確調(diào)整圖 中電阻 R4 和 R5 的比值，確保主電路的安全，實驗證明，該保護電路速度快，效果比較好。 另外，可以將與非門 4011 的輸出信號送給單片機，由軟件識別電機處于起動或過載狀態(tài)，若處于過載狀態(tài)，則使上橋臂的功率管 MOSFET 關(guān)斷，切斷