【正文】 根據(jù)直流無刷無位置傳感器電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)方案的要求，選用PIC16C74A單片機(jī)作為主控芯片。 執(zhí)行速度快：20Mhz的振蕩時(shí)鐘，200ns的指令周期。 工作電壓范圍寬：—。 具有方便的8個(gè)8位A/D接口和33路可復(fù)用的I/O接口。同時(shí)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3個(gè)8位定時(shí)器和2個(gè)PWM輸出。換向的原理和比較器LM324的輸出波形，而PIC16C74單片機(jī)PORTB端口的RBRBRBRB7四個(gè)引腳有一個(gè)重要的特性，當(dāng)把這4個(gè)引腳定義成輸入狀態(tài)時(shí)，其引腳的電平只要有變化，可以引起中斷，即單片機(jī)通過把RBRBRBRB7引腳上的輸入信號(hào)與上一次讀入該4個(gè)口的舊的鎖存值進(jìn)行比較，若有變化，則把兩者相或后輸出以產(chǎn)生RBIF中斷。圖41反電勢檢測、換向控制及調(diào)速電路圖需要值得注意的是，PIC16C74單片機(jī)PORTB端口的四個(gè)引腳中任何一個(gè)引腳電平變化都能引起單片機(jī)產(chǎn)生中斷，但是單片機(jī)并不能夠判斷出是哪個(gè)引腳的電平變化，只能通過中斷標(biāo)志查出是PORTB端口電平變化引起的中斷；另外，單片機(jī)也不能夠判斷出PORTB端口四個(gè)引腳上電平變化是從低到高(0→l)還是從高到低(l→0)，而比較器在一個(gè)周期內(nèi)，每一路輸出波形(或電平)的變化都表示不同的功率開關(guān)器件開或關(guān)，因此讓單片機(jī)在PORTB端口電平變化引起中斷處理計(jì)時(shí)、延時(shí)后，當(dāng)延時(shí)30176。圖41中所示，單片機(jī)的RCRCRC5分別和驅(qū)動(dòng)電路上橋臂的三路相連，控制上橋臂的三路功率開關(guān)器件開或關(guān)；RBRBRB3分別和驅(qū)動(dòng)電路下橋臂的三路相連，控制下橋臂的三路功率開關(guān)器件開或關(guān)。直流無刷電動(dòng)機(jī)的端電壓檢測電路的三相端電壓信號(hào)A、B、C中含有的高頻信號(hào)及外界干擾，必須經(jīng)過濾波電路以濾掉高頻信號(hào)及外界干擾，否則會(huì)干擾比較器的正常工作；由于電動(dòng)自行車用直流無刷電動(dòng)機(jī)的速度較低，頻率也較低，因此使用電容C就可以讓低頻段的信號(hào)通過，抑制高頻段的信號(hào)。圖42上橋臂驅(qū)動(dòng)電路上橋臂中，P點(diǎn)和單片機(jī)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44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(shí)，柵極電位必高于源極，因此若信號(hào)源與主電路共地，則驅(qū)動(dòng)電路電壓必很高，在圖42中用自舉電路的原理解決了上述問題，自舉電容在導(dǎo)通前已充電至+12V（相對(duì)于源極），導(dǎo)通時(shí)，US=UDC，UG=US+12V，保證了UGS=12V。圖43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(shí)，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43下橋臂驅(qū)動(dòng)電路另外，單片機(jī)在剛通電執(zhí)行初始化程序時(shí)，還未來得及封鎖I/O端口(RCRCRC RBRBRB3)使功率管MOSFET關(guān)斷，若上下橋臂中P點(diǎn)同為低電平或同為高電平，功率管MOSFET導(dǎo)通，則此時(shí)，有可能出現(xiàn)上下橋臂中的功率管MOSFET(即VV4或VV6或VV2)同時(shí)導(dǎo)通，這樣使電源的正負(fù)極直通，電流很大，燒壞功率器件(在實(shí)驗(yàn)中遇到這種情況)。而在下半橋臂中則要讓P點(diǎn)為高(低)電平時(shí)，功率管MOSFET導(dǎo)通，為低(高)電平時(shí)，功率管MOSFET關(guān)斷，以避免出現(xiàn)電源短時(shí)的直通，燒壞功率器件現(xiàn)象。根據(jù)下式： 可知，電機(jī)相繞組電感在電流突變?yōu)?的瞬間，產(chǎn)生的電壓很大，若不采取續(xù)流措施，使換向時(shí)相電流逐漸衰減為0，則可能損壞功率器件或電機(jī)。圖44主電路 調(diào)速和過流保護(hù) 電動(dòng)自行車的調(diào)速電動(dòng)自行車的在行駛過程中，并不是以恒定的速度進(jìn)行，有時(shí)需要加快速度，有時(shí)需要減慢速度，因此調(diào)速是電動(dòng)自行車不可缺少的一個(gè)功能。K點(diǎn)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。圖45電動(dòng)自行車調(diào)速原理圖PIC16C74單片機(jī)有8個(gè)8位A/D接口，這里只使用一個(gè)端口RA0作為速度采樣端口，圖46所示的是PICI 6C74單片機(jī)PWM工作方式結(jié)構(gòu)示意圖，PWM的輸出周期是由定時(shí)器2的周期寄存器PRZ的設(shè)置決定的，同時(shí)，也與上器件頻率和定時(shí)器2的預(yù)分頻值有關(guān)。 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(shí)器2模塊得到10位的分辨率。圖46 PWM工作方式結(jié)構(gòu)示意圖 過流保護(hù)直流無刷電機(jī)在起動(dòng)或超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其電流很大，如不加限流保護(hù)，將會(huì)燒壞控制板上的功率器件，甚至?xí)p壞電機(jī)。因此必須過流保護(hù)措施，其過流保護(hù)電路如圖47所示。圖47電路中的DRC3 圖47過流保護(hù)電路圖組成了一個(gè)單穩(wěn)電路，使得主電路過流時(shí)，保護(hù)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(shí)，保護(hù)電路要延時(shí)一段時(shí)間后，才使主電路恢復(fù)正常。另外，可以將與非門4011的輸出信號(hào)送給單片機(jī)，由軟件識(shí)別電機(jī)處于起動(dòng)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，切斷電流，同時(shí)伸單片和復(fù)位，重新起動(dòng)。由PORTB端口引起單片機(jī)中斷相鄰兩次的時(shí)間是60176。電角度時(shí)間里，電動(dòng)自行車行駛的里程等于車輪周長的六分之一(一個(gè)周期車輪旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn))，因此單片機(jī)只要測量出由PORTB端口引起的相鄰兩次中斷的時(shí)間t就可以計(jì)算機(jī)出電動(dòng)自行車的行駛速度。單片機(jī)將V處理后送給靜態(tài)數(shù)字量輸入型液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，顯示當(dāng)前電動(dòng)自行車的行駛速度。圖48速度顯示控制原理圖在這里需要解釋的是本方案是在電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電勢能夠被檢測到(即反電勢能夠引起比較器的輸出波形變化，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷)的情況下實(shí)現(xiàn)的；當(dāng)電動(dòng)自行車處于起動(dòng)狀態(tài)(即反電勢為零或者不能夠引起比較器的輸出波形變化)時(shí)，速度不能夠被顯示。 系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)主程序的主要任務(wù)是系統(tǒng)初始化、識(shí)別啟動(dòng)方式、過流保護(hù)、等待中斷等，其結(jié)構(gòu)流程圖如圖51所示。外同步加速，當(dāng)電動(dòng)自行車處于行時(shí)或人工使車輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)()，即電機(jī)產(chǎn)生的反電勢過零能夠引起單片機(jī)中斷時(shí)，就不需要采用外同步加速來起動(dòng)，當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生的反電勢過零能夠引起單片機(jī)中斷時(shí)，才采用外同步加速方式起動(dòng)。當(dāng)主電路的電流大于某一值(即過流)時(shí)，過流保護(hù)電路中的半導(dǎo)體開關(guān)器件T輸出為高電平(此時(shí)，保護(hù)電路切斷主電路的電流，)：主電路的電流正常時(shí)，T輸出為低電平。 中斷程序 在單片機(jī)的控制中，常常使用中斷進(jìn)行分時(shí)操作、實(shí)時(shí)處理和故障處理，提高了外設(shè)的工作速度。 反電勢過零中斷由前面敘述的思想可知，當(dāng)反電勢過零時(shí)，比較器的輸出波形將跳變一次，引起單片機(jī)中斷，在中斷中將要完成計(jì)時(shí)、延時(shí)和相關(guān)計(jì)算的任務(wù)，其結(jié)構(gòu)流程圖如圖52所示。角，當(dāng)相繞組兩兩導(dǎo)通時(shí)，其相鄰兩次反電勢過零相差60176。電角度的時(shí)間。電角度時(shí)間，則需要調(diào)用乘除子程序，占用單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。另外，我們注意到，直流無刷電機(jī)在換向時(shí)刻到相鄰的反電勢過零時(shí)刻相差30176。這樣節(jié)省了單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間資源。電角度時(shí)間的定時(shí)應(yīng)從(28—T1)或(28—)時(shí)刻開始。當(dāng)30176。同時(shí)單片機(jī)需要向與驅(qū)動(dòng)電路連接的I/O口發(fā)編碼，為了正確發(fā)出編碼，將編碼和比較器LM324三個(gè)端口狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系存入單片機(jī)EPROM的表格中，單片機(jī)在發(fā)編碼之前，讀入RBRBRB7三個(gè)端口的值(即比較器三路端口的狀態(tài))，與表格中相應(yīng)欄的值比較，找出與三個(gè)端口值對(duì)應(yīng)的編碼發(fā)出去。 關(guān) 中 斷開 始TMR1開始計(jì)時(shí)查 表發(fā) 編 碼返 回檢測RBRBRB7的電平開 放 中 斷圖52定時(shí)中斷結(jié)構(gòu)流程圖表51電機(jī)在換向點(diǎn)處還沒有換向時(shí)單片機(jī)部分I/O輸出口狀態(tài)、MOSFET狀態(tài)和比較器端口狀態(tài)的關(guān)系表換向點(diǎn)60176。180176。300176。比較器端口100111021000113111000單片機(jī)I/O輸出端口RB1000011RB2110000RB3001100RC5100111RC6011110RC7111001功率管MOSFETV1斷斷斷通通斷V2斷斷斷斷通通V3通斷斷斷斷通V4通通斷斷斷斷V5斷通通斷斷斷V6斷斷通通斷斷根據(jù)PIC單片機(jī)I/O口的特點(diǎn)，寫值是到輸出鎖存器里，讀是I/O口的電平，單片機(jī)讀入PORTB上8個(gè)口上的電平之后，將其值送到工作寄存器中，置工作寄存器的D0~D4位為0，再將表中比較器的狀態(tài)值與工作寄存器的值比較，取相等值的比較器狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的I/O口狀態(tài)值，分別發(fā)送給PORTB、PORTC輸出鎖存器，來控制I/O輸出端口的電平變化，從而實(shí)現(xiàn)換向。 A/D中斷在A/D中斷中主要完成給定速度模擬量的A/D采樣轉(zhuǎn)換、將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入占空比周期寄存器，其結(jié)構(gòu)流程如圖53所示。120176。240176。360176。 為了使A/D轉(zhuǎn)換器滿足一定的要求，必須要讓采樣電路中的電容保持有足夠的充電時(shí)間，使其達(dá)到A/D輸入通道的電壓值。當(dāng)VDD=5V177。1LSB(包括偏置誤差、滿量程誤差和整體誤差)。當(dāng)VDD小于5V或者VREF小于VDD時(shí)，分辨率和精度都可能降低。圖53 A/D中斷結(jié)構(gòu)流程圖 程序編寫過程中的注意事項(xiàng)各種不同的單片機(jī)在設(shè)計(jì)制造上都有自己的優(yōu)點(diǎn)，但在使用過程中也會(huì)存在一些不足或不方便之處，因此在編寫程序時(shí)要用其長處。選“頁”不正確，其操作是無效的。PIC16C74芯片沒有乘除操作指令，涉及到乘除計(jì)算時(shí)，要編寫乘除子程序，這樣會(huì)占用時(shí)間資源；有一些是2的倍數(shù)(或除以2的倍數(shù))的乘(除)法，可以使用寄存器內(nèi)容右(左)移指令RRNCF(或RLNCF)實(shí)現(xiàn)，如寄存器內(nèi)容向右(左)移一位，即相當(dāng)于乘(除)以2，寄存器內(nèi)容向右(左)移二位，即相當(dāng)于乘(除)以4。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，寬厚的師長風(fēng)范，精深的學(xué)術(shù)造詣和忘我的工作作風(fēng)，將使我終身受益，難以忘懷。讓我在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中懂得了許多東西，也培養(yǎng)了獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)的能力，樹立了對(duì)知識(shí)應(yīng)用的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作和生活有非常大的幫助，并且提高了自己的動(dòng)手實(shí)踐操作能力， 使自己充分體會(huì)到了在設(shè)計(jì)過程中的成功喜悅。汪老師豐富的學(xué)識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)給我留下了深刻的印象，他在學(xué)業(yè)上對(duì)我要求很嚴(yán)格。而且從汪老師那里，我還學(xué)到了許多做人的道理和原則。在此向他們表示衷