基于单片机的电动自行车控制系统研究大学本科毕业论文.doc

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1、攀枝花学院本科毕业设计（论文）基于单片机的电动自行车控制系统研究学生姓名： 杜 鸿(QQ414002214) 学生学号： 200910504010 院（系）： 电气信息工程学院 年级专业：测控技术与仪器 指导教师： 谢 兵 助理指导教师： 二一三年六月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要电动自行车以零污染、高效率、低噪音、轻便美观等特点被认为是真正的“绿色交通工具”，特别适合在人口较集中的大中城市中使用，但目前市场上的电动自行车还存在着一些不够完善的地方，尤其是电机控制方面需要进一步的提高。无刷直流电动机是电动自行车的主要部件，实现对电动自行车的控制既是对无刷直流电机的控制，单片机控制

2、的无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况。并能将多余的电能回溃。该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。 本设计是基于AT89C51单片机实现对无刷直流电机的控制，控制电动机的运行速度，对其过流、欠压进行设定保护以及对无刷直流电机、蓄电池进行刹车保护。该设计结构简单、性能可靠、使用方便。关键词 无刷直流电机，单片机，ADC0808,电动自行车I攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTElectric bicycle with zero pollution, high efficiency, low noise, light and

3、 beautiful features considered the true green transportation, is particularly suitable for use in the higher concentration of the big city, but the electric bicycle on the market still exist some imperfect places, especially for motor control aspects need to be further improved. Brushless DC motor i

4、s the main component of electric bicycle, electric bicycle control is the control of the brushless DC motor, working condition control of Brushless DC motor speed control system applicable to electric bicycles and other small power. And the excess power back. This system has the advantages of good s

5、peed performance, high power factor, energy saving, small size, light weight etc.This design is AT89C51 single chip microcomputer to control based on brushless DC motor, speed control motor, the over-current protection, undervoltage protection and the setting of the brushless DC motor, battery brake

6、 protection. The design of simple structure, reliable performance, easy to useKey words Brushless DC motor, MCU,ADC0808, Electric BicycleII攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 课题背景11.1.1 引言11.1.2 电动车的现状与发展前景21.2 直流无刷电动机在电动车的应用51.3 MCS-51 单片机简介71.3.1 MCS-51系列单片机71.3.2 MCS-51系列单片机内部结构81.3.3 M

7、CS-51系列单片机外部引脚说明102 电动自行车控制系统的设计方案122.1 控制器硬件设计122.1.1 控制器硬件系统122.2控制系统电路设计132.2.1 控制电路132.2.2 显示电路162.2.3 最小系统162.2.4 驱动电路172.3保护电路182.3.1 过流、欠压保护电路182.3.2 刹车保护电路193 软件设计193.1 程序流程框图193.2 子程序流程图21结论23参 考 文 献24附录：程序26致 谢32攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论1 绪 论1.1 课题背景1.1.1 引言当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，无污染、能源多样化配置的新型交通工

8、具引起了大家的广泛关注，同时也得到了极大地发展，电动自行车便是其中之一，所谓电动车是指利用蓄电池的电能来驱动轮转动，它不依赖石油制品作燃料，具有无污染、噪声低、能效高、操作维修简便、可利用夜间电力需求的低谷给蓄电池充电等特点。尤其是它与燃油车相比，可减少排污量97%，能源利用率高。据有关专家测算，其能量转换和利用率要比耗油的汽车高出近一倍。因此单位路程所耗费用也较低，是改善城市环境污染和节能的理想交通工具，故又称为“绿色车辆”。电动车在运行中消耗的电能可以从多种能源转化而来，如煤、风力、太阳能、地热、生物能、核能、石油等，其中有些能源（太阳能、地热等）在地球上可以说是取之不竭的，有效地改变了汽

9、车动力对有限石油资源的依赖。虽然电动车目前还存在不少缺点待克服，如一次充电后连续行驶里程短、一次投入成本高及充电时间长等。但它将成为未来交通工具中理想动力源之一是不容置疑的。电动自行车具有两个车轮，是以蓄电池、锂电池等电能作为辅助能源。能实现人力骑行、电动或电助动功能的特种自行车。电动自行车的型号以TD特种自行车种类的电动自行车类冠号。虽然具有普通自行车的外表特征，但是主要的普通自行车的基础上，装置了电机、控制器、电池、转把闸把等支配部件和显示仪表系统的机电一体化的个人交通工具。近几年来，汽车节能日渐受到重视，如美国原来规定一般轿车每100km耗油标准为0.85L，1995年后，要求油耗降到.

10、072L。而汽车上各种电动机的能源均来自油耗。因此要求汽车中所使用的各种电动机均要改善性能、提高效率。为此，电动机中永磁材料将采用高性能钕铁硼（NdFeB）取代铁氧体，以减少体积和重量，提高效率；采用扁平盘式结构以减少空间，提高出力；采用直流无刷电动机，消除火花干扰，降低噪声，延长寿命，便于集中控制。因此，直流无刷电动机肯定是其发展方向。主动力源电动机是指以它为主要动力来驱动汽车、摩托车前进的电动机。由于石油危机和世界各国对环境污染的重视，纷纷投入电动机的研制和生产。从上个世纪开始电动车便采用无刷直流电机进行控制，到如今控制发展过程经历了两个时期：一、无刷电动机控制芯片控制电动自行车的硬件控制

11、器，这种电路并不复杂，但是由于其价格比较高昂且占用空间过大，因而逐渐被淘汰。这阶段的控制芯片的主要有摩托罗拉的MC33033、MC33035等。二、以单片微型计算机为主要控制芯片时期，微控制器的应用使电动车控制器设计相对于纯硬件控制器设计更加灵活，功能更丰富，因此如今电动车大多采用单片机控制。1.1.2 电动车的现状与发展前景电动自行车的出现是自行车的一次革命，是自行车的升级换代产品，它实现了自行车的电动或电助动。电动自行车自20世纪70年代开始研制，随着技术发展，特别是电机、电池、微电子传感器等技术的发展，在90年代实现了商品化。日本是电动自行车商业化较早的国家之一，日本和欧洲国家开发的产品

12、基本都属于“智能型”，是一种真正意义上的电动助力自行车。其电机的停、转由带位移传感器和力矩传感器的微电脑控制系统控制，即只有脚踩时才能获得电机的助动。这种助动可使车速和安全性能获得有效控制，这是很科学的。我国电动自行车的发展与国外基本同步，且拥有独立自主的技术优势，比如在20世纪80年代中期在摩托车热的同时，国内市场也出现并销售了一批电动摩托车。随着电器、电子、微电机等领域的技术发展和提高，出现了高能永磁材料。随着镉镍电池、全密封免维护铅酸蓄电池等技术的成熟，电动自行车进入了一个快速发展时期。我国电动自行车工业虽然起步较晚，但是在较高的起点上开始的，它符合社会发展规律（节能、环保），满足人们的

13、需要，因此也带来了产业本身的效益。其实电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。21世纪是呼唤绿色环保的时代，以实现社会可持续发展。我国石油资源比较欠缺，燃油与尾气的排放污染又是未来大中城市大气污染的主要污染源。因此，发展电动车是我国未来的发展方向。并且有望成为21世纪的重要交通工具。 交通拥挤、环境保护、空气质量等影响人类乃以生存的地球时, 改善城市环境污染和节能的理想交通工具电动自行车作为一种环保、便捷、健康的绿色交通工具应运而生。特别是在人类已进入“后石油时代”的今天,节能环保的电动自行车符合我国的可持续发展战略方针,其发展更加有现实意义。作为一个能源节约型和环境友好型

14、的交通工具，电动自行车是更适合中国国情的，有前途的绿色交通工具，有关机构称，自2000年以来，强劲的市场需求使得电动自行车在中国飞速发展，在建设绿色城市交通，城市及农村市场，来满足巨大的国内需求，电动自行车就是我们最佳的出行选择。伴随着电动车的发展，种类繁多，形式多样的自行车进入了人们的视线，国内手柄控制形式的电动自行车被称为“手控电动自行车”，根据电动力的提供情况我们将智能型的电动自行车分为三种：恒定电助力智能、比例电助力智能和恒定脚踏力智能。一、我国电动自行车生产现状 我国的电动自行车经过80年代到90年代初期的二次起落后，进入现在的第三个发展时期，从研制开发到1997年的小批量投放市场至

15、现在其生产和销售呈逐年大幅增长的势头，据助力车专业委员会不完全统计，1998年为5.4万辆，1999年为14万辆，2000年为29万辆，2001年电动自行车的实际产量已超过58万辆。下图是近几年电动自行车年产量的趋势图：图 11 电动自行车年产量自行车生产企业2007年1-6月份电动自行车总产量484.98万辆，与上一年同期累计331.19万辆相比，增长46.44%；1-6月份销售电动自行车482.32万辆，与上一年同期累计332.86万辆相比，增长44.9%。中国的电动自行车具有其得天独厚的有利市场。其中最有利的因素源自于中国的人口众多，在中小城市中具有庞大的电动车市场。在九十年代大多人们的

16、出行工具是自行车，而随着中国经济的发展、人民生活质量提高，舒适、便捷的出行交通工具便是人们的首选。2008年我国拥有自行车为4亿多辆，如果将其中的10替换为电动自行车，那么就将有4000万辆电动自行车，以每辆均价1000元计算，就是120个亿，可验证这将是一个巨大的市场。二、我国电动自行车的发展趋势中国国情表明城镇化还将在相当长的一个时期内加速进行，中央积极的宏观调控政策显现出了社会主义的优越性。而继续飞速发展的城镇化和中央对于各项基础建设进一步加强，都将不同程度的促进电动自行车的发展。中国发展电动车辆无疑是未来发展的必然趋势，也是符合绿色环保革命的需求，更是一种社会可持续发展的工具。对于未来

17、，电动自行车市场仍然保持着高速增长的市场态势。1999年5月国家质量技术监督局发布了电动自行车通用技术条件国家标准，为电动自行车规模化生产提供了条件，经过2003、2004年连续两年的快速发展，中国电动自行车行业呈现出一片欣欣向荣的景象。近年来中国电动自行车机行业取得了很大的发展，经过10多年的快速发展电动自行车目前已经进入了成熟期，应用技术不断提高，产品质量也不断提高。目前，我国已成为世界上电动自行车的制造和消费大国。据有关资料记载，目前我国电动自行车市场年产销量超过2000万辆，整个产业链的经济规模达到1000亿元以上，从业人员近500万人。整车厂家企业1000多家，相关联配套企业有600

18、0多家，经销商更是多达上万家，电动自行车的整车市场保有达1.2亿辆。也就是说，电动自行车在成为人们日常交通的一个重要工具的同时，电动自行车产业也成为我国一个重产业。在我国特有的经济环境和交通压力下，电动自行车依然拥有其得天独厚的优势，比摩托车更为经济市惠，比自行车速度更快，更为便捷，同时在拥挤的城市交通中相比而言更为便利，在现在的中国大城市街头，一辆电动自行车将数辆汽车远远抛在身后的景象屡见不鲜。统计显示，2008年中国共销售出2100万辆电动自行车，相比之下，同期内汽车的销量仅为940万辆。中国现在街道上已有的汽车数量达到约2500万，而电动自行车的数量是汽车的四倍。在我国的中小城市电动自行

19、车使用比较常见，特别是女性群体、大学生群体。 在全球能源问题急需解决的情况下，开发研究新型能源和节约能源是我们的必经之路，而能源问题关键在于环境问题，目前的电动自行车零污染、高效率、低噪音、轻便美观等特点，电动自行车因其轻便灵活、节能环保而得到广泛应用。未来电动自行车将是我国大中城市的主要交通工具，因而电动自行车在我国具有广阔的市场应用前景，对经济的可持续发展具有重大意义。2009年以来，面对世界金融危机的挑战，中国电动自行车制造业仍取得了骄人的业绩。中商情报网数据显示，2009年全年电动自行车规模以上企业的收入估计为234亿元，电动自行车年产量达到2300多万辆。2010年3月，财政部、商务

20、部、工业和信息化部联合下发的新增家电下乡补贴品种实施方案中规定，电动自行车将纳入家电下乡补贴范围。经过招标后，相关工作于2010年5月起全面铺开。电动自行车产业有望借助这一政策驶入发展快车道，资料显示，14%的补贴额度将刺激10%以上销量增长。所以，我国电动自行车的增长已成为了必然，在相关政策的鼓励下具有较强竞争力“电动自行车下乡”中标企业在此后会得到更好的发展。这要求不断提高电动自行车整体质量，并不断降低电动自行车的安全隐患，给电动自行车行业的健康发展提供良好的环境。在20102015年间，“整合”将成为我国电动自行车行业发展的关键词。目前全国有电动自行车生产许可证的企业超过2000家，但它

21、们生产分散且行业集中度低。这种情况下，优势企业的扩张和兼并将成为行业发展的趋势。在这期间我国将出现全国性的、大型的电动自行车企业，产生若干电动自行车著名品牌。因此，在20102015年投资于具有优势的电动自行车企业，有望得到较好的收益。1.2 直流无刷电动机在电动车的应用作为电动车关键执行部件的电动机，有如下几点要求：1. 高效率 续驶里程（蓄电池一次充足电后所能行驶的里程）是电动车和燃油车相比最具有代表性的指标。充分加强续驶里程的主要办法是改变蓄电池容量和提高无刷直流电机的工作效率，在同等的条件下无刷直流电动机的效率越高，能耗就小，蓄电池充满电后电动车的行驶里程将会明显提高，并且行驶的成本降

22、低。2. 体积小 驱动电动机的大小将直接影响其自身重量、整车的重量和造型。高性能磁性材料的出现将为电动机体积缩小创造了非常有利的条件，目前许多大公司（如通用汽车、大众汽车等）在开发高功率密度驱动电动机方面做出了很大的努力并取得了惊人的成果。3. 寿命长 同燃油车的控制器相比，并且同等使用下直流无刷电动机的平均运行寿命更长。4. 低成本 由于电动车目前尚未形成大规模生产，相对成本要高一些，但一旦形成大规模生产后，其成本自然要降下来。 目前应用驱动在车辆的电动机大致可分为四类，即直流有刷电动机、交流异步电动机、开关磁阻电动机和直流无刷电动机。其基本性能比较如表1.1所示。表1.1 电动车驱动电动机

23、基本性能比较 基本性能电动机类型效 率 体 积技术性能寿 命成 本直流有刷电动机较 高小好短高直流无刷电动机 高小 好 长 高交流电动机低大一 般 长 低开关磁阻电动机较 高较 小较 好 长 低 从表1.1的几个主要指标可以看出，这几种电动机各有优缺点，但考虑综合因素，直流无刷电动机较为合适。虽然它的一次成本稍高，但其效率高，二次成本降低。但是在功率很大的电动巴士中，电动机的功率往往要达到100200kw。此时直流无刷电动机的方案要受到稀土磁钢材料和大功率管的制约。目前，一般以开发应用几十千瓦以下的无刷直流电动机为宜。电动车是机电一体化的高科技产品，它包括电池、电动机、控制器和充电器等多个部件

24、，其结构模式如图11所示。电池控 制 器电动机车轮 电动轮充电器或图 12 电动车模式 衡量电动车动力性能的指标主要是续驶里程、最大时速、最大爬坡度及最大加速度等四项，它们是电动车中电动机设计的主要依据：（1） 当最大时速一定时。根据车轮直径可推算出电动机的最大转速，并确定电动机的额定转速。（2） 根据最大爬坡度的要求，结合车体自身重量、负载重量及风阻等，可以计算出电动机的额定转矩、过载转矩及控制器的过载电流。（3） 根据最大速度的要求和车重来决定电动机的瞬时过载转矩（即最高转矩）及控制器的最大电流。 值得指出的是，上述因素往往是相互制约的，各种类型的车辆对上述要求也各有侧重，在设计时要针对具

25、体情况并注意它们之间的相互匹配。1.3 MCS-51 单片机简介1.3.1 MCS-51系列单片机单片微型计算机简称单片机或单片微机，又称微型控制器。即是在一块半导体芯片上，集成了中央处理器、只读存储器、随机存取存储器、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件，构成了一台完整的数字电子计算机。由于集成电路技术的进步，片内甚至还包括HSO、HIS、A/D转换器、PWM等称为“片内外设”的特殊功能部件。本设计所采用的单片机是AT89C51，是属于MCS-51系列的单片机，能与51系列单片机很好的兼容。MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片微型计算机，较

26、原来的MCS-48系列结构更为先进，功能增强，它包括51和52两个子系列。在HMOS技术大发展的背景下，Intel公司在MCS-48系列的基础上于1980年推出了8位MCS-51系列单片机。它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。较早的MCS-51典型时钟为12MHz，而目前与MCS-51单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到40MHz甚至更高，现在已有400MHz的单片机问世。51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951.这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4KB

27、ROM，8751为4KBEPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM。其他性能结构一样，有片内128B RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。其中，8031性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。51系列单片机的特点(1) 8位cpu（2）片内带振荡器，频率范围为1.2MHz12MHz（3）片内带128B的数据存储器（4）片内带4KB的程序存储器（5）程序存储器的寻址空间为64KB（6）片外数据存储器的寻址空间为64KB（7）128个用户位寻址空间（8）21个字节特殊功能寄存器（9）4个8位的I/O并行接口：P0、P1、P2、P3（10）两个16位定时、计数器（1

28、1）两个优先级别的五个中断源（12）一个全双工的串行I/O接口，可多机通信（13）111条指令，包含乘法指令和除法指令（14）片内采用单总线结构（15）有较强的位处理能力（16）采用单一+5V电源1.3.2 MCS-51系列单片机内部结构作为主流的单片机品种，MCS-51系列单片机市场份额占有量巨大，PHILIPS公司、ATMEL公司等纷纷开发了以8051为内核的单片机产品，这些产品都归属于MCS-51单片机系列。单片机内核是8051CPU，CPU的内部集成有运算器和控制器，运算器完成运算操作（包括数据运算、逻辑运算等），控制器完成取指令、对指令译码以及执行指令。MCS-51单片机的片内资源有

29、：（1）中央处理器： 中央处理器(CPU)是整个微型计算机的核心，包含运算器、控制器、存储器这三个部分。是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，主要完成运算和控制输入输出功能等操作。（2）数据存储器(RAM)：MCS-51内部有128字节数据存储器（RAM）和21个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能用作用户数据的存放，用户能使用的RAM只有128个字节，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。（3）程序存储器(ROM)：MCS-51共有4K字节程序存储器（ROM），用于存放用户程序和数据表格。（4）定时/计数器(RO

30、M)：MCS-51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数，当定时/计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。（5）并行输入输出(I/O)口：MCS-51共有4个8位的并行I/O口(P0、P1、P2、P3)，用于对外部数据的传输。（6）全双工串行口：MCS-51单片机中的异步通信串行接口能方便地与其他计算机或串行传送信息的外围设备（如串行打印机、CRT终端等），实现双机、多机通信。该串行口一般用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。（7）中断系统：MCS-51中断系统的功能为：5个（52子系列为6个）中断源；2个中断优先级，从而可实现二级中断嵌套；每一个中断源的优先级可用程序设

31、定，可基本满足不同的控制要求。（8）时钟电路：MCS-51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。图1-2是 MCS-51系列单片机的内部结构示意图:图 13 MCS-51系列单片机的内部结构1.3.3 MCS-51系列单片机外部引脚说明MCS-51 系列单片机芯片有40个引脚。用HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装，见图1-4图 14 MCS-51系列单片机芯片引脚图低功耗的、采用CHMOS工艺制造的机型（在型号中间加一“C”字作为识别，如80C31、80C51、87C51）也有用方行封装结构的。现将各引脚分别说明如下：1主电源

32、引脚Vcc：接电源正端（+5V）。Vss：接电源地端（+5V）。2. 外接晶体引脚XTAL1：接片内反相放大器的输入端。XTAL2：接片内反相放大器的输出端。3输入/输出引脚P0.0-P0.7：P0口的8个引脚在不接片外存储器与不扩展I/O接口的情况下，可作为准双向输入/输出接口。在接有片外存储器或扩展I/O接口的情况下，P0口做为分时复用低8位地址总线和双向数据总线。P1.0-P1.7：P1口的8个引脚可作为准双向I/O接口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二种功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。P2.0-

33、P2.7：P2口的8个引脚。一般可作为准双向I/O接口；在接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用为高8位地址总线。P3.0-P3.7:P3口的8个引脚。除作为准双向I/O接口使用外，还具有第二功能，详见表1-2。引脚第二功能P3.ORXD (串行输入端)P3.1TXD (串行输出端)P3.2INT0 （外部中断0请求输入端）P3.3INT1 （外部中断1请求输入端）P3.4 T0 （定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5 T1 （定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6WR （片外数据存储器写通信号输出端）P3.7RD （片外数据存储器读通信号输出端）表1-2

34、P3口第二功能4控制线ALE/PROG:ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址锁存信号，将8位地址锁存在片外的地址锁存器中。PROG为该引脚的第二功能，即在对片内Flash存储器编程时，此引脚作为编程脉冲输入端。此外，单片机在正常运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，该信号也有上述频率（震荡频率f的六分之一）出现，所以一般可用作对外输出的时钟脉冲信号。不过在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲计数将与实际不符，这种情况下一般不用作时钟输出。对于片内含可擦除可编程只读存储器的机型，在编程期间，此引脚用作编程脉冲PROG的输入端口。PSEN：片外程序存储器读选通信号，低电平有效

35、。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。RET/Vpd: RST写全是RESET，为单片机的复位（初始状态）端。高电平有效，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，就可以使单片机复位。在单片机正常工作时，此引脚应为小于0.5V的低电平，上电时，考虑到振荡器有一定的起震时间，该引脚上高电平的持续时间必须在10ms以上才能保证有效复位。Vcc掉电期间，该引脚如接Vdd（在+5V上下0.5V内），可用于保存片内RAM中的数据。当Vcc下降到某规定值以下，Vpd便向片内RAM供电。EA/Vdd：片外程序存储器选用端。该引脚有效（低电平）时只选用片外程序存储器，否则计算机上电或者复位后先

36、选用片内程序存储器。对于片内含EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作21V编程电源Vdd的输入端。对于MCS-51系列单片机的引脚可归纳出下列两点：（1）单片机功能多，引脚数少，致许多引脚都具有第二功能。（2）单片机对外呈三总线形式。由P2、P0组成16位地址总线；由P0分时复用为数据总线，由ALE、PSEN、RST、EA、与P3口中INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线。因是16位地址线，使片外存储器的寻址范围达到64KB。2 电动自行车控制系统的设计方案2.1 控制器硬件设计2.1.1 控制器硬件系统采用MCS-51单片机为系统控制器。从该系统设计要求可知，单

37、片机接收信号输入，然后由单片机计算出车速并传给数码管显示器显示出来。车速的控制由ADC0808接受的外界模拟信号转换成数字信号传给单片机，由单片机控制其加速或减速。显示系统用串行口输出方式显示，外接串并转换芯片74LS164可以实现静态显示，串口P3.0，P3.1外扩两片74LS164串并转换芯片既可满足要求，选用共阳接法的数码管。30攀枝花学院本科毕业设计（论文） 电动自行车的控制系统设计方案AT89C51单片机控制输入电路最小系统驱动电路电机电机状态、转速显示电路图21 控制系统框图2. 2 控制系统电路设计2.2.1 控制电路ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转

38、换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。ADC0809是CMOS工艺，采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28引脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有许多模拟开关部分。其电源电压由于是COMS芯片，允许的电压较宽，可以是+5+15V。控制电路由以89C51单片机和ADC0808为主组成的电路，控制信号从ADC0808的12管脚（REF）进入，通过ADC0808进行

39、模数转换，将转换成的数字信号传给单片机由P2进入。再由单片机根据采集的数字量的大小进行辨别，以此来控制P3.7输出脉冲的占空比进而控制驱动电路功率管的开通与关闭。这样通过改变PWM的方法来控制功率管输出功率进而控制电动机的运行速度，从而进一步控制电动车进行加速或者减速。此方法通俗易懂，而且硬件电路简单易行，给焊接工作带来很多方便，ADC0808的内部结构如下图所示：图22 ADC0808内部结构ADC0808的引脚功能： ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如下图所示，各引脚功能如下：（1）15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。（2）8、14、15和1721：8位数

40、字量输出端。（3）22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。（4）6（START）： A/D转换启动信号输入端，输入一个正脉冲使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。（5）7（EOC）： A/D转换结束信号输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。（6）9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。（7）10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。（8）12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端（9）11（Vcc）：主电源输入

41、端。（10）13（GND）：地。（11）2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。out8为最低位out1为最高位，out8-out1分别接单片机的P0.0到P0.7端。图23 控制电路此电路采用无级调速，在实际电动车，汽车上经常被采用的，它能很好的调节车速的大小变化，尽可能的使车速接近我们所需要的车速，只要扭动转盘就好。方便，简洁，更为开发者带来更多的方便。如电路简单，焊接工作轻松，大部分的开发时间用在软件编程上。硬件体积小，为以后mini型电动车的发展打下良好基础。控制电路由以AT89C51单片机和ADC0808为主组成的电路，控制信号从ADC

42、0808的12管脚（REF）进入，通过ADC0809进行模数转换，将转换成的数字信号传给单片机由P2进入。再有单片机根据采集的数字量的大小进行辨别，以此来控制P3.7输出脉冲的占空比进而控制驱动电路功率管的开通与关闭。这样通过改变PWM的方法来控制功率管输出功率进而控制电动机的运行速度，从而进一步控制电动车进行加速或者减速。2.2.2 显示电路单片机中通常使用显示器主要有发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD；单片机中经常使用7段LED构成字型“8”，另外，还有一个小数点发光二极管，以显示数字、符号及小数点。这种显示器由共阳极和共阴极两种。在显示电路中，主要是利用了单片机的串行口

43、，单片机AT89C51的串行口是一个全双工的串行通信口，可以作为同步移位寄存器使用，其数据由RXD(P3.0)端串行输入和输出；而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，在同步时钟的作用下，可以实现由串行到并行的数据通信。在该电路中，主要利用单片机的串行口外加芯片74 LS164构成了该电路的显示器。该电路主要用来显示电动车的车速和电动车电瓶的剩余电量，在本电路中数码管使用共阳极的。图24 显示电路2.2.3 最小系统单片机最小系统或者称之为最小应用系统，是指用最少的元件所组成的单片机可以工作的电路系统，而对于51系列的单片机来说，最小系统一般包括：单片机，复位电路，晶振电路。复位电路通常

44、采用上电自动复位和按钮复位两种方式。而上电或开关复位是要求电路接同电源后，单片机自动复位，并在单片机运行期间，用开关操作也能实现复位。常用上电后开关复位。上电后，由于电容C3的充电作用，使RST持续一段时间的高电平，持续两个机器周期以上就将复位。单片机在运行当中时，按下复位健S1后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。晶振电路：MCS-51单片机的时钟信号通常有两种形式得到，内部震荡方式和外部震荡方式。通过XTAL1和XTAL2外接作为反馈元件的晶体后便成为自激振荡器（内部震荡方式）。晶体呈感性，与两个电容构成并联谐振电路。振荡器的震荡频率主要取决于晶体；电容的值

45、则有微调作用，通常取30PF左右。晶振频率的典型值为12MHZ。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。图25 单片机最小系统 2.2.4 驱动电路 从ADC0808转换成的模拟控制信号传给单片机并由其分析转化，使单片机从P3.7管脚输出驱动信号经过OP07放大后，驱动Q1，Q2进而驱动永磁直流电动机进行工作。图26 驱动电路2. 3 保护电路2.3.1 过流、欠压保护电路电动车在爬坡、顶风等情况下均会产生大电流,影响电机及蓄电池的使用。另外,蓄电池电量下降到某一值(如80%)时,不可继续使用,否则会对蓄电池造成不可恢复的损害,所以有必要对过流、欠压进行设定保护。同时,考虑到蓄电池如果有较大电流放电,即使电量较多,电压也会下降到低点(如欠压设定值) ,而这时,应认为工作正常,以充分发挥电池能力。图27 过流保护电路 具体电路如上图所示, 正常情况下，在电流检测电路中，电路输出的电压信号(接到LM339的反相输入端)小于电阻分压电路输出电压(接到LM339的同相输入端)，LM3