毕业设计-基于单片机的智能电动车控制器设计

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1、无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论文）毕业设计说明书（论文）- 1 -基于单片机的智能电动车控制器设计基于单片机的智能电动车控制器设计摘摘 要要随着市场的发展，电动车的市场日益递增，实现并完善电动车的智能控制、简单操作已经 成为需求的一部分。运用单片机的硬件电路与软件相结合的方法来实现电动车的加速、减速、 测速等功能，使电动车的操纵更智能，更简单，更安全，更加适应市场的需求。 关键词：直流电机、步进电机、89C51、测速电路1 引言随着经济的发展，人们收入的增多，衣食住行都发生这明显的变化。自行车代步的年代已经过去，取而代之的是电动车，摩托车甚至是小汽车的普遍。

2、但是相对而言，小汽车代价相对比较高昂，不是一般家庭能够承担得起，摩托车噪音大，事故率高，安全系数低，也被很多大小城市所禁止。相比前两者，电动车有很大的市场优势，体型轻巧、环保、安全、经济适用，成为众多人心中的理想的代步工具。市场的强大需求，推动了电动车的飞速发展，越来越智能化。其中以单片机为核心的智能控制电动车将成为目前发展的一个方向，引领电动时代的潮流。今天，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。为了适应这个发展趋势世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。 中国作为电动车最大拥有国，电动车的发展与国外基本同步。我

3、国在 1992年就把电动车的开发列人国家“八五”重点科技攻关项目。98 年我国发展电动车以来产量大幅增长，从 1998 年的 5.8 万辆发展到 2009 年的 2369万辆。目前我国电动车的保有量已经超过 1.2 亿台，此部分包括了未进入统计的一些小型工厂的销量。截至目前为止我国电动车出口占全世界出口量的 90%，虽然目前电动车在能源和行驶里程方面还未能尽如人意，但已无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论文）毕业设计说明书（论文）- 2 -足以满足人们的基本需要。从技术发展的角度来看，在走过了漫长而艰难的发展历程之后，电动车正面临着重大的技术突破，有望成为 21

4、世纪的重要交通工具。 中国人口众多，具有世界最庞大的电动车市场。目前自行车拥有量为4 亿多辆，如把 10 个自行车换成电动自行车，就需 4000 万辆电动自行车以每辆均价 500 元计算，就是 60 个亿，这是一个巨大的市场，有着强大的吸引力。 现代电动车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于控制系统，而控制系统更多的趋向于单片机控制。因为单片机更适合应用于嵌入式系统因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子

5、玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和甚至比人类的数量还要多。 单片机除了具备一般微型计算机的功能外，为了增强实时控制能力，绝大部分单片机的芯片上还集成有定时器计数器。单片机在结构上的设计主要是面向控制的需要，因此，它的硬件结构、指令系统、和 IO 能力等方面均有其独特之外，其显著的特点之一就是非常有效的控制功能，为此，又称为微控制器 MCU。无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说

6、明书（论文）毕业设计说明书（论文）- 3 -单片机自诞生以来，由于其固有的优点低成本、小体积、高可靠性、高附加值、通过更改软件就可改变控制对象等，已越来越成为电子工程师设计师设计产品的首选器件之一。本次设计主要以 ATM 公司的 89C51 为核心元件，围绕其外部硬件电路与软件相结合的方式来控制电动车的加速、减速、测速等。2 总体方案设计2.1 整体设计单片机控制系统是一个集成电路，可以构成各种各样的应用系统。与其他控制系统相比，单片机具有以下特点：（1）由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。（2）可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设

7、计可以相对比较灵活。（3）由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计设计中可以直接调用，减少较大工作量。综上所述，决定运用单片机系统，详见下图图 1：单片机电动机模块控制模块无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论文）毕业设计说明书（论文）- 4 -图 1 结构框图本次设计主要是分为两大部分：一部分是电机控制部分，另一部分是测速部分。首先，介绍一下电机控制部分，电机控制部分控制步骤：变动数据输入数据的处理电动的状态。数据输入主要是通过数字电路或是模拟电路的方法改变某一个量（电流、电压、电阻）的变化，然后将这种变化输送给单片机，单片机进行数据的采集、储存、分析

8、、处理，最终将以数字量的形式输出，输出电路根据数字信号的变化，再将变化转变为电量的形式，输送给电机，从而实现电机的速度、转向的改变。接着，测速部分控制步骤：速度的采集数据的处理速度的显示。速度的采集主要是通过 S/T 来获得，S 代表路程，T 代表时间，通过额定的时间所行的路程，不过数据的采集主要采集 S、时间 T，而数据的处理则有单片机完成。单片机取两个量的商，并对小数部分进行处理，将一个整型的数据类型输送给显示器，显示根据单片机的指令进行显示。上图就是整个设计的模块图，不难看出，在整个设计模块中，最为核速度显示模块测速模块无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论文

9、）毕业设计说明书（论文）- 5 -心的就是数据的处理，其实就是单片机。无论输入量是什么类型，单片机都要根据输出量来进行分析、处理，从而实现其各个功能。2.2 单片机说明单片机系统中，起到控制和枢纽作用的单片机模块无疑是其中最重要的部分。本设计中采用的是 Atmel 公司的带 8KB Flash 的 8 位微控制器AT89C51 作为单片机芯片，它完全与 MCS-51 系列单片机兼容（从指令集到引脚） 。芯片采用 40 脚双列直插式封装，32 个 I/O 口，芯片工作电压为3.8-5.5V，工作温度为 0-70 度，工作频率可达到 30MHz。它是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有

10、 8KB 在系统可编程 Flash 存储器，使用高密度非易失性存储器技术制造。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论文）毕业设计说明书（论文）- 6 -图 2 单片机最小系统 下面来介绍一下 89C51 单片机最小系统（如图 2） ，单片机最小系统指的是能单独运行的最简系统，一般只是包括 5V 电源、复位电路和晶振电路。电源就不多介绍了，具体介绍一下复位电路和晶振电路。复位电路：单片机的复位电路包含两种，上电复位和手动复位。所谓上电复位，即当单片机加电时由相关电路产生一个复位信号，从而使单片机复位。手动

11、复位指的是用户根据需要使用按键等方式驱动单片机进行复位的一种电路。 STC 单片机可以不使用复位电路，但是为了保证系统的稳定运行，一般要求至少要加上电复位电路。复位电路的构成方法有很多，比如专用复位芯片、看门狗等，但是这些电路相对较为复杂，本设计的复位电路使用的是较为简单的阻容复位电路。 由 C3 和 R5 构成一个上电复位电路,。当单片机上电时，因为电容两端电压不能突变，所以在单片机的 RST 引脚产生一个高电平，从而使单片机复位，随着电容 C3 充电时间延长，电容充电电路逐渐下降，RST 引脚的电压也随着下降。当电压下降到一定程度时，RST 引脚的电压已经不足以使单片机复位，单片机从而进入

12、到正常的工作状态。 手动复位电路使用的按键复位电路，当用户单击SW1 时，RST 引脚出现一个高电平信号，强制驱使单片机进行复位。当用无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论文）毕业设计说明书（论文）- 7 -户放开 SW1 时，RST 引脚恢复为低电平，单片机开始正常运行。注意：当用户单击 SW1 时,由 C3、R6 和 SW1 构成一个环路，C3 在改回路上进行放电，所以 R6 不可缺少；如果缺少 R6 或者 R6 阻值太小，将可能会造成 C3 损坏。本设计采用手动复位的方法。震荡电路：作用给单片机提供一个合适的工作频率信号。一般而言，单片机的震荡信号产生由两种方

13、法：单端驱动和双端驱动。单端驱动即时使用一个外部的稳定时钟信号直接输入给单片机，该方法要求外部存在一个稳定的时钟信号，一般由有源晶体振荡器或者是其他 IC 产生。单端驱动目前已经很少使用，只有在严格要求系统同步的一些系统才会出现。 所谓双端驱动就是说使用一个简单的无源晶体振荡器来构成振荡电路。本设计使用的就是双端方式，在单片机 18 和 19 号两个振荡信号输入引脚间接入一个频率为 11.0592MHz 的无源晶体振荡器构成一个振荡电路。对于这种无源晶体振荡器而言，其两端一般要加入负载电容进行频率的微调，对于 11.0592MHz 晶体振荡器而言，一般使用 2030pF 的瓷片电容即可，此次是

14、采用 30pF 的电容。为了保证单片机的运行，还有一些外围电路也需要注意：尤其要注意EA 引脚，当程序在单片机内部时，EA 一定要连接到高电路，本设计电路EA 脚已被拉高。 单片机的内部单元的作用：1：并行 I/O 接口：单片机芯片内有一项主要功能就是并行 I/O 口。51 系列共有 4 个 8 位的并行 I/O 口，分别记作 P0、P1、P2、P3 每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论文）毕业设计说明书（论文）- 8 -专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低

15、八位地址和数据由 P0 口分时传送，高八位地址由 P2 口传送。2：定时器/计数器：定时器/计数器（timer/counter）是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻 CPU 的负担和简化外围电路都大有好处。 C51 系列包含有两个 16 位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器 T0 和定时器/计数器 T1；在 C51 部分产品中，还包含有一个用做看门狗的 8 位定时器。定时器/计数器的核心是一个加 1计数引脚上施加器，其基本功能是加 1 功能。在单片机的定时器 T0 或 T1中，有一个定时器发生由 0 到 1 的跳变时，计数器增 1，即为计数功能；在单片机内部对

16、机器周期或其分频进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。在单片机中，定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来进行的。 定时器/计数器内部结构及其原理：由定时器 0、定时器 1、定时器方式寄存器 TMOD 和定时器控制寄存器 TCON 组成。当定时器/计数器设置为定时工作方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加 1，直至计满溢出。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为 C51 系列单片机的一个机器周期由 12 个振荡脉冲组成，所以，计数频率 fc=fosc/12。 当定时器/计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚 T0（P3.4）和 T1（P3.5）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。在每个机器周期的 S5P2 期间采样引脚输入电平，若前一个机器周期采样值为 1，后一个机器周期采样值为 0，则计数器加 1。新的计数值是在检测到输入引脚电平发生 1 到 0 的负跳变后，于下一个机器周