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1、基于单片机的电动自行车设计本科毕业设计（论文）题目: 基于单片机的电动自行车设计 姓 名: 学 号：专 业: 自动化 指导教师: 职 称: 教授 日 期: 2010年6月 华科学院1摘 要单片机控制的永磁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。本文从系统要求分析入手，将整个系统分成五个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各部分的控制电路基于LPC933单片机。根据永磁无刷直流电动机的特
2、性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求。关键词：单片机 PWM 无刷直流电动机 八段数码管动态显示AbstractThe of the single a machine control has no to brush the direct current motive adjusts soon the system is applicable to the work circumstance that electricity move small power in etc. in bicycle. Combining
3、 can return the superfluous electric power This system possesses the advantage of good experimental characteristic, high power factor ,energy-saving ,small volume、etc.This paper debates the circuit principle, control method and realization method of into four parts. At the same time, the work condit
4、ion of every part and the energy transmission direction are discussed .The control circuits of the system are based on LPC933 control chip microcontroller .The system by cooperating the hardware and software harmoniously, according to the feature of the experimental motor.Keywords: the single a mach
5、ine PWM brushless dc motor eight figureses tube development manifestation 目 录第1章 引言11.1能源与环境问题11.2“绿色交通工具”的发展状况11.3电动自行车的发展前景展望2第2章 系统功能需求分析52.1设计思路52.2电动自行车工作原理52.3功能分析62.3.1电源电路62.3.2控制电路62.3.3驱动电路62.3.4测速电路72.3.5显示电路72.4电动车对电动机的基本要求7第3章 硬件电路设计93.1电源电路93.1.1电源电路设计93.1.2三端式稳压器78LS0593.2控制电路103.2.1控
6、制电路设计103.2.2单片机113.3驱动电路153.3.1驱动电路设计153.3.2无刷直流电动机163.3.3PWM调速原理183.4测速电路203.4.1测速电路设计203.4.2速度传感器213.5显示电路233.5.1显示电路设计233.5.2八段LED数码显示器24第4章 软件设计274.1主程序设计274.2INT0中断服务设计274.3TO中断服务程序设计28第5章 设计小结29参考文献31致 谢33附录135附录239第1章 引言1.1能源与环境问题二十一世纪是“绿色环保”的世纪，环境保护和能源节约问题成为新世纪最为突出的两大主题。随着工业的发展，城市汽车数量急剧上升，石油
7、资源严重缺乏。研究表明，目前世界石油蕴藏量按照现在的清耗速度仅可供使用50到70年。而石油与国家安全密切相关，该问题己引起各国的极大重视。再从环境角度讲，石油燃烧造成的大气污染曰益严重。在世界环境污染最为严重的十大城市中，我国就占了7个，形势严峻可见一般。汽车排出的CO、HC和微尘颗粒等，会对人类的身体健康造成危害；另外汽车排出的二氧化碳虽然对人体健康无害，但它造成的温室效应破坏大自然的生态平衡，对大气造成严重影响。因此，这两大问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用的积极因素。1.2“绿色交通工具”的发展状况1881年8月在巴黎举行的国际电气展览会上，法国特鲁夫展出了世界上第一辆电动交通
8、工具电动三轮车。这是世界电动车史的开端，也是机动车辆史上具有划时代意义的一件大事。而此时，燃油汽车还尚未“出世”，它是在二十世纪初才出现的。但是当时由于电动机、电池等关键技术的发展还很不理想，而且电动车速度慢、价格高，这一切限制了电动车推广的步伐，所以它只在贵族阶层中作为玩物流行了一段时间便被随后出现的相对便宜且有速度优势的燃油汽车所取代。到了1933年，电动车的数量已经将近为零。在随后的几十年间，电动车辆一直处于发展的低谷，而燃油车辆却发展迅猛，几乎占有了所有市场。于是，托着常常尾巴的机动车开始横行于世，为今天的能源危机和环境污染问题埋下了隐患。而人们直到七、八十年代才开始关注这两大问题，才
9、把零污染零排放的电动车辆从新推到了前台。国外的科研机构早在20世纪60年代就开始了新一轮的电动车研究与开发，到现在电动车大致经历了三各阶段：90年代前，电动车的设计主流是单独采用蓄电池供电，发展了高功率密度的新型蓄电池及其充电技术；90年代起人们开始注意到仅仅使用蓄电池，电动车在近期内还难于传统汽车匹敌，从而混合动力车的研究得到了很大的重视。蓄电池与燃油系统的相互配合使用，可以大大减小车辆在市区的废气排放和污染，在长途运行时可使用燃油系统，但它只是电动车发展过程中的过渡产品：1994年Daimler Chrysle公司推出了采用燃料电池的电动车。它是通过氢氧化合反应得到电能，而副产物仅为纯净水
10、(或水和少量的二氧化碳)。尽管燃料电池汽车技术性能目前已经能和内燃机汽车相媲美，但近期内由于价格太高，还难与内燃机汽车竞争。从70年代起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到1993年，已被确定为国家十大重点科技工程，并制定了电动汽车的发展目标。而与汽车相比，灵活方便的中短途个人交通工具，如自行车、助动车和摩托车等，在全球依然占据绝大多数。全世界每天在骑的自行车约为10亿辆，每年有l亿辆新自行车进入市场。实际上，全球的电动车辆工业领域中发展最快的也是电动自行车、电动助动车和电动摩托车等一类小型电动车辆。在经济发达国家，一般家庭除了必备汽车之外，通常还希望配备多辆小型交通工具，供短途交通或
11、休闲娱乐用，这对没有驾驶执照的老人和未成年人尤其具有吸引力。亚洲城市，一般人口众多，交通拥挤，自行车一直是大多数居民的主要交通工具。但随着城市规模与人们日常活动范围的扩大，骑车就较辛苦，特别是遇到恶劣的天气或路况时，就更加费劲。而目前普通居民的购买力有限，小轿车普遍进入家庭还不太可能，况且燃油、环境和场地等多方因素都制约着汽车不可能成为大众化的代步工具；燃油摩托车曾一度成为许多城市比较普及的交通工具，但由于交通安全和环境保护等因素的影响，近年来在许多大中城市已经采取了限制措施。而电动自行车具有摩托车与自行车的综合优势：轻便、无污染、低噪音且价格较为低廉，它无疑将最有希望首先替代传统的交通工具，
12、成为私人交通工具的重要组成部分。这是一个极其巨大的市场，尤其在人口居各大洲首位的亚洲。我国对电动自行车的研究起步于20世纪80年代初期，经历了几次起落，目前在国内大中城市的应用和推广已可见端倪。但是有部分相关技术水平还存在一定问题，市场的孕育还未完全进入良性循环，有待进一步改善。1.3电动自行车的发展前景展望由于电动自行车自身所具有的优点和近几年来行业内技术的不断进步，决定了其将会有较为广阔的市场前景，尤其在中国这个人口大国，更是有它的用武之地。首先，它具有的轻(质量轻，不大于40kg)、低(速度低，不大于20kmh)、廉(售价低廉，2000-3000元)、省(省时省力)、绿(绿色环保)的突出
13、特点，十分符合广大老百姓的需求；其次，技术进步为电动自行车的发展奠定了基础。无论是整车还是零部件的技术水平都有了很大的提高，特别是其核心部件一电池技术得到了突飞猛进的发展，为电动自行车的进一步发展奠定了良好的技术基础并提供强大的技术支持；再次，电动自行车符合可持续发展要求。对城市而言，大气污染物中的42来自汽车、摩托车等内燃机车的废气排放物，严重威胁着人类的健康。而电动自行车具有零排放、低噪声等独特的绿色环保特点，是一种符合可持续要求的交通工具；最后，我国的经济发展是以内需为主要对象的，作为系统工程技术产品的电动自行车自然能够成为拉动内需新的动力之一。发展才是硬道理。电动自行车作为朝阳产业，前
14、景是非常乐观的，应积极探索、加强管理、加快行业技术进步，以保持在国际上的领先地位，以应对加入WTO的挑战。第2章 系统功能需求分析2.1设计思路本设计采用脉宽调制（pwm）配以单片机为中心控制元件的调速系统。利用霍尔传感器实现传统的车把调速。把电压信号通过单片机中的数模转换控制占空比，速度显示利用八段数码管通过单片机输出显示。2.2电动自行车工作原理电动自行车控制系统的硬件电路主要有五个部分：1）电源电路2）控制电路；3）驱动电路；4）测速电路；5）显示电路。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑
15、稳定性，抗干扰性。控制核心采用LPC933单片机，仅用一块单片机就可以实现信号采集，电机控制和转速显示。如图2-1所示。图2-1总体电路方框图其整体工作过程为：打开电源后，单片机上电复位后，数码管显示车速为00.0。电动车开始行进，人通过拧动手把来调节车速时，单片机中的A/D转化器将采集手把处的模拟电压信直接进行A/D转换。单片机里的数字信号经过处理输出相应的PWM波形，用来驱动安装在后轮的无刷直流电机转动并调节其转速。此时，车轮每转一圈，安装在后轮附近的测速电路就向单片机发出信号，单片机通过计时和计算得出车速，然后通过动态扫描的方式在数码管上显示出来。单片机等器件所需要的+3.3V电压由电动车的电源经过电源电路转化而得到。这样，只需要用一个电源，就能够满足电动机与各个芯片与器件的供电需求。2.3功能分析2.3.1电源电路主控制器中的各个芯片及数字逻辑器件所的正常工作电压远小于无刷电机的额定电压。为了方便电源的配置和保护控制电路中的元器件，需要设计一个电源电路，使电机的额定电压经过转化后，输出一个所需的3.3V电压，并且其输出电压不
