一種電動車調(diào)速與測速裝置的設計與實現(xiàn)

李騰飛

摘 要：該文描述了一種電動車調(diào)速與測速裝置的設計與實現(xiàn)方法，該裝置包括電動機驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路、電動機轉(zhuǎn)速測量單元、轉(zhuǎn)速與狀態(tài)顯示單元和MCU控制器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路根據(jù)電動車油門位置信息的變化輸出不同占空比的PWM波信號給電動機驅(qū)動電路，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。MCU控制器輸出開關信號控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路的工作狀態(tài)，同時根據(jù)轉(zhuǎn)速測量單元輸入的轉(zhuǎn)速信號，計算出當前時刻的電動車車速并實時輸出給轉(zhuǎn)速顯示單元顯示。

關鍵詞：轉(zhuǎn)速控制 電動機驅(qū)動 MCU控制器 PWM波

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（b）-0018-02

隨著化石能源的逐漸減少以及使用化石能源帶來的環(huán)境污染問題的日益嚴重，新能源的使用開始被世界各國所廣泛提倡。在我國，僅2017年全年，純電動汽車的產(chǎn)能已經(jīng)達到52.6萬輛。生產(chǎn)電動車的關鍵技術之一就是設計可靠、安全、高效的電動機調(diào)速與測速裝置。所以，電動車的大量普及使得研究生產(chǎn)更為安全高效、成本更加低廉的調(diào)速測速裝置成為必須。

傳統(tǒng)電動車利用霍爾轉(zhuǎn)把調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)把里面有一個可以感應磁力線大小的線性霍爾元件，此外還有一塊磁鐵，當轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動時磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動，霍爾元件感應到磁力信號的變化后就給控制器發(fā)出信號，從而控制電機轉(zhuǎn)速。但是這種調(diào)速方法的硬件電路與機械結構都較為復雜，其生產(chǎn)成本也比較高。而該設計使用NE555定時器輸出PWM波進行調(diào)速，硬件開銷大幅度下降，械結構更為簡單，生產(chǎn)成本也更加低廉。

此外采用槽型光耦合器與電壓比較器LM393組成的電路作為測速單元，其輸出的數(shù)字信號可以直接作為單片機的外部中斷輸入，單片機對輸入的外部中斷進行計數(shù)，然后通過軟件把該數(shù)值轉(zhuǎn)換為真實的速度值。該設計同時使用數(shù)字化液晶顯示裝置，改傳統(tǒng)的模擬表盤顯示器不同，數(shù)字液晶顯示不僅極大地提高了顯示精度與實時性，而且也降低了硬件成本。

1 硬件設計與原理

1.1 電動機調(diào)速電路

該設計采用脈寬調(diào)制（PWM）方法進行調(diào)速，脈寬調(diào)制器常用在開關電源或穩(wěn)壓電源中，要使開關電源穩(wěn)壓范圍寬（即輸入電壓范圍大），可利用555定時器產(chǎn)生寬范圍的PWM波。這個電路的輸出可以控制光耦合器，進而驅(qū)動MOSFET去控制通過電動機的電流，達到平滑控制電動機速度的目的。

調(diào)速電路主要由NE555多諧振蕩器[1]、光耦合器EL817、三端穩(wěn)壓器7805、MOS管75NF75等組成，其功能框圖如圖1所示。

其中，NE555多諧振蕩器通過外接電容電阻構成PWM波發(fā)生電路，可以通過調(diào)節(jié)其觸發(fā)輸入端的電阻來改變輸出端輸出的PWM波形的占空比。光耦EL817是一種把紅外光發(fā)射器件和紅外光接受器件以及信號處理電路等封裝在同一管座內(nèi)的器件，當輸入電信號加到輸入端發(fā)光器件LED上，LED發(fā)光，光接收器件接收光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后將電信號直接輸出，或者將電信號放大處理成標準數(shù)字電平輸出，這樣就一來光耦EL817實現(xiàn)了“電—光—電”的轉(zhuǎn)換及傳輸，光是傳輸?shù)拿浇椋蚨斎攵伺c輸出端在電氣上是絕緣的，也稱為電隔離。多諧振蕩器電路輸出的PWM波經(jīng)過光耦合器EL817實現(xiàn)強弱電隔離以及波形放大后作為MOS管的柵極驅(qū)動電壓控制MOS管的導通時間，從而實現(xiàn)調(diào)速功能。

1.2 控制電路

MCU俗稱單片機，又稱之為嵌入式微控制器，它的出現(xiàn)可以說是計算機制造技術高速發(fā)展的產(chǎn)物。單片機在經(jīng)過近40年的發(fā)展之后，目前其應用已非常普遍。在所有系列的單片機中，美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C5x單片機以其強大的性能、低廉的價格低，從而在我國MCU市場中占據(jù)很大的份額。由于單片機軟硬件相結合、體積小、可靠性高又容易嵌入應用系統(tǒng)中，所以，單片機在嵌入式控制系統(tǒng)在工業(yè)、儀表、通信、汽車等各個領域都有廣泛的應用。控制電路以AT89C51微控制器最小系統(tǒng)為核心，AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能8位微處理器[2]，通過一定的軟件編程從而實現(xiàn)對車速的計算、顯示等功能。

1.3 測速電路

測速電路主要由槽型光電耦合器WYCH2010和電壓比較器LM393組成。WYCH2010槽型光耦又叫做透射式光電傳感器，它是將砷化鎵紅外發(fā)射管和硅光敏三極管在空間中以相對的方向安裝在中間帶槽的支架上[3]。當槽內(nèi)無物體時，砷化鎵發(fā)射管發(fā)出的光直接照在硅光敏三極管的窗口上，從而產(chǎn)生一定值的電流輸出，當有物體經(jīng)過槽內(nèi)時則擋住了光線，光敏三極管無輸出，以此可識別物體的有或無。LM393是雙電壓比較器，它有兩個輸入端和兩個輸出端，一個基準電壓端，輸入端電壓低于基準電壓時輸出端為高電平，反之輸出端電平翻轉(zhuǎn)。電動機每轉(zhuǎn)動一周便會遮擋槽型光耦一次，那么槽型光耦的輸出端電平就發(fā)生一次跳變，該跳變的電平作為電壓比較器LM393的同相輸入端的電壓，最終會在電壓比較器的輸出端產(chǎn)生一個變化的數(shù)字信號，供單片機檢測計數(shù)[4]。

1.4 顯示電路

顯示電路主要器件為LCD1602。1602液晶是一種專門用來顯示字母、數(shù)字和符號的點陣型LCD模塊。它由若干個5×7或5×11的點陣字符位組成，每個點陣字符位都可顯示一個字符，每位與之間都有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。

2 軟件設計與分析

軟件部分使用Keil C51編寫，編程語言為C語言。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理以及一個功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整的開發(fā)方案。在編程時，遵循自頂向下、逐步求精、模塊化的風格設計算法，使得單片機資源得到充分利用而且執(zhí)行效率最高。使用Keil軟件自身得仿真功能，在編程完成后進行仿真，最后再進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，程序流程圖如圖2所示。

當系統(tǒng)上電以后，單片機首先執(zhí)行初始化程序，包括I/O口初始化、定時器初始化、外部中斷的初始化和LCD1602顯示器的初始化[5]。接下來程序判斷剎車信號是否有效，如果此時處于剎車狀態(tài)那么單片機便發(fā)出復位信號禁止NE555多諧振蕩器產(chǎn)生PWM波[6]，若沒有剎車信號則NE555多諧振蕩器會根據(jù)油門位置的改變產(chǎn)生占空比不同的PWM波信號，控制電動機轉(zhuǎn)速。當槽型光耦槽內(nèi)有遮擋變化時會給單片機發(fā)一次中斷，在定時器1s內(nèi)計算高低電平變化次數(shù)并轉(zhuǎn)換為當前車速[7]。由單片機計算出的車速值被發(fā)送到液晶顯示器LCD1602的數(shù)據(jù)端并顯示出來。

3 結語

文章詳細描述了一種實用的電動車調(diào)速、測速與顯示的裝置。該裝置采用模塊化設計方法，在設計調(diào)速電路時，考慮到接線簡單且成本低等因素，決定使用NE555定時器組成的占空比可調(diào)的PWM輸出電路，只需調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值即可調(diào)節(jié)車速的大小。電動機驅(qū)動模塊同樣兼顧成本與效率的因素，使用光電耦合器作為驅(qū)動信號的放大和強弱電的隔離，使用MOS管P75NF75直接驅(qū)動電動機。車速檢測部分則使用槽型光耦和電壓比較器組成的電路，當槽內(nèi)有物體遮擋時輸出高電平，無遮擋時輸出低電平，這個高低電平的變化被單片機檢測到以后在經(jīng)過一定的處理就可以把車速送LCD顯示。最終經(jīng)過軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，證明了系統(tǒng)工作的可靠性，其實現(xiàn)也大大降低了此類裝置的生產(chǎn)成本。

參考文獻

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[2] 徐愛鈞，彭秀華.單片機高級語言C51應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3] 康華光.電子技術基礎（模擬部分）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4] 張毅剛，彭喜元.單片機原理與應用設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 楊曉東.微型計算機原理與接口技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[6] 唐介.電機與拖動[M].北京：高等教育出版社，2007.

[7] 趙家貴.電子電路設計[M].北京：中國計量出版社，2007.