基于AVR單片機(jī)的新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)示教平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

閆亞林

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

現(xiàn)有市面上新能源汽車多以電動(dòng)汽車為主要研究對(duì)象，而純電動(dòng)汽車主要由電機(jī)控制系統(tǒng)、電驅(qū)控制系統(tǒng)、電池系統(tǒng)組成，除核心控制系統(tǒng)外還包括基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)，如汽車電源系統(tǒng)、汽車照明與信號(hào)系統(tǒng)、汽車儀表及報(bào)警系統(tǒng)、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、汽車空調(diào)系統(tǒng)及汽車輔助系統(tǒng)。該平臺(tái)可以展示基礎(chǔ)電氣控制系統(tǒng)，不僅便于職業(yè)院校開展實(shí)訓(xùn)實(shí)踐模塊，同時(shí)為新能源汽車企業(yè)的研發(fā)提供指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

新能源汽車基礎(chǔ)電氣控制系統(tǒng)示教平臺(tái)以計(jì)算機(jī)技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、汽車基礎(chǔ)電氣技術(shù)為基礎(chǔ)，以單片機(jī)為核心控制器，結(jié)合自行設(shè)計(jì)的端口擴(kuò)展電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)的展示，模擬新能源汽車的實(shí)際運(yùn)行工況，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。該示教平臺(tái)裝置主要由電源系統(tǒng)、ECU控制系統(tǒng)、輸入電路、輸出電路4部分組成。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括車載充電機(jī)、蓄電池、DC／DC降壓電路；ECU控制系統(tǒng)主要基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制信號(hào)的處理；輸入電路設(shè)計(jì)包括轉(zhuǎn)向控制電路、轉(zhuǎn)速控制電路、前進(jìn)／后退控制電路、車速檢測(cè)、電壓檢測(cè)電路等；輸出電路設(shè)計(jì)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、汽車空調(diào)電路、照明控制電路、液晶顯示電路、電動(dòng)儀表電路。綜合設(shè)計(jì)新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)示教平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)示教平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

新能源汽車電氣控制系統(tǒng)示教平臺(tái)主要由電源系統(tǒng)、ECU控制系統(tǒng)、輸入電路、輸出電路4部分組成。下面對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 電源系統(tǒng)

新能源汽車示教平臺(tái)電源系統(tǒng)DC／DC降壓電路是將蓄電池的DC 12V電壓變換為DC 5V電壓，主要實(shí)現(xiàn)ECU控制器等模塊的供電，而汽車照明與信號(hào)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、汽車空調(diào)系統(tǒng)燈都由DC12V供電。電源電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電源電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 ECU控制系統(tǒng)

自行設(shè)計(jì)AD數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)蓄電池電壓、車速控制電壓、轉(zhuǎn)向控制電壓的檢測(cè)。利用PWM的優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最?。?］。將PWM用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用來調(diào)節(jié)新能源汽車整車的車速和轉(zhuǎn)向；AVR單片機(jī)與PCA9555和74HC595進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求的16路輸入和24路輸出的擴(kuò)展，豐富了ECU控制單元的控制能力。ECU核心控制芯片采用ATMega328位單片機(jī)，由于電動(dòng)汽車控制內(nèi)容較多，該芯片只有28引腳，I／O口有限，這里采用3片74HC595串／并行芯片進(jìn)行輸出擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)24路輸出，采用PCA9555 IIC轉(zhuǎn)GPIO控制芯片實(shí)現(xiàn)16路輸入擴(kuò)展，符合新能源電動(dòng)汽車控制接口需求多的要求。ECU控制系統(tǒng)如圖3所示，輸入擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)如圖4所示，輸出擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.3 輸入電路

新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)示教平臺(tái)的輸入電路包括車速檢測(cè)、各路信號(hào)電壓檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽車照明控制等，現(xiàn)對(duì)各輸入電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1）車速檢測(cè)：行駛中的汽車要對(duì)車速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過在電機(jī)端部加入霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)，車輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器會(huì)輸出120個(gè)脈沖，該脈沖經(jīng)過ECU單元進(jìn)行計(jì)算可以得到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。車速檢測(cè)信號(hào)電路如圖6所示。

圖3 示教平臺(tái)ECU

圖4 示教平臺(tái)輸入擴(kuò)展模塊

圖5 示教平臺(tái)輸出擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)模塊

圖6 車速檢測(cè)信號(hào)電路

2）電壓檢測(cè)電路：蓄電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，也是核心部件，通過對(duì)電池電壓、電流的檢測(cè)，可以很好地保護(hù)電池，以防止電池過沖、過放電。

3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：為了模擬電動(dòng)汽車無刷電機(jī)的運(yùn)行，綜合對(duì)比選用小型12V直流電機(jī)作為該平臺(tái)電機(jī)，該電機(jī)設(shè)計(jì)采用四驅(qū)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)電機(jī)共用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298可以滿足12V、2A控制要求。

4）照明控制電路：照明控制包括遠(yuǎn)光燈、近光燈、小燈、前后轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈、霧燈、倒車燈等共計(jì)18個(gè)燈，具體布局如圖7所示。照明控制電氣系統(tǒng)采用DC12V進(jìn)行供電。

圖7 汽車照明系統(tǒng)燈光布局圖

2.4 輸出電路

新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)示教平臺(tái)的輸出電路包括液晶顯示電路、電動(dòng)儀表控制電路、空調(diào)控制系統(tǒng)等，現(xiàn)對(duì)各輸出電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1）液晶顯示電路：128×64液晶屏（圖8）用于顯示整車運(yùn)行狀況，顯示內(nèi)容包括有轉(zhuǎn)向、擋位、車速、儲(chǔ)電池電壓等。LCD12864帶中文字庫的128×64是一種具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊［2］。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，可以顯示漢字、圖形，同時(shí)具有人際交互好、低電壓、低功耗、成本低的特點(diǎn)［3］。

圖8 128×64液晶顯示屏

2）電動(dòng)儀表顯示電路 （圖9）：電動(dòng)儀表用于直觀反映當(dāng)前車速和蓄電池電壓，采用0～180km／h、0～15V模擬量進(jìn)行控制。

圖9 電動(dòng)儀表顯示電路

3）空調(diào)控制系統(tǒng)：結(jié)合實(shí)際電動(dòng)汽車空間有限，設(shè)計(jì)示教裝置的空間有限，這里采用半導(dǎo)體制冷片來進(jìn)行模擬空調(diào)制冷和制熱效果，在驅(qū)動(dòng)電路方面由于半導(dǎo)體制冷片的驅(qū)動(dòng)電流較大，這里選用低導(dǎo)通電阻的MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管來控制。汽車空調(diào)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路見圖10。

圖10 汽車空調(diào)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要通過單片機(jī)作為核心控制器對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行采集、處理、分析，發(fā)出指令讓系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)狀態(tài)運(yùn)行，如：車速、蓄電池電壓檢測(cè)、前進(jìn)、后退、停止等信號(hào)。新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)平臺(tái)軟件運(yùn)行流程圖如圖11所示。

圖11 新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)平臺(tái)軟件運(yùn)行流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試分析

經(jīng)過綜合設(shè)計(jì)，整個(gè)控制系統(tǒng)以ECU控制器為中心，充分展現(xiàn)新能源汽車“三電”核心，即電池、電機(jī)、電驅(qū)控制系統(tǒng)為核心的控制系統(tǒng)。新能源汽車基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)示教平臺(tái)實(shí)物調(diào)試如圖12所示。首先給新能源汽車基礎(chǔ)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行充電，然后上電后將開關(guān)放置在運(yùn)行擋，示教裝置控制系統(tǒng)開始初始化，之后打開電源，將車速擋位開關(guān)放置在一擋，方向選擇前進(jìn)或后退，則可以控制車輪的前行和后退，同樣可以通過不同功能開關(guān)控制汽車照明與信號(hào)系統(tǒng)各個(gè)信號(hào)，當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)示教裝置的轉(zhuǎn)速表、電量表結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)都有相應(yīng)的指示數(shù)據(jù)，同時(shí)顯示屏將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示，方便以不同形式實(shí)時(shí)查看檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖12 新能源汽車基本電氣控制系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試圖