基于51 單片機的新型電動車動能回收裝置設計

胡龍，徐穎

（淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽淮北，235000）

0 引言

隨著時代的發展，乘坐車輛已經是人們出行的主要方式，而在交通出行上的能源使用，在總能源使用上占比很高。車輛在下坡或速度過快時需要通過頻繁剎車控制車速，此過程中，大量能量隨著輪胎與地面摩擦轉化為了內能，進而耗散在了空氣中。為了避免這種能量浪費，需要通過動能回收裝置對這些能量進行回收。目前動能回收裝置已經少部分用于高端汽車與高端電動摩托車上[1]，主要有輪轂電機式，機械飛輪式、車身液壓式和發動機氣壓式[2]，上述這幾種方法雖然可以有效地對動能進行部分回收，但是由于其體型龐大，結構復雜，且無法人為控制，導致其動能回收效率低下的同時，對用戶駕駛體驗影響較大[3～4]。因此針對以上現狀我們團隊設計了一種新的動能回收裝置，該裝置主要用于電動車下坡與車速過快時的動能回收，能有效減少電動車騎行時的能源浪費，響應了我國對節能減排的號召。

1 硬件設計

該裝置整體硬件設計由五部分組成，如圖1 所示，即控制系統、數據處理系統、能量傳遞系統、動力來源和能量回收與儲存系統五部分。其中控制系統由MMA8452 三軸加速度傳感器與控制按鈕組成，數據處理系統由單片機與其工作電路組成，能量傳遞系統由電磁離合與機械傳動裝置組成，能量回收與儲存系統由發電機、穩壓模塊和電池組成，動力來源為電動車車輪動能。工作時，數據處理系統通過接收控制系統的信息來判斷是否開啟能量傳遞系統，能量傳遞系統可以開啟或關閉動力來源和能量回收與儲存系統之間的連接，當其開啟時，發電機工作，動能回收啟動。關閉時，發電機停止工作，動能回收停止。考慮到成本等情況，本設計采用 STC89C52 單片機作為控制核心，控制與協調各系統的工作，此類單片機比較常用且價格低廉。本設計可移植性良好，在后續對功能進行擴展與優化時可選用更高性能的單片機。

圖1 電動車動能回收裝置系統框圖

■1.1 數據處理系統

數據處理系統由STC89C52 單片機與復位電路和外部晶振電路組成，電路圖如圖2 所示。STC89C52 單片機是一種微控制器，它有高性能，低功耗的評價，它具有系統可編程Flash 存儲器可儲存8K 字節的數據。STC89C52 使用了MCS-51 內核，這款內核非常經典，但是由于STC 的開發者對這款單片機做了很多的改進，使得芯片具有了傳統51 單片機不具備的功能。STC89C52 設有 40 個引腳，包括 GND接地電源，VCC 正極電源、兩個晶振引腳、RST 復位引腳，以及 P0 到 P3 的32 個IO 口等。其中：P1 到P3，24 個管腳均內置上拉電阻；P0 管腳為 OC 集電極輸出管腳，其8個管腳無內置上拉電阻，需外加上拉電阻；P3 管腳具有復用功能。

圖2 數據處理系統

1.1.1 晶振電路

晶振又稱晶體振蕩器，由于其通電后可以產生一個穩定的脈沖信號，所以晶體振蕩器廣泛應用于微芯片的時鐘電路中。單片機想要正常工作，需要依靠內部的一個同步時序電路，單片機為了保證內部電路同步的實現，需要使內部電路在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按照時序工作。晶振的作用就是為給單片機內部電路提供一個基準時鐘信號。在STC89C52 單片機的內部有一個高增益反相振蕩器，其輸入端引腳為19 引腳XTAL1，其輸出端引腳為18 引腳XTAL2，只要在這兩個引腳之間跨接晶體振蕩器并外加兩個起振電容（容量30pF 左右)，就可以構成一個穩定的自激振蕩器，為單片機提供一個時鐘信號。

1.1.2 復位電路

任何系統都無法保證可以持續正常工作，單片機也不例外。單片機復位電路的作用就是：將單片機進行初始化，讓單片機的程序從頭開始執行。復位電路的目的是：在單片機運行過程中出現異常時通過復位進行初始化，重新開始工作。通常可以在電路中通過對單片機RST 引腳施加一定寬度的復位脈沖，使單片機進行復位。具體過程為：將RST復位管腳拉高并維持至少24 個時鐘加10μs，使單片機會進入復位狀態，當RST 復位管腳拉回低電平后，單片機結束復位狀態并從用戶程序區的0000H 處開始正常工作。

■1.2 控制系統

控制系統主要由MMA8452 三軸加速度傳感器與兩個控制按鈕組成。MMA8452 是三軸加速度傳感器，在本設計中用來檢測電動車傾斜角并將數據傳遞給單片機。兩個控制按鈕直接與STC89C52 單片機相連，用于人為控制動能回收系統的開閉。

1.2.1 MMA8452 三軸加速度傳感器

MMA8452Q是一款智能低功耗三軸電容式微機械系統，它具有12 位分辨率的加速計。MMA8452Q 具有用戶可選的滿量程有±2g、±4g、±8g 等經過高通過濾后的數據和實時可用的未過濾數據。MMA8452 可配置成從任何組合產生慣性喚醒中斷信號，可配置的嵌入式功能允許MMA8452Q監控事件，并在閑置期間保持低功耗模式。

在本設計中MMA8452 用于檢測電動車傾斜角，其檢測原理為：設g為重量加速度，當軸加速度傳感器方向與重力加速度同向時設為零傾斜角度，其檢測值為g。當傳感器方向發生偏轉，設偏轉后方向與加速度方向夾角為θ，此時沿軸方向的重力加速度為gcosθ，設此時傳感器檢測結果為F(θ)，如圖3 所示。則此時有：

圖3

對其進行求導得：

當θ →0 時：

故當傾斜角θ 太小時角度測量的精度就會很小，當角度足夠大時精度才會上升。所以對于一軸傾斜角傳感器運用方法是：把它的傳感方向與重力加速度方向垂直時的狀態設為零傾斜角度[5]，如圖4 所示。此時：

圖4

當θ →0 時：

這時加速度在測量角度小時精度更高，對于本裝置應用場景，三軸傳感器僅需測量z 軸角度便可判斷電動車是否處于下坡狀態，可通過：

來計算傾斜角。

■1.3 能量傳遞系統

能量傳遞系統主要由電磁離合與其相應機械裝置組成，電磁離合是在傳統離合裝置的基礎上，使用電磁鐵產生的磁力來替代傳統離合裝置中人為提供給彈簧片的壓力。相較于傳統離合裝置，電磁離合在使用中更為方便，常用于自動化與無人駕駛汽車等。機械傳動裝置由齒輪、鏈條、法蘭盤組成，用于將電動車輪的動能傳遞給動能回收與儲存系統。

1.3.1 電磁離合

電磁離合是電磁力產生壓緊力的摩擦式離合器。按結構可分為：干式電磁離合器、濕式電磁離合器、磁粉離合器、轉差式電磁離合器等。按工作方式電磁離合又可分為：通電結合和斷電結合。由于電磁離合能實現遠距離操縱，控制能量小，便于實現機床自動化，同時動作快，結構簡單，獲得了廣泛的應用。電磁離合器的作用是將提供給主動軸的力矩從傳遞到從動軸一側。由于其具可以對動力傳遞進行實時切斷與連接，所以它廣泛用于各種機構（如機床中的傳動機構和汽車等)，以實現快速啟動、制動、調速等功能。相比傳統離合器（液壓式或氣動式離合器)，電磁離合器使用電能進行驅動，使其易于實現遠距離控制，所以它是自動控制系統中一種重要的元件。

電磁離合器的工作原理利用線圈通電時產生磁力使銜鐵的彈簧片產生變形，從而使動盤與“銜鐵”吸合在一起，使離合器處于接合狀態，利用磁力傳動來傳遞轉矩。當線圈斷電時，磁力消失，“銜鐵”在彈簧片彈力的作用下彈回，使主動部分與從動部分處于分離狀態。在分離過程中主動部分與從動部分仍可以繼續轉動[6]，其主要結構如圖5 所示。

圖5 電磁離合結構圖

1.3.2 機械傳動裝置

機械傳動裝置如圖6 所示，使用了兩個法蘭盤、一個電磁離合器與一個齒輪，使用鏈條、鋼軸與皮帶進行傳動。其作用是將動力源即電動車輪的動力傳遞給動能回收與儲存系統。

圖6 機械傳動設計

機械傳動裝置的設計為：法蘭盤L1 附在電動車車輪上，L1 與L2 之間用鏈條相連，作用是將電動車車輪的動能傳遞給法蘭盤L2。法蘭盤L2 與電磁離合L3 用D 形軸相連。電磁離合未通電時，L2 傳遞的動能無法通過D 形軸傳遞給發電齒輪L4。只有將電磁離合通電時，發電齒輪L4 才會通過D 形軸與法蘭盤L2 同步轉動。機械傳動裝置是可控動能回收的關鍵，開啟時，其可通過一系列動能傳遞將動力源與能量回收與儲存系統相連。

■1.4 能量回收與儲存系統

能量回收與儲存系統由發電機、穩壓模塊以及電池組成，可以將電動車輪的動能轉化為電能并儲存。本設計選用直流發電機與12V 穩壓模塊。具體過程為：通過能量傳遞系統將車輪動力傳遞給發電機，發電機工作輸出電流，由于此時電流不穩定，故通過穩壓模塊將發電機輸出電流轉化為12V 電壓的穩定電流，給電池充電儲存電能。

1.4.1 直流發電機

直流發電機是把機械能轉化為電能的裝置。主要用在電解、電鍍、電冶煉、充電等需要直流電的地方，也用作電力整流元件，把交流電變成直流電。從使用方便、運行的可靠性等角度和某些工作性能方面來看，直流電動機目前還不能和交流發電機相比。直流發電機的電勢波形比較好，電磁干擾較小、但由于其存在換向器，其制造、維護復雜，價格相比交流發電機較高。其工作原理為：通過電磁感應原理，線圈切割永磁體磁場產生交變電流 。再通過電刷與換向器接觸輸出直流電。

1.4.2 穩壓模塊

穩壓模塊可以將電壓不穩定的直流電輸出為電壓恒定的穩定直流電。穩壓模塊的運用場景非常廣泛，它經常用在各類充電電路，電子產品，芯片供電中，可以說，幾乎所有電器的供電都離不開降壓模塊。它的工作原理是法拉第電磁感應定律，即當連接電路的磁通量改變時，電路中感應到的電動勢與磁通量變化率成正比。在降壓模塊中的傳輸動作是通過繞組之間的相互感應來完成的。

2 電路設計

本裝置中的電路設計主要用于連接硬件設計中的控制系統、數據處理系統與能量傳遞系統，具體電路圖如圖7所示。電路中：STC89C52 單片機通過5V 電源供電，其XTAL1 和XTAL2 與晶振電路相連，RST 與復位電路相連，構成了數據處理系統。單片機的21 到25 管腳與控制系統相連，用于接收控制系統傳輸的信號。單片機的39 管腳與一型號為MPS3703 的PNP 型三極管相連，用于控制電磁離合的開閉，通過對電磁離合的控制，來達到對能量傳遞系統的控制。在控制系統中：使用了兩個控制按鈕與MMA8452 三軸加速度傳感器，控制按鈕一端與單片機連接，一端接地。按鍵按下過程中會產生一定抖動，一般需在程序中加入延時函數進行消抖。MMA8452 與單片機使用同一5V 電源供電，啟動后會自動檢測三軸加速度值，并將數據傳遞給單片機。能量傳遞系統中：由于繼電器與單片機無法使用同一電源供電，故使用了三極管與一路繼電器模塊來控制電磁離合工作。

圖7 電路設計圖

3 程序設計

程序設計是設計很重要的一部分，軟件編寫的好壞直接影響裝置的可靠性[7]。為方便后續的優化升級，本設計采用模塊化。主控程序的主要任務是系統初始化，控制各硬件子模塊運行，根據接收到的外部指令執行相應的子程序，程序流程圖如圖8所示。程序執行流程為：當單片機通電后程序開始運行，并進入初始化給單片機各引腳設置電平，MMA8452 開始工作。初始化后，單片機開始檢測控制系統的信號，即兩個控制按鈕的電平與MMA8452 傳遞的加速度數據。若檢測到開啟按鈕按下則執行開啟動能回收函數，若檢測到關閉按鈕按下則執行關閉動能回收函數，若按鈕未按下則執行傾斜角角度計算函數。傾斜角角度計算完成之后進入判斷函數，若角度大于設定值，則執行開啟動能回收函數，若角度小于設定值則返回接收控制系統數據，判斷傾斜角步驟是下坡自動開啟動能回收的關鍵。當程序執行到開啟或關閉動能回收之后，若電源關閉，則程序結束。若電源未關閉，在經過延時函數延時之后返回到系統初始化，此過程是為了使裝置在運行過程中更穩定。經過上述程序運行過程，可實現本裝置的下坡自動開啟動能回收、人為控制動能回收等功能。

圖8 程序流程圖

4 理論設計計算

對于本裝置，在忽略空氣阻力等其他因素后，我們做了如下理論計算。

目前我國新國標電動自行車后輪輪轂大多為半徑r=0.4064m。設定裝置中L1半徑為r1=0.25m，厚度為0.01m；L2 半徑為r2=0.10m，厚度為0.01m；L3 半徑為r3=0.07m；L4半徑為r4=0.07m，厚度為0.01m。設電動車下坡時的速度為 ν m/s，發電機功率為240W。

后輪角速度為：

可得L1 轉動角速度：

由于L1 與L2 之間用鏈條傳動，有：

可得L2 轉動角速度ω2：

L2 與L3 用D 形軸傳動，得：

由r4=r3得：

得轉動1s 后 L4 轉角θ：

得發電機工作1s 發電量：

如果以電動車下坡50km/h 的速度計算，1s 大概發電0.52J。如果電池容量為1A/h，則只需2.3h 動能回收裝置就能給該車充滿電。

5 創新點及應用

■5.1 創新點

（1)傳統動能回收裝置主要用于汽車等大型交通工具，而本裝置主要用于電動車等小型交通工具。

（2)相較于傳統動能回收裝置，本裝置使用了電磁離合，在未開啟動能回收時發電機不工作，對正常行駛幾乎無影響。而傳統動能回收裝置將發電機集成在動力輪上，在未開啟動能回收時發電機也會產生電勢差，對行駛過程中有一定安全隱患。

（3)相較于傳統動能回收裝置，本裝置使用了單片機作為控制系統，可對動能回收系統的開閉進行操控，用作輔助剎車對速度進行控制。而傳統動能回收裝置一般在剎車時自動開啟，開啟時車輛停止時間短，在一些情況下容易產生追尾事故。

（4)相較于傳統動能回收裝置，本裝置使用了MMA8452 三軸加速度傳感器，可在下坡時智能開啟動能回收裝置，對速度進行控制，保證行駛安全。而傳統動能回收裝置在下坡時，只有在一定條件才可以開啟動能回收裝置[2]。

■5.2 預計應用前景

可應用在電動車、三輪車等交通工具上，可在速度過快或下坡時對動能進行回收，可使電動車續航更長，減少了一定的能源浪費。

對本裝置進行一定改造，還可用在電動汽車上，預計在電動汽車上的動能回收效率更高，但缺點是對汽車底盤的空間要有一定的占用。