光电驱动电动车的研究—单片机控制系统

光电驱动电动车的研究单片机控制系统摘 要本文从光电驱动电动车控制系统的要求着手，分析和讨论了系统各部分的电路原理以及实现方法。在光 电转换的配合下，根据永磁无刷直流电动机的特性，实施脉宽 PWM 控制；在霍尔传感器检测位置的基 础上，通过回馈制动的控制方式，接收电动车下坡、减速以及停车的机械能量， 馈 送蓄电池，以节约电能。综合采用 AT89C2051 单片机芯片控制系统，使控制更加合理。关键词：单片机，直流电机，传感器，脉 宽调速，回 馈制动A Study of Photoelectric Driven Electric Vehiclessingle-chip microcomputer systemAbstractThis article from the requirements of the photoelectric control system for electric vehicle drive to proceed. Analysis and discussion of the various parts of the system circuit and method. Photoelectric conversion in the co-ordination, in accordance with the characteristics of Permanent magnet brushless DC motor, to control the implementation of PWM pulse width, based on the Detection of the location of the Hall sensor, Through feedback control of the brake, To Receive the mechanical energy of the electric caress downhill、Slow down and stop Feed batteries to save power，A combination of single-chip microcomputer chip control system AT89C2051，More rational of control.Key words: microcontroller, DC motors, sensors, PWM, back brake目 录1 绪论 .11.1 电动自行车发展现况 .11.2 电动自行车的改进 .22 系统硬件电路设计 .22.1 电动车总体结构框图 .22.2 总体电路设计 .33 无刷直流电动机 .33.1 无刷直流电动机的工作原理 .43.2 无刷电机的结构 .43.2.1 供电电源 .43.2.2 位置传感器 .54 PWM 控制技术 .54.1 PWM 技术的原理 .54.1.1 PWM 波的产生 .64.2 PWM 波的调速原理 .64.3 PWM 波的调速方法 .65 回馈制动 .75.1 回馈制动的控制原理 .75.2 回馈制动的实现原理 .76 AT89C2051 芯片介绍 .86.1 概述 .86.2 主要功能特性： .96.3 AT89C2051 引脚功能说明： .96.4 定时器 .106.4.1 定时器概述 .106.4.2 定时器的控制 .116.5 两种低功耗模式 .126.5.1 空闲模式 .126.5.2 掉电模式 .136.6 振荡器 .136.6.1 振荡器连接端 .136.6.2 振荡器特征 .137 程序设计 .147.1 程序流程图 .147.2 中断程序流程图 .158 结束语 .15致谢 .16参考文献 .17附录一 电路总图 .18附录二 控制程序 .191 绪论电动自行车作为一种有效替代燃油车的绿色交通工具， 拥有节能、环保、便捷三大优点，在减轻或消除城市环境污染方面将发挥着越来越大的作用。电动自行车控制器是最关键的部分。目前，电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。电动自行车在正常运行过程中，控制器可以通过信号采集与处理，将运行速度、电压状况等提供 给显示部分。现在的电动自行车电机主要分有刷和无刷两大类。其中无刷直流电机的发展前景较好。有刷和无刷直流 电机大都采用脉宽调制的 PWM 控制方法调速，只是选用驱动电路、集成电路、功率管和某些相关功能上的差别，并都具有 过流保护功能。本课题主要研究电动车的再生制动，即 电动车 的驱动电机运行在再生发电状态时,既可以提供制动力,又可以给电池充电回收车体动能,从而延长电动车续驶里程。同时采用以单片机 为核心的控制器，其控制精度高， 调试简单，可进行功能扩展，有助于控制器向智能化方向发展。1.1 电动自行车发展现况电动自行车为人们的出行和缓解交通压力做出了巨大贡献，电动自行车轻便、快捷、适应 了现代人追求环保、效率、安全的需要，得到了人们的认可。 1998 年我国电动自行车年产量约 6 万辆，1999 年产量翻番达 13 万辆，据估算到2006 年我国的电动自行车的数量已达到 2100 万辆。电动自行车的电机经过十多年的发展，曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种 驱动方案。目前 较为成熟的有两大类:一类是带减速齿轮的有刷电机，有盘式结 构和圆柱结构两种；另一类是不带减速齿轮的直接驱动无刷直流电机。现在电动车所使用的电机大多数采用有刷电机，其特点是体积小,功率大。根据实践经验,控制器的损坏,大多是由于驱动管损坏而引起其他元器件损坏。因此，控制器的好坏主要取决于功率驱动管的负载能力。电动自行车用电机功率大多是在 150180 W 之间，采用 36V/ 48V 电池供电，额定电流在 4.55A 。电动自行车用电池为铅酸蓄电池， 电池过充电和过放电均会缩短电池寿命。大电流放电还会损坏驱动管，以至于损 坏控制器，因此控制器必须有防止过充电保护。控制器设计应确保电机工作在额定电流范围内，允许有一定的过载能力和大电流自动保护功能，以保护电池和功率驱动器件。使用刹 车时 ，控制器要禁止 输出。为了防止过放电，控制器要对 供电电压随时进行检测，一旦低于阀值(一般为标称电压的 0. 85)关闭控制器输出。尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但已足以满足人们的基本需要。1.2 电动自行车的改进太阳能是可再生能源，太阳能发电是 21 世纪发展的总趋势。太阳能光电池是对光有响应并能将光能转换成电力的器件。光伏效应的实质是：光子能量转换成电能的过程。采用光电驱动 的电动车，有利于太阳能的广泛开发和利用，省去麻烦的充电环节，做到对无限 资源可持续利用和对环境的零污染，是未来电动自行车的发展趋向。直流无刷电机具有明显的优势，它既具有直流电动机运行效率高、调速性能好又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的 优点。目前 电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电机，用电子换向取代了机械换向，电角度有 60和120两种。由于 电机具有可逆性，电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以通过回馈制动，回收制动能量对电池进行充电，提高电动车的行驶里程。采用回馈制动，可接收电动车 下坡、减速、停车时的能量，以节约电能。结果表明 ：采用此种控制方式可达到 10 %左右的能量回收率，进而提高电动车能量利用率。根据以上方案系统的具体 设计要求为：（1）在现有的电动车基础上利用太阳能光电池进行光电转换给蓄电池进行充电，以对电动车进行供电；（2）根据结构图，以单片机为控制中心设计电机控制系统的硬件电路，设计能实现再生制动，以节约电 能。（3）无刷直流电动机采用脉宽调制的 PWM 控制方法 调速；（4）分析工作原理，根据流程图进行软件编程。2 系统硬件电路设计2.1 电动车总体结构框图电动自行车的电气部分由电源、轮毂、控制器、霍尔调 速转把、刹车手把等组成。总 体结构框图见图 1 所示。电动自行车在骑行中, 控制器的功率驱动管处于开关工作状 态。行驶速度与控制器输出的电压成正比。 电机电流控制采用脉宽调制(PWM) 方式, 不同的速度电机电流也不同。因此, 在不同的速度和负载下,功率管的功率损耗也不同。其速度由霍尔调速手把送出信号, 经 A/ D 转换后送至 单片机, 再由单片机根据输入信号的强弱, 输出相对应的 PWM 脉冲信号送到功率 驱动管。欠压保护和过流保护功能,由运算放大器分别采样后送至单片机,再由单片机控制禁止输出。AT89C2051霍尔转把信号 A/D 转换欠 压 保护电机过流保护电机驱动电路电机霍尔信号直流无刷电动机电源 稳压系统刹 车断电信号图1 电动自行车电气部分原理结构框图2.2 总体电路设计本设计是以 AT89C2051 为核心的电动车控制系统。具体电路如附图（1）所示，由于 89C2051 内部没有 PWM 和 A/D 转换，因此它要借助了三个模拟比较器完成相应工作。IC8B 作为电 池欠压检测器，欠压时 ，给单片机(13)脚一个低电平；IC8D 做过流检测器，过流 时， 给单片机 脚一个低电平；借助普通 I/O 口(11)脚输出，通 过积分电路和转把模 拟速度信号在 IC8A 进行比较后.输入单片机(12)脚，用软件完成 PWM 控制，然后分三相六路输出到三个专用驱动芯片 IR2103。由IR2103 驱动每相的上、下 桥的 VDMOS 管。从而使电动车运行。IR2103 是半桥式驱动芯片，可以快速可靠地驱动 MOSFET 管。其中 HO 接上桥臂 NMOS 管的栅极； LO 接下桥臂的 NMOS 管的 栅极，无刷电机就接在两桥臂的中间。从驱动芯片输出信号端到 MOSFET 的门 极之间分别加了 电阻R2R7，它 们的作用是限制 电流信号，同 时起阻尼作用。驱动电路中的场效应管为 N 沟道增强型功率管 STP60NF06，它的最大漏源极电压 VDSS=60V，饱和导 通时的漏源极之间的电阻 RDS0.016。允许通过的最大漏极电流 ID=60A。为了提高系统的效率，减小 MOSFET 的功率损耗，应使功率开关工作时的通态电阻最小，即 VGS10V。3 无刷直流电动机无刷直流电动机的本质是自同步运行的永磁同步电动机 1，由永磁同步电动机、转子位置传感器和控制 驱动电路三部分组成。无刷直流电机采用逆变器驱动，进行电子换向，具有没有换 向火花、抗干 扰性强、运行可靠、维护简便、使用寿命长等优点。3.1 无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的基本运行原理是：根据转子位置传感器所提供的转子位置信号来产生换向信号，控制功率电路的开通与关断，在永磁同步电动机中产生旋转的定子磁动势，这样可以使该定子磁动势与转子磁动势之间的电角度保持在90 度左右，从而产生接近于恒定的电磁转矩。3.2 无刷电机的结构无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。图中 电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动的控制哪些相绕组通电，哪些相 绕组断电， 实现电子换相。其原理框图如图 2 所示：直流电源 电子开关 无刷电动 机位置传 感器输 出图 2 无刷直流电动机的原理框图3.2.1 供电电源由于采用光电结合的充电方式，太阳能电池板是整个电源的重要组成部分，要将光电转换后的电能同时给蓄电池供电。太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、防过充电路向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为 若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，以供 驱动电动车电机的运转使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成，一般容量要能 满足用户的行程使用。 图 3 太阳能电池的发电原理图太阳能电池的发电原理如图 3 所示。当具有适当能量的光子入射于半导体时,相互作用产生电子与空穴（因失去电子而带正的电荷）。如半导体中存在 PN 结，那么电子 向 N 型半导体扩散，空穴向 P 型半导体扩 散，并分 别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有 电荷流动产生电能。3.2.2 位置传感器霍尔式传感器具有结构简单，性能可靠，成本低的优点， 综合考虑，本设计采用霍尔式传感器。霍尔式位置传感器是利用“霍尔 效应”进行工作的。利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式传感器的转子。通过 感知转子上的磁场强 弱变化老辨别转子所处的位置。其基本原理是将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两侧通以电流（控制电流）， 则在薄片的另外两侧会产生一个电势（霍尔电动势），其原理图如图 4 所示。对于一定薄片的霍尔电动势 UH 由以下式表示：IBKH式中：K H灵敏度系数；I控制 电流（A）；B磁感应强度（T）； 图 4 霍尔效应原理这种效应为霍尔效应。 利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子的磁场强度大小和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化，从而起到检测转子位置的作用。4 PWM 控制技术4.1 PWM 技术的原理 2在阐述 PWM 技术原理前，需要提到采样控制理论中的一个中重要结论：冲量相等而形状不等的窄脉冲加在具有惯性的环节上的效果基本相同。所谓冲量，即窄脉冲的面积。而效果相同，是指该环节 的输出响应波形基本相同。电力电子中常用的 PWM 技术的基本原理是利用高 频载波与控制波进行比较，从而 产生经过调制的 PWM 波，调制波和载波的交点，决定了 PWM 脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度。一般的，载波信号有 锯齿波和三角波两种。4.1.1 PWM 波的产生脉冲宽度调制器（PWM）的基本原理是将直流信号和一个 调制信号比较。电压波形如图 5 所示（Ut 为直流电压，Uct 为输入的三角波，Upwm 为需要的 PWM电压），将直流控制电压在比 较器的输入端与三角波相加，同时进行比较的还有负的偏移电压。当直流电压为零时，得到正负半周脉冲宽度相等的调制输出电压。当直流电压大于零时，使输入端合成电压为正的宽度增大，即锯齿波过零的时间提前，在输出端得到高 电平比低电平宽的调制输出电压。当直流电压小于零时，输入端合成电压被降低，高 电平宽度减小，低 电平宽度增加。 4.2 PWM 波的调速原理图 5 三角波脉宽调制器t tt t tUt+UctUt+Uct Ut+UctUpwmUpwmUpwmt占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间长短与周期的比值。占空比的变化范围大于零小于一。当 电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变占空比就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是 PWM 调速原理。4.3 PWM 波的调速方法在 PWM 调速时，占空比是一个重要参数。以下三种方法都可以改变占空比的值：定宽调频法，调宽调频 法，定 频调宽法。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的很少。目前，在直流电动机的控制中，主要采用定频调宽法。5 回馈制动5.1 回馈制动的控制原理回馈制动的控制原理是升压斩波，即在一个 PWM 周期内 3，如 图 6 所示，当 t0-t1 时绕组电感积蓄磁场能量，导致回路电流上升，此时的系统状态称为续流状态；当 t1 一 t2时，定子 绕组电感放电，向蓄 电池充 电， 导致回路电流下降，称为充电状态。5.2 回馈制动的实现原理半桥调制控制系统主要由蓄电池、逆变电路、无刷直流电动机和系统控制单元等几部分组成，图 7 所示 为电路连接图。 图 7 中 T1-T6为功率开关器件，D1D 6 为续流二极管。回 馈制动期间，采取两两 导 通的方式，在三相 桥式电路中，每一瞬间将有 2 个功率管 导通，每隔 60换相 1 次，具体换相时刻根据电动机的位置传感器 HALL 信号进行判断，每次 换相时一个 导通的功率管被分断，而另外一个桥臂上原先分断的功率管导通，即桥臂之间进行轮流换相，每个功率管导通 120，且作 PWM 运行，如 图 8 所示。图 6 一个 PWM 周期内的电流波形 图 7 半桥调制控制原理图回馈制动只有处于相同半桥上的三个元件有 PWM 开关动作,而另半个桥上的三个元件则总是截止的。 现以对下半桥进行 PWM 控制为例,当某相反电势为正向最大的 120电角度的区 间内,对该相的下桥臂开关元件进行 PWM 控制,则可以产生可调的制动电磁转矩。图 8PWM 与 HALL 信号的对应关系1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA TitleNumber RevisionSizeBDate: 11-May-2009 Sheet of File: E: .DDB Drawn By:V4 V6 V2CB A+_D1 D3 D5D4 D6 D2T4 T6 T2CA BUd CdOiaeaibebicecT1 T3 T5V1 V3 V5当电机转速低于额定转速，或电机电源切断后，由于惯性的作用， 电动机仍要继续旋转，这时的电动机就 变成一台减速的发电机，电枢绕组中同样会产生电动势。在 发电状态下，利用控制器的控制信号将功率主电路中上半桥功率管T1，T3，T5 全关闭，而下半桥功率管 T2，T4，T6 分别 按一定规律进行 PWM 控制。因上半桥续流二极管的存在，其等效电路如同一个半控整流电路。因电动车电源是蓄电池， 电机在进入发电 状态时，其 发电电压必须 高于蓄电池电压才能输出电功率，采取的控制方法是半控整流的 PWM 升压原理。电机低转速时，控制器控制 T2，T4，T6，使其按规律作 PWM 工作，以 产生泵 升电压。当泵升电压高于蓄电池端电压时，输出电能。这里，选择 T1 和 T6 导通区 间进行分析，在发电运行时，T1 和 T6 并不 导通，而是 T4 导通，且处于脉宽调制工作状 态。所谓半控整流的 PWM 升压工作原理其实就是升压斩波。在一个 PWM 周期内，当 T4 打开时， 绕组电 感积蓄磁场能量，导致回路内电流上升；当 T4 关断时，绕组电感向蓄电池充电，导 致回路电流下降。在 这一 过程中，通 过选择合适的PWM 占空比 ，可在蓄电池两端获得 UocU n （Uoc 为蓄电池内电压，U n 为充电回路电压），从而实现能量回馈。等效原理 图见图 9 所示。回 馈制动的实质，就是在 T4 导通时，电机的机械能 转换为磁场能量储 存在电机绕组中；在 T4 截止时，将电机的机械能及储存在电机绕组中的磁场能量转换为电能，经电感升压斩波的作用，将能量回馈给蓄电 池。由于 电枢电流方向与反 电势方向相反，因而 电机获得制动转矩 T。图9 回馈制动等效电路6 AT89C2051 芯片介绍 96.1 概述AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS8 位单片机，片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机数据存储器（RAM ），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统 ，片内置通用 8 位中央处 理器和可反复擦写的 Flash 存储器，可有效地降低开发成本。功能强大 AT89C2051 单片机可提供许多高性价比的应用场合。6.2 主要功能特性：*兼容 MCS51 指令系统；*2KB 可重编程 FLASH 存储器（1000 次）；*2.76V 电压范围；*全静态工作：0Hz 24KHz；*2 级程序存储器保密锁定；* 1288 位内部 RAM；*15 条可编程 I/O 线； *两个 16 位定时器/计数器；*6 个中断源，两个外部中断源；*可编程串行通道；*高精度电压比较器（P1.0， P1.1，P3.6）； *直接驱动 LED 的输出端口；*低功耗空闲和掉电模式AT89C2051 的管脚引脚图如图 10 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber R ev isio nS izeBDate: 2 1-May -2 00 9 S heet o f F ile: D:P rog ram FilesDesig n Ex plo rer 9 9 S ELib rarySchP ro tel DOS Schematic Libraries.d dbDrawn By :2 01 91 81 71 61 51 41 31 21 1GNDP 3.5P 3.4P 3.3P 3.2XTAL1XTAL2P 3.1P 3.0R STP 3.7P 1.0P 1.1P 1.2P 1.3P 1.4P 1.5P 1.6P 1.7VCC1234567891 0图10 AT89C2051封装管脚引脚图6.3 AT89C2051 引脚功能说明：VCC：电源电压 、GND：地P1 口：P1 口是一组 8 位双向 I/O 接口， P1.2P1.7 提供内部上拉电阻，P1.0和 P1.1 内部无上拉 电阻。P1 口输出缓冲器可吸收 20mA 的电流并可直接驱动LED。编 程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。P3 口：P3 口的 P3.0P3.5、P3.7 是带有内部上拉电阻的 7 个双向 I/O 接口。P3.6 没有引出，它作 为一个通用的 I/O 口，但是不可访问。可作为固定输入的片内比较器的输出信号。当 P3 口写入 1 时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。P3 口的特殊功能如表 1 所示：RST：复位输 出。当振 荡器复位器件 时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1：振荡 器的反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡 器反相放大器的输出端。表1 P3口的特殊功能6.4 定时器 136.4.1 定时器概述89C2051 单片机片内有两个 16 位定时器/计数器，即定时器 0（T0）和定时器1（T1）。它们都有定 时和事件 计数功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。定时器 T0 和 T1 两个 16 位定时器实际上都是 16 位加 1 计数器。其中，T0引脚 功能特性P3.0 RXD （串行输入口)P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 (外中断0)INTP3.3 (外中断1)P3.4 T0 (定时 /计数器 0外部输入)P3.5 T1 （定时/计数器1外部输入）由两个 8 位特殊功能寄存器 TH0 和 TL0 构成；T1 由 TH1 和 TL1 构成。这些功能都由特殊功能寄存器 TMOD 和 TCON 所控制。设置为定时工作方式时，定时器计数 AT89C2051 片内振荡器输出的经 12分频后的脉冲，即每个机器周期使定时器的数值加 1 直至计满溢出。当AT89C205 采用 12MHz 晶振时，一个机器周期 为 1s,计数频率为 1MHz。设置为计数工作方式时，通过引脚对外部脉冲信号计数。当输入脉冲信号产生由 1 至 0 的下降沿时，定 时器的值加 1。在每个机器周期的 S5P2 期间采样 T0和 T1 引脚的输入电平，若前一个机器周期采 样值为 1，下一个机器周期采样值为 0，则计 数器加 1。此后的机器周期 S3P1 期间，新的数值装入计数器。所以，检测一个 1 至 0 的跳变需要两个机器周期，故最高计数频率为振荡频率的 1/24。除了可以选择定时或计数工作方式外，每个定时器/计 数器还有 4 种工作模式，也就是每个定时器可构成 4 种电路结构模式。6.4.2 定时器的控制定时器共有两个控制字，由软件写入 TMOD 和 TCON 两个 8 位寄存器，用来设置 T0 或 T1 的操作模式和控制功能。当 89C2051 系统复位时，两个寄存器所有位都被清 0。（1）工作模式寄存器 TMODTMOD 用于控制 T0 和 T1 的工作模式，其各位的定义格式如图 11 下所示：TMOD D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0图 11 工作模式寄存器TMOD的位定义其中，低4位用于T0，高 4位用于T1。以下介绍各位的功能。M1和M0：操作模式控制位。两位形成 4种编码，对应4种操作模式，见表2。表 2 M1 和 M0 控制的 4 种工作模式M1 M0 工作模式 功能描述0 0 模式0 13位计数器0 1 模式1 16位计数器1 0 模式2 自动再装入8位计数器1 1 模式3定时器0：分成两个 8位计数器。定时器1：停止计数C/T：定时器/计数器方式选择位。C/T=0，设置为定时方式。定时器计数片内脉冲。C/T=1，设置为计数方式，计数器的输入是来自T0或 T1端的外脉冲。GATE：门控位。GATE=0时，只要软件使TR0（或TR1）置1，就可以启动定时器，而不管INT0(或 INT1)的电平是高还是低。GATE=1时，只要INT0( 或 INT1)引脚为高电平且由 软件使TR0（或TR1）置1时，才能启动定时器工作。TMOD不能位寻址，只能用字节设置定时器工作模式，低半字节设定T0 ，高半字节设定T1。（2）控制寄存器TCON定时器控制寄存器TCON除可字节寻址外，各位 还可位寻址，各位定义及格式如图12所示。TCON 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88HTF1 TF0 TR1 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0图12 控制寄存器TCON的位定义TCON各位的作用如下。TF1：T1溢出标志位。当T1溢出时，由硬件自 动使中断触发器TF1置1，并向CPU申 请中断。当CPU 响应中断进入中断服务程序后，TF1又被硬件自动清0，TF1也可以用软件清0。TF0：T0溢出标志位。功能可操作情况同 TF1。TR1：T1运行控制位。可通过软件置1或清0来启动或关闭T1 。在程序中用指令使TR1置1，定时器T1便开始计数。TR0：T0运行控制位。功能及操作情况同TR1。IE1、IT1、IE0、IT0：外部中断INT1、INT0请求及请求方式控制位。89C51复位时，TCON的所有位被清0。（3）模式1初值及定时时间的计算公式：T= （216初 值)振荡周期126.5 两种低功耗模式6.5.1 空闲模式在空闲模式下，CPU 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态， 这种方式有软件产生。此时，片内 RAM 和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或者硬件复位终止。P1.0 和 P1.1 在不使用外部上拉 电阻的情况下 应设置为“ 0”，或者在使用上拉电阻的情况下设置为“ 1”。应注意的是：在用硬件复位终止空闲模式时， AT89C2051 通常从程序停止一直到内部复位获得控制之前的两个机器周期处回复程序执行。在这种情况下片内硬件禁止对内部 RAM 的读写，但允 许对端口的 访问，要消除硬件复位 终止空闲模式对端口意外写入的可能，原则上进入空闲模式指令的下一条指令不应对端口引脚或外部存储器进行访问。6.5.2 掉电模式在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内 RAM 和所有特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变 RAM 中的内容在 Vcc 恢复到正常工作电平前，复位应无效且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。P1.0 和 P1.1 在不使用外部上拉 电阻的情况下应设 置为“ 0”，或者在使用上拉电阻的情况下设置为“ 1”。6.6 振荡器6.6.1 振荡器连接端XTAL1:振荡 器反相放大器以及内部 时钟发生器的输入端XTAL2:振荡 器反相放大器的 输出端6.6.2 振荡器特征XTAL1、XTAL2 为片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，如图 13 所20191817161514131211GNDP3.5P3.4P3.3P3.2XTAL1XTAL2P3.1P3.0RSTP3.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7VCC12345678910C2C1体 体 体 体 体 体 C1, C2=30pF+10pF体 体 体 体 体 体 C1, C2=40pF+10pF20191817161514131211GNDP3.5P3.4P3.3P3.2XTAL1XTAL2P3.1P3.0RSTP3.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7VCC12345678910NC体 体 体 体 体 体 体 体示。可采用石英晶体或者陶瓷振荡器组成时钟振荡器，如需从外部输入时钟驱动AT89C2051,时钟信号从 XTAL1 输入，XTAL2 应悬空。由于输入到内部电路是经过一个 2 分频触发器，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但它必须符合电平的最大和最小值及时序规范。 (a)内部振荡电路 （b）外部时钟驱动电路图 13 振荡器的连接图7 程序设计 7.1 程序流程图图14 程序流程图初始化，清标志字节开始中断是否刹车是否欠压是否过流是否改变输出波形？输出波形，控制电机刹车保护程序欠压保护程序过流保护程序改变波形程序程序开始YYYYNNNN7.2 中断程序流程图图15 中断程序方框图定时器 0 开始保护现场每隔一定时间 A/D 转换恢复现场返回8 结束语本设计主要采用单片机AT89C2051为控制核心，通过脉宽调制PWM来控制电机的电枢电压，从而实现电动车的调速控制。利用升压斩波的原理实现能量回馈制动。其回 馈制动的实质，就是将电机的机械能及储 存在电机绕组中的磁场能量转换为电能，经电感升压斩 波的作用，将能量回 馈给 蓄电池，以 节约电能，延续电动车的行进里程。本设计侧 重于软件电路的设计，软件设计主要的程序模块有主程序、定速程序、中断程序，A/D采集、速度 计算等。由于时间和知识水平的限制，其电路的设计存在一定的缺陷与不足，对软件编程研究不够透彻，本系统 完全符合可再生能源未来的发展趋势，作为一种小型的独立供电系统，又具有较 高的性价比，很容易在其他领域得到推广使用，具有很好的市场发展潜力。由于太阳能受到环境、天气等条件的制约，能 够应用于汽车方面，更是不易，所以，太阳能要想在电动车 方面得到很好的应用， 还 需要进一步开发、研究。致谢经过半年多的努力，本课题顺利完成。首先，感谢我的 导师对我的培养、指导和关心。无论从选题到帮助解决编程中遇到的问题，还是论文的审阅， 导师都投入了很大的心血。同时，导师一丝不苟的精神也深深感染、教育了我，让我少了些浮躁、多了些踏实。不但教我如何的写好论文， 还使我的精神受到了很大的鼓舞，使我在以后的工作中，不断努力，不断超越自己。同时，在我进行资料查询和整理时，机 电学院的老师和同学也给了我大力帮助，使我顺利地完成了这次 设计，借此 临近毕业之际 向他们表示真诚的感谢。 ，老师你们辛苦了！参考文献1 张琛.直流无刷电动机原理及应用M. 北京机械工业出版社 ,1996. 2 孙艳霞. 基于单片机的无刷直流电动机脉宽调速系统J. 沈阳工业大学学报3 吴峻，李圣怡，潘孟春等再生制动的分析与控制J. 电工技术杂志， 2001，(12)：2122，324 李先祥.无刷直流电机的单片机监控系统的研制J. 电气 传动自化,2002,24(3):3638. 5 林卫星. 基于 89C52 单片机多功能 应用系统J. 工业控制计算机, 2002,(02)6 沈卓君,刘电霆,蒋存波. 电动自行车智能控制器研制J. 桂林工学院学报, 2002,(04)7 周晓正, 潘渊影, 谢祖荣, 万京生. 一种实用的电动车 控制器J. 电力电子技术, 2000,(04)8 潘渊颖,周晓正,蓝波,曾建唐. 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