电动助力车电机驱动系统设计

摘要电动助力车在当前石油资源短缺和环境污染的加剧的情况下，作为一种理想的“绿色”代步工具，其发展收到了人们的重视。电动助力车因其廉价、无污染、噪音低、操作简单等特点，俨然成为人们出行的优选。目前的电动助力车大多采用直流电机作为动力，其操作性和可靠性的优劣与电机驱动系统密切相关。本课题详细介绍了电动助力车的电机驱动原理和霍尔传感器，以及STC公司的STC12C5A60S2单片机的性能和特点，并设计以STC12C5A60S2单片机控制模块为核心，由单片机控制电机驱动和操纵系统。该系统电机设计功能齐备、使用方便、经济实用、工作可靠、检测速度快、容易做到实时控制转速，并显示转速。本课题的研究内容主要有一下几个方面：（1）介绍了电动助力车电机驱动的相关技术，分析利用单片机对直流电机进行控制的基本原理，分析利用传感器技术进行转速测量的方法；阐述电动助力车电机驱动系统的设计方案。（2）完成系统的硬件电路的设计，包括电机驱动电路与转速采集电路以及调速电路的设计，单片机控制模块的设计与显示电路的设计。（3）编写系统软件程序并对各个模块进行调试。制作硬件样机，并进行系统性能的分析。关键词：单片机；电机驱动；PWM调速；LCD显示；转速测量AbstractInthecaseofoilresourceshortagesandenvironmentalpollution,electricbicycleasagreenmeansoftransportisreceivedmuchattention.Becauseofitscheap,pollution-free,lownoise,easyoperationandsoon,electricbicycleseemstohavebecomethepreferred.AtpresentmostlyusedDCmotorforelectricbicycleasthedrivingforce,thequalityofmotordrivesystemoperationandreliabilityarecloselyrelated.Thissubjectintroducestheelectricbicyclemotor-drivenprinciplesandinfraredandhallsensors,andtheperformanceandcharacteristicsofAtmelSTC12C5A60S2microcontroller,designedwithSTC12C5A60S2microcontrollercontrolmoduleasthecore,controlledbysingle-chipmicrocomputerdriveandcontrolsystemformotor.Motorfunctionofthesystemiscomplete,easytouse,economicalandpractical,reliable,fast,easyreal-timecontrolspeed,andspeedisdisplayed.Thecontentsofthissubjectaremainlythefollowingaspects:(1)Describedmotordriveforelectricbicycle-relatedtechnology;describedoncontrolofDCmotorbyusingsingle-chipmicrocomputerprinciple;describedonelectricbicyclemotordrivensystemdesign.(2)Describedhardwaredesign,includingmotordrivecircuitandspeeddataacquisitioncircuitsandspeedcontrolcircuitdesign,anddesignofsingle-chipcomputercontrolmodulecircuitdesign(3)Writingsystemsoftwareprogramanddebugeachmodule,producedahardwareprototype,andanalysisperformanceforthesystem.KeyWords:MCU;Motordrive;PWMspeedcontrol;LCDdisplay;speedmeasurement目录摘要.IAbstract.II1绪论.11.1课题背景，目的和意义.11.2直流电机驱动系统的现状.21.3直流电机驱动技术的发展方向.21.4本章小结.32直流电机驱动系统.42.1直流电动机.42.2PWM控制技术.42.2.1PWM脉宽调制技术.42.2.2PWM脉宽调制原理.52.3直流电机PWM调速的基本原理.52.3.1直流电机基本工作原理.52.3.2PWM电机调速原理.62.3.3采用PWM控制的电机调速方法.72.4直流电机调速的PID算法.72.5总体方案设计.72.6本章小结.83硬件系统设计.93.1单片机最小系统.93.1.1单片机系统概述.93.1.2单片机STC12C5A60S2.93.1.3复位电路和时钟电路.113.2供电电路.123.3显示电路.133.4电机驱动电路.143.4.1L298电机驱动模块.143.4.2光电隔离保护电路.163.5转速测量模块.183.6按键控制电路.193.7本章小结.204系统软件设计.214.1主程序设计.214.2PID算法子程序.214.3LCD显示子程序.224.4本章小结.225硬件制作和调试.235.1硬件制作过程.235.2硬件调试.235.3本章小结.246结论.25致谢.26参考文献.27附录一基于单片机电动助力车电机驱动系统电原理图.28附录二基于单片机电动助力车电机驱动系统PCB图.29附录三基于单片机电动助力车电机驱动系统C语言源程序.30附录四元件清单.341绪论1.1课题背景，目的和意义近年来，作为一种新型的“绿色”代步工具电动助力车正逐渐兴起。随着全国城市地区面积日益扩大，使得人们的出行活动区域更加宽阔，那么使用自行车作为骑行工具就比较费力，尤其是路途较远的地方，再加上可能会遇到顶风、爬坡的状况。由于当前我国居民的收入普遍不高，汽车普及各个家庭还不太现实，况且还有燃料、环保以及停车场地等诸多方面因素的制约，汽车都难以成为大多数人用得上代步工具。虽然摩托车现在仍是许多地方比较常见的交通工具，但由于驾驶摩托车易引发交通事故和摩托车尾气造成的许多城市的环境污染，所以近几年来，一些大中城市都出台了相应了交规法规来限制摩托车的驾驶。伴随现代文明的发展，科学技术的进步，人们环保意识的提高，不污染环境、噪音影响小、使用简单、速度较为合适的居民交通代步工具电动助力车，作为一种理想的“绿色”交通工具，为人们出行活动带来了便利。而且电动助力车集普通自行车和摩托车各优势于一身：轻巧便利、绿色无污染、噪声低且价格相对便宜，无疑是解决城市居民日常代步的重要发展方向。无刷直流电机是现在比较广泛应用的作为众多机械设备驱动的电机，目前市面上的电动助力车大多数采用这种电机作为动力源。无刷直流电机指在电机结构中不存在机械电刷及换向器的电机，它的原理是通过自身换向而不用电刷和换向器。因为有刷直流电机的电刷产生的环流而使得电刷摩擦造成损坏，容易产生火花且引发噪声，对周围环境带来了恶劣的影响，而无刷直流电机能明显改善这些缺陷，同时具备有刷直流电机很多优点。无刷直流电机回馈系统简易，功率密度足够大，拥有足够大的负载转矩，操作起来更加人性化；对冲击负载有更大的承载能力，能多次无级迅速起动、制动和反转；让电机和逆变器能发挥本身的机能，并且调速性能优秀、容量小、惯性力矩小、质量低，不会有励磁损耗，能适应自动化生产过中各种不同情况的操作要求。交流电机的诸多优点在无刷直流电机中得到体现，如构成比较简易、能安全稳定地运行、定期维修保养便利等。同时不会造成因为换向器和机械电刷的存在使得有刷直流电机所带来的不良影响，如刺耳噪声、摩擦电火花、电波扰动以及寿命短等，且制造成本不高，电机维修简单方便。电动助力车的电机驱动系统的主要功能是对电机进行调速控制，让助力车能获得稳定的速度和方便灵活的控制。随着现代科学技术的提高，以及制造工艺的要求，通过调节电枢回路中的电阻大小来进行调速、改变电压高低调速等技术已经跟不上当前时代的需求。那么这时候，以PWM方式控制直流电机调速的方法由此而生。使用PWM控制技术后，模拟电路不易随时间飘移，减少一些不必要的热量损耗，以及降低噪声等，实现了数字式控制模拟信号，能大幅降低成本以及功耗。随着我国经济和生产事业的发展，在诸多情况下，都需要用直流电机PWM调速系统来进行调速，而PWM调速系统不用过多的元器件、系统组成精简、操纵随性、可调范围大和使用期限长等，因此在多个领域受到了广泛应用。1.2直流电机驱动系统的现状目前直流电机驱动的方法主要有以下几种：第一：在早期的调速系统中，一般选择的供电方式为直流电压，改变电枢回路的阻值来调节直流电机的转速。这种控制电路较为简单，操纵简便，开发和制造难度不高。然而这种方法调速精确性较低，转速控制偏差较大。第二：发电机电动机调速，这种驱动方法是通过闸流管，电机放大器和电磁放大器实现的，因而在调速时有良好的性能，不存在初期调速系统中调速不精确以及调速过程不稳定的缺点。然而，在该系统中电力设备，电子元器件繁多，线路连接太过繁琐，致使空间占用过大，增加成本。第三：汞浆变流器为核心的调速系统，该方式能显著提升调速性能，而且调速精确性高，响应迅速。但这种调速方式也并不完美，由于该系统是基于汞浆变流器的，所以变流器中含有的汞极易挥发对人的身体造成不良影响。从前几年开始，PWM驱动控制技术作为新型的控制技术发展迅猛，使直流电机的控制技术在应用上有更广阔的前景。在半导体中直流电压是可以随其通断来改变的，当半导体的开关处于开通状态时，直流电压为高电平；当半导体的开关为断开状态时，直流电压变成低电平。简单来说，利用半导体的特性来控制直流电压的输出就是PWM技术简要应用。直流电压信号随着半导体开关的通断时间的变化而呈现脉宽或是频率的形式，以此来改变并输出平均直流电压值。近代以来许多有关直流电机控制的各种技术发展日益成熟，在微处理器的选择上具有重大意义，采用单片机控制有很大趋势。在直流电机控制中，使用单片机来发生PWM脉冲信号，在逻辑电路的控制上有深远意义。单片机体积和重量都很小，比较容易操控而且成本也十分低廉，而且在程序开发中编程语言实现的难度不高，所以在直流电机调速系统中，通常选择单片机作为微控制器。在PWM调速控制下，有诸多优点：直流电机驱动系统能源消耗显著降低，工作性能稳定效率明显，因此更多的研究的热点朝直流电机控制方向发展。1.3直流电机驱动技术的发展方向近年来，电力电子、自动控制、微处理器等发展快速的新型技术越来越多应用到了直流电机驱动技术中去。精度高、响应快、稳定性好、成本低、能耗小等成为直流电机驱动技术发展的新要求。电机分为同步电机和异步电机。同步电机调速有调极和调频两种，然而它们的缺点也尤为突出：调极方式调速不平滑，调速不够稳定；调频方式调速范围小，电机工作电压限制在很小范围，只能为单一功率设备提供动力。异步电机调速有变极调速和交流变频调速两种。交流变频调速是利用晶闸管对三相电压变流，输出类似正弦波的电压，是电机获得类似正弦波变化的电压，从而实现调速3。变极调速设备简易、操作难度低，但无法平滑稳定调速；交流变频调速能实现平滑调速，但是设备庞杂，价格昂贵。而PWM驱动方式不会出现上述调速方法的缺点，该驱动方式调速范围很宽、能趋于线性平滑稳定地调速、调速响应回馈及时迅速。采用微处理器能对电动机驱动系统进行自我调控，可以说促进了电气自动化发展。而且在电动自行车市场经济上有不少的优势，由于整个调速系统体积小、结构简单，这样不会很笨重。而且可靠性高、操作维护方便，便于长期使用和保养。电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，这样人在骑行的时候就会感到十分平稳，在普及上有广阔的市场前景。1.4本章小结本章为本文的开篇总括描述，主要介绍了本课题的背景、目的以及意义，介绍了直流电机调速系统的现状以及直流电机调速技术的发展方向。阐述了利用PWM调速技术作为电动助力车电机驱动系统的调速控制手段的优越性。为下文的具体研究做了充分的铺垫。2直流电机驱动系统2.1直流电动机电动助力车的动力源采用的是直流电机，是一种能将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机的定子部分用来产生磁场，固定机身的作用，直流电源向电枢的绕组提供电流，换向器使电枢电流和电磁形成的转矩方向维持不变。直流电动机又分为两类：一类是有刷直流电动机，另一类是无刷直流电动机。主要是根据是否配置有机械电刷和换向器来判断。以差异的供电方式来划分的话，无刷直流电机可分为两类：方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机。第一类电动机，其反电动势和供电电流均由矩形波来提供，正因如此这类电动机也被叫做矩形波永磁同步电动机；而第二类电动机，其反电动势和供电电流这两种波形都由正弦波来支持。最近，随着微处理器、自动化技术、电力电子等技术的大力发展还有高开关频率、大功率低功耗的电力电子元器件的普及，和高磁能级、成本更低的新永磁材料的出现，使无刷电动机处于理想的发展环境。现在，无刷直流电动机已不仅单纯地能进行电子换向，还包含有刷直流电机负载特征。目前无刷直流电机已经十分成熟，调速特性经过多年的改良变得很完善，并且无滑动接触，换向时不会产生火花，操作更为安全，使用期限长噪声低等优点，因而在各个相关领域都获得了广泛的应用。不仅是应用在最初的军事工业上，在现代中的数控机床、机械重工、医疗设备、航天航空、电动汽车、工业自动化领域和家用电器等方面都迅速发展。因而在电动助力车的驱动系统中，直流电机是一种不错的选择。2.2PWM控制技术2.2.1PWM脉宽调制技术驱动电路是调速电路的重要组成部分，电机调速系统采用微机完成数字化控制。脉冲宽度调制（PWM）技术与开关功率电路已是电气传动中的潮流，多年之间，直流电机以其良好的线性特性，出众的调速范围，低成本等优点成为绝大部分调速控制系统和闭环位置式系统的优先选用。因此，基于PWM的直流电机调速技术在在现代电气传动系统中被广泛运用，在电动助力车的驱动系统中也大多采用PWM技术。脉宽调制的全称为脉冲宽度调制，英文名称为PulseWidthModulator，简称PWM，是一种利用微处理器来完成对模拟电路控制的一种技术。简单的说，就是利用微处理器来调整一系列脉冲的宽度，输出的波形是人们想要的形状和幅值。这项技术运用简单，灵活操作，响应敏感，这些特点使得人们在直流电动机控制中，经常使用这门技术进行调速。市场上有售卖的调速器大多数利用脉宽调制（PWM）原理制作的电机调速器。PWM调速器不仅在工业直流电机调速、工业传送带调速上十分普遍，在生活应用中如灯光照明调节、计算机电源散热、直流电扇等也得到了广泛的应用。由于PWM脉宽调制广泛的适用性，为了适应时代发展的潮流，电动助力车的驱动系统同样也采用PWM控制技术。2.2.2PWM脉宽调制原理PWM脉宽调制，就是靠调节脉冲的宽度来输出想要的电压，通过改变脉冲的周期来控制其脉冲输出的频率。这样，使调压和调频两个作用能够配合一致，避开中间与之不相关的直流环节，对加快调节的速度和改善动态性能方面有重要意义。脉宽调制的好处是从微处理器到受控制的系统全为数字式信号，因此不再需要通过A/D转换，这样信号会始终维持数字形式，克服模拟信号中噪声的影响。相对于模拟控制，PWM抗噪能力更具优势，这也是在某些通信领域采用PWM的主要原因。简而言之，PWM经济性已得到足够体现，不需要占用太多空间而且能明显降低噪声的影响，是一种值得开发并且在诸多应用设计中得到运用的技术。由于使用恒定直流电源提供电力就可以输出等幅的脉冲，因此可用不可控整流器取代相控整流器，有效改善功率因数。2.3直流电机PWM调速的基本原理2.3.1直流电机基本工作原理直流电机的工作原理通过图2-1表示，从图中我们可以看出，Ea为电机的电枢电动势，其正方向与Ia电枢电流的方向相反；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。图2-1直流电机的工作原理根据基尔霍夫电压定律，可得出电枢电压电动势平衡方程式(2-1)：(2-1)()UEaRc式中，Ra为电枢回路电阻；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。直流电机的感应电动势公式为：(2-2)Ea=Cen式中，Ce为电动势常数，是磁通量。由式(2-1)和式(2-2)得：(2-3)U-Ia(R+c)n=Ce由式(2-3)可以看出，对于一个已经制造好的电机，有三种调节电机转速的方法：调节电枢供电电压U；改变磁通量；改变电枢回路外接电阻Rc。在一定范围内无极平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。2.3.2PWM电机调速原理在PWM驱动控制的调速系统中，通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速4。也正是因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。图2-2PWM信号的占空比如图2-2所示，假如电机一直和电源接通时，电机的最高转速为Vm，设占空比为D=t1/T，则电机的平均转速为Vd=Vm*D,其中Vd指的是电机的平均转速；Vm是指电机在接通电源时能达到的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上述公式可知，当我们改变占空比D=t1/T，就能获得电机不同的平均速度Vd即转速，这样就实现到电机的调速。但严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系。图2-3占空比与电机转速的关系由图2-3可以看出，转速与占空比D的关系并非完整的线性（如图2-2中的曲线），原因是电枢本身有内阻。但是对于普通直流电机来说内阻都较小，所以在一般非严格要求的应用中，在精度要求不高时可将两者的关系近似的看成是线性关系。2.3.3采用PWM控制的电机调速方法基于单片机的电机调速由软件来实现PWM，在PWM调速系统中，当电源电压恒定时，占空比的大小决定着电机的电枢端电压的平均值。所以通过改变占空比D的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。改变占空比的值有三种方法：定频调宽、调宽调频、定频调宽。前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，容易引发振荡，因此常采用顶宽调宽法来改变占空比大小，从而改变直流电动机电枢两端电压5。采用定频调宽方式能让电动机稳定的运转，并且在单片机上用软件实现产生PWM信号也比较方便。用定时器作为脉宽控制的定时方式，产生的脉冲宽度十分精确，误差在几个微秒内。2.4直流电机调速的PID算法PID经典算法被广泛应用在工业控制领域中，在直流电机驱动控制系统中PID算法也有至关重要的作用。直流电机的调速控制有开环和闭环控制，开环控制控制精度不高，稳定性不足；与之相比，闭环控制性能大大提高，静差率更小，调速范围更宽。本系统采用位置式数字PID算法，其模型如图2-4所示。图2-4位置式数字PID模型在单片机中要实现PID调节，需要利用位置传感器输出的脉冲信号来反应电机的转速，与电机速度设定值比较从而得到速度偏差，偏差经过PID系统传递函数后转化为单片机输出PWM信号，来控制驱动电路，达到对电动机速度控制的目的。2.5总体方案设计根据本课题系统设计的功能的要求，初步选定以下两种设计方案。方案一：采用一块单片机做系统主控芯片，输出PWM控制信号，控制系统电机的驱动，通过按键来控制电机的加、减速，同时具有转速测量和LCD显示转速的功能。方案二：采用两块单片机，其中一块单独作为电机驱动控制芯片，专门输出PWM控制信号来控制电机的驱动；另一块则作为系统的主控芯片，完成电机速度的按键设定、转速测量、LCD显示转速，并向电机驱动控制系统提供设定值和测量值，设定PWM信号来控制转速。在上述两种设计方案中，方案一的优点是系统硬件简单，控制及时有效，功能完备，使用一块单片机足以完成处理程序的任务，处理难度不大。而且在资源有限的情况下能节约成本，在日常设计和应用生产中比较具有性价比。方案二与方案一相比，硬件增加，在程序的设计上相对复杂，加大设计成本。虽然优化了按键、显示以及其它扩展功能，但是在能达成相同的要求下，使用最少的资源更佳。因此通过比较，本系统设计选择方案一。单片机主控芯片采用那个51系列的STC12C5A60S2单片机，此单片机是一款国产的芯片，低功耗、廉价、工作性能稳定各方面都极具性价比，使用以后可以简化电路、简化编程、节约成本，同时也是在我们学习的单片机课程设计中常使用的控制芯片。系统框图如图2-5所示：图2-5电机调速系统框图系统通过独立按键向单片机输入控制指令，单片机在软件控制下，通过定时不间断地给电机驱动芯片发送占空比受数字PID算法控制的PWM信号，从而控制电机得电与失电，让驱动电路完成直流电机的加速和减速控制。软件采用定时中断进行设计。当给单片机接通电源后，系统进入初始化状态。当按动启动按钮后，可用加速和减速按钮，增加或者减小高低电平时的设定值，从而获得不同占空比的输出信号，进而控制直流电机电压的大小，达到调节电机转速的目的。接着利用霍尔传感器将电机的转速信号变成脉冲频率的形式发送到主控芯片中，构成闭环控制调速系统，单片机经过PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现转速实时控制。控制程序应用于电动机的加减速，单片机不间断地将PWM脉宽调制占空比传输到LCD液晶显示器，并显示电机当前的转速。整个系统电路结构简单，可靠性高。2.6本章小结本章对直流电机驱动系统的基础理论进行了介绍，包括直流电动机与PWM控制技术，直流电机PWM调速的基本原理，分析了采用PWM控制的调速方法，给出了系统的总体设计方案。3硬件系统设计硬件电路是系统的核心，电路设计的合理性，工作性能的稳定性，是整个系统设计的主要关键，这关乎系统的硬件部分能否稳定安全地工作。倘若没有良好硬件电路，即使有再好的软件程序也无济于事。在本章中，将阐述电动助力车电机驱动系统的硬件部分的各个模块，主要包括核心控制模块STC单片机，电机驱动模块，显示模块，按键控制模块。3.1单片机最小系统所谓的单片机最小系统就是有单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机控制系统，也叫做单片机最小应用系统。最小系统的组成包括单片机，晶振电路和复位电路。3.1.1单片机系统概述单片机（Single-Chip-Microcomputer）又称为单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器、输入接口、输出接口、定时器/计数器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片上。单片机结构上的设计，在硬件、指令系统及I/O能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制能力7。一块单片机控制芯片就如同一台具有一定规模的微型计算机，因此只要在单片机外围加上必要的器件，内部结合适当的软件，就可以以构成完整的计算机硬件控制系统。单片机内部结构如图3-1所示：图3-1单片机内部结构3.1.2单片机STC12C5A60S2STC12C5A60S2是宏晶科技公司生产的一种单时钟/机器周期的单片机，作为新一代的8051单片机，其优点是处理速度快、低功耗、可抗静电干扰。指令代码完全兼容传统的8051，但是速度更快。STC12C5A60S2片上集成1280字节RAM、8K到64K的Flash存储空间，支持更大的外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，工作频率范围在035MHz之间，相当于普通8051的0420MHz。片内资源有4组I/O控制端口、4个16位定时器、3个时钟输出口、2路PWM输出口，看门狗和外部掉电检测电路。可以在3.5V到5.5V宽电压范围内正常工作。单片机功能引脚如图3-2所示。图3-2单片机功能引脚图部分引脚功能说明P1.0P1.7：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向输入/输出口，同时也是地址/数据总线复用口，还可作为ADC输入通道。在按键检测中，由于内部上拉电阻的存在，按键电路不用再外接上拉电阻。P1.3和P1.4能作为高速脉冲输出和脉宽调制输出，用来产生可控制的PWM波形，P2.0P2.7：P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用(A8A15)。当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。在显示电路的设计中，可以用P2口来作为LCD控制端，对显示屏进行显示控制操作。P3.0P3.7：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向输入/输出口。P3.0和P3.1能分别作为串口1的数据接收端和发送端，单片机软件程序的烧写就是通过这两个端口来实现的。P3.2能作为外部中断0，实现下降边沿中断和低电平中断，在本系统中转速测量的脉冲通过该端口来触发，实现外部中断。P3.4提供定时器/计数器0，两种模式只能二选一不能同时使用。XTAL1：内部时钟电路反向放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。XTAL2：内部时钟电路反向放大器输出端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚可以悬空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。RST：复位引脚。VCC：电源正极。GND：电源负极，接地。3.1.3复位电路和时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行状态的基本模块。单片机复位方式通常分为两种情况：上电复位和手动复位。假如我们的单片机在执行程序的时候，突然断电了，此时单片机内部有的区域数据会丢失，有的区域数据可能还没丢失，那么我们再次打开设备的时候，为了保证单片机的正常运行，所以在上电后，单片机会进行一个内部初始化的过程，这个过程可理解为上电复位。上单复位保证单片机每次都从一个固定的相同状态开始工作，这个过程就像我们电脑开机的过程一样。当单片机在运行程序时，如果遭受外部的意外干扰而导致程序死机，或者出现程序跑飞的时候，长时间失去响应，我们可以通过按下复位按键，让程序重新初始化重新运行，这个过程就叫做手动复位，如同电脑的重启键一样。手动复位就是使用按键让复位电路接通来获得低电平，以此来使系统进行复位。在实验编程中，调试时可能要频繁使用手动复位，因此在该最小系统设计中采用手动复位电路，如图3-3所示。图3-3手动复位电路晶体振荡器，简称晶振。它的作用是为单片机系统提供基准时钟信号，单片机内部所有的工作都是以这个时钟信号为步调基准来进行工作的，所以要让晶振有规律的运行，避免程序运行时可能会出现的误差。单片机有两个晶振引脚XTAL1和XTAL2，与一个12M的晶振连接，为了帮助晶振顺利起振，在时钟电路中并联了两个30pF的陶瓷电容，消除干扰实现滤波并维持振荡信号的稳定。时钟电路如图3-4所示。图3-4时钟电路单片机，时钟电路和复位电路构成了单片机最小系统的三要素，也就是说，一块单片机只要具备了这三条件，就可以运行下载的程序了。其它的比如液晶、数码管、按键传感器等设备都属于单片机的外部设备，即外设。利用单片机最小系统我们可以通过单片机编程来控制各种外部设备。3.2供电电路在系统中单片机、LCD和驱动芯片等由于工作电压很小，而且需要直流供电，所以不能直接接220V的工频交流电，所以在供电单元中，要将220V交流电变成系统所想获得的低压直流电，并且稳定输出。要实现这一要求，就要设计直流稳压电路，通过稳压芯片对整流后的电压进行降压和稳压处理，来获得所需要的直流电。直流稳压电路是一种将220V工频交流电转换成稳定直流电压输出的电路，它的工作需要经过四个过程才能完成：变压、整流、滤波、稳压。其中，整流电路是利用单导向的电气元件如二极管，把50Hz的正弦交流电转变成脉动的直流电。滤波电路可以将整流部分中输出电压的交流部分加以滤掉，通常使用对电路中交流电有阻碍作用的元件，如电容。稳压电路是利用稳压芯片使输出的稳定直流电压，不随交流电网电压，负载和电路参数的变化而改变。在本电机驱动系统中，直流电机采用的是12VDC供电，显示方式则选用LCD液晶显示屏，为了使系统能正常可靠的工作，所以稳定输出的电压为12VDC和5VDC。在电路中要用到LM7812和LM7805这两种稳压芯片，输出电流最大能达到1.5A，满足系统要求。图3-5供电单元电路图图3-5为供电单元电路图。220V交流电经过变压器变压转化成15V交流电，15V交流电在经由整流桥整流后变成脉动直流，之后经滤波电容C3滤波形成直流电，供电电路中的由12V的三端稳压集成电路LM7812进行稳压后输出12V的直流电，为直流电机供电，之后并联的两个电容是为了提高电源质量再次滤波。输出端接二极管IN5819，该二极管高频性能好，耐压值高，用作高频整流。经过滤波高频整流的12V直流电，在经过三端稳压集成芯片LM7805进行稳压后输出5V的直流电，供整个系统包括LCD显示屏，单片机以及驱动芯片等用电，再次滤波后输出稳定的5V直流电。最后串接的发光二极管用作电源指示灯，电源插头通电后二极管发光，显示已上电。3.3显示电路本系统采用LCD液晶显示屏来显示电机的转速，目标转速和占空比。液晶显示器具有厚度很薄，能显示彩色的文字团，在大规模的集成电路中可以直接驱动。目前的个人电脑、数字相机、移动通信工具等众多领域被广泛应用着。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，调节电压能控制显示屏显示范围，通电就能显示，这样既能显示图形又能显示字符和汉字。而且显示屏的接口方式灵活且简单，指令操作方便，电压要求不高而且功耗低。和相似功能的点阵液晶显示模块比较，不需要复杂的电路设计，显示程序的编写更为简化，价格也更为便宜。表3-1主要引脚接口说明表引脚号引脚名称引脚说明引脚号引脚名称引脚说明1VSS电源地6CLK使能信号2VCC电源正15PSB串口方式3V0对比度调整17/RESET复位端4CS模组片选端19A背光源正极5SID串行数据输入端20K背光源负极常用的LCD液晶显示屏型号有LCD1602和LCD12864。1602LCD的显示容量为162个字符，该显示器比较容易控制，电路设计也简单，能显示字符，但屏幕小不能显示汉字；LCD12864的显示容量为12864个字符，该显示器功率低，驱动方法和硬件不是很复杂，而且显示屏幕够大，能显示字符和汉字。根据系统的显示要求，要同时显示转速，目标转速和占空比，需要显示包括汉字以及较多参数，显然LCD1602的显示容量不能满足本系统的设计要求，因此选用显示容量更大且能显示字符的12864LCD作为显示模块。LCD12864的主要引脚接口说明如表3-1所示。图3-6LCD12864接口电路图LCD12864的接口电路图如图所示。LCD12864是整个系统电路的显示部分，单片机通过P2端口来实现与LCD12864的通信，单片机的P2.0、P2.1、P2.2分别与LCD的控制端CS、SID、CLK相连，以此来控制LCD12864的显示。单片机与LCD12864的接口电路如图3-6所示。其中LCD12864的2引脚是电源引脚，接5V电压。19引脚为背光源正极，上电后开启背光灯，假如低于5V则可能会使LCD显示背光亮度偏暗。17引脚为复位端（低电平有效），而且模块的内部有上电复位电路，在本显示模块中不需要经常复位，所以可将该引脚接高电平。15引脚采用串口通信方式，由于该引脚为低电平有效所以此处接地。使用串口通信能减少连线，简化电路，节省端口。3引脚是LCD的对比度调整，通过改变此引脚的电压高低，能改变对比度，所以在此处外接一个10K的电位器来调节该引脚的电压值，以此来调整显示屏的亮度。3.4电机驱动电路电机驱动电路是电动助力车驱动系统中的重要部分，该电路设计的好坏直接影响驱动系统的性能，尤其是对调速性能的影响，所以电机驱动电路的设计就十分重要。电机的驱动系统要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性。而且电机的转矩转速特性受电源