基于單片機(jī)的電動自行車剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦業(yè)?！侮J　任健祥　劉帥　平煥冉

摘要：隨著社會的不斷進(jìn)步、人民生活水平的提高和生活觀念的轉(zhuǎn)變，環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源呼聲日益高漲，綠色出行、低碳出行已成為當(dāng)下的潮流，也是未來的發(fā)展方向。剎車系統(tǒng)是電動自行車的控制核心和關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到騎行舒適度和安全性。本文介紹以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的電動自行車剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)平滑制動目的，改善系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)，減輕制動時(shí)的異常噪聲，使系統(tǒng)經(jīng)常保持良好的制動狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 電動自行車 剎車系統(tǒng)

中圖分類號：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）02-0000-00

電動自行車價(jià)格低廉，出行便捷，綠色環(huán)保，已成為人們不可或缺的代步工具。然而隨著各式各樣電動自行車的不斷涌現(xiàn)，其各方面也逐漸現(xiàn)象，特別是受到現(xiàn)有技術(shù)缺陷限制以及出于經(jīng)濟(jì)利益考慮，電動自行車剎車系統(tǒng)主要采用“抱剎”技術(shù)，實(shí)際使用過程中，不僅會磨損自行車車輪圈，剎車失效現(xiàn)象也普遍存在，為騎行安全埋下了隱患。設(shè)計(jì)缺陷是上述問題產(chǎn)生的主要原因，為此筆者利用STC12C5A60S2單片機(jī)對電動自行車剎車系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)整體性能。

1 STC12C5A60S2單片機(jī)簡介

STC12C5A60S2單片機(jī)是高性能、低功耗的新一代微處理器，抗干擾能力強(qiáng)，比傳統(tǒng)的單片機(jī)快8～12倍。通用的I/O口（36/40/44個(gè)），可設(shè)置成四種模式；每個(gè)I/O口的驅(qū)動能力都比較強(qiáng)，可達(dá)到20mA，但總體最大不能超過120mA；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4個(gè)16位定時(shí)器，具有ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，有EEPROM功能。STC12C5A60S2系列后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2（可通過寄存器設(shè)置到P4.2），TxD2/P1.3（可通過寄存器設(shè)置到P4.3），A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒鐘25萬次） 18.通用全雙工異步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口。

2 基于STC12C5A60S2單片機(jī)的電動自行車剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

電動自行車控制系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

逆變電路及其驅(qū)動電路的主要功能是按照一定邏輯將電源功率分配到無刷直流電動機(jī)各相繞組，它是聯(lián)系單片機(jī)和電機(jī)之間的橋梁，其傳輸性能與整個(gè)電動自行車剎車系統(tǒng)運(yùn)行功能、運(yùn)行質(zhì)量直接相關(guān)。本次設(shè)計(jì)筆者主要采用了三相全橋逆變電路，運(yùn)用單極性PWM控制技術(shù)，通過對電力電子器件的占空比的控制調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，即上橋臂開關(guān)管采用PWM 輸出端口經(jīng)驅(qū)動芯片，下橋臂開關(guān)管常開，以PWM信號作用于功率驅(qū)動電路，以此實(shí)現(xiàn)對無刷直流電動機(jī)的控制。每個(gè)功率開關(guān)管都采用N溝道的MPSFET并并聯(lián)反接的快速續(xù)流二極管。電源電路通過兩極電壓變換，單片機(jī)和其他控制電路電源為+5V，功率驅(qū)動電路電源為+15V?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)速，電動自行車的運(yùn)行速度就得到了控制，而且當(dāng)電動自行車處于緊急制動狀態(tài)時(shí)，電機(jī)會進(jìn)入反轉(zhuǎn)狀態(tài)，使電動自行車能在短時(shí)間內(nèi)安全制動。

磁極位置的測定直接決定無刷直流電機(jī)控制效果好壞，本系統(tǒng)位置信號采樣是通過無刷直流電動機(jī)自帶的霍爾元件檢測的。為盡可能地簡化電路、降低成本，本系統(tǒng)未專門設(shè)置速度檢測裝置，電機(jī)的轉(zhuǎn)速主要是利用轉(zhuǎn)子位置傳感器所產(chǎn)生的信號反映的，通過軟件運(yùn)算法測速實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)電動自行車剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，直接決定整個(gè)剎車系統(tǒng)控制質(zhì)量和工作效率，決定著電流大小和穩(wěn)定性、保護(hù)功能的完善和可靠性。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)。主程序主要完成全局變量定義、各模塊的初始化（I/O初始化配置方向寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和上拉使能寄存器，所有初始化完成后才能打開總中斷）、電機(jī)初始位置檢測、上電自檢、防飛車保護(hù)（系統(tǒng)每次上電前進(jìn)入）、速度和電流雙閉環(huán)的計(jì)算（在總中斷打開、程序進(jìn)入主程序循環(huán)進(jìn)行，并根據(jù)采集得的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算）。本系統(tǒng)中采用的中斷向量為定時(shí)中斷和AD中斷，其中定時(shí)中斷指的是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0溢出中斷，它是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，更是軟件部分的核心所在，主要基于時(shí)間片的分時(shí)思想實(shí)現(xiàn)剎車系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、保護(hù)模塊和驅(qū)動換相。AD中斷指的是ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷，其主要任務(wù)是采集電源電壓、手把電壓和相電流，并通過軟件濾波處理后，將采集到的電壓電流存入緩沖器，供主程序和定時(shí)中斷服務(wù)程序使用。為確保電流、電源電壓采集得實(shí)時(shí)性和平穩(wěn)性，本次設(shè)計(jì)中將電源電壓、手把電壓和相電流的采樣速度設(shè)置為每采集20次相電流采集1次手把電壓，每采集128次手把電壓采集1次電源電壓。

為對系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)室利用自行搭建的平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，連接電動機(jī)和測速電機(jī)，測定電動自行車實(shí)際轉(zhuǎn)速，采用秒表測定電動自行車剎車時(shí)間，采用精密脈沖聲級計(jì)測定剎車噪聲，結(jié)果表明，在固定的行駛速度下，改進(jìn)后的剎車系統(tǒng)制動時(shí)間相較于原剎車系統(tǒng)減小了15%，制動噪音降低了40%。

3 結(jié)語

綠色出行、低碳出行已成為當(dāng)下的潮流，也是未來的發(fā)展方向。電動自行車價(jià)格低廉，出行便捷，綠色環(huán)保，已成為人們不可或缺的代步工具。剎車系統(tǒng)是電動自行車的控制核心和關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到騎行舒適度和安全性。本文設(shè)計(jì)的基于STC12C5A60S2單片機(jī)的電動自行車剎車系統(tǒng)在遵循硬件軟化設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，充分利用了單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源、高效的運(yùn)算處理能力以及便捷的PWM控制功能，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了電動自行車剎車噪音和平滑制動，真正做到了安全、便捷。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2015-01-10

作者簡介：秦業(yè)海（1992—），男，廣西北海人，鄭州大學(xué)本科在讀。