基于单片机的电动自行车控制器的设计.doc

邵阳学院毕业设计（论文）毕业设计(论文)课 题 名 称 基于单片机的电动自行车控制器的设计 学 生 姓 名 sbb 学 号 0540827067 系、年级专业 信息工程系、2006级电子信息工程 指 导 教 师 ddd 职 称 助 教 2009年 5 月 18 日摘 要近年来，随着人们的生活水平和环保意识的提高，电动自行车得到了日益广泛的发展。为了提高电动自行车的的骑行舒适性、安全性，本文对电动自行车的控制系统进行研究。论文主要介绍无刷直流电动机的控制策略，根据无刷直流电动机的调速特性，采用PWM调制方式，通过调节电机电枢电压调节电机速度；电动自行车控制器的软硬件设计，硬件设计以单片机为核心。软件设计采用“时间片”分时思想和模块化结构，根据控制需求编写了各个模块程序。关键词：电动自行车；无刷直流电动机；控制系统；单片机47AbstractRecent years,with the improvement of peoples living standard and consciousness of environmentalism,there is an increasing trend to use electric-bicycle tather than autobike.In order to improve the riding comfort and safty of the electric bicycle,this paper carrys out an in-deepth research on its Control system.The control strategy of the driving system is presented in detail. According to the speed characteristics of BLDCM,the speed of BLDCM is adjusted by regulating the armature voltage with PWM;the software and hardware design of the electric bicycle controller is introduced,The hardware design focuses on the MCU,The software is designed with modular structure and an time-shared idea of “time slice”.Key words:Electric bicycle;BLDCM;Control System;MCU目录摘 要IAbstractII第1章 概述11.1研究的目的与意义11.2电动自行车控制器的研究现状11.3论文的主要内容2第2章 电动自行车控制器的控制策略32.1PWM脉宽调速原理32.2数字PID控制42.3双闭环调速系统设计52.4 PI调节参数的确定5第3章 电动自行车控制器硬件设计73.1单片机简介73.2电源电路93.3功率驱动电路93.4电流检测电路103.5霍尔位置检测电路113.6手把电压输入电路123.7刹车输入电路12第4章 电动自行车控制器软件设计144.1主程序设计144.2中断服务程序设计184.3柔性电子刹车（EABS）程序设计214.4巡航程序设计224.5 AD采样程序设计244.6软件可靠性的设计26第5章 系统的仿真设计285.1软件运行环境keil285.2系统仿真运行环境Protues295.3系统仿真设计306章 总结和展望32参考文献33致谢34附录35附录47第1章 概述1.1研究的目的与意义随着社会的不断进步，人们对环境和能源问题越来越重视。现代社会经过几个世纪的发展给环境带来了太大的创伤。寻找一种高效、环保的新能源迫在眉睫。其中寻找一种能替代石油的新型能源更是重中之重。与燃油车相比，电动车1具有节能、可消除空气污染且能源广泛(可来自火力、煤炭、石油、天然气、水力、风力、地热、潮汐、原子能发电)等众多优点，因此电动车的研究已成为世界各国的研究热点之一。纵观电动车的发展历史，尽管电动车的出现早于燃油车，但是它的研究力度与后者相比要小得多，在性能上，如动力性能、续程性能、安全性和经济性，还有待于进一步提高，这些性能与车辆的电力驱动系统都有紧密关系。就电力驱动系统的功率等级和需要考虑的因素来讲，电动汽车与小型两轮电动车有着一定的差异，然而从电力驱动系统中具体构成来讲，传动机构、使用的电机以及电机对应的控制方式，二者基本一致，彼此的技术可以相互借鉴。由于蓄电技术没有获得实质性的突破，目前的蓄电技术还仅适用于小型两轮电动车，小型两轮车辆在当今全球占据绝大多数，有着广大的用户，因此无论从目前的技术条件还是从市场来讲，对小型两轮电动车进行研究都有非常便利的条件，容易较快地取得有效的技术进步，而且取得的成果对今后电动汽车的研究也有着重要的参考价值。我国是世界上最大的自行车生产和使用王国，开发小型两轮电动车对节省人们日常行车时间和改善生活环境有着非常重要的意义。鉴于以上这些因素，本文选择以电动自行车为研究对象进行研究，为系统地提升电动自行车的性能奠定基础。研究电动自行车最终是为了缓解能源压力，改善环境和为人们提供一种灵活出行的交通工具。1.2电动自行车控制器的研究现状电动自行车控制器2的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集成电路的控制系统、以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统和全数字控制系统。模拟控制系统由于模拟电路中不可避免的存在参数漂移和参数不一致等问题，加上线路复杂、调试不便等因素，使电机的可靠性和性能受到影响，在电动自行车控制器中已经不采用了。基于专用集成电路的控制系统采用无刷直流电动机专用集成电路如MC33033、MC33035、ML4428为控制核心，克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，但功能难以扩展，在早期的电动车控制器中较多采用。数模混合控制系统和全数字控制系统采用数字电路、单片机以及数字信号处理器（DSP）构成硬件系统，控制规律由硬件实现转向软件实现。控制灵活、功能扩展方便且易实现较复杂的控制算法3。目前的电动自行车控制器普遍采用这种控制系统。1.3论文的主要内容本文分为6个章节，安排如下：第1章：绪论。介绍课题研究的意义，无刷直流电机的发展现状等。第2章：电动自行车控制器的控制策略。主要介绍PWM脉宽调速的原理、无刷直流电动机双闭环控制系统的设计过程。第3章：电动自行车控制器的硬件设计。主要介绍电动自行车控制器样机的硬件电路的设计。按照硬件电路的结构和组成，分别对系统相关电路的原理与实现方法进行分析。第4章：电动自行车控制器的软件设计。主要介绍软件总体的设计、功能模块的实现。第5章：系统仿真设计。对系统进行模拟仿真。第6章：总结和展望。总结本文的主要工作以及对进一步研究工作的建议。第2章 电动自行车控制器的控制策略调速是电动自行车的重要功能之一，整个系统的设计都以调速为中心。无刷直流电动机的调速控制特性如下48 (2.1)式中，U0为电枢电压(V)；Ia为电枢电流(A)；Ra为电枢内阻()；Ke为电动势系数，Ke=Ean。由(2.1)式可知，无刷直流电动机的调速方法分为两种：对励磁()进行控制的励磁控制方法和对电枢电压(U0)进行控制的电枢电压控制方法9。励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速。这种调速方法，调速范围小，在低速时受磁极饱和的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用的很少。电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压实现调速。电枢电压控制法在调速时，保持电枢电流不变，即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大的调速范围，因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。电枢电压的控制方式有很多种，从早期的继电器控制到晶闸管控制，到目前的PWM调制，其控制方法的更新与新型开关器件的出现是分不开的。本系统采用PWM调制方法控制电枢电压，即通过调节逆变电路功率器件PWM脉冲驱动信号的占空比来改变电动机绕组两端的平均电压，从而实现无刷直流电动机的调速。2.1PWM脉宽调速原理PWM(Pulse Width Mulation)脉宽调速，是指通过改变开关器件的通断时间，来改变电枢两端的平均电压，调节电机转速的方式。其原理图如图2.1所示。图2.1(a)是PWM调制调速系统原理示意图。开关S表示脉宽调制器，调速系统的外加电源电压Us为固定的直流电压，当开关S闭合时，直流电源经过S给电动机M供电；开关S断开时，直流电源供给M的电流被切断，并通过二极管续流，电枢两端电压接近为零。改变控制脉冲宽度，从而改变电机绕组输入端平均电压，达到调速目的。脉冲波形见图2.1(b)，其平 （2.2）式中,T为脉冲时钟周期；ton为导通时间；D为PWM占空比(0D1)。图2.1 PWM调制原理图3可见，在电源US和PWM波周期T固定的条件下，Ud可随D的改变而平滑调节，从而实现电动机的平滑调速。2.2数字PID控制PID控制是最早发展起来的控制策略之一，早在20世纪30年代末期就已经出现，50多年来不断更新换代，由于其算法简单、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其是在可建立精确数学模型的确定控制系统应用很多。按偏差的比例、积分和微分线性组合进行控制的方式，就是著名的PID控制。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。PID控制器各环节既有优点又有各自不足的地方：比例控制的优点是误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减少误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。缺点在于对于具有平衡性(即系统阶跃响应终值为一有限值)的被控对象存在静差。加大KP可减少静差，但KP过大时，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。积分控制的优点是：它对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它的不足之处在于积分作用具有滞后性，积分作用太强会使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。微分控制的优点在于它能对误差进行微分，对误差的变化趋势敏感，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统稳定性。它的缺点是对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。2.3双闭环调速系统设计速度电流双闭环控制的调速系统是最典型的调速系统，电动机的速度和电流分别由两个独立的调节器分别控制，速度调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。起动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。当转速低于给定转速时，速度调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动10。转速调节器的作用：(1)使转速n跟随给定电压变化，稳态无静差；(2)对负载变化起抗扰作用；(3)其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用：(1)电动机起动时，保证获得最大电流，起动时间短，使系统具有较好的动态特性；(2)在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U变化；(3)当电动机过载时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用，故障消失后，系统能够自动恢复正常。2.4 PI调节参数的确定PI调节器系数的确定通常有三种方法：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。三是调节器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法等。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定11。在普通的PI调节算法中，由于积分系数KI是常数，因此，在整个调节过程中，积分增益不变。但系统对积分项的要求是系统偏差大时积分作用减弱以至全无，而在小偏差时则应加强。否则，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。对于PI调节器的系数的确定一直是PI调节器设计的难点问题，需先通过仿真实验确定其大致范围，然后通过实验通过对实验结果的比较，不断进行的修正达到系数的最优化。而本系统中通过实验大致确定转速PI调节器系数为KP=0.75、KI=0.5，电流PI调节器参数分别0.25、0.5，电流调节器给定初值，占空比给定初值及误差初值均定为零。第3章 电动自行车控制器硬件设计电动自行车控制器系统（图3.1）主要由以下部分组成：逆变电路、功率驱动保护电路、电源电路、单片机及其外围控制电路。逆变电路及其驱动电路是单片机和电机之间的联系枢纽，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。本系统采用三相全桥逆变电路。功率驱动保护电路为单片机和逆变器之间的桥梁，单片机的输出信号，经过功率放大后，开通、关断MOSFET，同时防止逆变器端的电压反串到单片机端，损坏单片机的I/O口。电源电路提供功率驱动及保护电路、单片机控制电路所需的电源。单片机为控制核心，根据输入的信号运行控制算法控制电机的运行。外围控制电路包括刹车信号、巡航电路等。图3.1控制器系统框图3.1单片机简介AT89C51是一种低功耗，高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的8位COMS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对存储器重复编程。AT89C51（以下简称89C51）将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又便宜的方案，其性能价格比远高于8751。由于片内带EPROM的87C51价格偏高，而片内带FPEROM的89C51价格低且与INTEL80C51兼容，这就显示出了89C51的优越性。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。W79E8xx系列是优化8051内核MCU，采用特殊的工艺进行专业的处理，使芯片具有很强的抗干扰特性、很好的温度特性，同时具有良好的易用特性。在本文中使用它来完成设计。图3.2为本系统中W79E82x的引脚分配图，P1.5为复位脚，连接外部复位电路，P1.2P1.4为霍尔位置检测电路的输入口，作为相绕组的换相信号，P0.7P1.0P1.1为电机的驱动控制信号，P0.0P1.7P1.6输出为PWM信号，P0.6为ADC的输入通道。P0.1P0.2P0.4为LED驱动口、刹车信号输入口和过流检测口，是系统的开关输入输出量。图3.2 单片机的引脚分配3.2电源电路电源电路通过两级电压变换，得到控制电路所需的两组电压：+15V和+5V。+15V作为功率驱动电路的电源，+5V作为单片机及其他控制电路的电源。图3.3电源电路如图3.3所示，48V电压经串联电阻后输入到LM317中，输出端电压即为+15V。LM317为可调节3-端正电压稳压器，输出电压范围为1.2V到37V，在输出范围内能提供超过1.5A的电流，外部只需要两个电阻设置输出电压，内部有限流、热关断和安全工作区补偿功能。R107、R106即为外部调节电阻。R126、R127的作用为限流、降压，使LM317的输入输出之间的电压差不致太高，减小器件本身的功耗。C102为滤波电容，滤除电源输入的尖峰电压。+5V电压直接从+15V经LM7805得到，此处因后端的功率不是很大，LM7805可以满足要求，不必使用LM317。图中电容均为滤波电容，滤除输入电压中的高频成分，使输出电压平滑，纹波小。3.3功率驱动电路功率驱动电路由分立元件构成，具有功率放大、自举升压、硬件互锁、过流快速切断的功能。如图3.4所示12，图3.4功率驱动电路3.4电流检测电路对于两相导通三相六状态无刷直流电动机，任一时刻，只有两相绕组导通，电流从一相绕组流进，从另一相绕组流出，电流大小与直流侧电流大小相等。这样，只要在直流侧串联一个采样电阻就可以检测导通相的相电流。常见的无刷直流电动机的电流检测方法有：电阻法，霍尔电流传感器法，电流互感器法。这三种方法的对比如表3.1所示。表3.1三种常见的电流检测方法对比电流检测方法电阻法霍尔电流传感器法电流互感器法精确度好好中等温度影响小大小费用最低最高中等隔离程度不隔离隔离隔离大电流检测能力差好好直流偏置问题存在无无存在饱和/滞后无有有耗能情况高低低是否接入电路中是否否直流/交流检测都可以都可以交流检测由表3.1可以看出，电阻法具有检测精度高、价格低廉等优点，因此广泛应用检测电流不高于20安培的场合，电阻器既可以接在母线高压侧，也可以接在母线低压侧，两种接法各有利弊。本系统采用电阻器接在母线低压侧方式，如图3.5所示。图3.5电流检测电路3.5霍尔位置检测电路如图3.6所示，霍尔位置检测电路在系统中的作用主要有两个：一是检测电机定、转子的相对位置并提供驱动换相信号；二是通过检测某一路脉冲信号的个数，经软件计算后转换为速度信号,构成速度的反馈环节。图中位置传感器为电机内置的三个霍尔传感器，根据其安装位置的不同可分为60电机和120电机，60电机输出的霍尔位置状态有000和111状态，而120电机中没有。霍尔传感器由于安装在电机内部，与电机转子一起运动而产生抖动，同时电机的绕组也会对其产生干扰，输出信号中含有很多杂波，因此采用电容滤除，同时为了防止单片机控制电路对霍尔传感器的影响，中间用二极管隔离，二极管采用IN4148可以满足要求。图3.6霍尔位置检测电路3.6手把电压输入电路手把电压输入电路如图3.7所示。电动自行车的手把为一个霍尔传感器，其输出电压为04V的模拟信号，经过手把输入电路送入单片机的AD口，转换为数字信号，作为速度的给定信号。图3.7手把电压输入电路3.7刹车输入电路刹车输入电路如图3.8所示。电动自行车的刹车输入信号有两种：低电平和高电平，有的厂商采用低电平刹车，有的厂商采用高电平刹车。为了满足所有需要，本系统兼容低电平和高电平刹车。低电平刹车时，通过一个隔离二极管，把信号直接送入刹车信号检测I/O口；高电平刹车时，通过一个取反电路，把高电平转换为低电平。同时软件检测到I/O电平为低时，判定为有刹车信号。图3.8刹车输入电路第4章 电动自行车控制器软件设计4.1主程序设计主程序要完成系统初始化(如设置PWM、ADC等单元13)，中断设置，变量初始化和电机的软起动过程。为了在初始化的过程中，防止中断的意外到来，应在主程序的开始处先关闭中断，完成初始化后，再打开中断。完成软起动后，主程序进入一个查询操作的循环过程，程序不断地查询判断换相更新标志是否为真，若为真则调用换相服务子程序以给电机相应定子绕组馈电;若为假则等待换相更新标志在ADC转换结束中断子程序中置为真。主程序的流程图如图4.1所示。图4.1主程序流程图（1）系统主程序如下：void main(void)Reset_Initial();while(1)Monitor_ADC();if(PWM_REQ=1)PWM_REQ=0;PWM_ADJ();speed();（2）系统初始化程序的设计系统初始化主要包括I/O口初始化，定时器的初始化，PWM的设计以及ADC的初始化设计。初始化程序如下：void Reset_Initial(void) /上电初始化程序P1M1=0x3c;/3f;P1M2=0xc3;/c0;P1=0xc0;P0M1=0x7c;P0M2=0x83;P0ID=0x78;P0=3;P2M1=0x01;P2M2=0x02;P2=00;TH0=0Xba;TL0=0Xba;TH1=0x00;TL1=0x00;TMOD=0x22; / timer 0 work in mode1CKCON&=0X00; / time source as clk/12ET0=1; / enable timer0 interruptTR0=1;TR1=1;ET1=1;PWMCON1=0Xc0;PWMPH=0X01; / 设置PWM的状态PWMPL=0X77;PWM0H=0X00;PWM0L=0Xcc;PWM1H=2;PWM1L=0X00; PWM2H=2;PWM2L=0X00; PWM3H=2;PWM3L=0X00;PWMCON1=0Xc0;AUXR1|=0x04; / 打开ADC电路EADC=1; / 允许ADC中断Error_Type=0;PWM_Duty_H=0;PWM_Duty_L=0;ADC_Point=0;ADC_SUM1=0;ADC_REQ=0;ADC_RD=0X55;ADC_SUM2=0;PWM_REQ=0;PWM_TMR=0;PWM_MAX_H=0;PWM_MAX_L=0;PWM_0_Duty=1;PowerOff=0;ADC_SUM_tmp=0x630;DS_Flag=0;DZ_Flag=0;CYJ_TM=0;EA=1;/设置程序开始运行标志，超静音用PG_start=1;ADC_H=0XFF;while(ADC_H0x50) ADCCON=1;ADCCON&=0xef;ADCCON|=0x08;while(ADC_RD=0X55);EA=0;while(P02=0)PWM1H=0;PWM2H=0;PWM3H=0;PWM1L=0;PWM2L=0;PWM3L=0;PWMCON1=0Xe0;Vstep=P1;Vstep=Vstep2;Vstep&=0x07;switch(Vstep)case 3:/6 BT=0;AT=0;CT=1;break;case 1: /4BT=0;AT=0;CT=1;break;case 5: /5case 0: /0BT=0;CT=0;AT=1;break;case 4: /1BT=0;CT=0;AT=1;break;case 6: /3AT=0;CT=0;BT=1;break;case 2: /2case 7: /7CT=0;AT=0;BT=1;default: break;4.2中断服务程序设计定时中断服务程序是整个控制器的灵魂，是软件部分的核心，采用“时间片”分时思想，完成了控制器所有的功能设计、保护模块以及驱动换相。定时中断服务程序一方面接受外部输入的按键操作信号，执行各个功能模块，例如，按下巡航按键，电动自行车进入巡航模式，按下刹车按键，进入柔性电子刹车模式；另一方面根据检测得到的电压、电流值，当电源电压低于某个值时进入欠压保护，当电流高于某个值时，进入过流保护。编程时，把各个功能模块当作一个事件，定时中断服务程序就是一个事件调度器，它根据事件的轻重缓急来决定事件执行的先后，同时保证不发生冲突或者堵塞。事件调度器的调度原则就是“时间片”分时思想。AD中断完成电源电压、相电流和手把电压的采集任务，把采集得到的电压电流值经过软件滤波后存储在缓冲器中，供主程序和定时中断服务程序调用。在AD中断服务程序中，根据电源电压、相电流和手把电压的速度要求，采用不同的采样速度，相电流的采样速度最快，手把电压次之，电源电压最慢。软件设计中三者的采样速度关系为，每采集20次相电流采集一次手把电压，每采集128次手把电压采集一次电源电压。其中，相电流的采样速度为AD转换的速率（大约为13个AD时钟周期）。如此，既保证了电流采集的实时性，又保证了电源电压采集的平稳性。（1）定时器1中断服务程序定时器1中断服务程序如下：void T1M1_ISR(void) interrupt 3AH_TM+;if (AH_TM30)AH_TM=0;Autohelp();KS_TM+;if(KS_TM3)KS_TM=0;if(P15=0)KeepSpeed();DZ_Process();（2）定时器0中断服务程序定时器0中断服务程序如下：void T0M1_ISR(void) interrupt 1if(CJY_F=1)CJY_CNT+;if(CJY_CNTCYJ_TM)CJY_CNT=0;CJY_F=0;PWM_TMR+;if(PWM_TMR=10)PWM_TMR=0;PWM_REQ=1;TB_ACH1-;if(TB_ACH12)ADC_REQ=1;ADC_CH=1;TB_ACH1=10;TB_ACH2-;if(TB_ACH2DZ_T1)DZ_CNT+;if(DZ_CNT70)DZ_CNT=0;DZ_Flag=1;DZ_T1=ADC_SUM_tmp-0x100;if(ADC_SUM10x508)PWM_tmp=ADC_SUM2+0x4a;if(PWM_tmpKS_ADCSUM2)DS_CNT=0;KS_ADCSUM2=ADC_SUM2;DS_Start=1;if (DS_Start=0)DS_CNT+;if(DS_CNT70)DS_CNT=70;DS_Flag=1;KS_PWM_H=PWM_MAX_H;KS_PWM_L=PWM_MAX_L;elseif (ADC_SUM24;ADC_SUM3-=ttmp;ADC_SUM3+=ADCH;if(ADC_SUM30xabb)/A20Volt_L=ADC_SUM3-0x9c0;elseVolt_L=0;if(ADC_SUM30xa35)PowerOff=0;Vstep=0;Vstep1=1;while(Volt_L0x25)Vstep+;if(Vstep8)Vstep=8;Volt_L-=0x20;if(ADC_SUM38)Vstep2=0;elseVstep2=0;4.6软件可靠性的设计软件的可靠性对于整个系统的稳定运行是很重要的。尤其当系统受到干扰时，软件要及时处理故障，并自动回到正确运行状态。本系统程序设计采用了按功能细分成不同的模块的设计方法，这样程序结构清晰，为差错奠定了基础。通过调试，可方便地找到错误。模块化设计使子程序之间没有相互等待的依赖关系，也大大减轻了程序的死锁可能性。另外，编程的时候养成给程序加注释的习惯很重要，这样为以后程序的升级改进提供了方便。由于干扰，程序有时会跳转到未知区域，是系统的控制出现混乱，这种现象称之为“程序跑飞”，为此，在程序空间中的未用区域设计“软件陷阱”，一旦程序跑飞，落入软件陷阱，将强制使程序复位，恢复到正常状态。但有时尽管采用了各种方法，还会有一些因素使程序在进入软件陷阱之前就陷入死锁，这时可利用单片机的硬件“看门狗”产生复位信号。只要在程序初始化时使能“看门狗”，它就周而复始的运行，不过，要在正常的程序代码的合适位置，插入一段复位“看门狗”的指令，这样系统既不会由于死锁而无法解脱，也不会使正常运行的程序被打断。第5章 系统的仿真设计目前电动自行车的控制器普遍采用PWM调速方式，由PWM发生器电路、电源电路、功率器件、功率器件驱动电路、信号采集(调速、制动、电机霍尔传感器等)与处理电路、过流与欠压保护电路等构成。在实际的电动自行车驱动系统的设计过程中，为了缩短设计周期，降低研究成本和风险，可先借助建模与仿真技术，建立电动自行车电驱动系统的仿真模型，对电机的转速、转矩等参数变化进行分析，并施加不同的运行环境对系统的响应做出估计，以有效地节省实际控制系统的设计时间。5.1软件运行环境keil本系统采用keil作为程序编译软件，其工作环境如下：图5.1 keil2运行环境Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。5.2系统仿真运行环境Protues本系统采用Protues来完成仿真设计，Protues工作界面如下：图5.2 Proteus的工作界面Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。其功能特点如下：(1)原理布图；(2)PCB自动或人工布线；(3)SPICE电路仿真。5.3系统仿真设计（1）绘制原理图打开Protues就可以绘制原理图了，点击图5.2中的对象选择按钮P选出要用到的元器件，在本系统中用到了下列元件：2N2222A：三极管。ADC0808：AD转换芯片。AT89C51：单片机。CAP：电容。MOTOR：直流电机。OP07：放大器。POT-HG：滑动变阻器。RES：电阻。图5.3 系统仿真原理图（2）仿真调试程序通过keil编译以后，会生成一 个后缀为.HEX的文件，生成好.HEX文件后在Proteus中把它加载到单片机中：右建选中单片机开属性对话框在Program File中浏览到.HEX文件的路径，最后点击OK即可。如图5.4所示：图5.4 单片机属性对话框（3）仿真结果设计好参数后，点击DebugStart/Restart Debugging开始仿真，图5.3中滑动变阻器可以控制电机的转速，点击DebugDigital Oscilloscope菜单观察PWM波。图5.5 PWM波形图6章 总结和展望6.1总结通过本文的分析与研究可以看出，基于单片机技术的控制系统设计方案能够以较小的系统投入实现整个电动自行车的控制问题。通过硬、软件较好的协同设计，实现了系统关键部件无刷直流电机的顺利起动和良好换相。本文还遵循“硬件软化”的设计思想，尽量用软件的方法实现一部分需要硬件电路去实现的功能，这样不但简化了控制系统的硬件结构，减小了控制器的体积、降低了系统成本而且由于硬件电路的简化，使得由硬件电路引入的干扰也得到减少，从而提高了整个控制系统的可靠性。本论文研究中完成的主要工作有:（1）研究了无刷直流机的系统结构、控制规律和运行特性;（2）提出了系统控制及保护方面的功能要求，设计了相应的控制策略;（3）针对系统的控制策略设计了相应的控制电路及功率变换电路，系统控制与保护等功能采用主控单片机集中处理，增加了系统的可靠性;（4）针对系统的控制策略设计了相应的系统软、硬件。6.2展望本文的研究还有待于从以下几个方面进一步完善和提高：（1） 加强控制器的集成度，从而降低故障率，方便维修；（2） 优化控制器的算法；（3） 使用更高性能的控制器，比如DSP芯片。参考文献1唐苏亚.自行车产业的发展现状.电机技术.2004，(2)：29-34.2孙建忠.白凤仙.特种电机及其控制.北京.中国