模拟电动自行车的速度测量与控制研究

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电动 自行车以其节能 、环保、轻便 、价廉的优势进入千家万户 ，成为人们 的主要交通工具之- ，但同时随着电动车的激增 ，出现了日趋严峻的交通安全问题1 ]≤治国研究了电动 自行车的速度测量并设计了-款无刷直流电机控制器 ]。汤波涌对电动 自行车行驶过程 中的安全问题进行 了研究 。但他们都只是局限于电动自行车的速度测量或控制研究 。本文提出了电动 自行车的速度测量 与控制同安全问题相结合的解决方案 ，基于磁 电效应的基本原理 ，利用最小系统板研制了-款模 拟电动 自行 车测速与限速的装置 ，特别是在速度控制上提出了延时的方法 ，其思路 可为研制实用产品提供参考。

2 测量 与控 制原理2.1 速度测量--周期测量法当电机转动时 ，安装在转轮上的磁钢不断地靠近和远离传感器，使霍尔传感器磁感头上的磁通量发生变化，从而产生电流 ，转速越高感应 电流脉冲频率也越高。

霍尔传感器上产生的脉冲电流传输到最小系统板，实现速度的测量 。

传人最小系统板的脉冲信号的高电平的下降沿引起中断，控制定时器开始计时，下-个高电平的下降沿引起的中断控制定时器停止计时，若定时器在 2个高电平之间计数 忌次，因为最小系统板内的晶振为 11.059 2 M，机器周期为T-12/11.059 2 M(s)，则转速 (cJ(r/min)为：- 60- - 等 (1) - -亍 ---- - u收稿日期：2012-12基金项目：长江大学国家级大学生创新创业训练计划项 目(201210489332)资助· 77 ·第 36卷 电 子 测 量 技 术式中： 是脉冲周期。此系统测量的只是转速，若要知道模拟电动自行车的速度，只需知道转轮的半径 R(单位：m)，则模拟电动 自行车的速度 7.1为(kin/h)：- k 1 000 (2) 12 X X ～速度的测量误差主要来 自于 土 1个时钟脉冲，误差很小，能得到很 高的精 度 。如 ，当 志- 13 825时 ，得 3 999.71 r/rain；当 k- 13 824时， - 4 000.29 r/0min。

2.2 速度控制通过最小系统板控制 L298驱动器 ，从而控制流经直流电机电流的占空比 。 ，也就控制了直流电机的转速。

本模拟装置将流经直流电机的电流周期信号(-个周期 8O ms)80等分 ，第-级速度控制信号 占空比达 5O ，此后每增加-级 ，控制信号 占空比增加 12.5 。减速 时，每减少-级，信号占空比减少 12.5 。限速时(限速值为4 000 r/min)，先保持超过限速值 的速度运行 10 S，同时发出光声报警 ，再将直流电机转速降低-级。

3 硬 件结构 设计系统由最小系统板 、显示拈、电源拈、报警拈、驱动拈、按键拈 、传感器拈、直流电机等主要部件组成，如图 1所示。

图 1 系统结构3.1 最小系统板系统采用 STC89系列 STC89C52RC型号芯片作为核心处理器，其内部的用户应用程序空间为 8 K字节 ，集成512字节 RAM，通用 i/o 口(32个)，ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，共 3个 16位定时器/计数器(即定时器 TO、T1、T2)，外部 中断 4路 ，下降沿中断或低 电平触发电路 。此芯片安装在 YL-33型最小系统板上 ，芯片的引脚图如图 2所示。

3.2 显示拈显示拈由 1 602液晶拈构成 ，拈组件内部主要有 LCD显示屏(LCD pane1)、控制器(controller)、列驱动器(segment driver)和偏压 产生电路构成 。1 602液晶 内置192种字符 (160个 5×7点 阵字符和 32个 5×10点阵字符)，具有 64个字节 的 自定义字符 RAM，可 自定义 8个5×8A阵字符或 4个 5×11点阵字符。用此拈显示简单的控制界面已经足够 。

· 78 ·U 0UVCCP0 0，ADOPO.1/ADlP0.2，AD2P0-3，AD3P0 4/AD4P0.5，AD5P0.6，AD6P0.7/AD7EAALE/PR0GPSENP2 7/A15P2.6，A14P2.5，Al3P2.4/Al2P2 3/AllP2.2/A1OP2l/A9P2.O/A8图2 STC89C52RC芯片弓l脚图3.3 电源拈电源拈 由TE98A型 12V1.3AH/2OHR金属探测器电池构成。由于电源在给驱动拈的 L298驱动器供电时 ，也同时通过 L298驱动器给 ZYT)45SRz～R型 12V 直流电机及最小系统板 供电，因此 ，无需再做-个 电路将 12V电源降压后给最小系统板供电。

3.4 报警拈报警拈 由无源蜂鸣器拈和由 $9012 PNP型三极管及发光二极管组成的拈构成。无源蜂鸣器内部不带振荡源 ，所 以如果用直流信号无法令其呜叫，必须用 2～5 K的方波去驱动。由于 STC89C52RC芯片的输出功率较低 ，本系统采用三极管来驱动发光二极管。

3.5 驱动拈驱动拈由 L298N 双 H 桥直流电机驱动拈代 替，L298N是 SGS公 司的产 品，内部包含 4通道逻辑驱动 电路 ，是-种二相和四相电机的专用驱动器 ，即内含 2个 H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接受标准 TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，本系统所使用的直流电机为 12V、0.46A符合驱动要求。其引脚排列如图 3所示。OUT1、OUT2、OUT3、0UT4之 间分别 接 2个 电动机。IN1、1N2、IN3、IN4引脚从单片机接输入控制 电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端 ，控制电机的停转 。本系统直流电机只接 OUT1、OUT2或 OUT3、OUT4。

3.6 按键拈按键拈 由独立按键(或轻触开关)和 自锁按键开关组成 。独立按键用于控制直流电机的转速等级以及正反转 ，自锁按键开关作为直流电机和电源的开关 。

3.7 传感器拈霍尔传感器拈主要 由 LM393芯片和 3144E芯片构成 ，具有信号输出指示 ，单路信号输 出(输出数字信号)，输出有效信号为低电平(输 出的高电平等于输入 V 电压)，灵敏度不可调等特点。

如 的 据" 弘 砣 如 勰 卯 控2 4 6 7 9 m H " 埽 " 如 粥 ” R - ～ -舯-- - --～～～柯枯全 等 ：模拟 电动 自行车的速度测量与控制研究 第2期5V图 3 直流电机驱动拈4 软 件设计软件程序用 C语言编写，采用拈化设计方法，用 KELL软件编译 ，用 STC-ISP软件下载到 STC89C52RC芯片中。

系统通电后 ，程序就开始对系统各项参数进行设置 ，完成如液晶显示 、定时器 、按键判断等的初始化，然后显示开机欢迎界面，接着就是对按键 的循环判断，如果是直流电机开机按键 ，直流电机就以第-级速度起转 ，与此同时控制定时器打开测速功能 ，否则返 回继续进行按键判断 。

测速功能打开后，显示器将显示速度 的数值及速度等级 ，显示器 1 S刷新-次。

5 实验结果及分析5.1 实验仿真结果及分析本系统采用的是 Proteus 软件进行硬件仿真。

仿真时，速度测量部分直接使用模拟激励源信号(方波信号)代替传感器的测量信号(数字信号)。运行程序后调节 速度等级时 ，直流电机转速发生了变化 ，但显示器显示的数值保持不变 。如输入激励信号为 26.7 Hz，显示的速度等级为 ：Lev，转速大小为 ：1 602 r/rain，速度大小为：30.1 km/h，如图 4所示。当改变速度等级 时，Lev”项发生变化 ，但速度数值不会变化。

图 4 转速及速度仿真结果显示· 79 ·第 36卷 电 子 测 量 技 术分析 ：当输 入激 励信 号为 26.7 Hz时，转 速 -26.7×60- 1 602 r/min ，代 入 公 式 (2)计 算 出 v-30.1 kin/h(默认转轮半径 R-0.05 m)结果与仿真测量值吻合。说明程序运行正常 ，调速时，速度值不变是 由于测速信号为固定的脉 冲信号而不是直流电机 的转速信号造成的。

5.2 硬件测量结果及分析用研制的仪器和 DT-2234C 光电测 速表在不 同速度等级下测量的数据如表 1所示。Lev 1～Lev 5为速度等级编号 ，速度预设值为程序为系统设定的在不同速度等级时的速度 标 准。从 表 中可 以看 出，系统测 量 的速度 存 在±90 r/rain的 波 动，光 电 测 速 表 测 量 的 速 度 存 在±8O r/rain的波动。

表 1 不 同速度等级 下测 量结果分析：直流 电 机 的速 度会 受 到 电池 的 蓄 电量 的 影响 ” ，但此表中的速度值是在满电量时测得 。系统测量的速度存在波动：-方面是由于程序控制直流电机的信号占空 比在相同速度等级 时不完全相等，存在-定 波动 ；另- 方面表明直流电机的转速不稳定，转盘的抖动导致霍尔传感器对磁场感应范围发生微小的变化 ，从 而使得定时器在相同速度等级时每-个周期计时次数不完全相同。

光电测速表测量的速度存在-定 的波动，表明光电测速表在测速全过程中并不总是与转盘相垂直，但光电测速表在测速时必须使得发出的光束与转盘严格垂直 ，测量的结果才较精确。

系统测量的结果与标准光电测速表的结果比较接近，表明系统测量的数据较精确。 6 结 论本文介绍了基于 STC89C52RC芯片的模拟电动 自行车的速度测量与控制装置。利用了霍尔效应原理进行速度测量 ，保 证 了速 度 测量的精 度；采 用 了脉 宽调 制控制(PWM)技术对模拟电动 自行 车的速度进行了功能控制，- 方面便于调控流经直流电机的控制信号 ；另-方面使得· 80 ·直流电机的调速控制成为可能；针对 电动 自行车的安全问题 ，提出超速时，发出光电警报，并保持 10 S，然后再限速的方法 ，在-定程度上提升了电动 自行车的行车安全系数。