一种电动车调速与测速装置的设计与实现
作者：李腾飞
来源：《科技资讯》2018年第08期
        摘 要：该文描述了一种电动车调速与测速装置的设计与实现方法，该装置包括电动机驱动电路、转速调节电路、电动机转速测量单元、转速与状态显示单元和MCU控制器。转速调节电路根据电动车油门位置信息的变化输出不同占空比的PWM波信号给电动机驱动电路，从而调节电动机的转速。MCU控制器输出开关信号控制转速调节电路的工作状态，同时根据转速测量单元输入的转速信号，计算出当前时刻的电动车车速并实时输出给转速显示单元显示。
        关键词：转速控制 电动机驱动 MCU控制器 PWM波
        中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（b）-0018-02
        随着化石能源的逐渐减少以及使用化石能源带来的环境污染问题的日益严重，新能源的使用开始被世界各国所广泛提倡。在我国，仅2017年全年，纯电动汽车的产能已经达到52.6万辆。生产电动车的关键技术之一就是设计可靠、安全、高效的电动机调速与测速装置。所以，电动车的大量普及使得研究生产更为安全高效、成本更加低廉的调速测速装置成为必须。
        传统电动车利用霍尔转把调节电动机转速，转把里面有一个可以感应磁力线大小的线性霍尔元件，此外还有一块磁铁，当转把转动时磁铁也跟着转动，霍尔元件感应到磁力信号的变化后就给控制器发出信号，从而控制电机转速。但是这种调速方法的硬件电路与机械结构都较为复杂，其生产成本也比较高。而该设计使用NE555定时器输出PWM波进行调速，硬件开销大幅度下降，械结构更为简单，生产成本也更加低廉。
        此外采用槽型光耦合器与电压比较器LM393组成的电路作为测速单元，其输出的数字信号可以直接作为单片机的外部中断输入，单片机对输入的外部中断进行计数，然后通过软件把该数值转换为真实的速度值。该设计同时使用数字化液晶显示装置，改传统的模拟表盘显示器不同，数字液晶显示不仅极大地提高了显示精度与实时性，而且也降低了硬件成本。
        1 硬件设计与原理
        1.1 电动机调速电路
        该设计采用脉宽调制（PWM）方法进行调速，脉宽调制器常用在开关电源或稳压电源中，要使开关电源稳压范围宽（即输入电压范围大），可利用555定时器产生宽范围的PWM
波。这个电路的输出可以控制光耦合器，进而驱动MOSFET去控制通过电动机的电流，达到平滑控制电动机速度的目的。
        调速电路主要由NE555多谐振荡器[1]、光耦合器EL817、三端稳压器7805、MOS管75NF75等组成，其功能框图如图1所示。
        其中，NE555多谐振荡器通过外接电容电阻构成PWM波发生电路，可以通过调节其触发输入端的电阻来改变输出端输出的PWM波形的占空比。光耦EL817是一种把红外光发射器件和红外光接受器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件，当输入电信号加到输入端发光器件LED上，LED发光，光接收器件接收光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理成标准数字电平输出，这样就一来光耦EL817实现了“电—光—郑州电动汽车电”的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。多谐振荡器电路输出的PWM波经过光耦合器EL817实现强弱电隔离以及波形放大后作为MOS管的栅极驱动电压控制MOS管的导通时间，从而实现调速功能。
        1.2 控制电路
        MCU俗称单片机，又称之为嵌入式微控制器，它的出现可以说是计算机制造技术高速发展的产物。单片机在经过近40年的发展之后，目前其应用已非常普遍。在所有系列的单片机中，美国ATMEL公司生产的AT89C5x单片机以其强大的性能、低廉的价格低，从而在我国MCU市场中占据很大的份额。由于单片机软硬件相结合、体积小、可靠性高又容易嵌入应用系统中，所以，单片机在嵌入式控制系统在工业、仪表、通信、汽车等各个领域都有广泛的应用。控制电路以AT89C51微控制器最小系统为核心，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能8位微处理器[2]，通过一定的软件编程从而实现对车速的计算、显示等功能。
        1.3 测速电路
        测速电路主要由槽型光电耦合器WYCH2010和电压比较器LM393组成。WYCH2010槽型光耦又叫做透射式光电传感器，它是将砷化镓红外发射管和硅光敏三极管在空间中以相对的方向安装在中间带槽的支架上[3]。当槽内无物体时，砷化镓发射管发出的光直接照在硅光敏三极管的窗口上，从而产生一定值的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住了光线，光敏三极管无输出，以此可识别物体的有或无。LM393是双电压比较器，它有两个输入端和两个
输出端，一个基准电压端，输入端电压低于基准电压时输出端为高电平，反之输出端电平翻转。电动机每转动一周便会遮挡槽型光耦一次，那么槽型光耦的输出端电平就发生一次跳变，该跳变的电平作为电压比较器LM393的同相输入端的电压，最终会在电压比较器的输出端产生一个变化的数字信号，供单片机检测计数[4]。
        1.4 显示电路
        显示电路主要器件为LCD1602。1602液晶是一种专门用来显示字母、数字和符号的点阵型LCD模块。它由若干个5×7或5×11的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可显示一个字符，每位与之间都有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
        2 软件设计与分析
        软件部分使用Keil C51编写，编程语言为C语言。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理以及一个功能强大的仿真调试器在内的完整的开发方案。在编程时，遵循自顶向下、逐步求精、模块化的风格设计算法，使得单片机资源得到充分利用而且执行效率最高。使用Keil软件自身得仿真功能，在编程完成后进行仿真，最后再进行软硬件联合调试，程序流程图如图2所示。
        当系统上电以后，单片机首先执行初始化程序，包括I/O口初始化、定时器初始化、外部中断的初始化和LCD1602显示器的初始化[5]。接下来程序判断刹车信号是否有效，如果此时处于刹车状态那么单片机便发出复位信号禁止NE555多谐振荡器产生PWM波[6]，若没有刹车信号则NE555多谐振荡器会根据油门位置的改变产生占空比不同的PWM波信号，控制电动机转速。当槽型光耦槽内有遮挡变化时会给单片机发一次中断，在定时器1s内计算高低电平变化次数并转换为当前车速[7]。由单片机计算出的车速值被发送到液晶显示器LCD1602的数据端并显示出来。
        3 结语
        文章详细描述了一种实用的电动车调速、测速与显示的装置。该装置采用模块化设计方法，在设计调速电路时，考虑到接线简单且成本低等因素，决定使用NE555定时器组成的占空比可调的PWM输出电路，只需调节滑动变阻器的阻值即可调节车速的大小。电动机驱动模块同样兼顾成本与效率的因素，使用光电耦合器作为驱动信号的放大和强弱电的隔离，使用MOS管P75NF75直接驱动电动机。车速检测部分则使用槽型光耦和电压比较器组成的电路，当槽内有物体遮挡时输出高电平，无遮挡时输出低电平，这个高低电平的变化被单片机
检测到以后在经过一定的处理就可以把车速送LCD显示。最终经过软硬件的联合调试，证明了系统工作的可靠性，其实现也大大降低了此类装置的生产成本。
        参考文献
        [1] 阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.
        [2] 徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
        [3] 康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，2004.
        [4] 张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用设计[M].北京：电子工业出版社，2008.
        [5] 杨晓东.微型计算机原理与接口技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
        [6] 唐介.电机与拖动[M].北京：高等教育出版社，2007.
        [7] 赵家贵.电子电路设计[M].北京：中国计量出版社，2007.