基于PROTEUS电动滑板车控制器的设计

基于 PROTEUS电动滑板车控制器的设计 廖任秀，陈桂兰 （金华职业技术学院，浙江 金华 321007） 摘要：本文以 Proteus 仿真软件为开发平台，详细介绍了电动滑板车控制器的硬件设计和软件设计。 控制器可以实现速度调 节、过热保护、欠压保护、过流保护和软启动等多种功能。研究证明，在 Proteus 环境下可完成单片机系统的硬件和软件调试、测试 系统的性能，在实际应用中可降低设计成本，缩短开发周期，提高效率。 关键词：Proteus；滑板车；仿真 中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671－3699（2008）06－0008－04 收稿日期：2008－06－27 作者简介：廖任秀（1978- ），女，福建永定人，硕士、讲师，主要从事单片机应用系统的研究。 1 PROTEUS的特点 Proteus 是由 Labcenter Electronics 开发的功能 强大的单片机仿真软件。 Proteus与其他的仿真软件 相比较，有下面几个优点[1]。 （1）能仿真模拟电路、数字电路、数模混合电路。 （2）能绘制原理图、PCB图。 （3）几乎包括实际中所有使用的仪器。 （4）其最大的亮点在于能够对单片机进行实物 级的仿真。 从程序的编写、编译到调试，目标版的仿 真一应俱全，支持汇编语言和 C 语言的编程。 还可 配合 Keil C 实现程序的联合调试， 将 Proteus 中绘 制的原理图作为实际中的目标板，而用 Keil C 集成 环境实现对目标板的控制，与实际中通过硬件仿真 器对目标板的调试几乎完全相同，并且支持多显示 器的调试，即 Proteus 运行在一台计算机上，而 Keil C运行在另一台计算机上， 通过网络连接实现远程 的调试。 利用 Proteus进行单片机系统的开发的优点是： （1）速度快。 程序修改、编译后马上就可以看到 效果。 而且可以根据实验结果对硬件电路进行快速 修改。 （2）花费低廉。 由于少了实际硬件电路的搭建， 也不用一次次地对电路进行实际的修改，可以为整 个开发工作减少很多支出。 （3） 功能强大。 由于具有交互式仿真的功能， Proteus 的仿真效果很形象。 而且具有丰富的元件 库，可以很方便的搭建出需要的电路。 （4）效率高。 由于它本身集成了开发单片机系 统所需要的大部分功能， 很方便设计者自行设计、 开发，并能在很短时间内完成设计、调试工作。 当然，Proteus 功能强大， 也不能取代实际的单 片机系统，最后还是要搭建一个实物平台来进行验 证工作。 但它提供了一个很好的平台，节省了大量 的制作电路板的时间，从而使我们能将主要的精力 放在系统设计上，对于提高产品的开发效率、降低 开发成本等有重要作用， 能大大加快开发工作，减 少时间与经费的支出。 2 硬件设计 采用 AT89C51 为核心控制元件, 由电压取样、 电流取样、电机驱动电路、温度测量电路和 A/D 转 换电路等部分组成。 仿真电路图如图 1所示[2]。 2.1 电源电路 电动滑板车用两组 12V 的蓄电池为直流电机 供电，从电池中间抽出 12V 的电源给 MOSFET 开关 管、LM358、 霍尔手柄供电。 12V 再经 7805 稳压成 5V给单片机供电。 2.2 调速电路和刹车电路 电动车上使用的调速转把多为霍耳转把。 转动 转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变 了霍耳转把的输出电压。 其中最常用的转把是输出 1.0V～4.2V 的电压。 在 Proteus 仿真中，采用电位器 调节电压，使其输出在 1.0V～4.2V之间，模拟调速手 柄的输出。输出电压输入 ADC0834的 CH0通道中， 转换成数字量。 刹把就是一种开关，市场中大量使用电子常高 金华职业技术学院学报 第 8 卷第 6 期 2008 年 12 月 Vol．8 No．6 Dec． 2008 刹把，电子常高刹把刹车时处于低电位，不刹车时 处于高电位。 在 Proteus 中采用开关来模拟刹把信 号， 开关闭合时模拟刹车状态，P1.7 输入低电平； 断开时，P1.7 输入高电平。若刹车松开时,调速手柄 不在初始位,则软件控制 PWM 脉冲宽度逐渐增加, 使速度逐渐加快,提高驾驶的舒适性,实现软启动的 功能。 2.3 电压、电流测量电路 电池电压经电阻 R6、R7 分压后送至 ADC0834 的 CH1 通道,转换成数字量再换算成电压值，当电 池电压小于 21V 时， 使 P2.0 脚接的红色发光二极 管闪烁提醒用户电量不足, 并由软件关闭 PWM 输 出,达到保护电池的目的。 电动滑板车的电机采用额定电压 DC24V，额定 功率 200W 的永磁式直流电机，如果效率以 80％计 算，其额定电流为 10A 左右。 控制器的限流值设定 为电机额定工作电流的 2.5倍，即 25A。 当电流达到 限流值时，减小输出 PWM 的占空比,从而减小电机 电流,实现对电机的限流保护。电机电流的大小通过 电阻 R4(0.01Ω)两端的压降来反映,经放大器 LM358 （电压增益为 10） 放大后送至 ADC0834 的 CH2 通 道，转换成数字量。 2.4 温度测量电路 当控制器处于非正常状态或电动车处于长期 过载运行时，控制器的温度会升高，温度过高会使 控制器损坏。 为了防止控制器温度过高， 当控制器 温度达到一定值时，减小输出 PWM 的占空比，减少 控制器输出电流，以防止温度继续上升。 温度测量 由数字式温度传感器 DS18B20 直接与单片机的 P3.7口连接，实现温度的测量。 2.5 AD转换电路 霍尔调速手柄、电压取样值、电流取样值均通 过模数转换器转换成数字量后，输入单片机内进行 处理。AD采用美国国家半导体公司的 ADC0834，八 位逐次逼近模数转换器，具有输入可配置的多通道 多路器和串行输入方式。 2.6 速度控制 工业上直流电机使用的电子开关元件为 MOSFET，其中直流电机是以额定电压为 DC24V，额 定功率为 200W 的永磁式直流电机为考虑对象 。 图 1 电动滑板车控制器仿真电路图 廖任秀 等：基于 PROTEUS 电动滑板车控制器的设计第 6 期 9 开始 初始化 采样电池电压 电池是否欠压？ 是否刹车？ LED闪烁 关闭 PWM输出 关闭 PWM输出 否 是 否 是 采样电机电流 减小 PWM输出 温度测量 是否过热？ 采样调速手柄信号 调节 PWM占空比 减小 PWM输出 是 否 否 是 电机是否过流？ MOSFET元件使用 IRF540, 其额定电压为 100V，漏 极电流 36A，属于电压驱动型开关。 控制 IRF540导 通的电压电位必须高于 8V 以上。 采用集电极开路 的 OC门 TTL集成电路来驱动。 为了保证能有足够 高的电平驱动 MOSFET，并使它导通，把上拉电阻接 到+12电源上[3]。 单片机产生的 PWM 信号经过 7407 缓冲后直 接控制 IRF540 的栅极。 当 PWM 的信号为 1 时， IRF540 的栅极输入高电平，开关管导通，直流电动 机电枢绕组两端有电压 24V， 电机转速增加。 当 PWM 的信号为 0 时，开关管截止，直流电动机电枢 绕组两端电压为 0，转速下降。 通过调节 PWM信号 的占空比来调节电机电枢绕组上的平均电压可达 到电机的无级调速。 3 软件设计 电动车的各项功能和主要性能均通过控制器 软件来实现。 本控制器的软件设计主要要实现控制 器调速、过热保护、电池欠压保护、电机过流保护、 刹车断电、软启动等控制功能,其软件框图如图 2 所 示。软件根据功能进行划分, 按模块化设计, 便于软 件调试, 链接。 3.1 PWM信号输出 AT89C51 单片机内没有 PWM 功能模块， 只能 用软件的方法模拟输出 PWM 信号。 采用 100 个机 器周期为 PWM 波形的基本周期 （AT89C51 采用 12MHz 的晶体，即 PWM 波形的周期为 100us，其频 率为 10KHz），采用定频调宽的方法。 定时器 T0 确 定 PWM 波的频率，T1 确定高电平的时间， 这样改 变 T1 的初值就可以改变占空比。 调速手柄输出的 电压经 A/D 转换后输入单片机，单片机根据输入电 压值的大小计算出 PWM 信号的占空比。 根据占空 比和 PWM 信号周期计算出 T1 的初值。 软件模拟 PWM输出的流程图如图 3所示。 参考程序如下： 定时器 0中断程序： TIME0: SETB P3.7 MOV TH0,#0FFH MOV TL0,#09BH MOV TH1,30H MOV TL1,31H SETB TR0 SETB TR1 RETI T0 中断入口 T1 中断入口 P3.7 置 1 P3.7 清零 为 T0、T1 装初值 关闭定时器 T1 启动定时器 T1 中断返回 中断返回 图 2 控制器主程序的流程图 图 3 软件模拟 PWM 输出流程图 金华职业技术学院学报 2 0 0 8 年10 定时器 1中断程序： TIME1: CLR P3.7 CLR TR1 RETI 说明：定时器 T1 的初值在主程序中计算，并放 在内部 RAM的 30H和 31H单元。 3.2 AD转换子程序 该系统在工作时，单片机将通过编程产生串行 时钟，并按时序发送与接收数据位，以完成通道方 式 ／通道数据的写入和转换结果的读出， 下面给出 A ／ D转换的参考程序： CS BIT P1.0 ；端口位定义 CLKBIT P1.1 DI BIT P1.2 DO BIT P1.3 ；********************************** ；AD转换子程序 ADCON: MOV A,50H ；通道选择放在 50H单元中 SETB CS ；片选引脚为高电平所有数据传送 终止 CLR CLK ；清时钟总线 CLR DI CLR CS ; ;片选引脚为低电平逻辑控制有效 MOV R7,#4 ；发送通道选择命令 LP1:RLC A 将最高位传送给进位位 C MOV DI,C 位传送至数据总线 SETB CLK 时钟上升沿发送数据有效 CLR CLK清时钟总线 DJNZ R7,LP1 位传送未完毕则继续 MOV R7,#8 ；接受 8位数据 SETB CLK 第五个上升沿 LP2: CLR CLK ；第五个下降沿，开始接收数据 NOP MOV C,DO ；数据总线上的数据读入 C中 RLC A ；将 C中的数据传送如 A中 SETB CLK DJNZ R7,LP2 位传送未完毕则继续 CLR CLK SETB CS 逻辑操作完毕，片选置高 RET 4 仿真及结果 整个软件通过汇编语言编程， 先在 Medmin 集 成开发环境下将编写好的程序进行编译、 调试，调 试通过后生产 HEX文件， 运行 Proteus模拟仿真软 件， 打开已经绘制好的仿真电路图， 选中单片机 AT89C51, 左键点击 AT89C51， 出中现对应的对话 框，在 Program File 装入编译好的 HEX 文件，然后 点击“OK”就可以进行仿真了。点击模拟调试按钮中 的运行按钮，进入调试状态。 通过电位器的上、 下箭头可改变输入电压值， 当输入电压为 1V 时， 从示波器中可观察到输出 PWM 的占空比为零， 电机不转， 逐渐增大输入电 压，PWM 的占空比也逐步增大，电机转速也逐渐增 加， 当输入电压达到最大值时，PWM 的占空比为 100%，电机转速达到最大值。 通过调低电池的电压值可模拟电池欠压保护 功能，当两组电池电压调节到小于 21V 时，从示波 器中可观察到输出 PWM 的占空比为零，电机不转。 通过调高电池的电压值可模拟过流保护功能，当电 池电压为 24V 时，电机电流为 10A 左右，将电池电 压调节到 60V 以上时，电机电流大于 25A，此时处 于过流状态， 从示波器可以看到输出 PWM 的占空 比降低，电机转速下降。 通过切换开关的状态可模拟刹车断电功能，在 运行状态时将开关 K1 闭合， 从示波器中可观察到 输出 PWM的占空比为零，电机转速下降至零。 本文利用 Proteus 对电动滑板车控制器进行了 仿真设计，可以看出，利用 Proteus 进行单片机系统 的仿真设计可以极大地简化单片机程序在目标硬 件上的调试工作， 大幅度节省制作电路板的时间， 对于提高产品的开发效率、降低开发成本有着重要 作用。 参考文献： [1] 李 娜. 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[7] 吴一玲. 高职护理新生心理健康状况调查分析[J]. 金华职业技术学院学报，2008，8（2）：25-27. 容易出现不良的心理反映。 中职生源学生的心理 健康状况与普高生源学生的不同给我们以提示： 加强普高生源学生的心理辅导， 有必要作一些心 理干预。 以上结果为今后做好高职医学生的心理健 康工作提供了有益的指导依据，学校对于普高生 源的学生应加强心理健康教育，提高他们的心理 素质。 An Investigation on Mental Health of Different Sources of Higher Vocational Medical Students SHENG Ai-ping，XIA Tao，WU Yi-ling （Jinhua College of Profession and Technology, Jinhua 321007，China） Abstract：Objective：To evaluate mental health of different sources of Higher Vocational Medical students. Method：330 samples were tested with SCL-90. Results：The factor scores of higher vocational medical student were lower than college student norm. The relevance ratio of mental problem is 6.5%. All factor scores of the students from the high middle school were higher than those of the students from vocational high middle schools, and in the aspects of somatization, compulsion, sociality, depression, anxiety, antagonism, psychosis and total average score there is the statistics significance (P <0.05). Conclusions：The psychological status of the students from vocational middle high school is better than the students from middle high school. Key words：SCL-90；mental health；Higher Vocational Education Design of PROTEUS-Based Electric Scooter Controller LIAO Ren-xiu，CHEN Gui-lan （Jinhua College Of Profession & Technology, Jinhua 321007,China） Abstract:Based on the development platform of PROTEUS Emulation software, this paper introduces both the hardware and software designs of electronic scooter controller. The controller is able to achieve the functions of speed regulation, overheating protection, low-voltage protection, over-current protection and soft start, and so on. The research proved that all the following issues can be accomplished under the PROTEUS circumstance, such as, hardware and software debugging of monolithic system, measurement and testing of systematic performance, reducing design cost in practical applications, shortening the development cycle, increase of efficiency. Key words:PROTEUS；Scooter；simulation !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第 11页） 盛爱萍 等：不同生源高职医学生心理健康状况的调查研究第 6 期 57