高宏洋

（西安外事學(xué)院，陜西西安，710077）

電動(dòng)自行車以其“輕便、環(huán)保、低噪音且價(jià)格低廉”等優(yōu)點(diǎn)，成為人們常用的運(yùn)輸、代步工具，給人們的出行帶來了極大的方便。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)電動(dòng)自行車?yán)塾?jì)銷量已經(jīng)有1.5 億輛以上，基本上十個(gè)人中，就有一個(gè)人購買過或者使用電動(dòng)自行車。在國(guó)外近幾年歐、美國(guó)家對(duì)電動(dòng)自行車需求也在不斷地增長(zhǎng)，電動(dòng)自行車在全球的潛在市場(chǎng)呈擴(kuò)大趨勢(shì)。目前電動(dòng)自行車蓄電池一般用采用免維護(hù)鉛酸電池，工作電壓為36V 和48V，功率在150W～400W 之間；大多數(shù)車廠采用的控制器欠壓保護(hù)電壓也都是31.5V。在電池電壓低于32V 以后一直到27V，所增加的續(xù)行能力不到2 公里，而對(duì)電池的損傷卻非常大，因此當(dāng)我們正在途中行駛時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)控制器欠壓燈亮，就意味著電池組只剩下31.5V 電壓了，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)因欠壓停轉(zhuǎn)，不得不終止行程。為了避免此問題的發(fā)生，設(shè)計(jì)了基于恒流源的電動(dòng)自行車自動(dòng)續(xù)航器。它能夠根據(jù)蓄電池電壓的變化、當(dāng)前行駛速度估算出還能行駛的里程。當(dāng)電動(dòng)車的運(yùn)行電壓降至總電壓85% 時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)發(fā)出提示音響，并切換到合理的放電模式，給電流和電機(jī)一個(gè)最佳配合，確保電動(dòng)車在較低電量下的正常騎行，延長(zhǎng)騎行里程。

1 系統(tǒng)電路分析設(shè)計(jì)

經(jīng)過觀察測(cè)量，電池的電壓衰減呈非線性。蓄電池充滿電時(shí)電壓緩慢降低，當(dāng)電壓一旦不足，衰減就是一個(gè)越來越快過程。在行駛時(shí)，應(yīng)緩慢提速，不能直接一下就讓它上到高速，這樣電池?fù)p耗就非常大。勻速行駛最省電，如果一個(gè)過程，我們不提速，也不剎車，就是保持一個(gè)速度一直這么開，那么這個(gè)過程其實(shí)是相當(dāng)省電的。

通過以上調(diào)查分析我們提出了基于恒流源的電動(dòng)自行車自動(dòng)續(xù)航器的設(shè)計(jì)方案，它主要由STC15F408AD 單片機(jī)及其外圍電路、電壓檢測(cè)電路、測(cè)速電路、電源電路、按鍵顯示電路、電壓調(diào)節(jié)電路、聲光報(bào)警電路組成。單片機(jī)是該控制系統(tǒng)的核心,其主要功能是根據(jù)電壓檢測(cè)電路和測(cè)速電路的信息控制電流調(diào)節(jié)電路、聲光報(bào)警電路和顯示電路。實(shí)現(xiàn)在電壓正常情況下顯示速度與里程，當(dāng)電壓低于正常值的85% 時(shí)，發(fā)出聲關(guān)報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)恒流電路，控制電動(dòng)車勻速行駛，達(dá)到續(xù)航目的。原理框圖如圖1 所示下：

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 測(cè)速電路

采用霍爾傳感器測(cè)速。將小磁鐵塊固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，將霍爾傳感器（開關(guān)型）靠近小磁鐵附近，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以后，磁鐵會(huì)在一定的周期內(nèi)靠近傳感器一次，這樣霍爾傳感器將輸出一個(gè)高電平，當(dāng)小磁鐵遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，傳感器輸出一個(gè)低電平；利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器，計(jì)算出脈沖一個(gè)周期的時(shí)間，經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算處理，就可以算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后送顯示電路顯示速度和里程。

1.2 電池電壓檢測(cè)電路

電路由二極管VD1,電阻Ra、Rb 構(gòu)成,電阻Ra 和Rb對(duì)輸入的電池電壓進(jìn)行分壓,經(jīng)過光耦隔離后送到ADC 通道A1 通過控制器的片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集分壓后的電壓,從而進(jìn)一步計(jì)算出分析電池電壓。大于設(shè)定值時(shí)，LCD 顯示里程和速度，低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)恒流調(diào)節(jié)電路和聲光報(bào)警電路，提示車主注意。

1.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

語音報(bào)警電路的核心是WTV040 語音芯片。當(dāng)電動(dòng)車的行使速度達(dá)到或超過測(cè)速器預(yù)設(shè)速度時(shí)，單片機(jī)往外發(fā)出一個(gè)低電平，直接拉低I/O 口電平，使WTV040 語音芯片被觸發(fā)，點(diǎn)亮報(bào)警指示進(jìn)行提示并觸發(fā)語音進(jìn)行報(bào)警。

1.4 液晶和鍵盤接口電路的設(shè)計(jì)

STC15F408AD 的I/O 口都是典型的復(fù)用端口(外圍模塊功能和I/O 端口功能)，在對(duì)LCD 讀寫操作之前要選擇為I/O端口功能，設(shè)置P3、P4 口為輸出口。本系統(tǒng)接口電路端口功能分配如下：P3.5 接到LCD 的E 端口，作為使能端，P3.6 和P3.7 作為控制口分別接到R/W 和RS 引腳。P4.0～P4.7 作為數(shù)據(jù)線分別接到LCD 的DB0～DB7。

1.5 恒流源電路

當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)電流調(diào)節(jié)電路，恒流源電路由集成運(yùn)放和達(dá)林頓管構(gòu)成。STC15F408AD 作為系統(tǒng)控制核心，通過設(shè)定D/A 的輸出電壓來控制恒流源的輸出電流，并通過A/D 采樣實(shí)現(xiàn)反饋控制以提高輸出電流的精度。該電路實(shí)現(xiàn)了35V/3A 的恒定電流輸出。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，使用C 語言編程,主要包括初始化子程序、霍爾信號(hào)采集子程序、A/D 轉(zhuǎn)換子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序、速度運(yùn)算子程序、中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等。

在主程序模塊中，包括對(duì)各接口的初始化、自行車?yán)锍?、速度、顯示緩沖存儲(chǔ)單元的初始化、中斷向量的設(shè)計(jì)以及開中斷、循環(huán)等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設(shè)置啟動(dòng)/清除標(biāo)志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，電流預(yù)置值存儲(chǔ)器等，并對(duì)它們進(jìn)行初始化。然后主程序?qū)⒏鶕?jù)各標(biāo)志寄存器的內(nèi)容，分別完成啟動(dòng)、清除、計(jì)程和計(jì)速等不同的操作。

3 測(cè)試

首先根據(jù)電池構(gòu)造特征和差異，測(cè)試時(shí)選擇電動(dòng)自行車用的電池容量10Ah、放電時(shí)率為2 小時(shí)，它的額定放電電流為10（Ah）/2（h）=5A；工作能持續(xù)2 小時(shí)下降到設(shè)定的電壓。將設(shè)計(jì)電路接入電源測(cè)量，以1C 倍率也就是10A 放電時(shí)間只能持續(xù)31 分鐘，能夠放出的電量?jī)H為10A×0.52h=5.2Ah。以0.6C 倍率也就是6A 放電時(shí)間只能持續(xù)1 小時(shí)，能夠放出的電量?jī)H為6A×1h=6Ah。而以0.5C 也就是5A 放電時(shí)間可以持續(xù)2 小時(shí)，放出電量5A×2h=10Ah。盡管前者的終止電壓比后者低，但能夠放出的電量要小于后者。實(shí)測(cè)中以0.3C 也就是3A 放電時(shí)間可以持續(xù)3.3 小時(shí)。因此當(dāng)電壓下降時(shí)，我們采取合理的放電模式，給電流和電機(jī)一個(gè)最佳配合，確保電動(dòng)車的正常騎行，是能夠延長(zhǎng)騎行里程的。從而證明了基于恒流源電動(dòng)自行車自動(dòng)續(xù)航器的設(shè)計(jì)方案的可行性和實(shí)用性。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分，硬件部分著重考慮硬件電路的簡(jiǎn)單性，故盡可能簡(jiǎn)化硬件電路，節(jié)省線路板的空間，達(dá)到硬件電路最優(yōu)化設(shè)計(jì)。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，程序可讀性強(qiáng)。通過仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行，能滿足設(shè)計(jì)要求，可以提高電動(dòng)自行車整體性能，具有良好的應(yīng)用前景。

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