基于单片机的电动车控制系统设计

2013-11-16尹洪波

中国新技术新产品 2013年5期

关键词：低通滤波器电动车端口

尹洪波

（哈尔滨自动化仪表研究所，黑龙江哈尔滨 150020）

1 ATmega16单片机介绍

ATmega16产品特性

高性能、低功耗的8位AVR微处理器；先进的RISC结构；非易失性程序和数据存储器；JTAG接口 (与IEEE1149.1标准兼容)；通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程；外设特点

-两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器

-一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器

-具有独立振荡器的实时计数器RTC

-面向字节的两线接口

-两个可编程的串行USART

-可工作于主机/从机模式的SPI串行接口

-具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器

特殊的处理器特点

-上电复位以及可编程的掉电检测

-6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式

I/O和封装

-32个可编程的I/O口

-40引脚PDIP封装,44引脚TQFP封装,与44引脚MLF封装

工作电压:

-ATmega16L：2.7-5.5V

-ATmega16：4.5-5.5V

速度等级

-0-8MHzATmega16L

-0-16MHzATmega16

ATmega16L 在 1MHz,3V,25°C 时的功耗

-正常模式:1.1mA

-空闲模式:0.35mA

-掉电模式:<1μA

ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

引脚说明

VCC 数字电路的电源

GND 地

端口A(PA7..PA0)/端口B(PB7..PB0)

端口A/B做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

端口C(PC7..PC0)/端口D(PD7..PD0)

端口C/D均为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

RESET

复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。

XTAL1

反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。

XTAL2

反向振荡放大器的输出端。

AVCC

AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC

时应通过一个低通滤波器与VCC连接。

AREF

A/D的模拟基准输入引脚。

综上所述，ATmega16单片机是ATMEL系列中，功能齐全多样，且价格较低的产品，其多样的引脚，强大的处理功能，以及较高的FLASH，数万次的擦写，奠定了其在电动车控制系统中不可动摇的地位。

2 电动车控制系统的设计方案

2.1 硬件设计与原理

硬件原理简图如下所示

如上图所示

在硬件设计中，采用的贴片封装较多，这样不仅有利于缩小控制电路板的空间，更有利于散热及抗干扰等。

电路中，首先用LM2576S电源芯片搭接成系统的电源电路，共给单片机供电及驱动继电器控制系统中输出的结点信号均用三极管驱动继电器输出，提高了单片机的驱动能力，并可利用继电器将ATmega16芯片与外界隔离，起到了保护作用，并且每一个输入与输出均用LED灯进行指示。

在输入方面，利用TLP521光隔芯片，配合上拉电阻，当外部信号输入时，将单片机相应引脚电位拉低，单片机检测到管脚的电平变化，进行相应计算和处理。

其次，利用了单片机的通讯口搭接了一个基于RS485通讯的通讯电路，可以外接一个通用的显示器，起到数字显示的作用。

2.2 电动车控制系统的控制流程

系统的控制流程如下

系统上电初始化——检测电池电压——（不合格报警输出）——合格继续检测各控制回路——（不合格报警输出）——合格继续检测手把按钮输入——（不合格返回重新检测）——执行相应按钮动作——检测刹车信号——停车

当系统上电时，首先检测电池电压是否符合要求，即是否为额定电压，若低于正常值，则由单片机控制三极管驱动继电器输出声光报警，提醒驾驶员电池电量低，不能正常工作，若电池电压符合要求，则继续进行检测各个控制回路是否正常，以保证在后续的行车过程中，能够准确无误的执行驾驶员给出的指令，检测回路若不正常，则输出声光报警，并返回上一级，继续检测，直到检测正常为止。

当各项检测均正常之后，系统开始实时扫描各输入端口，输入即为电动车手把上的各个按钮，如启动、喇叭、加速等，系统检测指令后根据相应的程序执行动作，并根据电动车上的霍尔速度传感器的速度输入值通过通讯接口发送给液晶显示器，告知驾驶员目前的车速，以及电池电量等相关信息。由于行车以安全为主，当检测到刹车指令时，系统会立即执行刹车命令。

在这里，霍尔传感器安装在电机内部，是一种电磁感应式传感器，它根据探头与被测体上安装的磁源，根据磁场的变换产生电动势，经过处理后输出转速信号，在由低通滤波器后引入到单片机的管脚，这样可以有效的避免杂波的干扰低通滤波器的选取要尽可能的滤掉杂波干扰，又要考虑其对转速信号的影响，以尽快达到ATMEG16输入口的门限电压(即2～3V)，这样才符合实时采集的要求。在这里，当输入由低转高时，总电阻为5.5Kohm，电容为0.1uf，经过计算，输入电压上升到3V的时间是0.3ms，而在转速最大时单相霍尔传感器的输出频率是140Hz，即其输出的周期是7ms，符合要求。