AT89C51的电动轮椅控制系统设计研究

张晨超

摘 要：电动轮椅的研发能够为不良于行的人在出行方面提供有效帮助，同时还能够使他们的内心有所依赖，重拾生活的信心。鉴于此，本文将在AT89C51的基础上，对电动轮椅控制系统进行有效设计，以此为电动轮椅的有效应用和持久续航提供有效帮助。

关键词：AT89C51;电动轮椅;控制系统设计

本设计与以往的轮椅设计结构不同，它在原有的普通轮椅基础上，增加了智能控制系统，使得轮椅的机械结构更加具科学性。另外，为了保持其美观、轻便的结构特点，新型控制系统的设计取消了对常规无动力轮胎的应用，设置了无溶剂直流电机控制器，并增设了控制键盘、电池和其他显示设备，它的动力来源为铅酸蓄电池，驱动装置为直流电机。在以上结构零件的设置下，使得;轮椅实现了精准电控功能。

1电动轮椅控制系统的结构和组成

在电动轮椅的硬件设计上，为了使其与控制系统有高度匹配性，因此在主控制器的设计上采用的是AT89C51单片机，电机采用的是三相线圈的直流无刷电动机，控制键盘有7个按钮，主要负责轮椅的前进、后退、左拐弯、右拐弯、加减速度、停止移动。另外还有数值显示设备、照明灯以及独立的照明开关、供电系统和脉冲系数测数等。

2电动轮椅运动控制方式

电动轮椅的主要技术指标：

输出速度：0～15km/h，

输入电压：0～36V，

最大载重：100kg，

首次续航距离：25km，

后轮驱动是电动轮椅的主要驱动方式，充电设备为全智能状态，最大坡度为8[1]。

电动轮椅的主要技术指标：输入电压0～36V;输出速度0～15km/h;最大载重量100kg;充足电一次续行里程25km;驱动方式为双直流电机后轮驱动;充电器为分阶段智能充电器;最大爬坡度8。。采用表1的驱动控制方式。

由于电动轮椅上的电机安装在左右两侧，电机的前进方向和后退方向正好与前进方向相反。理论上，前向应该是左电机的前进方向和右电机的反方向，但在实践中，控制程序是左电机和右电机的反方向。

3键盘设计

采用独立的键盘结构，通过检测各个YO端口级别的变化，即可以很容易地确定是否有按键和按什么键。在AT89C51上，七个独立的YO端口P1.0～P1.6分别连接到七个按键，得到按键的输入。七个按钮的功能分别为"前进、后退、左拐弯、右拐弯、加速、减速、停止（制动）"。读取键值的方式通过电路中断来进行。当任何键被按下时，与它相连接的输入接口EI线就会被设置成低电平“O”，门的输出由高变低，从而产生中断条件，并执行中断服务程序[2]。当没有按键时，与其相连的输入El线为1（高电平），门的输出为高电平。

4无刷直流电动机的单片机控制

4.1电动轮椅动力轮的设计和选择

就当前来说，在电动轮椅的设计中，经常使用的发动机类型为永磁直流电动机，也就是在电动轮椅的电机线圈设计方面，用永磁代替线圈。通过这种方式，可以降低励磁线圈的能源消耗，使电机的机电转换效率得到很大程度的提高，进而达到提高电动轮椅连续行驶里程的目的。跟布局电机通电方式的不同，可以将其分为带位置传感器和不带位置传感器的无刷电机两种。在这两种典籍中，由于带位置传感器的无刷电机可以从零速度的状态下起动，因此在电动轮椅生产设计中被广泛使用。在本设计中，电动轮椅的驱动电机将由输入电压为36V的三相线圈式的低速永磁无刷电机代替。运用这一电机，能够有效降低电动轮椅的驱动轮成本，并能提高驱动轮的应用灵活性。同时还能够提高整车“颜值”带给使用者良好的视觉感受。因为这种无刷电机有三相线圈、因此有三个霍尔元件输出信号引线、两个霍尔元件正负电源阴险，三个线圈引线。

4.2无刷直流电动机的单片机控制技术

电动轮椅的主控制器件为AT89C51，其特点使4KB可编程闪存，16位定时器和计数器两个，内部RAM128×8字节，6个中断源，可编程I/O线32条，可编程串行通道和片上时钟振荡器各一个。

电动轮椅的驱动电路位三相全控制电桥，构成基础位MOSFET。用AT89C51單片机的P0.4、P0.5、P0.6接口作为三相线圈霍尔传感器的信号输入。为了对电机的转速进行调节可以采用P0.0作为PWM的输出接口。

4.2.1换向

三相全桥双向星形有六种传导连接状态，转子每一转位60圈，一圈就代表一种状态。位了实现六接口线P2.0～P2.5的输出，可以根据霍尔位置传感器的输出信号H1、H2和H3，将相应的控制字发送到P2端口[3]。

4.2.2转速控制

采用AT89C51单片机的PO.0作为PWM的输出。它对P2.3～P2.5输出线路的相位逻辑和操作和7409门的3个输入端子进行控制。当PWM输出处于低电平的状态时，开关电路的MOSFET T4、T6、R'2被阻塞。当PWM输出处于高电平的状态时，P7409的输出状态对单片机P2.3～P2.5的控制字产生依赖，霍尔位置传感器的H1、H2、H3输出信号，MOSFETT4、T6、RI2的导通和截止均为正常整流。采用7407芯片作为驱动电路，使电压上升来控制随后的MOS大功率开关T1～T6。

4.2.3正、反转控制

电机的正反两个方向均可通过改变开关的启动顺序来实现，也可以通过软件实现轮椅转向的控制，只需要将反向输入控制字到P2的接口。假设霍尔位置传感器的输出信号H1，H2，H3与A，B，C型三相线圈可以相互呼应，同时，A，B，C型三相线圈对应的上部MOS控制开关为T5（P2.2），T3（P2.1），T1（P2.o），下部MOS控制开关为x2（P2.3），T6（P2.4），T4（P2.5）。

那么其总体输出规律为：正转时，P2.0～P2.2输出电压与H3H2H1输出电压具有一致性的特点，反向输出电压则与之相反。

例：霍尔元件的输入信号Hl～H3分别为1，0，0时，处于正转状态时，P2.2，P2.4，P2.5输出为高压，分别使T5，T4，T6导通，P2输出为00110100，即34H（此时P2.6，P2.7为o）;反转时，P2输出为00001011，即0BH。从而根据H1H2H3的输入信号电压，确定P2端口线的输出信号，实现两台电机的联合控制。

5控制系统软件设计

系统软件采用模块化的设计结构，整个程序分成了几大模块，如显示模块，主控程序模块、PWM驱动程序模块等，在电动轮椅处于初始化状态，开始第一次应用时，只要给系统通上电源，AT891251就会自动开机，12PU从0000H开始复位。一般情况下，初始化模块部分主要包括rID、rI1初值、开始停止、TMOD模式设置等。而对主要程序的操控则是通过速度传感器和采集电压信息数据进行处理，在信息处理的同时，扫描键盘按键的功能会被中断，而PWM控制输出开始执行，最终就会实现操作者对电动轮椅的有效控制。

6结语

综上，通过对电动轮椅的控制系统进行设计，能够有效提高轮椅的续航时间，同时还能够提高电动轮椅的应用灵活性和灵敏性。而键盘按键的设计能够让不良于行的人员快速了解轮椅操作方法，在短时间内实现对电动轮椅的有效控制，提高电动轮椅的应用可行性。

参考文献：

[1]黄精，王健.电动轮椅车的硬件电路设计[J].计算机与数字工程，2013，41（12）：2016-2019.

[2]李华海.解析多功能智能电动轮椅系统设计[J].建筑工程技术与设计，2020，（16）：5099.

[3]冯威.电动轮椅控制系统设计[D].河北：河北工业大学，2012.

（宁波财经学院  浙江  宁波  315000）