基于恒流源的電動自行車續(xù)航器的設(shè)計

高宏洋

（西安外事學(xué)院，陜西西安，710077）

電動自行車以其“輕便、環(huán)保、低噪音且價格低廉”等優(yōu)點，成為人們常用的運輸、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，目前中國電動自行車累計銷量已經(jīng)有1.5 億輛以上，基本上十個人中，就有一個人購買過或者使用電動自行車。在國外近幾年歐、美國家對電動自行車需求也在不斷地增長，電動自行車在全球的潛在市場呈擴大趨勢。目前電動自行車蓄電池一般用采用免維護鉛酸電池，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，而對電池的損傷卻非常大，因此當我們正在途中行駛時，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)致電動機因欠壓停轉(zhuǎn)，不得不終止行程。為了避免此問題的發(fā)生，設(shè)計了基于恒流源的電動自行車自動續(xù)航器。它能夠根據(jù)蓄電池電壓的變化、當前行駛速度估算出還能行駛的里程。當電動車的運行電壓降至總電壓85% 時，控制器會自動發(fā)出提示音響，并切換到合理的放電模式，給電流和電機一個最佳配合，確保電動車在較低電量下的正常騎行，延長騎行里程。

1 系統(tǒng)電路分析設(shè)計

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

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

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 測速電路

采用霍爾傳感器測速。將小磁鐵塊固定在電機的轉(zhuǎn)子上，將霍爾傳感器（開關(guān)型）靠近小磁鐵附近，當電機轉(zhuǎn)動以后，磁鐵會在一定的周期內(nèi)靠近傳感器一次，這樣霍爾傳感器將輸出一個高電平，當小磁鐵遠離傳感器時，傳感器輸出一個低電平；利用單片機內(nèi)部定時器，計算出脈沖一個周期的時間，經(jīng)過相關(guān)運算處理，就可以算出電機的轉(zhuǎn)速，然后送顯示電路顯示速度和里程。

1.2 電池電壓檢測電路

電路由二極管VD1,電阻Ra、Rb 構(gòu)成,電阻Ra 和Rb對輸入的電池電壓進行分壓,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,從而進一步計算出分析電池電壓。大于設(shè)定值時，LCD 顯示里程和速度，低于設(shè)定值時，啟動恒流調(diào)節(jié)電路和聲光報警電路，提示車主注意。

1.3 報警電路設(shè)計

語音報警電路的核心是WTV040 語音芯片。當電動車的行使速度達到或超過測速器預(yù)設(shè)速度時，單片機往外發(fā)出一個低電平，直接拉低I/O 口電平，使WTV040 語音芯片被觸發(fā)，點亮報警指示進行提示并觸發(fā)語音進行報警。

1.4 液晶和鍵盤接口電路的設(shè)計

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

當蓄電池電壓低于設(shè)定值時，啟動電流調(diào)節(jié)電路，恒流源電路由集成運放和達林頓管構(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 采樣實現(xiàn)反饋控制以提高輸出電流的精度。該電路實現(xiàn)了35V/3A 的恒定電流輸出。

2 軟件設(shè)計

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

在主程序模塊中，包括對各接口的初始化、自行車里程、速度、顯示緩沖存儲單元的初始化、中斷向量的設(shè)計以及開中斷、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/清除標志寄存器、里程寄存器、速度寄存器，電流預(yù)置值存儲器等，并對它們進行初始化。然后主程序?qū)⒏鶕?jù)各標志寄存器的內(nèi)容，分別完成啟動、清除、計程和計速等不同的操作。

3 測試

首先根據(jù)電池構(gòu)造特征和差異，測試時選擇電動自行車用的電池容量10Ah、放電時率為2 小時，它的額定放電電流為10（Ah）/2（h）=5A；工作能持續(xù)2 小時下降到設(shè)定的電壓。將設(shè)計電路接入電源測量，以1C 倍率也就是10A 放電時間只能持續(xù)31 分鐘，能夠放出的電量僅為10A×0.52h=5.2Ah。以0.6C 倍率也就是6A 放電時間只能持續(xù)1 小時，能夠放出的電量僅為6A×1h=6Ah。而以0.5C 也就是5A 放電時間可以持續(xù)2 小時，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。實測中以0.3C 也就是3A 放電時間可以持續(xù)3.3 小時。因此當電壓下降時，我們采取合理的放電模式，給電流和電機一個最佳配合，確保電動車的正常騎行，是能夠延長騎行里程的。從而證明了基于恒流源電動自行車自動續(xù)航器的設(shè)計方案的可行性和實用性。

4 結(jié)論

本設(shè)計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單性，故盡可能簡化硬件電路，節(jié)省線路板的空間，達到硬件電路最優(yōu)化設(shè)計。軟件采用模塊化設(shè)計思想，程序可讀性強。通過仿真、實驗驗證了系統(tǒng)的可行，能滿足設(shè)計要求，可以提高電動自行車整體性能，具有良好的應(yīng)用前景。

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