AT89C51的電動輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計研究

張晨超

摘 要：電動輪椅的研發(fā)能夠為不良于行的人在出行方面提供有效幫助，同時還能夠使他們的內(nèi)心有所依賴，重拾生活的信心。鑒于此，本文將在AT89C51的基礎(chǔ)上，對電動輪椅控制系統(tǒng)進(jìn)行有效設(shè)計，以此為電動輪椅的有效應(yīng)用和持久續(xù)航提供有效幫助。

關(guān)鍵詞：AT89C51;電動輪椅;控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計與以往的輪椅設(shè)計結(jié)構(gòu)不同，它在原有的普通輪椅基礎(chǔ)上，增加了智能控制系統(tǒng)，使得輪椅的機械結(jié)構(gòu)更加具科學(xué)性。另外，為了保持其美觀、輕便的結(jié)構(gòu)特點，新型控制系統(tǒng)的設(shè)計取消了對常規(guī)無動力輪胎的應(yīng)用，設(shè)置了無溶劑直流電機控制器，并增設(shè)了控制鍵盤、電池和其他顯示設(shè)備，它的動力來源為鉛酸蓄電池，驅(qū)動裝置為直流電機。在以上結(jié)構(gòu)零件的設(shè)置下，使得;輪椅實現(xiàn)了精準(zhǔn)電控功能。

1電動輪椅控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

在電動輪椅的硬件設(shè)計上，為了使其與控制系統(tǒng)有高度匹配性，因此在主控制器的設(shè)計上采用的是AT89C51單片機，電機采用的是三相線圈的直流無刷電動機，控制鍵盤有7個按鈕，主要負(fù)責(zé)輪椅的前進(jìn)、后退、左拐彎、右拐彎、加減速度、停止移動。另外還有數(shù)值顯示設(shè)備、照明燈以及獨立的照明開關(guān)、供電系統(tǒng)和脈沖系數(shù)測數(shù)等。

2電動輪椅運動控制方式

電動輪椅的主要技術(shù)指標(biāo)：

輸出速度：0～15km/h，

輸入電壓：0～36V，

最大載重：100kg，

首次續(xù)航距離：25km，

后輪驅(qū)動是電動輪椅的主要驅(qū)動方式，充電設(shè)備為全智能狀態(tài)，最大坡度為8[1]。

電動輪椅的主要技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓0～36V;輸出速度0～15km/h;最大載重量100kg;充足電一次續(xù)行里程25km;驅(qū)動方式為雙直流電機后輪驅(qū)動;充電器為分階段智能充電器;最大爬坡度8。。采用表1的驅(qū)動控制方式。

由于電動輪椅上的電機安裝在左右兩側(cè)，電機的前進(jìn)方向和后退方向正好與前進(jìn)方向相反。理論上，前向應(yīng)該是左電機的前進(jìn)方向和右電機的反方向，但在實踐中，控制程序是左電機和右電機的反方向。

3鍵盤設(shè)計

采用獨立的鍵盤結(jié)構(gòu)，通過檢測各個YO端口級別的變化，即可以很容易地確定是否有按鍵和按什么鍵。在AT89C51上，七個獨立的YO端口P1.0～P1.6分別連接到七個按鍵，得到按鍵的輸入。七個按鈕的功能分別為"前進(jìn)、后退、左拐彎、右拐彎、加速、減速、停止（制動）"。讀取鍵值的方式通過電路中斷來進(jìn)行。當(dāng)任何鍵被按下時，與它相連接的輸入接口EI線就會被設(shè)置成低電平“O”，門的輸出由高變低，從而產(chǎn)生中斷條件，并執(zhí)行中斷服務(wù)程序[2]。當(dāng)沒有按鍵時，與其相連的輸入El線為1（高電平），門的輸出為高電平。

4無刷直流電動機的單片機控制

4.1電動輪椅動力輪的設(shè)計和選擇

就當(dāng)前來說，在電動輪椅的設(shè)計中，經(jīng)常使用的發(fā)動機類型為永磁直流電動機，也就是在電動輪椅的電機線圈設(shè)計方面，用永磁代替線圈。通過這種方式，可以降低勵磁線圈的能源消耗，使電機的機電轉(zhuǎn)換效率得到很大程度的提高，進(jìn)而達(dá)到提高電動輪椅連續(xù)行駛里程的目的。跟布局電機通電方式的不同，可以將其分為帶位置傳感器和不帶位置傳感器的無刷電機兩種。在這兩種典籍中，由于帶位置傳感器的無刷電機可以從零速度的狀態(tài)下起動，因此在電動輪椅生產(chǎn)設(shè)計中被廣泛使用。在本設(shè)計中，電動輪椅的驅(qū)動電機將由輸入電壓為36V的三相線圈式的低速永磁無刷電機代替。運用這一電機，能夠有效降低電動輪椅的驅(qū)動輪成本，并能提高驅(qū)動輪的應(yīng)用靈活性。同時還能夠提高整車“顏值”帶給使用者良好的視覺感受。因為這種無刷電機有三相線圈、因此有三個霍爾元件輸出信號引線、兩個霍爾元件正負(fù)電源陰險，三個線圈引線。

4.2無刷直流電動機的單片機控制技術(shù)

電動輪椅的主控制器件為AT89C51，其特點使4KB可編程閃存，16位定時器和計數(shù)器兩個，內(nèi)部RAM128×8字節(jié)，6個中斷源，可編程I/O線32條，可編程串行通道和片上時鐘振蕩器各一個。

電動輪椅的驅(qū)動電路位三相全控制電橋，構(gòu)成基礎(chǔ)位MOSFET。用AT89C51單片機的P0.4、P0.5、P0.6接口作為三相線圈霍爾傳感器的信號輸入。為了對電機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)可以采用P0.0作為PWM的輸出接口。

4.2.1換向

三相全橋雙向星形有六種傳導(dǎo)連接狀態(tài)，轉(zhuǎn)子每一轉(zhuǎn)位60圈，一圈就代表一種狀態(tài)。位了實現(xiàn)六接口線P2.0～P2.5的輸出，可以根據(jù)霍爾位置傳感器的輸出信號H1、H2和H3，將相應(yīng)的控制字發(fā)送到P2端口[3]。

4.2.2轉(zhuǎn)速控制

采用AT89C51單片機的PO.0作為PWM的輸出。它對P2.3～P2.5輸出線路的相位邏輯和操作和7409門的3個輸入端子進(jìn)行控制。當(dāng)PWM輸出處于低電平的狀態(tài)時，開關(guān)電路的MOSFET T4、T6、R'2被阻塞。當(dāng)PWM輸出處于高電平的狀態(tài)時，P7409的輸出狀態(tài)對單片機P2.3～P2.5的控制字產(chǎn)生依賴，霍爾位置傳感器的H1、H2、H3輸出信號，MOSFETT4、T6、RI2的導(dǎo)通和截止均為正常整流。采用7407芯片作為驅(qū)動電路，使電壓上升來控制隨后的MOS大功率開關(guān)T1～T6。

4.2.3正、反轉(zhuǎn)控制

電機的正反兩個方向均可通過改變開關(guān)的啟動順序來實現(xiàn)，也可以通過軟件實現(xiàn)輪椅轉(zhuǎn)向的控制，只需要將反向輸入控制字到P2的接口。假設(shè)霍爾位置傳感器的輸出信號H1，H2，H3與A，B，C型三相線圈可以相互呼應(yīng)，同時，A，B，C型三相線圈對應(yīng)的上部MOS控制開關(guān)為T5（P2.2），T3（P2.1），T1（P2.o），下部MOS控制開關(guān)為x2（P2.3），T6（P2.4），T4（P2.5）。

那么其總體輸出規(guī)律為：正轉(zhuǎn)時，P2.0～P2.2輸出電壓與H3H2H1輸出電壓具有一致性的特點，反向輸出電壓則與之相反。

例：霍爾元件的輸入信號Hl～H3分別為1，0，0時，處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時，P2.2，P2.4，P2.5輸出為高壓，分別使T5，T4，T6導(dǎo)通，P2輸出為00110100，即34H（此時P2.6，P2.7為o）;反轉(zhuǎn)時，P2輸出為00001011，即0BH。從而根據(jù)H1H2H3的輸入信號電壓，確定P2端口線的輸出信號，實現(xiàn)兩臺電機的聯(lián)合控制。

5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，整個程序分成了幾大模塊，如顯示模塊，主控程序模塊、PWM驅(qū)動程序模塊等，在電動輪椅處于初始化狀態(tài)，開始第一次應(yīng)用時，只要給系統(tǒng)通上電源，AT891251就會自動開機，12PU從0000H開始復(fù)位。一般情況下，初始化模塊部分主要包括rID、rI1初值、開始停止、TMOD模式設(shè)置等。而對主要程序的操控則是通過速度傳感器和采集電壓信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在信息處理的同時，掃描鍵盤按鍵的功能會被中斷，而PWM控制輸出開始執(zhí)行，最終就會實現(xiàn)操作者對電動輪椅的有效控制。

6結(jié)語

綜上，通過對電動輪椅的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，能夠有效提高輪椅的續(xù)航時間，同時還能夠提高電動輪椅的應(yīng)用靈活性和靈敏性。而鍵盤按鍵的設(shè)計能夠讓不良于行的人員快速了解輪椅操作方法，在短時間內(nèi)實現(xiàn)對電動輪椅的有效控制，提高電動輪椅的應(yīng)用可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃精，王健.電動輪椅車的硬件電路設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2013，41（12）：2016-2019.

[2]李華海.解析多功能智能電動輪椅系統(tǒng)設(shè)計[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2020，（16）：5099.

[3]馮威.電動輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2012.

（寧波財經(jīng)學(xué)院 ?浙江 ?寧波 ?315000）