AT89C51的電動輪椅控制系統(tǒng)設計研究

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心有所依賴，重拾生活的信心。鑒于此，本文將在AT89C51的基礎上，對電動輪椅控制系統(tǒng)進行有效設計，以此為電動輪椅的有效應用和持久續(xù)航提供有效幫助。

關鍵詞：AT89C51;電動輪椅;控制系統(tǒng)設計

本設計與以往的輪椅設計結構不同，它在原有的普通輪椅基礎上，增加了智能控制系統(tǒng)，使得輪椅的機械結構更加具科學性。另外，為了保持其美觀、輕便的結構特點，新型控制系統(tǒng)的設計取消了對常規(guī)無動力輪胎的應用，設置了無溶劑直流電機控制器，并增設了控制鍵盤、電池和其他顯示設備，它的動力來源為鉛酸蓄電池，驅動裝置為直流電機。在以上結構零件的設置下，使得;輪椅實現了精準電控功能。

1電動輪椅控制系統(tǒng)的結構和組成

在電動輪椅的硬件設計上，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，主要負責輪椅的前進、后退、左拐彎、右拐彎、加減速度、停止移動。另外還有數值顯示設備、照明燈以及獨立的照明開關、供電系統(tǒng)和脈沖系數測數等。

2電動輪椅運動控制方式

電動輪椅的主要技術指標：

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，

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

電動輪椅的主要技術指標：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;驅動方式為雙直流電機后輪驅動;充電器為分階段智能充電器;最大爬坡度8。。采用表1的驅動控制方式。

由于電動輪椅上的電機安裝在左右兩側，電機的前進方向和后退方向正好與前進方向相反。理論上，前向應該是左電機的前進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鍵盤設計

采用獨立的鍵盤結構，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、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行。當任何鍵被按下時，與它相連接的輸入接口EI線就會被設置成低電平“O”，門的輸出由高變低，從而產生中斷條件，并執(zhí)行中斷服務程序[2]。當沒有按鍵時，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計和選擇

就當前來說，在電動輪椅的設計中，經常使用的發(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，使電機的機電轉換效率得到很大程度的提高，進而達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設計中被廣泛使用。在本設計中，電動輪椅的驅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動輪成本，并能提高驅動輪的應用靈活性。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

電動輪椅的主控制器件為AT89C51，其特點使4KB可編程閃存，16位定時器和計數器兩個，內部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。

電動輪椅的驅動電路位三相全控制電橋，構成基礎位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。為了對電機的轉速進行調節(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連接狀態(tài)，轉子每一轉位60圈，一圈就代表一種狀態(tài)。位了實現六接口線P2.0～P2.5的輸出，可以根據霍爾位置傳感器的輸出信號H1、H2和H3，將相應的控制字發(fā)送到P2端口[3]。

4.2.2轉速控制

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個輸入端子進行控制。當PWM輸出處于低電平的狀態(tài)時，開關電路的MOSFET T4、T6、R'2被阻塞。當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的控制字產生依賴，霍爾位置傳感器的H1、H2、H3輸出信號，MOSFETT4、T6、RI2的導通和截止均為正常整流。采用7407芯片作為驅動電路，使電壓上升來控制隨后的MOS大功率開關T1～T6。

4.2.3正、反轉控制

電機的正反兩個方向均可通過改變開關的啟動順序來實現，也可以通過軟件實現輪椅轉向的控制，只需要將反向輸入控制字到P2的接口。假設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，同時，A，B，C型三相線圈對應的上部MOS控制開關為T5（P2.2），T3（P2.1），T1（P2.o），下部MOS控制開關為x2（P2.3），T6（P2.4），T4（P2.5）。

那么其總體輸出規(guī)律為：正轉時，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，處于正轉狀態(tài)時，P2.2，P2.4，P2.5輸出為高壓，分別使T5，T4，T6導通，P2輸出為00110100，即34H（此時P2.6，P2.7為o）;反轉時，P2輸出為00001011，即0BH。從而根據H1H2H3的輸入信號電壓，確定P2端口線的輸出信號，實現兩臺電機的聯合控制。

5控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化的設計結構，整個程序分成了幾大模塊，如顯示模塊，主控程序模塊、PWM驅動程序模塊等，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據進行處理，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，最終就會實現操作者對電動輪椅的有效控制。

6結語

綜上，通過對電動輪椅的控制系統(tǒng)進行設計，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用靈活性和靈敏性。而鍵盤按鍵的設計能夠讓不良于行的人員快速了解輪椅操作方法，在短時間內實現對電動輪椅的有效控制，提高電動輪椅的應用可行性。

參考文獻：

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

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

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

（寧波財經學院 ?浙江 ?寧波 ?315000）