CN103407380B - 一种基于单片机的滑板车控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于单片机的滑板车控制器，包括微处理器单片机，所述单片机与转把输入单元、充电输入单元、刹车输入单元、电源电压采集模块、电机供电控制模块、电机驱动模块、预充电控制模块、单片机失效保护模块相连接，为滑板车提供了智能控制基础，另一方面，通过加入电源管理模块，利用单片机的计时功能，在车辆在设定的时间内无动作的情况下自动关闭电源，有效防止电池过放损害。

Description

一种基于单片机的滑板车控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于单片机的滑板车控制器，属于电动车控制领域。

背景技术

滑板车作为时下盛行的玩具车，其普及趋势越来越明显。为了给滑板车使用者带来舒适的体验，电动滑板车的控制方法不断改进，从最初的简单电路驱动到PWM调速器控制，电动滑板车已经具有了加速、减速、停止、过压保护、转把互锁等功能，基本上达到了安全控制的目标。但是，在考虑了基本的起动停止功能和安全驾驶因素的基础上，节能省电也应被关注。首先需要解决的是控制器耗能生热的问题，由于滑板车所需功率不大，一般采用蓄电池为电机供电，电池电量有限。传统滑板车控制器一般使用简单电路控制，即可以满足其简单的需求，很少考虑到因为控制器设计的不合理而导致的能量过耗问题。另一方面，为了方便控制，滑板车控制设计一般采用总开关控制主电源，使用前将总开关打开，控制系统预上电，使用时只需转动转把即可以给系统上电，总开关打开，使控制系统中保持一定的电流，以方便系统上电。众所周知，蓄电池的过充和过放都容易给电池造成不可逆的损害，虽然滑板控制中大多采取了行驶过程中的电池保护措施，但考虑到现实情况中使用滑板车的人群大多是未成年人或者生活经验较少的青少年，很有可能出现使用完毕总开关忘记关闭的情形。长时间不使用，系统中的电流会持续消耗电量，一方面造成电能的浪费，另一方面容易使电池过放，损害电池。能够满足以上所提到的对于滑板车控制器的要求的设计，目前市场尚未有产品出现，也没有技术文献记载相关的设计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明开发了一种基于微处理器单片机的滑板车控制器，其采用微处理器单片机作为微控制中心，通过合理的设计，对滑板车实现智能控制，使其功能更多样化；另一方面，通过加入电源管理模块，利用微处理器单片机的计时功能，在车辆在设定的时间内无动作的情况下自动关闭电源，有效防止电池过放损害。

本发明提供的技术方案包括：一种基于微处理器单片机的滑板车控制器，具有电源接口及电机信号接口，还包括微处理器单片机，所述微处理器单片机设有A/D接口、脉宽调制PWM接口、I/O接口，还包括电源总开关、转把输入单元、充电输入单元、刹车输入单，所述转把输入单元、充电输入单元、刹车输入单元与所述微处理器单片机I/O接口相连接；

电源电压采集模块，连接于所述微处理器单片机A/D接口；

电机供电控制模块，连接于所述微处理器单片机I/O接口；

电机驱动模块，连接于所述微处理器单片机PWM接口；

预充电控制模块，连接于所述微处理器单片机I/O和A/D接口；

微处理器单片机失效保护模块，连接所述微处理器单片机A/D接口；

所述电机供电控制模块分别与所述总开关、充电输入单元、微处理器单片机失效保护模块、预充电控制模块相连；

所述电机驱动模块与所述预充电控制模块相连；所述电机驱动模块与电机信号接口相连。

进一步地，所述控制器还包括电源管理模块，连接所述微处理器单片机I/O接口，所述转把输入单元与所述电源管理模块和所述电机供电控制模块相连。

作为本发明的第一种优选实施方式，所述电机驱动模块由电阻R11、R39、R40、R62、极性电容C14、C16、普通电容C12、MOS管Q8、Q9、三极管Q10、肖特基二极管D3以及半桥驱动器U4组成；其中所述半桥驱动器U4具有功能管脚VCC、IN、DT/SD、GND、VBOOT、HVG、OUT、LVG；

所述电机驱动电路连接方式如下：

所述半桥驱动器U4的IN接口连接微处理器单片机PWM接口，

DT/SD端连接三极管Q10的源极，Q10漏极接地，基极通过电阻R11连接微处理器单片机I/O接口作为电机驱动模块输入端；

电阻R62一端与半桥驱动器U4的DT/SD接口相连，另一端接地；所述半桥驱动器U4的VCC接口连接12V直流电源，电容C12一端连接12V直流电源，另一端接地，极性电容C14与电容C12并联并接地；

肖特基二极管D3连接于半桥驱动器U4的VCC接口与VBOOT接口之间，VBOOT接口与OUT接口通过极性电容C16连接，OUT作为输出接口与驱动电机负极相连；

HVG接口通过电阻R39与MOS管Q8基极相连，MOS管Q8源极接电机负极，漏极接电机正极；

LVG接口通过电阻R40与MOS管Q9基极相连，MOS管Q9源极接单机失效保护模块中的电流采集电路中的R45相连，漏极接电机负极。

作为本发明第二种优选的实施方式，所述电机驱动模块由电阻R22、R23、R24、R25、R26，极性电容C6，PNP型三级管Q14，NPN型三极管Q15、Q16，MOS管Q11、Q13组成，其中

三级管Q15基极接5V直流电源，电阻R23串联于Q15基极与微处理器单片机PWM接口之间；

三极管Q15漏极通过电阻R24与微处理器单片机PWM接口相连；

三极管Q15源极接三极管Q14基极，并通过电阻R22与12V直流电源相连接；Q14漏极接12V直流电源，极性电容C6一端与Q14漏极连接，另一端接地；三极管Q14与三极管Q16源极相连接，Q16漏极接地，其基极通过电阻R25与微处理器单片机PWM接口相连；

MOS管Q13基极通过电阻R26与Q14源极相连，源极与电机负极和MOS管Q11漏极相连，MOS管Q13漏极与电流采集电路相连；MOS管Q11基极与漏极相连，源极与电机正极及预充电控制电路相连。

所述微处理器单片机为PIC16F1508型微处理器单片机。

本发明还提供了基于上述滑板车控制器的控制方法，包括以下步骤：

a.检测电池电压，若电池欠压，控制器关闭电能输入，控制器回到待机状态；若电池未欠压，进入步骤b；

b.检测转把输入，若转把无输入，微处理器单片机进入计时状态，若转把超过设定时间无输入，控制器电源关闭；若转把有输入，则微处理器单片机计时清零，进入步骤c；

c.预充电功能检测，若预充电功能故障，控制继电器不吸合，关闭输入输出；若预充电功能正常，进入步骤d；

d.刹车检测，若有刹车输入，关闭控制器电能输出；若无刹车输入，则控制器控制电能输出，进入步骤e；

e.电机电流检测，若电机电流大于设定值，微处理器单片机减小PWM输出，进而关闭电能输出；若电机电流在正常值范围内，保持电能输出。

附图说明

图1是控制器各模块与微处理器单片机接口连接图；

图2是控制器各模块连接结构图；

图3是电机供电控制模块电路图；

图4是微处理器单片机失效保护模块电路图；

图5是电流采集模块电路图；

图6是电源管理模块电路图；

图7是电机驱动模块的第一种实施方式；

图8是电机驱动模块的第二种实施方式；

图9是预充电控制模块电路图；

图10是本发明控制器操作流程示意图。

具体实施方式

如图所示，本发明所提供的控制器包括用于与电源相连接的电源接口，用于与驱动电机相连接的驱动接口，用于与转把相连接的转把输入接口。控制器电路包括以下电路模块：微处理器单片机，设有A/D接口，脉宽调制PWM接口，I/O接口；以微处理器单片为中心，分别设置有转把输入电路，一方面与转把输入接相连，另一方面与微处理器单片机I/O接口相连；刹车输入电路，与微处理器单片机I/O接口相连；充电输入电路，一方面与电池相连，另一方面与微处理器单片机接I/O接口相连；电源电压采集模块，由电阻R2，电阻R3，电容C1组成，电阻R2连接于微处理器单片机A/D接口与总线开关之间，电阻R3一端与A/D接口相连，另一端接地；电容C1一端与A/D接口相连，另一端接地，该模块用于采集电源电压V1。电机供电控制电路，由电阻R14，电阻R16，电阻R21，主继电JD1，三极管Q5，二极管D1组成。所述继电器开关两侧分别连接预充电控制电路和电源总线开关；继电器JD1线圈两侧分别连接三极管Q5源极和转把输入电路；三极管Q5漏极接地，基极连接电阻R21一端，电阻R21另一端接微处理器单片机I/O接口；二极管D1并联于继电器JD1线圈两端，且阳极与三极管Q5源极相连；电阻R14一端与电阻R16相连并连接于微处理器单片机I/O接口，另一端与二极管D1阴极相连，电阻R16另一端接地。此外，该控制器还设置有以下模块：

预充电控制模块，一方面连接微处理器单片机，另一方面连接电机供电控制电路，预充电控制模块包括预充电控制电路，滤波电容以及电容电压采集模块，其中滤波电容与电机供电控制器相连，并与电容电压采集电路相连；电容电压采集电路连接于滤波电容与微处理器单片机A/D口之间；预充电控制电路连接于滤波电容与微处理器单片机I/O口之间。具体由以下电子元件组成：电阻R27，电阻R28，电阻R29，电阻R30，电阻R33，电阻R34，电容C9，C19，极性电容C11，C15，以及三极管Q6和三极管Q7。其中极性电容C11和极性电容C15正极连接继电器JD1开关，负极接地，起到滤波电容的作用。电容R27一端连接继电器JD1开关，另一端与微处理器单片机A/D接口相连；电阻R28一端与电阻R27共同连接微处理器单片机A/D接口，另一端接地；电容C9一侧与电阻R28，电阻R27共同连接微处理器单片机A/D接口，另一侧接地，以上电阻R27，电阻R28，电容C9构成滤波电容电压采集子模块，可以采集滤波电容电压V2。PNP型三极管Q6基极通过电阻R30与NPN型三极管Q7源极相连，三极管Q6源极通过电阻R34与继电器JD1开关相连，三极管Q6漏极与总线开关相连；电阻R29并联于三极管Q6的漏极和基极之间；三极管Q7漏极接地，基极通过电阻R33与微处理器单片机I/O接口相连接作为信号输出端。预充电控制模块的设置可以防止电机供电控制电路中继电器粘连，有效保护电机。控制器总开关闭合后，当系统其它部分条件完备，微处理器单片机通过电源电压采集电路采集电源电压V1，V1满足工作条件，系统做好上电准备，此时由微处理器单片机控制预充电控制电路向滤波电容C11和C15充电，并由电容电压采集子模块采集滤波电容的电压V2；微处理器单片机等待转把输入电路的输入信号触发，比较V1与V2差值，当该差值小于设定值时，微处理器单片机控制电机供电控制电路闭合工作，即给电机驱动电路上电，继而驱动电机。

电机驱动模块，一方面连接电机供电控制模块和滤波电容，另一方面连接于微处理器单片机PWM口，并与电机驱动接口相连。其作用是将微处理器单片机输出的驱动信号转化为电机转动信号，调节电机转速等。本发明提供的第一种驱动电路具体包括：电阻R11，R39，R40，R62，极性电容C14，C16，普通电容C12，MOS管Q8，Q9，三极管Q10，肖特基二极管D3，半桥驱动器U4，其中所述半桥驱动器U4优选L6384型驱动器，其功能管脚有VCC，IN，DT/SD，GND，VBOOT，HVG，OUT，LVG；所述电机驱动电路连接方式如下：所述半桥驱动器U4的IN接口连接微处理器单片机PWM接口，DT/SD端连接三极管Q10的源极，Q10漏极接地，基极通过电阻R11连接微处理器单片机I/O接口作为电机驱动模块输入端；电阻R62一端与半桥驱动器U4的DT/SD接口相连，另一端接地；所述半桥驱动器U4的VCC接口连接12V直流电源，电容C12一端连接12V直流电源，另一端接地，极性电容C14与电容C12并联并接地；肖特基二极管D3连接于半桥驱动器U4的VCC接口与VBOOT接口之间，VBOOT接口与OUT接口通过极性电容C16连接，OUT作为输出接口与驱动电机负极相连；HVG接口通过电阻R39与MOS管Q8基极相连，MOS管Q8源极接电机负极，漏极接电机正极；LVG接口通过电阻R40与MOS管Q9基极相连，MOS管Q9源极接单机失效保护模块中的电流采集电路中的R45相连，漏极接电机负极。驱动电路中MOS管Q8和Q9的使用，替换原始是路中的二极管，可以有效降低控制器热量消耗。

此外，对于电机驱动模块，本发明还提供了另一种电路连接形式，较第一种电机驱动电路的实施方式，能够有效地降低控制器的成本。电机驱动电路的第二种实施方式如图8所示，由电阻R22、R23、R24、R25、R26，极性电容C6，PNP型三级管Q14，NPN型三极管Q15、Q16，MOS管Q11、Q13组成，其中三级管Q15基极接5V直流电源，电阻R23串联于Q15基极与微处理器单片机PWM接口之间；电阻R24串联于Q15漏极与微处理器单片机PWM接口之间；三极管Q15源极接三极管Q14基极，并通过电阻R22与12V直流电源相连接；Q14漏极接12V直流电源，极性电容C6一端与Q14漏极，另一端接地；三极管Q14与三极管Q16源极相连接，Q16漏极接地，其基极通过电阻R25与微处理器单片机PWM接口相连；MOS管Q13基极通过电阻R26与Q14源极相连，源极与电机负极和MOS管Q11漏极相连，MOS管Q13漏极与电流采集电路相连；MOS管Q11基极与漏极相连，源极与电机正极及预充电控制电路相连。

微处理器单片机失效保护模块，主要用于微处理器单片机失效保护。包括电流采集电路和微处理器单片机失效保护电路，其中电流采集电路与电机驱动电路和微处理器单片机A/D口相连，用于采集流过电机驱动电路的电流。具体包括：电阻R15，R17，R41，R42，R44，R45，R47，电容C17和C18，运算放大器U5A，其中运算放大器U5A同相输入端与电容C17和电阻R44一端相连接，电容C17另一端接地，电阻R44与R45串联后接地；运算放大器U5A反相输入端与电阻R47一端相连，电阻R47另一端接地，电阻R17与电阻R47并联并接地；电阻R15和电阻R41并联于运算放大器U5A反相输入端与输出端之间；电阻R42一端与运算放大器U5A输出端相连，另一端连接于微处理器单片机A/D接口；电容C18一端连接于微处理器单片机A/D接口，另一端接地。微处理器单片机失效保护电路，连接于电流采集电路与电机供电控制电路之间。具体包括：电阻R12，R20，R53，R55，电容C5，C7，二极管D5，D6，三极管Q12，运算放大器U5B，其中：运算放大器U5B接12V直流电源，电容C5一端接12V直流电源，另一端接地；运算放大器U5B反相输入端通过电阻R53连接5V直流电流，电阻R12一端与运算放大器U5B反相输入端相连接，另一端接地，电容C7与电阻R12并联并接地；运算放大器U5B同相输入端通过电阻R20接地；运算放大器U5B输出端通过电阻R55与三极管Q12基极连接，三极管Q12源极与电机供电控制电路中三极管Q5基极及电阻R21相连接；此外，二极管D5阳极相连电阻R55与运算放大器U5B输出端，阴极连接电阻R20和运算放大器U5B同相输入端，另有二极管D6与二极管D5反向连接，其阳极与电流采集电路共同连接微处理器单片机A/D接口。该微处理器单片机失效保护模块的作用在于，由电流采集电路向微处理器单片机和微处理器单片机失效保护电路发送电机驱动电路中的输出电流：微处理器单片机通过电流采集电路检测电机驱动电路中流过的电流I1，若该电流I1与电机额定电流I0之差小于设定值，由微处理器单片机控制调整该电流I1至合适的电流并反馈到电机驱动电路中以驱动电机；若该电流I 1与电机额定电流I0之差大于设定值，启动微处理器单片机失效保护电路，关闭电机供电控制，以起到保护电机的作用。

电源管理模块主要作用是当用户长时间不使用车辆并忘记关闭总电源的情况下自动关闭电源，以节省电能，保护电池。其具体包括：电阻R1，R4，R6，R7，R9，R13，极性电容C3，C4，三极管Q1，Q2，Q3，稳压二极管D4，稳压芯片U1，其中：三极管Q3基极通过电阻R9与微处理器单片机I/O接口相连接，作为输出端，电阻R13与电阻R9和三极管Q3基极相连接后接地，电阻R17与电阻R9和三极管Q3基极相连接后与电机供电控制电路和转把输入电路相连；三极管Q3漏极接地，源极通过电阻R6与三极管Q2基极相连，源极与电阻R6之间可以连接一LED指示灯；三极管Q2漏极与总线开关相连，源极与三极管Q1相连；电阻R4连接于三极管Q2基极与漏极之间；三极管Q1漏极接直流12V电源，基极通过稳压二极管D4接地，电阻R1连接于源极和基极之间；极性电容C4一端接12V直流电源，另一端接地；稳压芯片U1输入端接12V直流电源，输出端接5V直流电源；极性电容C3一端接5V直流电源，另一端接地。管理模块上电，若在微处理器单片机事先设定好的时间t内，有转把输入动作，则由微处理器单片机向电源管理模块发送工作指令，电源管理模块自关闭并给微处理器单片机上电，控制器正常工作；若在微处理器单片机事先设定好的时间t内转把无动作，微处理器单片机向电源管理模块发送关闭指令，电源管理模块关闭系统电源，以减少电量消耗，保护电池。该模块的设置，利用微处理器单片机的计时功能，在车辆在设定的时间内无动作的情况下自动关闭电源，有效防止电池过放损害。

图9是本发明控制的操作流程示意图。滑板车控制器包括控制器上电、控制器自检、控制器工作三种状态；自检的主要作用是检查控制器各模块状态是否正常，为工作状态做准备；其中控制器自检状态可以包括继电器粘连检测、预充电检测、功率管击穿检测、电池电压检测、充电输入检测以及转把输入检测几个部分；控制器自检根据实际需要可以包括上述一个或几个部分。自检通过以后，控制器进入工作状态。

控制器的工作过程包括以下步骤：

a)检测电池电压，若电池欠压，控制器关闭电能输入，控制器回到待机状态；若电池未欠压，进入步骤b；

b)检测转把输入，若转把无输入，微处理器单片机进入计时状态，若转把超过设定时间无输入，控制器电源关闭；若转把有输入，则微处理器单片机计时清零，进入步骤c；

c)预充电功能检测，若预充电功能故障，控制继电器不吸合，关闭输入输出；若预充电功能正常，进入步骤d；

d)刹车检测，若有刹车输入，关闭控制器电能输出；若无刹车输入，则控制器控制电能输出，进入步骤e；

e)电机电流检测，若电机电流大于设定值，微处理器单片机减小PWM输出，进而关闭电能输出；若电机电流在正常值范围内，保持电能输出。

Claims (6)

1.一种基于微处理器单片机的滑板车控制器，具有电源接口及电机信号接口，其特征在于，所述滑板车控制器还包括微处理器单片机，所述微处理器单片机设有A/D接口、脉宽调制PWM接口、I/O接口，还包括电源总开关、转把输入单元、充电输入单元、刹车输入单元，所述转把输入单元、充电输入单元、刹车输入单元与所述微处理器单片机I/O接口相连接；

电源电压采集模块，连接于所述微处理器单片机A/D接口；

电机供电控制模块，连接于所述微处理器单片机I/O接口；

电机驱动模块，连接于所述微处理器单片机PWM接口；

预充电控制模块，连接于所述微处理器单片机I/O和A/D接口；

微处理器单片机失效保护模块，连接所述微处理器单片机A/D接口；

所述电机供电控制模块分别与所述总开关、充电输入单元、微处理器单片机失效保护模块、预充电控制模块相连；

所述电机驱动模块与所述预充电控制模块相连；

所述电机驱动模块与电机信号接口相连。

2.根据权利要求1所述的滑板车控制器，其特征在于，所述控制器还包括电源管理模块，连接所述微处理器单片机I/O接口，所述转把输入单元与所述电源管理模块和所述电机供电控制模块相连。

3.根据权利要求1所述的滑板车控制器，其特征在于，所述电机驱动模块由电阻R11、R39、R40、R62、极性电容C14、C16、普通电容C12、MOS管Q8、Q9、三极管Q10、肖特基二极管D3以及半桥驱动器U4组成；其中所述半桥驱动器U4具有功能管脚VCC、IN、DT/SD、GND、VBOOT、HVG、OUT、LVG；

所述电机驱动电路连接方式如下：

所述半桥驱动器U4的IN接口连接微处理器单片机PWM接口，DT/SD端连接三极管Q10的源极，Q10漏极接地，基极通过电阻R11连接微处理器单片机I/O接口作为电机驱动模块输入端；

电阻R62一端与半桥驱动器U4的DT/SD接口相连，另一端接地；

所述半桥驱动器U4的VCC接口连接12V直流电源，电容C12一端连接12V直流电源，另一端接地，极性电容C14与电容C12并联并接地；

肖特基二极管D3连接于半桥驱动器U4的VCC接口与VBOOT接口之间，VBOOT接口与OUT接口通过极性电容C16连接，OUT作为输出接口与驱动电机负极相连；

HVG接口通过电阻R39与MOS管Q8基极相连，MOS管Q8源极接电机负极，漏极接电机正极；

LVG接口通过电阻R40与MOS管Q9基极相连，MOS管Q9源极接单机失效保护模块中的电流采集电路中的R45相连，漏极接电机负极。

4.根据权利要求1所述的滑板车控制器，其特征在于，所述电机驱动模块由电阻R22、R23、R24、R25、R26，极性电容C6，PNP型三级管Q14，NPN型三极管Q15、Q16，MOS管Q11、Q13组成，其中三级管Q15基极接5V直流电源，电阻R23串联于Q15基极与微处理器单片机PWM接口之间；

三极管Q15漏极通过电阻R24与微处理器单片机PWM接口相连；

三极管Q15源极接三极管Q14基极，并通过电阻R22与12V直流电源相连接；Q14漏极接12V直流电源，极性电容C6一端与Q14漏极连接，另一端接地；三极管Q14与三极管Q16源极相连接，Q16漏极接地，其基极通过电阻R25与微处理器单片机PWM接口相连；MOS管Q13基极通过电阻R26与Q14源极相连，源极与电机负极和MOS管Q11漏极相连，MOS管Q13漏极与电流采集电路相连；MOS管Q11基极与漏极相连，源极与电机正极及预充电控制电路相连。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的滑板车控制器，其特征在于，所述微处理器单片机为PIC16F1508型微处理器单片机。

6.基于权利要求1～4任意一项所述的滑板车控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.检测电池电压，若电池欠压，控制器关闭电能输入，控制器回到待机状态；若电池未欠压，进入步骤b；

b.检测转把输入，若转把无输入，微处理器单片机进入计时状态，若转把超过设定时间无输入，控制器电源关闭；若转把有输入，则微处理器单片机计时清零，进入步骤c；

c.预充电功能检测，若预充电功能故障，控制继电器不吸合，关闭输入输出；若预充电功能正常，进入步骤d；

d.刹车检测，若有刹车输入，关闭控制器电能输出；若无刹车输入，则控制器控制电能输出，进入步骤e；

e.电机电流检测，若电机电流大于设定值，微处理器单片机减小PWM输出，进而关闭电能输出；若电机电流在正常值范围内，保持电能输出。