基于AVR单片机的电动代步车控制器

3 软件设计

3．1 程序结构

根据电动代步车的功能需求，将控制器软件划分为4个主要模块：系统自检模块、键盘和LED显示模块、摇杆检测模块以及电机控制模块。图4为控制器的主程序流程框图。


3．2 系统自检模块

系统自检模块是电动代步车安全性能的关键，主要完成对自身运行状态和故障诊断，故障信息应及时处理并通过人机接口提醒用户。由于电动代步车的使用对象为老年人和残疾人，所以控制器的安全性尤为重要。系统自检模块主要完成如下任务：1)检查充电器接口；2)检查蓄电池电压；3)检查制动器接口；4)检查摇杆接口；5)显示故障状态。

为保障系统的稳定性和可靠性，自检模块采用事件触发机制。图5为系统自检状态机，这些功能函数每秒执行约100次。在系统自检函数中有若干自检标志，这些标志位初始值均是FALSE，如果在系统自检函数中被置成TRUE或者在其他模块中被置成TRUE，则说明故障发生，需要及时处理和对策。


3．3 摇杆检测模块

摇杆检测模块的主要功能是获取摇杆的位置参数，以计算左右驱动后轮的运转方向和PWM脉宽，摇杆位置参数是电动代步车的关键参数之一。摇杆检测模块的主要功能有：1)检测摇杆X方向的位置；2)检测摇杆Y方向的位置：3)处理摇杆X方向的位置；4)处理摇杆Y方向的位置；5)获得左电机的脉宽和方向；6)获得右电机的脉宽和方向。
如果把摇杆的信号看作是二维输出信号，分别在二维坐标系中用X轴和Y轴表示。可以将X轴信号看作是代步车的转向速度给定信号，而Y轴信号则可以看作是代步车的前向或后向速度给定信号。如果用户想要转向或前进，则可将代步车的运动方向看作是X和Y的矢量合成。当代步车前进或后退时，左右轮同时向前或向后转动。当代步车向左转时，右轮正向转动，左轮反向转动或保持不动；相反，当代步车向右转时，左轮正向转动，右轮反向转动或保持不动。当两轮中一轮向前转动而另一轮向后转动，电动代步车做原地360°回转。

摇杆模块工作时，通过A／D转换器不断获取摇杆XY两个方向的坐标值，然后对这些坐标值进行处理，计算控制左右电机的PWM脉宽值。摇杆位置和左右电机脉宽的关系如图6所示，在实际的检测中，由于摇杆几何尺寸的限制，XY坐标值不可能同时为最大值。出于安全因素的考虑，为防止出现死区，当XY坐标值都大于某一值时，左右电机的脉宽都输出最大值。


3．4 电机控制模块

电机控制模块是电动代步车的核心模块，由于电机的运动状态较多，所以该部分也采用了有限状态机的编程方法，实践表明通过合理地抽象电机运动状态，可以使编程达到事半功倍的效果。电机控制的状态流程图如图7所示。

电机控制模块有以下主要功能：1)左电机的速度和方向控制功能：2)右电机的速度和方向控制功能；3)左电机加减速功能；4)右电机加减速功能；5)左电机电流检测功能；6)右电机电流检测功能。

合理的加减速控制可以大大增强电动代步车的舒适性。从摇杆检测模块获得的电机脉宽参数并不会直接作用在电机上，而是有一个中间的变量，这个中间变量会和当前的脉宽进行比较，当和当前脉宽相差不大时，当前的脉宽值和期望值相同；若这两个值相差较大时，这个中间变量会变大或者变小以减小和期待脉宽的差距。由于这些函数都是以每秒100次的速度快速运行，所以用户感觉电机的启动和停止都非常平稳。

4 结论

未来的电动代步车控制器将会朝着多功能化和个性化方向发展，操作舒适性和使用安全性依然是控制器设计的主旋律。工程师在安全性和舒适性方面不断地精益求精，同时也更重视控制参数的可调整性，例如可以调整摇杆的灵活性，以适应不同的室内室外环境。提高电动代步车的安全性能，降低生产成本，提高用户的自主操控能力，对取代传统轮椅车具有重要意义。本文介绍的电动代步车控制器，能够保证产品的使用性能，也降低了成本，已在实际产品中得到成功应用。该控制器功能还将在系统安全性，摇杆操控性能以及智能化程度等方面进一步改进和完善，为老年人和残疾人提供更好的产品。