畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-電動(dòng)自行車智能控制器的設(shè)計(jì)與制作（含外文翻譯）

1、<p>　　分類號(hào) 密級(jí) </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書</b></p><p>　　題 目：電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　英 文 題 目;Design of electric bicycle controller&

2、lt;/p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書</p><p>　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)</p><p>　指導(dǎo)教師職稱</p><p>　專業(yè)名稱班級(jí)</p><p>　學(xué)生姓名學(xué)號(hào)</p><p>　設(shè)計(jì)要求1、電動(dòng)自行車概述；2、技術(shù)參數(shù)及要求；3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算；4、控制方式及

3、電機(jī)選擇；5、項(xiàng)目總結(jié)</p><p>　完成畢業(yè)課題的計(jì)劃安排序號(hào)內(nèi)容時(shí)間安排</p><p>　1分組、發(fā)放任務(wù)書1月22日至1月25日</p><p>　2調(diào)查研究,確定總體設(shè)計(jì)方案1月26日至3月7日</p><p>　3進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì),繪制出部裝圖.3月8日至3月25日</p><p>　4畫出零件圖3月26日

4、至4月1日</p><p>　5寫論文，資料整理4月2日至4月15日</p><p>　答辯提交資料說(shuō)明書，設(shè)計(jì)任務(wù)書，外文翻譯,調(diào)研報(bào)告，裝配圖及零件圖</p><p>　計(jì)劃答辯時(shí)間2013年4月15日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要…………………………

5、…………………………………………………………2</p><p>　　英文摘要………………………………………………………………………………2</p><p>　　第一章 引言 …………………………………………………………………………3</p><p>　　1.1 電動(dòng)自行車的意義及發(fā)展?fàn)顩r……………………………………………3</p><p>　

6、　1.1.1自行車的歷史背影及意義…………………………………………3</p><p>　　1.1.2 電動(dòng)自行車的優(yōu)點(diǎn)…………………………………………………4</p><p>　　1.1.3電動(dòng)自行車的發(fā)展前景……………………………………………4</p><p>　　第二章 控制器系統(tǒng)的分析 ……………………………………………………………5</p>&

7、lt;p>　　2.1 智能控制器的系統(tǒng)框圖……………………………………………………5</p><p>　　2.2 系統(tǒng)主要硬件介紹…………………………………………………………6</p><p>　　2.2.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)……………………………………………………6</p><p>　　2.2.2 AT89C51……………………………………………………………

8、8</p><p>　　2.2.3 MC14585B和CD4040B………………………………………………9</p><p>　　2.3 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方法……………………………………………………… 10</p><p>　　2.3.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速………………………………………… 11</p><p>　　2.3.2 測(cè)速電路 …………

9、………………………………………………13</p><p>　　2.3.3 速度預(yù)置與顯示 …………………………………………………14</p><p>　　2.3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ……………………………………………………15</p><p>　　2.3.5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及控制器的保護(hù)……………………………… 16</p><p>　　第三章

10、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)………………………………………………………………18</p><p>　　第四章 結(jié)束語(yǔ)………………………………………………………………………20</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 21</p><p>　　附錄………………………………………………………………………………… 22</p>

11、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　電動(dòng)自行車用于輕便靈活，節(jié)能環(huán)保，價(jià)格適中而得到人們的廣泛使用，成為人們短途出行的理想交通工具。同時(shí)中國(guó)具有龐大的自行車市場(chǎng)，電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)在中國(guó)有著非常廣闊的應(yīng)用前景，因此發(fā)展電動(dòng)自行車具有良好的社會(huì)意義和客觀的經(jīng)濟(jì)效益</p><p>　　基于單片機(jī)系統(tǒng)為核心的，以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車智

12、能控制器的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)包括PWM控制方案、速度測(cè)量和顯示方案、剎車控制方案和電路保護(hù)方案等。本設(shè)計(jì)主要是以單片機(jī)為核心，特別采用軟硬件相結(jié)合的方式，可以極大地提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；智能控制；脈沖寬度調(diào)制；單片機(jī)；電機(jī)保護(hù)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　

13、Electric bicycle for portable and flexible, energy-saving environmental protection, moderate in price and are widely used in people, an ideal vehicle for the people in the travel. At the same time, China has a huge marke

14、t of bicycle, electric bicycle industry has a very broad application prospects in China, and so the development of electric bicycle has a good social significance </p><p>　　This paper introduces a design pro

15、gram of intelligent control of the electronic bicycle which is based on the single chip computer system. It is derived by no brush DC motor. This system introduces speed PWM control project, speed measure and display pro

16、ject, brake control project, electro circuit protection project. This design is based on the single chip computer, its specialties adopt combining hardware with software for improving credibility and security.</p>

17、<p>　　Key Words：electric bicycle ；intelligent control ；PWM; single chip computer; </p><p>　　electro circuit protection</p><p><b>　　第一章 引 言</b></p><p>　　隨著人們物質(zhì)生活水

18、平的提高，電動(dòng)自行車作為一種新興的交通工具正在越來(lái)越多地走進(jìn)人們的生活。對(duì)于普通消費(fèi)者而言，汽車太貴買不起，自行車太累不想騎，公交車人太多不想擠，摩托車太危險(xiǎn)路段又禁駛，而電動(dòng)自行車是最適合他們的產(chǎn)品。由于電動(dòng)車輕便，速度適中，安全價(jià)廉，無(wú)噪音尾氣污染，可大大提高非機(jī)動(dòng)車道的通行效率，非常適合城市內(nèi)單人短程出行，具有其他交通工具無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。據(jù)全國(guó)各大城市的市場(chǎng)需求調(diào)查，有高達(dá)76%的市民有將電動(dòng)自行車作為代步交通工具的需求。<

19、/p><p>　　1.1 電動(dòng)自行車的意義及發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1.1.1自行車的歷史背影及意義</p><p>　　隨著人們生活水平的不斷提高，需求清潔、經(jīng)濟(jì)的動(dòng)力和能源，發(fā)展路色交通工具已成為當(dāng)今世界上緊迫的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)課題；相信不久的將來(lái)隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展和車用電源的日趨成熟，電動(dòng)自行車將成為大都市人們?nèi)粘Ｉ钪卸叹嚯x的主要綠色交通工具。我國(guó)是

20、世界公認(rèn)的“自行車王國(guó)”，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，自行車仍將是老百姓出行最常用的交通工具。隨著人民生活水平的提高，近年來(lái)，一種用蓄電池為動(dòng)力源的自行車因?yàn)槠漭p便、安全、省時(shí)省力、低能耗、零排放、低噪音、有利于創(chuàng)造綠色人居環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到廣大人民群眾的喜愛(ài)。在今天的城鄉(xiāng)大街小巷里，電動(dòng)自行車越來(lái)越多，其來(lái)勢(shì)洶涌，大有取代傳統(tǒng)自行車的趨勢(shì)。</p><p>　　1.1.2 電動(dòng)自行車的優(yōu)點(diǎn)</p><

21、;p>　　電動(dòng)自行車?yán)^承了傳統(tǒng)自行車的優(yōu)點(diǎn)，并且使用起來(lái)比傳統(tǒng)自行車更方便、更快捷；與摩托車、燃油助動(dòng)車相比，它具有突出的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1、無(wú)污染：電動(dòng)自行車是以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，運(yùn)行工程中沒(méi)有廢氣排放；因此和摩托車、燃油助動(dòng)車相比，沒(méi)有污染。</p><p>　　噪音、振動(dòng)?。弘妱?dòng)自行車是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的噪音比較小，運(yùn)

22、行比較平穩(wěn)。而摩托車、燃油助動(dòng)車是由燃油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，起汽缸產(chǎn)生的噪音比較大，由于受到體積限制，起發(fā)電機(jī)的缸數(shù)較少，運(yùn)行時(shí)不夠平穩(wěn)，振動(dòng)較大。</p><p>　　高時(shí)速20公里，行駛安全：摩托車、燃油助動(dòng)車的速度快，在機(jī)動(dòng)車上行駛，事故率較高；而電動(dòng)自行車，國(guó)家強(qiáng)制性規(guī)定（國(guó)標(biāo)GB17761-1999）其速度不能超過(guò)20Km/h，而且電動(dòng)自行車一般不能在機(jī)動(dòng)車道上行駛，因此相比之下安全很多。</p>

23、<p>　　效率高：摩托車、燃油助動(dòng)車的效率一般只有30%左右，而電動(dòng)自行車的效率可以達(dá)到70%以上。</p><p>　　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，易維護(hù)、維修：電動(dòng)自行車一般是有蓄電池、控制板、電機(jī)和車身組成；蓄電池用的是免維護(hù)的，電機(jī)的故障率較低，基本上不要維護(hù)，控制板由于帶的電力電子技術(shù)比較成熟，損壞率也比較低，另外電動(dòng)自行車沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕，因此相比摩托車、燃油助動(dòng)車來(lái)來(lái)說(shuō)，其日常的維

24、護(hù)、維修量少得多。</p><p>　　專家認(rèn)為：電動(dòng)車輕便，速度適中，安全價(jià)廉，無(wú)噪音尾氣污染，占用車位小，可大大提高非機(jī)動(dòng)車道的通行效率，非常適合城市內(nèi)單人短程出行，具有其他交通工具無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。據(jù)預(yù)測(cè)，隨著我國(guó)城鄉(xiāng)路況日新完善，效率更好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電動(dòng)自行車代替?zhèn)鹘y(tǒng)自行車將是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的市場(chǎng)需求趨勢(shì)。</p><p>　　1.1.3電動(dòng)自行車的發(fā)展前景</p>&l

25、t;p>　　由于電動(dòng)自行車自身所具有的優(yōu)點(diǎn)和近幾年來(lái)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步等諸多因素，決定了其將會(huì)具有較為廣闊的市場(chǎng)前景。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，目前全國(guó)的生產(chǎn)廠家已經(jīng)超過(guò)了100家，預(yù)計(jì)今年全國(guó)電動(dòng)自行車產(chǎn)量可達(dá)200到250萬(wàn)輛，到2010年產(chǎn)量將達(dá)到400萬(wàn)輛。但目前電動(dòng)自行車的發(fā)展也存在著一些問(wèn)題。</p><p>　　電動(dòng)自行車雖然是零排放的綠色交通工具，但也存在著潛在的污染，在電動(dòng)自行車中廣泛使用的鉛酸電池

26、壽命不長(zhǎng)，造成的二次污染比較嚴(yán)重，鉛的毒性較大，所以對(duì)其污染問(wèn)題我們決不能掉以輕心。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)每年大約有5000 萬(wàn)支廢鉛酸電池產(chǎn)出，由于種種原因，廢鉛酸電池的回收管理不善，措施不力，收購(gòu)無(wú)序，加之廢電池回收再生技術(shù)落后，甚至有亂棄廢電池等行為，直接導(dǎo)致了環(huán)境污染。</p><p>　　電動(dòng)自行車雖然結(jié)構(gòu)要比摩托車和燃油助動(dòng)車簡(jiǎn)單，但也是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，整車的性能還有待提高。部分生產(chǎn)企業(yè)為了一味迎合

27、消費(fèi)者不合理的需求，置產(chǎn)品的安全性不顧，提高車速，增加質(zhì)量，退化了電動(dòng)自行車的人力騎行功能，摩托化傾向非常嚴(yán)重，存在嚴(yán)重的安全隱患。</p><p><b>　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1基本設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的基本思想是以89C51為核心器件，從而控制電動(dòng)自行車的

28、行駛。以AT89C51為核心所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng), 能夠?qū)崿F(xiàn)速度顯示,速度控制，采用改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速</p><p>　　,電壓調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方法有多種,在應(yīng)用單片機(jī)輸出控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)速的場(chǎng)合,比較便于實(shí)現(xiàn)而且調(diào)整性能良好的是脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)。</p><p>　　系統(tǒng)方框圖如圖2－1所示：</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)框圖</

29、p><p>　　2.2 系統(tǒng)主要硬件介紹</p><p>　　2.2.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)</p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型直流電動(dòng)機(jī)。它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和軍事裝備中重要的機(jī)電元件之一。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和各種物理原理為后盾，因此它具有很強(qiáng)的生命力。</p>

30、<p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)，就是沒(méi)有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。另外，它通常采用永磁體為轉(zhuǎn)子，沒(méi)有激磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，這樣，熱阻較小，散熱容易。因此，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有換向火花，沒(méi)有無(wú)線電干擾，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，可以方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，因而非常適合用在電動(dòng)自行車上。</p><p><b>　　一．基本結(jié)

31、構(gòu)</b></p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體（帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子）、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路3部分組成，其原理框圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的方框原理圖</p><p><b>　　二．工作原理</b></p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷

32、直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，就它們內(nèi)部發(fā)生的電磁過(guò)程來(lái)說(shuō)，本質(zhì)上無(wú)多大差別。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，借助反映主轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)電子換向線路去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組聯(lián)結(jié)的響應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)元件，使電樞繞組依次饋電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地送出信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)接觸式換流過(guò)程的實(shí)質(zhì)。<

33、/p><p>　　圖2-3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換向線路</p><p>　　三．無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性</p><p>　　討論各種電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性時(shí)，一般都從電勢(shì)公式（即轉(zhuǎn)速公式）、電勢(shì)平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其電勢(shì)平衡方程式為</p><p><b>　?。?-1）</b><

34、;/p><p>　　式中 U——電源電壓（伏）；</p><p>　　E——電樞繞組反電勢(shì)（伏）；</p><p>　　Iacp——平均電樞電流（安）；</p><p>　　racp——電樞繞組的平均電阻（歐）；</p><p>　　⊿U——功率晶體管飽和管壓降（伏）；對(duì)于橋式換向線路為2⊿U。</p>

35、<p>　　對(duì)于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞繞組反電勢(shì)有不同的等效表達(dá)式，但不論哪一種繞組和線路結(jié)構(gòu)，均可表示為 </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　四．起動(dòng)特性</b></p><p>　　由方程（2-1）和（2-1）可知，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電勢(shì)為零。因

36、此電樞電流（即起動(dòng)電流）為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其值可為正常工作電樞電流的幾倍到幾十倍。所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢(shì)E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在空載起動(dòng)時(shí)，電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化如圖2-4。</p><p>　

37、　圖2-4 空載起動(dòng)時(shí)電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化</p><p>　　2.2.2 AT89C51</p><p>　　AT89C51是由美國(guó)Atmel 公司生產(chǎn)的高性能八位單片機(jī)，它具有功能強(qiáng)、體積小、功耗低、價(jià)格便宜、工作可靠、使用方便等特點(diǎn)。下面對(duì)該單片機(jī)的基本情況作一下介紹。</p><p>　　一. AT89C51的特點(diǎn)</p><p>

38、　　AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫入程序的存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS-51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。</p><

39、;p>　　二. AT89C51引腳功能</p><p>　　AT89C51單片機(jī)為40引腳芯片見(jiàn)圖2-5。其40個(gè)引腳中有2個(gè)專門用于主電源的引腳，2個(gè)外接晶體的引腳，4個(gè)控制或與其他電源復(fù)用的引腳，以及32條輸入輸出I/O引腳。</p><p>　　圖2-5 AT89C51引腳圖</p><p>　　圖2-5 AT89C51芯片管腳圖</p>

40、<p>　　2.2.3 MC14585B和CD4040B</p><p>　　一.MC14585B</p><p>　　MC14585B芯片是一個(gè)16腳的4位比較器，它有8個(gè)比較輸入端Comparing Inputs（A0、B0、A2、B2、A3、B3）、3個(gè)級(jí)聯(lián)輸入端Cascading Inputs（A〈B、A=B、A〉B）和3個(gè)輸出端outputs（A〈B、A=B、A〉B

41、）。真值表和引腳圖見(jiàn)表2-1和圖2-6。</p><p>　　表2 MC14585B的真值表</p><p>　　圖2-6MC14585B的引腳圖 圖2-7CD4040B的引腳圖</p><p><b>　　二.CD4040B</b></p><p>　　CD4

42、040B芯片是一個(gè)16腳的12位計(jì)數(shù)器，可作分頻器使用使用，也可制作電子電位器。如電位可有4096擋次，如電壓在4.096V，每伏有1000個(gè)1ｍV變化進(jìn)位擋，每進(jìn)1位上升1ｍV，電路二進(jìn)制位0～11位以高位電阻最小。如第11位50ｋΩ、第10位100ｋΩ、第9位200ｋΩ、第8位400ｋΩ、第7位800ｋΩ、第6位1.6MΩ、第5位3.2MΩ、第4位6.4MΩ、第3位12.8MΩ、第2位25.6MΩ、第1位51.2MΩ、第0位102.

43、4MΩ，向下按每退1位、阻值加1倍順序排列。如排錯(cuò)，或電阻不是倍數(shù)，電位的上升值會(huì)不均勻，進(jìn)到某數(shù)值便突然跳變。</p><p>　　CD4040內(nèi)部沒(méi)有振蕩電路，需要外部提供時(shí)鐘脈沖，當(dāng)外部時(shí)鐘脈沖是低電平時(shí)計(jì)數(shù)器加一。電源是5伏時(shí)，時(shí)鐘脈沖頻率需在1.5-4MHz之間。其引腳如圖2-7。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方案</p><p>　　圖2-8

44、是以AT89C51單片機(jī)為核心的系統(tǒng)電路原理圖。其中，P0.0-P0.3口分別作為電動(dòng)機(jī)過(guò)流、過(guò)熱、電池欠壓和剎車信號(hào)的輸入口，P0.4-P0.7口分別作為電動(dòng)機(jī)過(guò)流、過(guò)熱、電池欠壓和剎車指示信號(hào)的輸出口；P1.0-P1.7口作為預(yù)設(shè)速度值的輸出口；P2.0-P2.7、P3.6和P3.7口作為速度顯示信號(hào)的輸出口；P3.2口作速度信號(hào)的輸入口；P3.3口作為報(bào)警信號(hào)輸出口；P3.4和P3.5口作為速度給定口；ALE口作為CD4040B芯

45、片時(shí)鐘脈沖的輸出口。</p><p>　　圖2-8為系統(tǒng)總原理圖</p><p>　　2.3.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速</p><p>　　直流電機(jī)調(diào)速可采用的方法: 改變電機(jī)勵(lì)磁電流、在電機(jī)繞組中串接電阻、改變電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。電動(dòng)自行車中的電機(jī)均采用永磁電機(jī),因此改變電機(jī)勵(lì)磁電流的方法無(wú)法應(yīng)用在電動(dòng)自行車電機(jī)調(diào)速中。電機(jī)繞組中串接電阻的方法，一方面會(huì)增加電路的功耗，

46、另外，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)的速度調(diào)節(jié)必須用電位器，而在主回路的大電流工作狀態(tài)中，很難有合適的電位器可以選用。 因此本方案采用改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。</p><p>　　電壓調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方法有多種，在應(yīng)用單片機(jī)輸出控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)速的場(chǎng)合，比較便于實(shí)現(xiàn)而且調(diào)整性能良好的是脈沖寬度調(diào)制( PWM) 技術(shù)。由于定寬調(diào)頻法和調(diào)寬調(diào)頻法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期,當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí),將會(huì)引起振蕩,所以

47、,在此采用定頻調(diào)寬法,即保持周期不變,同時(shí)改變調(diào)速脈沖的占空比。</p><p>　　采用脈沖寬度調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速的原理是，單片機(jī)根據(jù)輸入的速度給定信號(hào)控制輸出脈沖的脈寬。當(dāng)脈沖信號(hào)處于高電平時(shí)，使開(kāi)關(guān)閉合,主回路接通，電機(jī)被驅(qū)動(dòng)；當(dāng)脈沖信號(hào)處于低電平時(shí),使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，主回路斷開(kāi)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)頻率一定的脈沖信號(hào)的高電平寬度變化, 控制電機(jī)在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的通斷比例, 從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。</p>

48、;<p>　　PWM信號(hào)可由單片機(jī)通過(guò)編程直接產(chǎn)生，但這樣做將會(huì)加大程序的復(fù)雜程度，影響系統(tǒng)其它功能的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)的可靠性。在本設(shè)計(jì)中采用三片通用數(shù)字芯片產(chǎn)生PWM信號(hào)，單片機(jī)只需根據(jù)速度給定值輸出一個(gè)相應(yīng)的X值，就能由外部電路產(chǎn)生所需的PWM信號(hào)，使軟件大大簡(jiǎn)化，有利于單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作。</p><p>　　PWM波的頻率太高時(shí), 對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率管要求太高, 太低時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲較大。經(jīng)綜

49、合分析, 本系統(tǒng)采用兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計(jì)數(shù)器4040組成了PWM 信號(hào)發(fā)生電路。兩片比較器的A組接4040計(jì)數(shù)輸出Q1～Q8 端,B組接單片微機(jī)的P1端口。改變P1端口的輸出值, 可使PWM信號(hào)的占空比產(chǎn)生變化, 進(jìn)行調(diào)速控制。計(jì)數(shù)器4040的計(jì)數(shù)輸入端CLK接單片機(jī)AT98C51晶振的振蕩輸出ALE。晶振選用12MHz時(shí), ALE脈沖的頻率為2M，經(jīng)Q1～Q8的256分頻, 產(chǎn)生的PWM波形的頻率為7.8kHz

50、, 適合光耦及功率開(kāi)關(guān)管的合理工作范圍。</p><p>　　計(jì)數(shù)器4040每來(lái)1個(gè)脈沖, 其輸出Q1～Q8加1, 當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或等于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí),U2的(A>B)輸出端保持為低電平, 當(dāng)計(jì)數(shù)值大于X時(shí)U2的(A>B) 輸出端為高電平。隨著計(jì)數(shù)值的增加,Q1～Q8由全“1”變?yōu)槿?”時(shí),(A>B)輸出端又變?yōu)榈碗娖? 這樣, 在U2的(A>B)端得到PWM的信號(hào), 其占空比為

51、(255-X/255)×100% , 改變X值可改變PWM信號(hào)的占空比, 進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，如圖3-6。由于單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)P1端口輸出全“1”, 使用4585的B組與P1端口相連, 升速時(shí)P0端口輸出X 按一定規(guī)律減少, 降速時(shí)按一定規(guī)律增大。</p><p>　　預(yù)置速度由按鍵S1和S2輸入，按S1加速，按S2減速，雖然這樣的調(diào)速方法與普遍采用的旋車把調(diào)速法有較大區(qū)別，但這種調(diào)速方法無(wú)需AD轉(zhuǎn)

52、換，還能為單片機(jī)省下6個(gè)端口作它用，并有利于剎車后無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的斷電處理。</p><p>　　如圖2-9所示為PWM波產(chǎn)生電路：</p><p>　　圖2-9 PWM產(chǎn)生電路</p><p>　　2.3.2 測(cè)速電路</p><p>　　待測(cè)信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路后加至單片機(jī)的P3.2（INT0）引腳可為單片機(jī)測(cè)量信號(hào)周期提供有效的輸入信號(hào)。單

53、片機(jī)通過(guò)檢測(cè)P3.2引腳電平來(lái)決定是否啟動(dòng)測(cè)量周期程序。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，要一直到該引腳出現(xiàn)低電平時(shí)才開(kāi)始測(cè)周期。測(cè)量時(shí)首先將零賦給TH0、TL0兩個(gè)寄存器，以將定時(shí)器T0的運(yùn)行控制位TR0置位，同時(shí)也將ET0置位以允許定時(shí)器T0中斷。然后再判斷P3.2引腳是否還為低電平，如為低電平則等待，直到出現(xiàn)高電平再開(kāi)始判斷P3.2引腳是否為低電平，當(dāng)其不是低電平時(shí)再等待。一旦出現(xiàn)低電平，則立即復(fù)位TR0以終止定時(shí)器，以結(jié)束

54、測(cè)周期程序。測(cè)周期過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生定時(shí)器T0的中斷，每發(fā)生一次中斷則將R0寄存器加一，因此R0實(shí)際上是周期值的高字節(jié)。測(cè)出的周期值存儲(chǔ)在R0、TH0、TL0三個(gè)寄存器中，然后將其轉(zhuǎn)換成速度。速度是用車輪的周長(zhǎng)除以脈沖周期得到的。由于所測(cè)周期的單位是μｓ，因此在相除轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)將被除數(shù)擴(kuò)大倍，以保證得出正確的速度。每秒進(jìn)行一次里程數(shù)累加時(shí)，可用當(dāng)前的速度值加上一秒前的里程數(shù)得出當(dāng)前的總里程數(shù)。</p><p>　　圖

55、2-8中由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生0-6Hz的矩形波接入P3.2, 作為測(cè)得電機(jī)的參考量。</p><p>　　2.3.3 速度預(yù)置與顯示 </p><p><b>　　一、速度預(yù)置</b></p><p>　　預(yù)置速度由按鍵S5、S6輸入,進(jìn)行“+”“-”控制, 單片機(jī)P3.4，P3.5分別接升速按鈕S5和降速按鈕S6。當(dāng)S5鍵按下時(shí),將送到P1口的數(shù)

56、據(jù)N減1以增大PWM信號(hào)的占空比;當(dāng)S6按下時(shí),將N加1以減少PWM信號(hào)的占空比。</p><p><b>　　二、速度顯示</b></p><p>　　由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容較簡(jiǎn)單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟(jì)。LED有共陰極和共陽(yáng)極兩種。</p><p>　　根據(jù)AT89C51單片機(jī)灌電流能力強(qiáng)，拉電流能力弱的特點(diǎn)，我們選用共陽(yáng)數(shù)碼

57、管。如圖2-10所示，將AT89C51的P2.0～P2.7分別與共陽(yáng)數(shù)碼管的a～g及dp相連，高電平的位對(duì)應(yīng)的LED數(shù)碼管的段暗，低電平的位對(duì)應(yīng)的LED數(shù)碼管的段亮，這樣，當(dāng)P2口輸出不同的段碼，就可以控制數(shù)碼管顯示不同的字符。例如：當(dāng)P2口輸出的段碼為1100 0000，數(shù)碼管顯示的字符為0。</p><p>　　數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。</p><p&

58、gt;　　為節(jié)省端口及降低功耗，本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。動(dòng)態(tài)掃描顯示方式需解決多位LED數(shù)碼管的“段控”和“位控”問(wèn)題，本電路的“段控”（即要顯示的段碼的控制）通過(guò)P2口實(shí)現(xiàn)；而每一位的公共端，即LED數(shù)碼管的“位控”，則由P3口控制。這種連接方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內(nèi)容，必然要采取輪流顯示的方式，即在某一瞬間，只讓其中的某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開(kāi)狀態(tài)，同時(shí)字段線上輸出這一位相應(yīng)要顯

59、示字符的字段碼。在這一瞬時(shí)，只有這一位在顯示，其他幾位則暗。在本系統(tǒng)中,字位線的選通與否是通過(guò)PNP三極管的導(dǎo)通與截止來(lái)控制,即三極管處于“開(kāi)關(guān)”狀態(tài)。</p><p>　　圖2-10 顯示電路</p><p>　　2.3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 </p><p>　　圖 2-11是利用開(kāi)關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 PWM 調(diào)速控制的原理圖。在圖中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管MOSFET的柵極

60、輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓Vs。當(dāng)開(kāi)關(guān)管柵極輸入變?yōu)榈碗娖街?，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞電壓兩端電壓為0V。電樞電流通過(guò)續(xù)流二極管續(xù)流，即當(dāng)脈沖信號(hào)處于高電平時(shí)，使開(kāi)關(guān)閉合，主回路接通，電機(jī)被驅(qū)動(dòng)；當(dāng)脈沖信號(hào)處于低電平時(shí)，使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，主回路斷開(kāi)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)頻率一定的脈沖信號(hào)的高電平寬度變化，控制電機(jī)在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的通斷比例，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖2-1

61、1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　由2-11圖可知：電動(dòng)機(jī)兩端平均電壓</p><p><b>　　(1.1)</b></p><p>　　式中為占空比。改變?chǔ)?，即可改變其平均電壓?lt;/p><p>　　2.3.5 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及控制器的保護(hù)</p><p><b>　　如圖2-

62、12所示：</b></p><p>　　圖2-12 保護(hù)電路</p><p>　　一、電機(jī)過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)</p><p>　　電機(jī)過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)（電機(jī)的過(guò)載保護(hù)和小電流過(guò)載保護(hù)也可以通過(guò)過(guò)熱保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)），由單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)電機(jī)電流樣值信號(hào)和電機(jī)過(guò)熱信號(hào), 檢測(cè)到任何一種信號(hào), 單片機(jī)將進(jìn)入保護(hù)方式，令單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)變?yōu)榱忝}寬，使電機(jī)失電，同時(shí)

63、借助于自行車本身的制動(dòng)系統(tǒng)，使自行車停止前進(jìn)。如圖所示，此兩種信號(hào)由P0.0和P0.1提供。</p><p><b>　　二、蓄電池欠壓保護(hù)</b></p><p>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí), 當(dāng)出現(xiàn)欠壓信號(hào)時(shí)，并不是馬上就切斷主回路，而是在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)檢測(cè)欠壓信號(hào)，如果欠壓信號(hào)保持兩秒鐘，系統(tǒng)將進(jìn)入欠壓保護(hù)報(bào)警程序，如果欠壓信號(hào)持續(xù)不到兩秒鐘，系統(tǒng)就不進(jìn)入保護(hù)報(bào)警程序，

64、繼續(xù)正常工作。如圖所示，此種信號(hào)從單片機(jī)的P0.2口輸入。</p><p><b>　　三、剎車控制</b></p><p>　　剎車控制也采用實(shí)時(shí)響應(yīng)方式, 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到剎車信號(hào)后, 立即使單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)變?yōu)榱忝}寬, 使電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi), 電機(jī)失電。同時(shí)借助于自行車本身的制動(dòng)系統(tǒng), 使自行車停止前進(jìn)。這時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)處于等待狀態(tài),剎車信號(hào)消失后, 系統(tǒng)恢復(fù)工作

65、，此時(shí)PWM信號(hào)為零脈寬，騎車人需進(jìn)行加速才能繼續(xù)前進(jìn)。這樣做的好處是，可以防止自行車在剎車信號(hào)消失后急速前沖，給騎車人帶來(lái)不安全因素。如圖所示，此信號(hào)從單片機(jī)的P0.3口輸入。</p><p><b>　　四、報(bào)警指示</b></p><p>　　報(bào)警指示電路由四個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成，由單片機(jī)的P0.4-P0.7口和P3.3口控制，四個(gè)發(fā)光二極管分別表示電動(dòng)

66、機(jī)過(guò)熱、過(guò)流、蓄電池欠壓和剎車，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱、過(guò)流或蓄電池欠壓時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管就被點(diǎn)亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲提醒騎車人，而當(dāng)剎車信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的二極管點(diǎn)亮，但不發(fā)出報(bào)警聲。為了方便單片機(jī)控制，發(fā)光二極管正極接+5V電源，負(fù)極通過(guò)限流電阻與單片機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的三極管采用9015，其電路如圖2-12。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　基于AT89C51單片機(jī)

67、的需要，本設(shè)計(jì)用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。由于給直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速用的PWM信號(hào)由外電路產(chǎn)生，大大減小了程序的復(fù)雜程度，其程序流程如圖3-1。</p><p>　　圖3-1 程序主流程圖</p><p>　　在本系統(tǒng)控制中，欠壓保護(hù)采用多點(diǎn)檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)欠壓信號(hào)時(shí)，并不是馬上就切斷主回路，而是在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)檢測(cè)欠壓信號(hào)，如果欠壓信號(hào)保持兩秒鐘，系統(tǒng)將進(jìn)入欠壓保護(hù)報(bào)警程序，如果欠壓信號(hào)持續(xù)不到兩秒鐘，

68、系統(tǒng)就不進(jìn)入保護(hù)報(bào)警程序，繼續(xù)正常工作。過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)都采用實(shí)時(shí)響應(yīng)，一旦檢測(cè)到過(guò)流或過(guò)熱保護(hù)，系統(tǒng)就立即進(jìn)入保護(hù)報(bào)警程序。在上述保護(hù)方案中,電流保護(hù)和蓄電池欠壓保護(hù)采用非恢復(fù)性保護(hù), 一旦進(jìn)入保護(hù)狀態(tài), 就必須等排除故障、重新啟動(dòng)單片機(jī)系統(tǒng)后, 才能恢復(fù)工作。而過(guò)熱保護(hù)采用可恢復(fù)性保護(hù), 在軟件保護(hù)過(guò)程中, 若電動(dòng)機(jī)溫度下降到保護(hù)值以下時(shí), 應(yīng)撤消保護(hù), 系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。加速、減速控制也采用實(shí)時(shí)響應(yīng)，一旦檢測(cè)到加速或減速信號(hào)，單

69、片機(jī)就相應(yīng)改變X的值，以達(dá)到加速或減速的效果。另外，為了便于騎車人調(diào)速，系統(tǒng)的加速或減速的幅度和騎車人按加速或減速按鈕的時(shí)間成正比，按得越長(zhǎng)，改變的速度值就越大，只要按著加速或減速按鈕，系統(tǒng)就一直執(zhí)行加速或減速程序，直到速度達(dá)到最大值或零。剎車控制也采用實(shí)時(shí)響應(yīng)，一檢測(cè)到剎車信號(hào)，剎車燈亮，并將速度調(diào)到零。</p><p>　　因?yàn)槟壳拔覈?guó)在電動(dòng)自行車中采用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)都是低轉(zhuǎn)速的，一般為200轉(zhuǎn)/分，并與車

70、輪整合在一起，不經(jīng)過(guò)變速，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就是車輪的轉(zhuǎn)速，而采用12M晶振的單片機(jī)系統(tǒng)定時(shí)器的最長(zhǎng)定時(shí)只有60多毫秒，在這么短的時(shí)間里，車輪不可能轉(zhuǎn)一周，因此測(cè)速只能采用周期法，即多次中斷定時(shí)，每次中斷設(shè)為15毫秒，測(cè)出車輪轉(zhuǎn)一周所需的中斷次數(shù)，就可以得到車輪每轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間，從而算出車子的行進(jìn)速度，在本程序中暫時(shí)將車輪的周長(zhǎng)定為1米，中斷程序流程圖見(jiàn)圖3-2。</p><p>　　圖3-2 中斷程序

71、流程圖</p><p><b>　　第四章 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　電動(dòng)自行車控制器的性能在很大程度上決定了電動(dòng)自行車的整車性能。通過(guò)單片機(jī)AT89C51將各硬件部分有機(jī)地組合起來(lái)，使系統(tǒng)能及時(shí)、有效地檢測(cè)到各種控制信號(hào)并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)反饋給各控制部件，實(shí)現(xiàn)了軟硬件的完美組合。此控制器具有節(jié)能、工作可靠等特點(diǎn)，基本符合了人們對(duì)電動(dòng)自行車控制器的要求。&l

72、t;/p><p>　　經(jīng)過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我覺(jué)得自己學(xué)到了不少東西。學(xué)會(huì)了更好地查閱資料和利用工具書。當(dāng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用一些不曾學(xué)過(guò)的東西時(shí)，就要去有針對(duì)性地查找資料，然后加以吸收利用，以提高自己的應(yīng)用能力，而且還能增長(zhǎng)自己見(jiàn)識(shí)，補(bǔ)充最新的專業(yè)知識(shí)，并且加強(qiáng)了PROTEL軟件的應(yīng)用設(shè)計(jì)，最主要的是，使我對(duì)編程有了一定的提高，我是最怕編程的，因?yàn)樵谝郧皩W(xué)習(xí)中，編程就是我最大的弱點(diǎn)，所以真的很感謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。同時(shí)在這里

73、，我要感謝我的導(dǎo)師石炳存老師和畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中所有給我真誠(chéng)幫助的老師和同學(xué)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]沈卓群,劉電霆,蔣存波。電動(dòng)自行車智能控制器研制[J],桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)。2002，4(22):406～408。</p><p>　　[2]張毅坤，陳善久，裘雪紅。單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M]，

74、西安電子科技大學(xué)出版社。1998年9月。</p><p>　　[3]邵富春。怎樣保護(hù)電動(dòng)機(jī)[M],中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社。1984年6月.</p><p>　　[4]葉金虎,徐思海,張頡明,崔海大,施民生。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)[M],科學(xué)出版社。1982年1月</p><p>　　[5]邱丹,王東,高振東。直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)[J]，青島大學(xué)學(xué)報(bào)。2000，1(15):

75、10～12.</p><p>　　[6]韓志榮,黃鄉(xiāng)生,李躍忠。AT89C51單片機(jī)在直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J],華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào).2002,1(15):70～74。</p><p>　　[7]楊素行。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M],高等教育出版社.1998年10月.</p><p>　　[8]盧靜,陳非凡,張高飛,施涌潮.基于單片機(jī)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

76、設(shè)計(jì)[J]，北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)。2002,4(17):44～49.</p><p>　　[9]王曉明，電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制，北京航空航天大學(xué)出版社.2002</p><p>　　[10]馬家辰，孫玉德，張穎。 MCS-51單片機(jī)原理及接口技術(shù)。</p><p>　　[11]吳金戌。8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M] ， 清華大學(xué)出版社。</p><p

77、>　　Computer Aided Design</p><p>　　Good engineering design is necessary to guarantee tat a part or mechanism functions correctly and lasts for a reasonably long time. Functional considerations during desig

78、n involve, among other things, weight, strength, thermal properties, kinematics, and dynamics. The performance of a design can be evaluated by comparing its performance measurements with the required specifications. As i

79、mportant as satisfactory performance is, there are other areas part should be designed economically. This impl</p><p>　　As much as 70% of the production costs of a manufactured part are determined during the

80、 engineering design process. This means that by the time the part has left the designer’s hands the large majority of its production costs have been established. They are defined implicitly by the materials, dimensions,

81、tolerances, surface finishes, and other parameters which determine processing costs. Therefore, only 30% of the part’s cost is subject to money-saving efforts during the manufacturing planning </p><p>　　Comp

82、uter-aided design (CAD) is a term which means many things to many people. To some, it means computer-aided drafting or drawing. To others, it means compute-aided analysis. And to still others, it suggests totally automat

83、ed design where the engineer need specify only the function of a part and the computer arrives at a satisfactory or even optimal design. CAD is all of the above, aiming mostly for the fast description through techniques

84、in artificial intelligence. CAD, however, still exists s</p><p>　　Because of the availability of a wide variety of CAD systems with different characteristics supplied by different vendors, proper communicati

85、on and exchange of data between these systems have become a significant problem. The need for a single neutral format for better compatibility is presently filled largely by the Initial Graphics Exchange Specificaton (

86、IGES). Vendors need only provide translators for their own systems to preprocess the data into the neutral format into their system. IGES i</p><p>　　A more recent development is a solid-model-based standard

87、called Product Data Exchange Specification (PDES), which is based on IGES. Although IGES is adequate fro most requirement, PDES has less memory size, requires less time for execution, and is less error prone. Because of

88、the existence of various standards in other countries as well, it is expected that in the near future these standards will culminate in an international standard, called the Standard for the Exchange of Product Model Dat

89、a </p><p>　　Hardware and Software </p><p>　　Hardware varies a great deal between CAD systems. Mainframes have long been used for CAD systems. The rapid increases in processing speeds have made m

90、icro and minicomputers viable CAD stations. Networks generally are used so that designs can be stored centrally and data can be shared among designers. Many input devices are used. Common I/O devices include keyboard, mo

91、use, trackball, digitizing pad, joystick, keypad, and light pens. Output devices are typically screen, plotter, printer, and hard </p><p>　　There is a wide variety of CAD software available for mainframes en

92、gineering stations and microcomputers. The packages vary to some degree in information in the form of drawing exchange files. These files can be imported into other software to assist in programming the machine tool.<

93、/p><p>　　Elements of CAD Systems</p><p>　　The design process in a CAD system consists of four stages, as described below.</p><p>　　Geometric modeling. In geometric modeling, a physical

94、 object or any of its parts is described mathematically or analytically. The designer first constructs a geometric model by giving commands that create or modify lines, surfaces, solids, dimensions, and text that togethe

95、r are and accurate and complete two- or three-dimensional representation of the object. The models can be presented in three different ways. In the line representation (wire-frame; Figure 10.ld), all edges are visible as

96、 solid </p><p>　　In the surface model, all visible surface are shown in the model, and in the solid model, all surfaces are shown, but the data describe the interior volume (Figure 10.1e,f)</p><p&

97、gt;　　Design analysis and optimization. After the design’s geometric features have may consist of analyzing stresses, strains, deflection, vibrations. This phase temperature distribution, or tolerance. Various sophisticat

98、ed software packages capable of computing these quantities accurately and rapidly are available.</p><p>　　Design review and evaluation. An important design stage is review and evaluation to check for any int

99、erference between various components in order to avoid difficulties during assembly or use of the part, and whether moving members, such as linkages, are going to operate as intended. Software is now available with anima

100、tion capabilities to identify potential with moving members and other dynamic situations. During the design review and evaluation stage, the part is precisely dimensioned and tole</p><p>　　Documentation and

101、drafting. After the preceding stages have been completed, the design is reproduced by automated drafting machines for documentation and reference. Detail and working drawings are also developed and printed. The CAD syste

102、m is capable of developing drafting sectional views of the part, scaling the drawings, and performing transformation to present various view of the part. In CAD systems, much of the design process was formerly carried ou

103、t on workstation connected to a mainframe </p><p>　　The Design Process </p><p>　　Before delving into CAD, it is important to understand the design process itself. Computer techniques are no mor

104、e valuable than the theory on which they are based. After a short discussion of design in general, we will explore how the computer can help with each of the design stages.</p><p>　　Shigley defines the desig

105、n process as an iterative procedure consisting of six phase:</p><p>　　Recognition of need</p><p>　　Definition of problem </p><p>　　Synthesis </p><p>　　Analysis and opti

106、mization</p><p>　　Evaluation</p><p>　　Presentation</p><p>　　The first step, recognition of need, arises from an identified problem. Suppose, for example, that a new, more efficient

107、jet engine is required because of a fuel shortage. Step 2, definition of the problem is more specific. Defining the specifics of the jet engine involves knowing the thrust, horsepower, allowable weight, etc. Some of thes