畢業(yè)設(shè)計基于89C51單片機(jī)的機(jī)車自動換擋設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）基于89c51單片機(jī)的機(jī)車自動換擋設(shè)計 design of locomotive automatic commutating system with scm： 余 飛 ： 電氣與信息學(xué)院 ： 電子信息工程 ： 0443 ： 張學(xué)敏 ： 講 師 ： 2008年6月20日 學(xué)生姓名所在院系所學(xué)專業(yè)所在班級指導(dǎo)教師教師職稱完成時間長 春 工 程 學(xué) 院長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)摘 要在科技不斷發(fā)展的今天，電力行業(yè)也逐步走向自動化。機(jī)車自動換檔技術(shù)已成為自動化熱門技術(shù)之一，基于單片機(jī)應(yīng)用的機(jī)車自動換檔技術(shù)具有相當(dāng)?shù)匚坏难芯績r值，該設(shè)計可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)車換檔技術(shù)在安全、節(jié)能、環(huán)保、等方面

2、的問題。在這個設(shè)計設(shè)計主要完成以89c51單片機(jī)為核心的機(jī)車自動換檔系統(tǒng),該系統(tǒng)包括速度測量、脈沖整形、電壓比較和輸出控制。論文主要介紹了基于單片機(jī)實現(xiàn)機(jī)車換檔的基本方法，速度傳感器的應(yīng)用，及信號采集比較的基本原理和實現(xiàn)方法,重點介紹了基于mcs-51單片機(jī)的用軟件產(chǎn)生控制信號的途徑，并介紹了一種通過采用軟件實時處理并調(diào)節(jié)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的方法。對于機(jī)車自動換檔控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有效的途徑。借助這套系統(tǒng)既可以減少司機(jī)經(jīng)常換檔的勞動強(qiáng)度，又可以使機(jī)車大部分時間運(yùn)行在比較合理的檔位，這對節(jié)省油料和保護(hù)環(huán)境都有比較好的效果。關(guān)鍵詞 單片機(jī) 自動換檔 機(jī)車 速度傳感器 自動控制abstract： w

3、ith the develop of science the technology , electric power industry is also trends to automation, locomotive automatic commutating technology has become one of the popular automation technology, locomotive automatic commutating technology has a certain value of reserch on the position of the design.

4、 it can fetch up for the issues of traditional locomotive commutating in energy-saving and environmental protection or security .this design be mainly composed by 89c51 microcontroller as the core of the locomotive automatic commutating system, this system includes the measurement of speed, pulse-sh

5、aping, the comparing of voltage and output to control. this paper introduces a kind of method of locomotive automatic commutating based on scm. showing some relative application of speed-sensor, and the basic principles and methods about signal sampling and comparing ,it focus on the way of using th

6、e software produce a control-signal, meanwhile introduces a method of regulating locomotive stave with the real-time software processing and regulate the state of operation of locomotive, providing an effective way to locomotive automatic commutating control system. this system can reduce driverss l

7、abor intensity of the regular work, the locomotive can run at the most of time in a more reasonable shift, which can save fuel and have relatively good results to protect the environment.keyword: microcontroller automatic commutating locomotive speed sensor automatic controlii目 錄前言11 系統(tǒng)工作原理分析21.1 速度

8、采集及處理21.2 輸出控制換檔的原理42 系統(tǒng)構(gòu)成方案選擇42.1 電路類型方案的選擇42.2 主控制單元方案的選擇52.3 顯示管連接方式的選擇72.4 總方案的確定83 主要器件的介紹83.1 lm331芯片的介紹83.2 cs3020霍爾元件的介紹114 系統(tǒng)的硬件設(shè)計124.1 電源設(shè)計部分134.2 速度信號的前端處理部分134.3 信號驅(qū)動電磁閥部分184.4 顯示部分194.5 報警電路195 系統(tǒng)的軟件設(shè)計195.1 主程序205.2 顯示子程序215.3 換檔子程序215.4 報警子程序22總 結(jié)23參考文獻(xiàn)：24致 謝25附 錄26附錄一 程序清單26附錄二 原理圖311

9、36長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)前言自動換檔系統(tǒng)的核心技術(shù)是信號處理和控制技術(shù)，該技術(shù)通常是利用傳感器采集速度信號并以脈沖的形式輸出（剛采集的脈沖信號直接輸入給單片機(jī)電制控制單元處理是沒有意義的，需要進(jìn)行一系列的處理后再把信號輸入主電路進(jìn)行處理），再把速度傳感器采集到的機(jī)車速度的脈沖信號和柴油機(jī)速度脈沖信號分別轉(zhuǎn)換成電壓信號再輸入到比較電路進(jìn)行比較，經(jīng)主電路處理后輸出控制指令再放大后驅(qū)動換檔組件以達(dá)到速度檢測換檔變速的目的一種控制技術(shù)。近年來，利用傳感器和單片機(jī)相接合的控制技術(shù)以成為電氣自動控制技術(shù)的熱點之一。基于單片機(jī)自動系統(tǒng)控制因其體積小且可以方便地通過改變軟件程序?qū)崿F(xiàn)對各種外部組件的控制

10、而得到廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的人工換檔是由駕駛員操縱檔位，加檔或減檔都由人工操作，是最直接和最有效的換檔調(diào)速方法，經(jīng)常性的換檔容易使人疲憊，這是對交通運(yùn)輸?shù)臉O大挑戰(zhàn)，考慮到駕駛員長時間工作的狀態(tài)，機(jī)車的人工換檔在發(fā)展上逐漸被自動化的換檔技術(shù)取代，上個世紀(jì)，自動化運(yùn)行系統(tǒng)的技術(shù)在強(qiáng)烈的市場需求下得到很好的發(fā)展，尤其在自動化方面，例如自動駕駛、自動換檔變速等各個方面的技術(shù)都是時代的技術(shù)潮流，自動化技術(shù)是人們長期追求而產(chǎn)生的時代新興技術(shù)。自動換檔技術(shù)既可以減少司機(jī)經(jīng)常換檔的勞動強(qiáng)度，又可以使機(jī)車大部分時間運(yùn)行在比較合理的檔位，這對節(jié)省油料和保護(hù)環(huán)境都有比較好的效果。自70年代單片機(jī)產(chǎn)生以來，發(fā)達(dá)國家單片機(jī)

11、運(yùn)用在控制系統(tǒng)方面逐漸成為潮流之一，其具有集成度高和可再編程的性能也成為機(jī)車自動換檔系統(tǒng)最佳選擇方案之一 ?？v觀單片機(jī)國內(nèi)外發(fā)展的情況，其作為微機(jī)發(fā)展中的一個重要分支,其產(chǎn)值和在各應(yīng)用領(lǐng)域的重要性是不容忽視的。特別是在軍事工業(yè)、航空、航天、宇航和家電、汽車電子、通信、交通、智能儀表以及智能卡等領(lǐng)域都具有急待開發(fā)應(yīng)用的市場。 單片機(jī)對我國更具特殊意義，我國是發(fā)展中國家,資金不足,應(yīng)用領(lǐng)域及規(guī)模又較大，因此單片機(jī)技術(shù)對提高各應(yīng)用領(lǐng)域中的技術(shù)檔次,可以做到少花錢、效果好。我國的汽車電子、通信產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)已開始啟動,其他應(yīng)用領(lǐng)域也在開拓(如智能儀表、智能卡、交通、商業(yè)電子)。目前我國人均占有單片機(jī)的數(shù)量不

12、足1片,與發(fā)達(dá)國家相差幾十倍。因此,我國是一個極大的潛在的技術(shù)市場。 相信在一個芯片上實現(xiàn)一個完整的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),配以合適的標(biāo)準(zhǔn)軟件,一周內(nèi)開發(fā)一個新產(chǎn)品的時間即將到來。1 系統(tǒng)工作原理分析機(jī)車自動換檔系統(tǒng)的硬件部分由前端輸入電路、單片機(jī)電路和輸出放大電路組成。其中前端放大電路的功能是把機(jī)車的速度和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速兩個速度參數(shù)信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并進(jìn)行比較，然后把結(jié)果輸入到單片機(jī)電路。單片機(jī)電路的作用是根據(jù)比較的結(jié)果輸出正確的控制指令來使執(zhí)行元件動作換檔，同時顯示現(xiàn)時機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)。輸出放大電路的作用是把單片機(jī)電路輸出的控制信號進(jìn)行功率放大，以使其能夠驅(qū)動換檔執(zhí)行組件。本自動換檔系統(tǒng)共有兩個速度參

13、數(shù)值需要測量，分別是機(jī)車速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入單片機(jī)信號是又這兩個被測量到的速度進(jìn)行比較而得到的輸出信號。1.1 速度采集及處理 速度信號采集：在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，如圖1-1所示,車輪轉(zhuǎn)軸有安裝三個獨立磁體，霍爾電路通電后，當(dāng)轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)動一次，霍爾速度傳感器經(jīng)過三個磁場的切割，同時輸出三個脈沖信號，脈沖信號頻率的大小和車輪轉(zhuǎn)軸的速度成正比。圖1-1 霍爾速度傳感器工作原理上圖中霍爾速度傳感器中采集到的速度信號以脈沖形式輸出，由于輸出的脈沖是不規(guī)則的脈沖，在進(jìn)行下一步處理之前需要進(jìn)行脈沖的整形，該部分可由削波器、門電路、單穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)電路、施密特觸發(fā)器等電

14、路實現(xiàn)脈沖整形的功能，其整形過程如圖1-2所示。經(jīng)過脈沖整形之后，脈沖要轉(zhuǎn)換成電壓，再輸入到比較電路中進(jìn)行比較，頻率電壓轉(zhuǎn)換可根據(jù)實際情況選擇不同的芯片設(shè)計，在該設(shè)計中轉(zhuǎn)換電壓以68v輸出。由于上述電路中采集的有兩種速度信號，即機(jī)車速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，這兩個信號經(jīng)過比較后的輸出才是單片機(jī)主電路需要的換檔信號。圖1-2 脈沖整形前后過程圖以上整個信號從采集到比較的過程電路可稱為基于單片機(jī)機(jī)車自動換檔系統(tǒng)的前端電路。從整個過程來看，前端輸入電路主要由速度傳感器信號采集電路、脈沖整形電路、頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、施密特電壓比較電路組成，前端電路中信號經(jīng)單片機(jī)處理后輸出一個控制信號，該信號放大后控制機(jī)車換檔的

15、組件，在系統(tǒng)中還設(shè)計有一個顯示管，通過該顯示管可以觀察機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，同時還擴(kuò)展一個報警器，在機(jī)車換檔時可以實現(xiàn)報警，整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1-3所示。機(jī)車速度柴油機(jī)轉(zhuǎn)速霍爾速度傳感器脈沖整形電路施密特電壓比較電路頻率電壓轉(zhuǎn)換電路霍爾速度傳感器脈沖整形電路頻率電壓轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī)顯示器報警器機(jī)車換檔控制模塊（電磁繼電器組件） 圖1-3 機(jī)車自動換檔系統(tǒng)原理框圖1.2 輸出控制換檔的原理在系統(tǒng)設(shè)計中，單片機(jī)主電路輸出信號去控制機(jī)車換檔涉及低電壓電路去控制高電壓電路，在這里可以選用電磁繼電器元件以達(dá)到該系統(tǒng)設(shè)計的要求。電磁繼電器內(nèi)部有一個線圈，在線圈中通入電流時，在它周圍就產(chǎn)生磁場，也就是說，它變成

16、了一個電磁鐵，在它的磁極處，有一個軟鐵做的銜鐵，作為動觸點，當(dāng)通電時，街鐵被吸引過來，就可以實現(xiàn)與靜觸點的斷開或閉合，從而可以控制電路的通斷，它實質(zhì)就是一個能自動控制的開關(guān)?？梢詫崿F(xiàn)低電壓弱電流控制高電壓強(qiáng)電流，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制及自動控制等，電磁繼電器及工作原理如圖1-4所示。圖1-4 電磁繼電器工作原理圖2 系統(tǒng)構(gòu)成方案選擇2.1 電路類型方案的選擇在基于單片機(jī)機(jī)車自動換檔的系統(tǒng)中，實時性、低功耗性是主要的特點，這就要求芯片時要考慮到這兩個方面，需要時還要考慮到各種芯片的兼容性，以下是對個系統(tǒng)電路中考慮到實時性、低功耗性的不同設(shè)計方案。2.1.1 實時型電路方案完全采用ttl數(shù)字集成芯片

17、，該類型的芯片特點是傳輸延遲時間短(5-10ns)，功耗大。ttl電平輸出高電平大于2.4v,輸出低電平小于0.4v。在室溫下,一般輸出高電平是3.5v,輸出低電平是0.2v。最小輸入高電平大于或等于2.0v, 最小輸入低電平小于或等于0.8v,噪聲容限是0.4v，對于只考慮實時性或者實時性要求嚴(yán)格的設(shè)計方案可以采用該方案。2.1.2 節(jié)能型電路方案 完全采用cmos芯片，coms電路的速度慢，傳輸延遲時間長(25-50ns),但功耗低，coms電路本身的功耗與輸入信號的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正?，F(xiàn)象。在該方案中，傳輸延時相對較長，但對于機(jī)車自動換檔系統(tǒng)的換檔動作的宏觀性而言

18、cmos芯片的延時時間對其影響不大，故可采用cmos芯片組成的電路方案。2.2 主控制單元方案的選擇隨著集成芯片工藝和功能水平的不斷提高，市場上出現(xiàn)了多種功能強(qiáng)且價格適合的各種芯片，這需要我們根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)選擇比較適合的芯片。由于單片機(jī)性能優(yōu)越,具有較佳的性能價格比,所以單片機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。因此，我們選用單片機(jī)作為本設(shè)計的控制核心。目前我國應(yīng)用最多的一種單片機(jī)系列是美國intel公司的8位高檔單片機(jī)mcs51系列，8051引腳圖如圖2-1所示，這個系列里機(jī)型多種，性能特點不錯，加上我們學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程是該類型的單片機(jī)，應(yīng)用相對順手。因而，本設(shè)計還是選用51系列單片

19、機(jī)采用軟件控制的方法實現(xiàn)核心處理。因為mcs-51系列單片機(jī)型號比較多應(yīng)該要作出合理的選擇，下面對幾種常用型號進(jìn)行比較。 圖2-1 8051引腳圖 2.2.1 8031、8051、87518031/8051/8751是intel公司早期的產(chǎn)品，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，同有8位的cpu，128個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，21個字節(jié)專用寄存器，4個8位并行i/o口，1個全雙工串行i/o口，兩個16位定時/計數(shù)器，5個中斷源。不同的是：8031片內(nèi)不帶程序存儲器rom，使用時用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路373，外接的程序存儲器多為eprom的2764系列。用戶若想對寫入到eprom中的程

20、序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什么保密性可言。8051片內(nèi)有4k rom，無須外接外存儲器和373，更能體現(xiàn)“單片”的簡練。但是你編的程序你無法燒寫到其rom中，只有將程序交芯片廠代你燒寫，并是一次性的，今后你和芯片廠都不能改寫其內(nèi)容。8751與8051基本一樣，但8751片內(nèi)有4k的eprom，用戶可以將自己編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的eprom中進(jìn)行現(xiàn)場實驗與應(yīng)用，eprom的改寫同樣需要用紫外線燈照射一定時間擦除后再燒寫。 2.2.2 at89c51、at89s51at89c51是atmel公司推出的一種帶4k字節(jié)閃速可編程

21、可擦除只讀存儲器(flash rom)的低電壓、高性能cmos 8位微控制器。器件使用atmel公司高密度、非易失性技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的msc-51指令系統(tǒng)和8051引腳兼容。由于將多功能8位cpu和閃速存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器。與8051相比其最大的特點是：4kb可編程flash存儲器，可進(jìn)行1000次擦寫；全靜態(tài)時鐘0-24m；三級程序加密；低功耗支持idle（空閑）工作模式和power-down（斷電）工作模式。at89s51是2003年atmel推出的新型品種，除了完全兼容8051外，還多了isp編程和看門狗功能。2.2.3 at89c1051

22、、at89c2051at89c1051是一種帶1k字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(flash rom)的低電壓、高性能cmos 8位微控制器，該器件采用atmel高密度、非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51的指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位cpu和閃速存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c1051是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種靈活性高且價廉的解決方案。at89c1051有以下特點：1k字節(jié)eprom、64字節(jié)ram、15根i/o線、2 個16位定時/計數(shù)器、5個向量二級中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4

23、.25v至5.5v的電壓工作范圍和12/24工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外，at89c1051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時，cpu停止，而讓ram、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。at89c2051結(jié)構(gòu)與可實現(xiàn)的功能跟at89c1051基本一樣，只是閃速可編程可擦除只讀存儲器(flash rom)升級到2k，還有內(nèi)部ram為128字節(jié)。由上可知，8031片內(nèi)不帶程序存儲器rom，8051與8751在程序燒寫上很不方便而且8051的rom只能用一次，使用它們很不方便。而at89c51和at89s51不但和8051指令、管腳完全兼容，而

24、且其片內(nèi)的4k程序存儲器是flash工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動成果。這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。何況，at89c51、at89s51目前的售價比8031還低，市場供應(yīng)也很充足。顯然可見，at89c51和at89s51更實用。為了盡可能的應(yīng)用硬件資源，所以選用at89c51或at89s51一片，作為主控制器，實現(xiàn)速度檢測與顯示、輸出控制功能；目前at89c51和at89s51價格相當(dāng)，固選用功能更好的at89c51；因為在長春的電子城中at89c2051容易購買，所以選用了at89c

25、2051其引腳如圖2-2示。圖2-2 at89c2051引腳圖2.3 顯示管連接方式的選擇在本系統(tǒng)中還附加了一個數(shù)碼顯示管，它可顯示機(jī)車所處的檔 位以及正在運(yùn)行的程序段，從而使駕駛員和技術(shù)維修人員了解機(jī)車的狀態(tài)。數(shù)碼管有共陰共陽接法，只是在設(shè)計中選用共陰或共陽都是一樣的只是個人喜歡問題，共陰共陽如圖2-3 所示。本設(shè)計選用了一位共陰數(shù)碼管，在數(shù)碼管顯示器與單片機(jī)的連接的方式中有譯碼驅(qū)動連接和直接種兩種連接方式，在直接連接的方式中，各位數(shù)碼管的一個端需要與一個單片機(jī)i/o引腳連接，該連接至少需要7個i/o端口，但是這種顯示相當(dāng)?shù)恼加孟到y(tǒng)資源。 圖2-3 led的共陰、共陽接法在系統(tǒng)資源較少的情況

26、下，往往在與單片機(jī)的連接之間加有譯碼和驅(qū)動功能甚至有鎖存功能的譯碼驅(qū)動芯片，這種連接就叫譯碼驅(qū)動，在數(shù)碼管和單片機(jī)之間加的驅(qū)動芯片有很多，功能和原理也相應(yīng)的不同，如常用到的驅(qū)動芯片cd4511、ch451、max7219等等，這種連接方式和直接連接方式相比就是節(jié)約端口資源，由于在主控制芯片選擇的單片機(jī)芯片是20引腳的芯片，譯碼驅(qū)動連接方式是最好的選擇。2.4 總方案的確定at89c2051cs3020速度輸入脈沖整形lm331比較電路led顯示 控制輸出cd4511經(jīng)過上述文字對換檔系統(tǒng)部分的討論選擇以及根據(jù)功能實現(xiàn)、價格、市場以及各種其他情況確定芯片型號后，我們所設(shè)計系統(tǒng)的方案可以初步確定，

27、其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-4所示。圖2-4 單片機(jī)換檔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖本設(shè)計基于單片機(jī)機(jī)車自動換檔系統(tǒng)簡單原理為：cs3020檢測機(jī)車運(yùn)行速度和柴油機(jī)速度以脈沖形式輸出信號經(jīng)整形后輸入到頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片lm331中轉(zhuǎn)換成電壓，輸出68伏電壓信號，再輸入到比較電路中比較，其比較原理在文后硬件系統(tǒng)論述中作介紹，把兩個速度比較后的1和0信號傳送到at89c2051進(jìn)行處理，以此信號作程序處理輸出換檔控制信號，同時讓led顯示換檔狀態(tài)。 整個系統(tǒng)的電源由外接雙路穩(wěn)壓電源（+5v 、+12v）提供。3 主要器件的介紹3.1 lm331芯片的介紹lm331是美國ns公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率

28、電壓轉(zhuǎn)換器、a/d轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。lm331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0v電源電壓下都有極高的精度。lm331的動態(tài)范圍寬，可達(dá)100db；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成v/f或f/v等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。lm331為雙列直插式8引腳芯片，內(nèi)部電路組成如圖3-1所示。由輸入比較器、定時比較器、rs觸發(fā)器、輸出驅(qū)動管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成

29、。輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配ttl、dtl和cmos等不同的邏輯電路。lm331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.040v之間，輸出可高達(dá)40v，而且可以防止短路。 圖3-1 lm331內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.1 lm331的性能特點及引腳功能。lm331的性能特點如下：最大線性度為：0.01 最佳溫度穩(wěn)定性；最大值為：50ppm/；小功耗，5v下的典型值為：15mw；電源范圍寬：4.040v，并且有電源短路保護(hù)功能；寬的動態(tài)范圍：10滿量程頻率下的最小值為100db；量程范圍：1100。lm331芯片的引腳圖如下圖3-2

30、，其管腳描述見表3-1。圖3-2 lm331引腳圖表3-1 l298管腳描述管腳號名稱功能1curoo電流輸出2o參考電流3o頻率輸出4_地5i定時比較輸入6i比較器反向輸入端7i比較器同向輸入端8_電源（pin1）為電流源輸出端，在（pin3）輸出邏輯低電平時，電流源輸出對電容充電。引腳2（pin2）為增益調(diào)整，改變的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小.（pin3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由和決定。引腳4（pin4）為電源地。引腳5（pin5）為定時比較器正相輸入端。引腳6（pin6）為輸入比較器反相輸入端。引腳7（pin7）為輸入比較器正相輸入端。引腳8（pin8）為電源正端。3.1.

31、2 lm331的運(yùn)行參數(shù)lm331的極限參數(shù)（超此極限有可能導(dǎo)致?lián)p壞）表如表3-2，電參數(shù)表如表3-3 表3-2 lm331極限參數(shù)項目參數(shù)值單位電源電壓40v輸出短路電流至連續(xù)輸出短路電流至連續(xù)輸出電壓-0.2vv工作溫度范圍0+70功耗（25)1.25w焊接溫度（點焊，10秒）260表3-3 lm331電參數(shù)(一）參數(shù)測試條件最小值典型值最大值單位電流源（第1腳）輸出電流116136156電壓變化引起的變化0.21.0電流源關(guān)斷漏電流 所有驅(qū)動0.0210.0電流變化范圍100500參考電壓（第2腳）參考電壓1.701.892.08vdc溫度穩(wěn)定性60ppm/時間定性1000消失0.1%選

32、擇輸出（第3腳）v(兩個ttl負(fù)載)v關(guān)斷漏電流0.051.0電源電流電源電流1.53.06.02.04.08.0 ta=25,除其他特殊說明外3.2 cs3020霍爾元件的介紹cs3020是cs系列霍爾傳感器中比較常用的一員，它的由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大電路，史密特觸發(fā)器及集電極開路的輸出級組成發(fā)磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為電壓。3.2.1 cs3020的特征及應(yīng)用（1）特征cs3020工作頻率寬（100k），開關(guān)速度快，沒瞬間抖動，電源電壓范圍寬，能直接和晶體管及ttl、mos等邏輯電路接口，并且還有壽命長，體積小，方便安裝等優(yōu)點。（2）應(yīng)用cs3020典型應(yīng)用于

33、無觸點開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機(jī)等方面。3.2.2 cs3020的引腳說明cs3020只有三個引腳，1腳接電源，2腳接地，3腳接輸出，安裝簡單方便易用。其功能框圖如圖3-3。圖3-3 cs3020的功能框圖3.2.3 cs3020的電特性和磁特性cs3020的磁特性見表3-4，電特性見表3-5。表3-4 cs3020的磁特性參數(shù)符號最小值典型值最大值單位工作點bop2235mt釋放點brp516.5mt回差btrys2mt表3-5 cs3020的電特性參數(shù)符號測試條件最小典型最大單位電源電壓4.524v輸出高電平電流 = 20 ma, b bop0.110ua輸出低電平電壓

34、= 24 v, b brp200400mv電源電流=輸出開路8ma輸出上升時間rl = 820 cl = 20 pf0.12us輸出下降時間0.18us4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計基于單片機(jī)機(jī)的車自動換檔系統(tǒng)設(shè)計的硬件系統(tǒng)原理概圖在論文第二章圖2.4 中也作過表述。整機(jī)電路原理圖見附錄1部分。本章將對系統(tǒng)硬件的各個部分作具體分析。4.1 電源設(shè)計部分本設(shè)計中控制部分的邏輯元件需要+5v的直流電，而我們實驗用的小型直流電動機(jī)的額定電壓為12v。這樣我們就需要兩個直流電源。為解決這個問題，我們采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因為線性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)

35、定度高，文波小，干擾小而且有很多成熟是集成元件可選擇，電路十分簡單。所以我們在本設(shè)計中應(yīng)用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源如下圖4-1。圖4-1 雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源由上圖可見，這個雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡單，只用了一個220v變12v的變壓器，一個整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（7812和7805）和四個電容。圖中是一個大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。由于本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在傍邊并聯(lián)一個高頻濾波性能良好的小電容。而直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容和是用作改善穩(wěn)壓電源電路的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。4.2 速度信號的前端處理部分在上述文

36、章中我們已經(jīng)闡述到速度信號的前端處理部分從信號采集到信號比較的整個過程，這小結(jié)我們將詳細(xì)說明各個小部分的電路組成。4.2.1 速度的采集部分速度采集部分選擇了霍爾速度傳感器cs3020，電路接法如下圖4-2，傳感器電源電壓接5v，在輸出端和電源之間接一個1k的電阻，在1.1小結(jié)中也講述了其在機(jī)車速度檢測應(yīng)用的原理，當(dāng)機(jī)車轉(zhuǎn)動一圈時速度傳感器輸出三個脈沖波形，在機(jī)車車輪軸和柴油機(jī)轉(zhuǎn)軸上以同樣的方式安裝相同的傳感器。 圖4-2 cs3020電路接圖4.2.2 脈沖整形的電路該電路的作用是將霍爾速度傳感器輸出的不規(guī)則的脈沖信號整形為規(guī)則的脈沖信號如圖4-3所示，電路選擇兩級cmos反相器組成的回差電

37、壓可調(diào)的施密特觸發(fā)器實現(xiàn)脈沖整形功能。圖4-3 兩級cmos反相器組成的脈沖整形4.2.3 頻率電壓轉(zhuǎn)換的電路由lm331構(gòu)成的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4-4所示，輸入脈沖經(jīng)、組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻、分壓而加有約/3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻加有的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時， 經(jīng)微分電路、產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于/3時，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時電流開關(guān)打向右邊，電流源對電容cl充電，同時因復(fù)零晶體管截止而使電源通過電阻對電容充電。當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到2/3時，定時比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時電流

38、開關(guān)打向左邊，電容通過電阻放電，同時，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時電容迅速放電，完成一次充放電過程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時，電路重復(fù)上述的工作過程。從前面的分析可知，電容的充電時間由定時電路、決定，充電電流的大小由電流源決定，輸入脈沖的頻率越高，電容上積累的電荷就越多輸出電壓(電容兩端的電壓)就越高，實現(xiàn)了頻率電壓的變換。按照前面推導(dǎo)v/f表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓與的關(guān)系為：圖4-4 lm331f/v電路圖電容的選擇不宜太小，要保證輸入脈沖經(jīng)微分后有足夠的幅度來觸發(fā)輸入比較器，但電容小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。電阻和電容組成低通濾波器。電容大些，輸出電壓的紋波會小些，電容小些，當(dāng)

39、輸入脈沖頻率變化時，輸出響應(yīng)會快些。這些因素在實際運(yùn)用時要綜合考慮 圖4-5(a) lm331簡單f/v轉(zhuǎn)換電路 4-5(b) lm33(b) 高精度f/v轉(zhuǎn)換電路圖4-5(a) 是一個簡單電路，輸出電流經(jīng)和的濾波器后，波動峰值將低于10mv，但響應(yīng)比較慢，例如：一個0.1秒的時間常數(shù)，所對應(yīng)的建立時間是0.7秒（達(dá)到0.1%的精度）。圖4-5(b)是一個高精度f/v轉(zhuǎn)換電路，其中運(yùn)放起輸入緩沖和濾波的作用。這種電路波動峰值將低于5mv ,響應(yīng)時間相對較快，但輸入頻率低于200時，此電路的波動要比圖(a)大，一般需要對濾波時間常數(shù)既要滿足快速響應(yīng)，又要滿足足夠小的波動的要求。4.2.4 電壓比

40、較的電路在上一小結(jié)中講述到了通過比較機(jī)車速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可以確定機(jī)車是否需要進(jìn)行換檔，當(dāng)機(jī)車的速度低于柴油機(jī)的速度時，機(jī)車運(yùn)行在1檔，當(dāng)機(jī)車速度大于柴油機(jī)速度時，機(jī)車換檔到2檔。比較代表兩個速度的電壓是由施密特電壓比較電路完成的，它不但可以比較兩個電壓信號，還可以在2檔到1檔的轉(zhuǎn)換生一個施密特回滯。 圖4-6 電壓比較電路圖4-6所示是將機(jī)車速度和柴油機(jī)速度電壓信號轉(zhuǎn)換成換檔信號的具體電路。圖中，和分別是代表機(jī)車速度和柴油機(jī)速度的電壓信號。兩個運(yùn)算放大器 和都接成電壓比較器的形式。兩個輸出端分別輸入一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的s和r端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出經(jīng)過一個光電隔離器件的處理即可變成換檔信號。在圖 2

41、中，的兩個輸入電壓和的反相端輸入電壓都直接接或。而同相輸入端則由和對分壓后輸入，由于為560，而為10k，實際的輸入電壓為0.95。通常機(jī)車的初始檔位都是1檔，隨著機(jī)車速度逐漸增加，當(dāng)其速度大于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速（即）時，輸出高電平并加入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的s端，對于，由，可得，所以f2輸出低電平到單穩(wěn)觸發(fā)器的r端。這樣，觸發(fā)器將輸出高電平，以控制電路輸出換2檔信號，從而使后面的單片機(jī)電路進(jìn)行換檔。當(dāng)機(jī)車速度下降到小于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速時，即，但時，輸出低電平，但由于此時的同相輸入端，的輸出端仍然為低電平，這樣，由于單穩(wěn)觸發(fā)器的s和r端都輸入低電平，所以它的輸出端仍維持原來的狀態(tài)而不輸出換檔信號。當(dāng)時，的輸出端轉(zhuǎn)

42、換為高電平，此時單穩(wěn)觸發(fā)器的輸入端s端為低電平而r端為高電平，從而使觸發(fā)器的輸出為低電平，以為機(jī)車提供從2檔到1檔的換檔信號。由上面所述的電路工作過程可以看出：從1檔到2檔時，機(jī)車一旦速度到達(dá)換檔點，則馬上換檔的，而從2檔到1檔時，是機(jī)車到達(dá)換檔點速度的95時才進(jìn)行換檔。這個延遲時間可以避免機(jī)車可能由于振動或其他因素引起的頻繁換檔及不穩(wěn)定。該電路工作時，比較后的信號經(jīng)過一個光電耦合器4n26輸入到單片機(jī)口和反向后輸入到的口作為外中斷源，使用光電耦合器的目的是避免從前端電路傳過來干擾信號,當(dāng)輸入端口輸入高電平時，發(fā)光二極管截止即不發(fā)光，耦合三極管也相應(yīng)的截止，p3.2口被下拉電阻下拉為低電平，p

43、3.3輸出為高電平，當(dāng)輸入信號為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，三極管導(dǎo)通，p3.2輸出高電平，p3.3輸出為低電平，如圖4-7所示。圖4-7 信號輸入隔離電路4.3 信號驅(qū)動電磁閥部分經(jīng)單片機(jī)處理前端輸入的信號后輸出有效的控制信號以控制電磁繼電器組件，控制信號必須經(jīng)過輸出放大電路放大后才能使控制組件動作，輸出放大電路主要由一些功率放大開關(guān)管組成?？刂菩盘柨蛇x擇多端口輸出，在這里選擇3個i/o口輸出并接到3輸入或非門。選擇多個端口輸出的目的是降低1個端口輸出時受到的電磁等干擾導(dǎo)致控制組件誤執(zhí)行的幾率，輸出信號經(jīng)過放大后控制電磁繼電器，電磁繼電器的2端是常閉觸點，3端是常開觸點，當(dāng)單片機(jī)輸出使得,

44、三極管導(dǎo)通，電磁繼電器線圈通流，動態(tài)觸點簧片由常閉觸點吸合至常開觸點3端；當(dāng)其中輸出為1時，三極管基級為0，電磁繼電器斷開，機(jī)車從1檔換到2檔時電磁繼電器和單片機(jī)接口電路圖如圖4-8(a)。機(jī)車從2檔換至1檔時電磁繼電器和單片機(jī)接口電路圖如圖4-8(b)。圖4-8(a) 1檔換2檔時電磁繼電器的輸出控制電路圖圖4-8(b) 2檔換1時電磁繼電器的輸出控制電路圖4.4 顯示部分本設(shè)計附加了對機(jī)車自動換檔狀態(tài)的顯示功能。下面我們分別分析顯示部分的硬件連接。其原理圖如圖4-9所示。 圖4-9 數(shù)碼顯示管與單片機(jī)接口的硬件圖在顯示部分該電路選擇了具有鎖存、譯碼、驅(qū)動功能的cd4511作為鎖存/譯碼/驅(qū)

45、動電路,筆端測試輸入lt及消隱輸入接高電平(無效)。上圖可以看到，單片機(jī)、和作為bcd碼的輸出口,分別接cd4511的a、b、c和d，作為cd4511鎖存信號輸出口,當(dāng)為低電平時譯碼輸出由abcd輸出端編碼決定,當(dāng)le由低電平變到高電平時,鎖存了輸入端abcd的狀態(tài),譯碼輸出也相應(yīng)的保持不變,即cd4511為上升沿鎖存。4.5 報警電路報警電路在電路中起著操作提示和警告等作用，在基于單片機(jī)機(jī)車自動換檔系統(tǒng)中利用報警電路實現(xiàn)的功能有：系統(tǒng)啟動長鳴，機(jī)車換檔提示。報警電路如圖4-10所示。圖4-10 報警電路5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計本設(shè)計的單片機(jī)控制程序采用51匯編語言編寫，在編寫的過程中，盡量向結(jié)構(gòu)化

46、、模塊化的方向編寫，整個程序的清單見附錄3。本章將對該基于單片機(jī)機(jī)車自動換檔的程序做具體分析。首先分析程序的流程，分析程序流程可根據(jù)圖4.6中信號變化畫一個直觀的變化表，并設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位的變化如表5-1。表5-1 換檔信號變化的狀態(tài)表sig狀態(tài)p3.2（int0)p3.3(int1)檔位狀態(tài)設(shè)置20h位設(shè)置21h位010100121021015.1 主程序主程序流程圖如圖5-1開始初始化int0 int1為下降沿觸發(fā)查詢方式長鳴中斷查詢調(diào)用顯示子程序調(diào)用換檔子程序調(diào)用報警子程序結(jié)束 5-1 主程序流程圖如圖如上圖顯示，本設(shè)計的主程序設(shè)計比較簡單。程序首先是對外部中斷int0和int1進(jìn)行初始化

47、，使兩個外部中斷都采用下降沿觸發(fā)，同時采用查詢方式。系統(tǒng)啟動時長鳴提示機(jī)車進(jìn)入自動換檔模式，查詢中斷有效位以設(shè)置標(biāo)志位，利用該標(biāo)志位貫穿被調(diào)用的顯示子程序，換檔子程序和報警子程序，返回后繼續(xù)跳至中斷查詢處，如此循環(huán)。5.2 顯示子程序 本設(shè)計用了1位共陽數(shù)碼管和七段譯碼器cd4511作為顯示電路外圍器件，其詳細(xì)的硬件論述請看第四章的led顯示的硬件電路部分。這樣要與硬件電路匹配就要求軟件的輸出必須要是bcd碼，。圖5-2是顯示子程序的流程圖。在led的硬件圖中可以看到，單片機(jī)的p1.0p1.3口作為顯示部分的數(shù)據(jù)輸出口與p3.7作為控制輸出口。20h和21h是主程序中根據(jù)中斷標(biāo)志位設(shè)置的兩個標(biāo)

48、志位，如果20h為1表示換檔系統(tǒng)要從1檔換至2檔，在顯示的數(shù)碼管中顯示2；21h為1表示換檔系統(tǒng)從2檔換至1檔，在數(shù)碼顯示管中顯示1，在流程圖的顯示部分中，程序先把個位數(shù)據(jù)存儲單元的bcd碼送到p1口的低四位，在對p3.7置0選通使cd4511譯碼有效，這樣數(shù)碼管就顯示數(shù)據(jù)了，再延時一段時間后把p3.7置位鎖存顯示的數(shù)據(jù)。1display顯示2顯示1查詢20h查詢21h返回001圖5-2 顯示子程序的流程圖5.3 換檔子程序在換檔子程序中，同樣用到了根據(jù)int0和int1的兩個中斷有效位設(shè)置的兩個標(biāo)志位20h、21h,檢測到20h為1就使1檔換2檔的電磁閥通電，檢測到21h為1就使2檔換1檔的

49、電磁閥通電，通電一段時間后斷開，程序流程圖如圖5-3.shift查詢20h查詢21h返回1010p3.0=0 p3.1=0p3.4=0p1.4=0 p1.5=0p1.6=0圖5-3 換檔子程序流程圖5.4 報警子程序和顯示子程序以及換檔子程序一樣，報警子程序同樣檢測標(biāo)志位20h 和21h位，當(dāng)檢測到其中一個為1時，就報警提示，報警是置位p3.5使報警器鳴聲，可延時不同的時間以使報警聲響不同,如圖5-4在程序最后需要清除兩個標(biāo)志位，以免返回后重判其有效導(dǎo)致誤操作。1001bb查詢20h查詢21h返回報警清除20h 21h圖5-4 報警子程序總 結(jié)本機(jī)車自動換檔系統(tǒng)主要是由幾個獨立功能的電路組成，

50、線路向度復(fù)雜而程序相對簡單。主要的芯片有：單片機(jī)at89c2051，譯碼驅(qū)動器cd4511，7段數(shù)碼管，頻壓轉(zhuǎn)換芯片lm331，霍爾傳感器cs3020，3輸入或非門，電磁繼電器，報警器等。設(shè)計的核心技術(shù)在于用軟件處理經(jīng)過lm331比較后輸出的信號進(jìn)行換檔，并實時顯示換檔的狀態(tài)，同時報警提示。設(shè)計的難點在于頻率電壓轉(zhuǎn)換部分電路的設(shè)計和單片機(jī)處理比較后的信號兩部分。單片機(jī)用前端輸入的比較信號作為外部中斷源，在這里，由于機(jī)車自動換檔組件是宏觀的硬件而執(zhí)行時間比較長，是秒級以上，因而采用低電平觸發(fā)作為中斷源會導(dǎo)致重判誤判成下一次中斷， 這會致使系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤，因此采用下降沿觸發(fā)作為中斷源，這在這個

51、系統(tǒng)對同一個信號作為兩個中斷源是再好不過的，因為兩個中斷源是對立的，這兩個中斷源對前端信號的變化正好各自實現(xiàn)一個功能，在主程序中設(shè)置了兩個標(biāo)志位，這兩個標(biāo)志位是中斷時設(shè)置的并貫穿應(yīng)用于顯示子程序、換檔子程序、報警子程序，如果采用中斷，在程序中有可能斷點在三個程序中間，這樣會導(dǎo)致前面的子程序還沒執(zhí)行而標(biāo)志位也被清除，這里采用了中斷查詢方式，在三個子程序之前設(shè)置兩個標(biāo)志位，在三個子程序之后清除標(biāo)志位，這就解決了斷點位置無法確定導(dǎo)致程序的錯誤。在設(shè)該計中，仍然有些問題暫時無法解決，比如系統(tǒng)的抗干擾問題，這需要在今后的實踐和學(xué)習(xí)中不斷改善。經(jīng)過幾個月的努力，本人以完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并通過多次實驗和總結(jié)，制作出了本系統(tǒng)的實驗板。該實驗板具有一定的實用性和可觀性了，可以用做相關(guān)理論教學(xué)的實驗與顯示。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)