【正文】 單片機(jī)對(duì)我國(guó)更具特殊意義，我國(guó)是發(fā)展中國(guó)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(duì)提高各應(yīng)用領(lǐng)域中的技 術(shù)檔次 ,可以做到少花錢(qián)、效果好。我國(guó)的汽車(chē)電子、通信產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)已開(kāi)始啟動(dòng) ,其他應(yīng)用領(lǐng)域也在開(kāi)拓 (如智能儀表、智能卡、交通、商業(yè)電子 )。目前我國(guó)人均占有單片機(jī)的數(shù)量不足 1片 ,與發(fā)達(dá)國(guó)家相差幾十倍。因此 ,我國(guó)是一個(gè)極大的潛在的技術(shù)市場(chǎng)。 相信在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的計(jì)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(kāi)發(fā)一個(gè)新產(chǎn)品的時(shí)間即將到來(lái)。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 1 系統(tǒng)工作原理分析 機(jī)車(chē)自動(dòng)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(chē)的速度和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速兩個(gè)速度參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信 號(hào)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(lái)使執(zhí)行元件動(dòng)作換檔，同時(shí)顯示現(xiàn)時(shí)機(jī)車(chē)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(hào)進(jìn)行功率放大，以使其能夠驅(qū)動(dòng)換檔執(zhí)行組件。本自動(dòng)換檔系統(tǒng)共有兩個(gè)速度參數(shù)值需要測(cè)量，分別是機(jī)車(chē)速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入單片機(jī)信號(hào)是又這兩個(gè)被測(cè)量到的速度進(jìn)行比較而得到的輸出信號(hào)。 速度采集及處理 速度信號(hào)采集：在車(chē)輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開(kāi)關(guān)電路，如圖11所示 ,車(chē)輪轉(zhuǎn)軸有安裝三個(gè)獨(dú)立磁體， 霍爾電路通電后，當(dāng)轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，霍爾速度傳感器經(jīng)過(guò)三個(gè)磁場(chǎng)的切割，同時(shí)輸出三個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)頻率的大小和車(chē)輪轉(zhuǎn)軸的速度成正比。 圖 11 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(hào)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(mén)電路、單穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)電路、施密特觸發(fā)器等電路實(shí)現(xiàn)脈沖整形的功能，其整形過(guò)程如圖 12 所示。經(jīng)過(guò)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(shí)際情況選擇不同 的芯片設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換電壓以 6～ 8V 輸出。由于上述電路中采長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 集的有兩種速度信號(hào)，即機(jī)車(chē)速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)比較后的輸出才是單片機(jī)主電路需要的換檔信號(hào)。 圖 12 脈沖整形前后過(guò)程圖 以上整個(gè)信號(hào)從采集到比較的過(guò)程電路可稱為基于單片機(jī)機(jī)車(chē)自動(dòng)換檔系統(tǒng)的前端電路。從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，前端輸入電路主要由速度傳感器信號(hào)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(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后輸出一個(gè)控制信號(hào)，該信號(hào)放大后控制機(jī)車(chē)換檔的組件，在系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)有一個(gè)顯示管，通過(guò)該顯示管 可以觀察機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還擴(kuò)展一個(gè)報(bào)警器，在機(jī)車(chē)換檔時(shí)可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警，整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖 13所示。 機(jī)車(chē)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(bào)警器 機(jī)車(chē)換檔控制模塊（電磁繼電器組件） 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 圖 13 機(jī)車(chē)自動(dòng)換檔系統(tǒng)原理框圖 輸出控制換檔的原理 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)主電路輸出信號(hào)去控制機(jī)車(chē)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(jì)的要求。 電磁繼電器內(nèi)部有一個(gè)線圈，在線圈中通入電流時(shí)，在它周?chē)彤a(chǎn)生磁場(chǎng)，也 就是說(shuō)，它變成了一個(gè)電磁鐵，在它的磁極處，有一個(gè)軟鐵做的銜鐵，作為動(dòng)觸點(diǎn)，當(dāng)通電時(shí)，街鐵被吸引過(guò)來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)與靜觸點(diǎn)的斷開(kāi)或閉合，從而可以控制電路的通斷，它實(shí)質(zhì)就是一個(gè)能自動(dòng)控制的開(kāi)關(guān)。可以實(shí)現(xiàn)低電壓弱電流控制高電壓強(qiáng)電流，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制及自動(dòng)控制等，電磁繼電器及工作原理如圖 14所示。 圖 14 電磁繼電器工作原理圖 2 系統(tǒng)構(gòu)成 方案選擇 電路類型方案的選擇 在基于單片機(jī)機(jī)車(chē)自動(dòng)換檔的系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性、低功耗性是主要的特點(diǎn)，這就要求芯片時(shí)要考慮到這兩個(gè)方面，需要時(shí)還要考慮到各種芯片 的兼容性，以下是對(duì)個(gè)系統(tǒng)電路中考慮到實(shí)時(shí)性、低功耗性的不同設(shè)計(jì)方案。 實(shí)時(shí)型電路方案 完全采用 TTL 數(shù)字集成芯片，該類型的芯片特點(diǎn)是傳輸延遲時(shí)間短 (510ns)，功耗大。TTL電平 輸出高電平大于 ,輸出低電平小于 。在室溫下 ,一般輸出高電平是 ,輸出低電平是 。最小輸入高電平大于或等于 , 最小輸入低電平小于或等于 ,噪聲容限是，對(duì)于只考慮實(shí)時(shí)性或者實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)方案可以采用該方案 。 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(shí)間長(zhǎng) (2550ns),但功耗低， COMS電路本身的功耗與輸入信號(hào)的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正?，F(xiàn)象。在該長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 方案中，傳輸延時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，但對(duì)于機(jī)車(chē)自動(dòng)換檔系統(tǒng)的換檔動(dòng)作的宏觀性而言 CMOS芯片的延時(shí)時(shí)間對(duì)其影響不大，故可采用 CMOS芯片組成的電路方案。 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(chǎng)上出現(xiàn)了多種功能強(qiáng)且價(jià)格適合的各種芯片，這需要我們根據(jù)所設(shè)計(jì)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(jià)格比 ,所以單片機(jī)在工業(yè)過(guò)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(jì)的控制核心。 目前我國(guó)應(yīng)用最多的一種單片機(jī)系列是美國(guó) Intel公司的 8位高檔單片機(jī) MCS— 51系列，8051 引腳圖如圖 21 所示，這個(gè)系列里機(jī)型多種，性能特點(diǎn)不錯(cuò)，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(duì)順手。因而，本設(shè)計(jì)還是選用 51系列單片機(jī)采用軟件控制的方法實(shí)現(xiàn)核心處理。因?yàn)?MCS51系列單片機(jī)型號(hào)比較多應(yīng)該要作出合理的選擇，下面對(duì)幾種常用型號(hào)進(jìn)行比較。 圖 21 8051 引腳圖 803 805 8751 8031/8051/8751 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(gè)字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 21 個(gè)字節(jié)專用寄存器， 4 個(gè) 8 位并行 I/O 口， 1個(gè)全雙工串行 I/O口，兩個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 5個(gè)中斷源。不同的是： 8031片內(nèi)不帶程序存儲(chǔ)器 ROM，使用時(shí)用戶需外接程序存儲(chǔ)器和一片邏輯電路 373，外接的程序存儲(chǔ)器多為 EPROM的 2764系列。用戶若想對(duì)寫(xiě)入到 EPROM中的程序進(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(xiě)入。寫(xiě)入到外接程序存儲(chǔ)器的程序代碼沒(méi)有什么保密性可言。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 8051 片內(nèi)有 4k ROM，無(wú)須外接外存儲(chǔ)器和 373，更能體現(xiàn)“單片”的簡(jiǎn)練。但是你編的程序你無(wú)法燒寫(xiě)到其 ROM 中，只有將程序交芯片廠代你燒寫(xiě)，并是一次性的，今后你和芯片廠都不能改寫(xiě)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(xiě)的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的 EPROM中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用， EPROM的改寫(xiě)同樣需要用紫外線燈照射一定時(shí)間擦除后再燒寫(xiě) 。 AT89C5 AT89S51 AT89C51是 ATMEL公司推出的一種帶 4K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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MSC51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(chǔ)器組合在單個(gè)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(diǎn)是： 4KB可編程 Flash存儲(chǔ)器，可進(jìn)行 1000次擦寫(xiě)；全靜態(tài)時(shí)鐘 024M ZH ；三級(jí)程序加密；低功耗支持 Idle（空閑）工作模式和 PowerDown（斷電）工作模式。 AT89S51是 2021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(mén)狗功能。 AT89C105 AT89C2051 AT89C1051是一種帶 1K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的解決方案。 AT89C1051 有以下特點(diǎn)： 1k 字節(jié) EPROM、 64 字節(jié) RAM、 15 根 I/O 線、 2 個(gè)16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 5 個(gè)向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、 1 個(gè)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 12 ZMH /24 ZMH 工作頻率，同時(shí)還具有加密陣列的二級(jí)程序存儲(chǔ)器加鎖、掉電和時(shí)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(shí)， CPU 停止，而讓 RAM、定時(shí) /計(jì)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(shí)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(chǔ)器 (FLASH ROM)升級(jí)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(chǔ)器 ROM， 8051與 8751在程序燒寫(xiě)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，而且其片內(nèi)的 4K程序存儲(chǔ)器是 FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 瞬間擦除、改寫(xiě)，寫(xiě)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(dòng)成果。這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。何況， AT89C5 AT89S51 目前的售價(jià)比 8031還低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。顯然可見(jiàn)， AT89C51和 AT89S51更 實(shí)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(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)與顯示、輸出控制功能；目前 AT89C51 和 AT89S51 價(jià)格相當(dāng)，固選用功能更好的AT89C51；因?yàn)樵陂L(zhǎng)春的電子城中 AT89C2051容易購(gòu)買(mǎi)，所以選用了 AT89C2051其引腳如圖 22示。 圖 22 AT89C2051 引腳圖 顯示管連接方式的選擇 在本系統(tǒng)中還附加了一個(gè)數(shù)碼顯示管，它可顯示機(jī)車(chē)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(chē)的狀態(tài)。數(shù)碼管有共陰共陽(yáng) 接法，只是在設(shè)計(jì)中選用共陰或共陽(yáng)都是一樣的只是個(gè)人喜歡問(wèn)題，共陰共陽(yáng)如圖 23 所示。本設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)端需要與一個(gè)單片機(jī) I/O 引腳連接，該連接至少需要 7個(gè) I/O端口，但是這種顯示相當(dāng)?shù)恼加孟到y(tǒng)資源。 圖 23 LED 的共陰、共陽(yáng)接法 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 在系統(tǒng)資源較少的情況下，往往在與單片機(jī)的連接之間加有譯碼和驅(qū)動(dòng)功能甚至有鎖存功能的譯碼驅(qū)動(dòng)芯片，這種連接就叫譯 碼驅(qū)動(dòng)，在數(shù)碼管和單片機(jī)之間加的驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片 CD451 CH45 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(dòng)連接方式是最好的選擇。 總方案的確定 經(jīng)過(guò)上述文字對(duì)換檔系統(tǒng)部分的討論選擇以及根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)、價(jià)格、市場(chǎng)以及各種其他情況確定芯片型號(hào)后，我們所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方案可以初步確定， 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 24所示。 圖 24 單片機(jī)換檔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī) 機(jī)車(chē)自動(dòng)換檔系統(tǒng)簡(jiǎn)單原理為： CS3020 檢測(cè)機(jī)車(chē)運(yùn)行速度和柴油機(jī)速度以脈沖形式輸出信號(hào)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 6～ 8伏電壓信號(hào)，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(gè)速度比較后的 1 和 0 信號(hào)傳送到 AT89C2051 進(jìn)行處理，以此信號(hào)作程序處理輸出換檔控制信號(hào)，同時(shí)讓 LED顯示換檔狀態(tài)。 整個(gè)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 LM331芯片的介紹 LM331是美國(guó) NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較 高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長(zhǎng)時(shí)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(gè)工作溫度