【正文】 單片機對我國更具特殊意義，我國是發(fā)展中國家 ,資金不足 ,應用領域及規(guī)模又較大，因此單片機技術對提高各應用領域中的技 術檔次 ,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 ,其他應用領域也在開拓 (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的數(shù)量不足 1片 ,與發(fā)達國家相差幾十倍。因此 ,我國是一個極大的潛在的技術市場。 相信在一個芯片上實現(xiàn)一個完整的計算機應用系統(tǒng) ,配以合適的標準軟件 ,一周內開發(fā)一個新產(chǎn)品的時間即將到來。 長春工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 2 1 系統(tǒng)工作原理分析 機車自動換檔系統(tǒng)的硬件部分由前端輸入電路、單片機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車的速度和柴油機的轉速兩個速度參數(shù)信號轉換成電壓信 號并進行比較，然后把結果輸入到單片機電路。單片機電路的作用是根據(jù)比較的結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)時機車的運行狀態(tài)。輸出放大電路的作用是把單片機電路輸出的控制信號進行功率放大，以使其能夠驅動換檔執(zhí)行組件。本自動換檔系統(tǒng)共有兩個速度參數(shù)值需要測量，分別是機車速度和柴油機轉速，輸入單片機信號是又這兩個被測量到的速度進行比較而得到的輸出信號。 速度采集及處理 速度信號采集：在車輪轉軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關電路，如圖11所示 ,車輪轉軸有安裝三個獨立磁體， 霍爾電路通電后，當轉輪每轉動一次，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以脈沖形式輸出，由于輸出的脈沖是不規(guī)則的脈沖，在進行下一步處理之前需要進行脈沖的整形，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)器等電路實現(xiàn)脈沖整形的功能，其整形過程如圖 12 所示。經(jīng)過脈沖整形之后，脈沖要轉換成電壓，再輸入到比較電路中進行比較，頻率－電壓轉換可根據(jù)實際情況選擇不同 的芯片設計，在該設計中轉換電壓以 6～ 8V 輸出。由于上述電路中采長春工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 3 集的有兩種速度信號，即機車速度和柴油機轉速，這兩個信號經(jīng)過比較后的輸出才是單片機主電路需要的換檔信號。 圖 12 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機車自動換檔系統(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)單片機處理后輸出一個控制信號，該信號放大后控制機車換檔的組件，在系統(tǒng)中還設計有一個顯示管，通過該顯示管 可以觀察機車運行狀態(tài)，同時還擴展一個報警器，在機車換檔時可以實現(xiàn)報警，整個系統(tǒng)的原理框圖如圖 13所示。 機車速度 柴油機轉速 霍 爾 速度 傳 感器 脈沖整形電路 施密特電壓比較電路 頻率電壓轉換電路 霍 爾 速度 傳 感器 脈沖整形電路 頻率電壓轉換電路 單片機 顯示器 報警器 機車換檔控制模塊（電磁繼電器組件） 長春工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 4 圖 13 機車自動換檔系統(tǒng)原理框圖 輸出控制換檔的原理 在系統(tǒng)設計中，單片機主電路輸出信號去控制機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到該系統(tǒng)設計的要求。 電磁繼電器內部有一個線圈，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，它實質就是一個能自動控制的開關。可以實現(xiàn)低電壓弱電流控制高電壓強電流，還可以實現(xiàn)遠距離控制及自動控制等，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)構成 方案選擇 電路類型方案的選擇 在基于單片機機車自動換檔的系統(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、低功耗性的不同設計方案。 實時型電路方案 完全采用 TTL 數(shù)字集成芯片，該類型的芯片特點是傳輸延遲時間短 (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，對于只考慮實時性或者實時性要求嚴格的設計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，傳輸延遲時間長 (2550ns),但功耗低， COMS電路本身的功耗與輸入信號的脈沖頻率有關，頻率越高，芯片集越熱，這是正?，F(xiàn)象。在該長春工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 5 方案中，傳輸延時相對較長，但對于機車自動換檔系統(tǒng)的換檔動作的宏觀性而言 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。 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)了多種功能強且價格適合的各種芯片，這需要我們根據(jù)所設計的系統(tǒng)選擇比較適合的芯 片。由于單片機性能優(yōu)越 ,具有較佳的性能價格比 ,所以單片機在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。因此，我們選用單片機作為本設計的控制核心。 目前我國應用最多的一種單片機系列是美國 Intel公司的 8位高檔單片機 MCS— 51系列，8051 引腳圖如圖 21 所示，這個系列里機型多種，性能特點不錯，加上我們學習的單片機課程是該類型的單片機，應用相對順手。因而，本設計還是選用 51系列單片機采用軟件控制的方法實現(xiàn)核心處理。因為 MCS51系列單片機型號比較多應該要作出合理的選擇，下面對幾種常用型號進行比較。 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 個字節(jié)的片內數(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中的程序進行修改，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。 長春工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 6 8051 片內有 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容。 8751與 8051基本一樣，但 8751片內有 4k的 EPROM，用戶可以將自己編寫的程序寫入單片機的 EPROM中進行現(xiàn)場實驗與應用， 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 。 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、非易失性技術生產(chǎn)，與標準的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，可進行 1000次擦寫；全靜態(tài)時鐘 024M ZH ；三級程序加密；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制造，與工業(yè)標準的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 個向量二級中斷結構、 1 個全雙向的串行口、并且內含精密模擬比較器和片內振蕩器，具有 12 ZMH /24 ZMH 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結構與可實現(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，還有內部 RAM為 128字節(jié)。 由上可知， 8031片 內不帶程序存儲器 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，而且其片內的 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長春工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 7 瞬間擦除、改寫，寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。何況， AT89C5 AT89S51 目前的售價比 8031還低，市場供應也很充足。顯然可見， AT89C51和 AT89S51更 實用。 為了盡可能的應用硬件資源，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，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 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)中還附加了一個數(shù)碼顯示管，它可顯示機車所處的檔 位以及正在運行的程序段，從而使駕駛員和技術維修人員了解機車的狀態(tài)。數(shù)碼管有共陰共陽 接法，只是在設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 23 所示。本設計選用了一位共陰數(shù)碼管，在數(shù)碼管顯示器與單片機的連接的方式中有譯碼驅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 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?shù)恼加孟到y(tǒng)資源。 圖 23 LED 的共陰、共陽接法 長春工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 在系統(tǒng)資源較少的情況下，往往在與單片機的連接之間加有譯碼和驅動功能甚至有鎖存功能的譯碼驅動芯片，這種連接就叫譯 碼驅動，在數(shù)碼管和單片機之間加的驅動芯片有很多，功能和原理也相應的不同，如常用到的驅動芯片 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芯片是 20引腳的芯片，譯碼驅動連接方式是最好的選擇。 總方案的確定 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，我們所設計系統(tǒng)的方案可以初步確定， 其結構簡圖如圖 24所示。 圖 24 單片機換檔系統(tǒng)結構簡圖 本設計基于單片機 機車自動換檔系統(tǒng)簡單原理為： CS3020 檢測機車運行速度和柴油機速度以脈沖形式輸出信號經(jīng)整形后輸入到頻率 /電壓轉換芯片 LM331 中轉換成電壓，輸出 6～ 8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 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，可用作精密頻率電壓轉換器、 A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。 LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度