【正文】 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1 緒論 選題依據(jù)隨著科學(xué)技術(shù)地發(fā)展，人們物質(zhì)文化水平不斷提高，交通運(yùn)輸業(yè)得到飛速發(fā)展。在眾多交通工具當(dāng)中，列車的作用尤其突出，使用也最為廣泛及頻繁。列車在交通運(yùn)輸當(dāng)中一直起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)列車的控制及其行駛安全尤為重要。由早期的蒸汽發(fā)動(dòng)人力駕駛發(fā)展到現(xiàn)在的電力驅(qū)動(dòng)及一整套自動(dòng)化控制系統(tǒng)，列車的發(fā)展正順應(yīng)著時(shí)代的變化。自動(dòng)化控制無(wú)人駕駛正是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。本次設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的列車中控微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。硬件部分主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、溫度采集模塊、車速采集模塊等部分組成，使列車彰顯人性化和安全。 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)自19世紀(jì)鐵路誕生以來(lái)，如何控制鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩鸵恢笔鞘澜绺鲊?guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)面臨的主要課題，而列車運(yùn)行安全是列車運(yùn)行控制的核心。早期蒸汽機(jī)車采用機(jī)械式控制，對(duì)機(jī)車駕駛員要求很高。20世紀(jì)后，特別是電子行業(yè)的崛起，列車也已進(jìn)入了電氣自動(dòng)化時(shí)代。列車信息控制系統(tǒng)是保證列車控制有效性、安全性及旅客舒適性所必需的,國(guó)外已開(kāi)行的高速列車,如德國(guó)的ICE、法國(guó)的TGV、日本的新干線等高速列車都裝有完整的信息控制系統(tǒng)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為現(xiàn)代列車的關(guān)鍵技術(shù),在世界范圍內(nèi)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前,世界上主要列車電氣部件供應(yīng)商都推出了基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng),比如:Siemens的SIBAS 32 R鐵路自動(dòng)化系統(tǒng)、ADtranz公司(現(xiàn)已被Bombardier公司收購(gòu))的MITRAC R列車通信和控制系統(tǒng)、Alstom公司的AGATE R控制系統(tǒng)以及日本三菱、東芝公司的TCMS列車控制監(jiān)視系統(tǒng)等。近年來(lái),隨著我國(guó)交流傳動(dòng)高速列車、電動(dòng)車組、城市軌道交通車輛研究工作的開(kāi)展,列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)已成為高速列車、動(dòng)車組的必備技術(shù)之一。為了保證列車運(yùn)行安全,列車的安全相關(guān)技術(shù)越來(lái)越受到重視。2 相關(guān)理論分析 測(cè)速相關(guān)理論分析要測(cè)速，首先要解決是采樣的問(wèn)題。在使用模擬技術(shù)制作測(cè)速表時(shí)，常用測(cè)速發(fā)電機(jī)的方法，即將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測(cè)軸相連，測(cè)速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。使用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)速，可以使用簡(jiǎn)單的脈沖計(jì)數(shù)法。只要轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)或固定的多個(gè)脈沖，并將脈沖送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可獲得轉(zhuǎn)速的信息。在這里選用霍爾測(cè)速傳感器可以解決問(wèn)題。在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定一圓盤(pán)，在圓盤(pán)上固定一到多個(gè)小磁鋼。再用霍爾傳感器靠近電機(jī)的磁鋼，距離不超過(guò)5mm，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，小磁鋼每靠近一次霍爾傳感器，傳感器便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平。電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，傳感器便會(huì)將一組有規(guī)律的脈沖信號(hào)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)測(cè)得電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈的脈沖個(gè)數(shù)，便能計(jì)算出直流電機(jī)的速度。 測(cè)溫相關(guān)理論分析溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場(chǎng)合時(shí)DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件開(kāi)消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)，使得DS18B20更受歡迎。DS18B20的優(yōu)勢(shì)是我們學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)和開(kāi)發(fā)溫度相關(guān)的小產(chǎn)品的不二選擇。了解其工作原理和應(yīng)用可以拓寬對(duì)單片機(jī)開(kāi)發(fā)的思路。DS18B20的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。在使用前先了解18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源。DS18B20共有三種形態(tài)的存儲(chǔ)器資源。ROM 只讀存儲(chǔ)器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號(hào)，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個(gè)字節(jié)RAM，每個(gè)字節(jié)為8位。第2個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第4個(gè)字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報(bào)警值儲(chǔ)存）的鏡像。在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第5個(gè)字節(jié)則是用戶第3個(gè)EEPROM的鏡像。第8個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計(jì)的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計(jì)算的暫存單元。第9個(gè)字節(jié)為前8個(gè)字節(jié)的CRC碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長(zhǎng)期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)要求該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車溫度速度采集的自動(dòng)控制。該控制系統(tǒng)包括：①列車溫度、速度采集模塊；②單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，涉及用E2PROM存儲(chǔ)設(shè)置信息；③顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度和速度；④報(bào)警模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控異常狀態(tài)等根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)框圖如圖3—1所示：STC89C52LED顯示電路溫度傳感器7279鍵盤(pán)輸入速度傳感器報(bào)警電路E2PROM存儲(chǔ)電路圖31 原理框圖 設(shè)計(jì)思想首先通過(guò)溫度傳感器與速度傳感器采集溫度與速度數(shù)據(jù),把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字信號(hào)。在接受到采集數(shù)據(jù)后,單片機(jī)開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。如果有異常(溫度值超出要求范圍),觸發(fā)報(bào)警電路,提醒有異常狀況發(fā)生。數(shù)據(jù)處理后,應(yīng)外接一個(gè)E2PROM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)溫度及速度報(bào)警值，起到斷電信息不丟失的作用。該存儲(chǔ)器也用于存儲(chǔ)設(shè)置的溫度報(bào)警值，而報(bào)警值可通過(guò)按鍵設(shè)置。整個(gè)過(guò)程需要用單片機(jī)算法去控制與顯示設(shè)定的溫度與速度，從而與實(shí)時(shí)采樣值去比較，大于設(shè)定值報(bào)警。 系統(tǒng)功能模塊該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求主要包括溫度采集模塊，速度采集模塊，報(bào)警模塊，LED顯示模塊，掉電保護(hù)模塊和參數(shù)設(shè)定模塊。系統(tǒng)功能模塊框圖如圖32所示：功能模塊掉電保護(hù)模塊報(bào)警模塊參數(shù)設(shè)置模塊LED顯示模塊速度采集模塊溫度采集模塊圖32 系統(tǒng)功能模塊圖模塊說(shuō)明： 溫度采集模塊，通過(guò)溫度傳感器對(duì)溫度的實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)內(nèi)。 速度采集模塊，通過(guò)速度傳感器對(duì)速度的實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)內(nèi)。 LED顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示采集到的溫度值與速度值。 參數(shù)設(shè)置模塊，通過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警溫度和速度上限值的設(shè)置。 報(bào)警模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)異常狀況，如果當(dāng)監(jiān)測(cè)到溫度或速度超過(guò)報(bào)警值，則觸發(fā)報(bào)警電路。 掉電保護(hù)模塊，通過(guò)外接E2PROM來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和速度報(bào)警值的存儲(chǔ)，保證斷電后信息不會(huì)丟失。4 硬件設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中包括以下幾大硬件電路，即溫度信息采集電路、速度信息采集電路、鍵盤(pán)輸入和顯示電路、系統(tǒng)掉電保護(hù)電路、超溫報(bào)警電路等。在綜合考慮了本設(shè)計(jì)的基本要求及系統(tǒng)各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的情況下，分析和了解項(xiàng)目的總體要求，輔助外設(shè)（如傳感器）的種類及要求，使用的環(huán)境及工作的電源要求，產(chǎn)品的成本，可靠性要求和可維護(hù)性及經(jīng)濟(jì)效益等因素，制定出可行的性能指標(biāo)。在該系統(tǒng)中主要指標(biāo)如下：測(cè)溫范圍0℃100℃ ，測(cè)量精度177。1℃ ；測(cè)速范圍0～50m/s, 允許誤差177。 m/s。所以在一些具體模塊中提出了對(duì)比參考方案進(jìn)行討論，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的合理化、最小成本化和實(shí)用化，這樣才能算是真正把該次設(shè)計(jì)做成功了。 單片機(jī)的選擇目前市場(chǎng)上的單片機(jī)數(shù)量、品種繁多，各種專用功能的單片機(jī)基本上都有，這給用戶帶來(lái)了很多方便，至少可以節(jié)約很多外接擴(kuò)展器件。單片機(jī)的選型很重要，選擇時(shí)需考慮其能否全部滿足規(guī)定的要求，例如控制速度、精度、控制端口的數(shù)量、驅(qū)動(dòng)外設(shè)的能力、存儲(chǔ)器的大小、單片機(jī)的功能與內(nèi)部資源、開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)的支持程度、性能價(jià)格、資源等等?？紤]到以上幾點(diǎn)要求，故在這次設(shè)計(jì)中選擇了常見(jiàn)，成本低的STC89C52單片機(jī)。其具有8位的CPU，片內(nèi)含8k Bytes FLASH ROM，兼容80C52，256*8位的內(nèi)部RAM，32位I/O數(shù)，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源，一個(gè)串行口。其單片機(jī)引腳圖見(jiàn)圖4—1所示：圖41 STC89C52單片機(jī)引腳圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是為系統(tǒng)產(chǎn)生所需要的時(shí)鐘信號(hào)，是計(jì)算機(jī)的心臟，控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。其電路圖如下圖42 所示，片內(nèi)電路與片外器件構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生電路，CPU 的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行，片內(nèi)振蕩器的震蕩頻率 f 0 非常接近晶振頻率，～12MHz 之間選取，這次畢設(shè)用的時(shí)鐘頻率是12MHz 。MCS51 內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器，XTAL1 、XTAL2 分別是反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件就組成震蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。圖42 中CC2 是反饋電容，其值在5pF～30pF 之間選擇，典型值是30Pf 。作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率f 起微調(diào)（CC2 大，f 變?。D42 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路系統(tǒng)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都要復(fù)位，使中央處理器和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這狀態(tài)開(kāi)始工作。采用上電復(fù)位方式，在RST 復(fù)位端接一個(gè)電阻R1 至Vcc 和一個(gè)電容C3 至Vss(地),就能實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。在上電的瞬間，電容通過(guò)電阻充電，就在RST端出現(xiàn)一定時(shí)間的高電平，只要保持RST 引腳為高電平時(shí)間足夠長(zhǎng)，就可使CPU 復(fù)位。所需高電平時(shí)間的長(zhǎng)短與Vcc 上升時(shí)間和振蕩器起振時(shí)間有關(guān)。10MHz 時(shí)，約1ms，1MHz 時(shí)，約10ms 。若Vcc 上升時(shí)間小于20ms ，那么從上電時(shí)間算起，只要保持RST 引腳在高電平停留時(shí)間不小于20ms 即可。圖43 中R1=51K?，C3=22181。F，若頻率為12MHz，可以保證可靠的上電復(fù)位。如果頻率降低，可以適當(dāng)加大電容C3。圖43 復(fù)位電路 溫度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 方案介紹本次設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫度傳感器DS18b20芯片實(shí)現(xiàn)溫度采樣及A/D轉(zhuǎn)化。隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，能獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)采用熱敏電阻作為傳感器。而這種方法必須經(jīng)過(guò)專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能由單片機(jī)進(jìn)行處理，存在可靠性差、成本高和精度低等諸多缺點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)使用的DS18b20數(shù)字溫度傳感器是Dallas公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片。它具有3引腳TO92小體積封裝形式，其管腳圖如圖44：圖44 DS18B20的管腳圖其引腳功能如表41：表41 DS18B20引腳功能序號(hào)名稱功能1GND地信號(hào)2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，開(kāi)漏單總線接口引腳3VDD可選擇的VDD引腳基于DS18B20高精度數(shù)字溫度傳感器可以完成如下的功能：采用STC89S52單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器通信，控制溫度的采集過(guò)程和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；提供DS18B20的使用外圍電路、溫度顯示LED電路以及DS18B20和單片機(jī)的通信接口電路；利用發(fā)光二極管指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，DS18B20溫度傳感器內(nèi)置溫度上下限；編寫(xiě)C51程序，完成單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的采集過(guò)程以及與DS18B20數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的控制。其電路連接線路如圖45：圖45 DS18b20溫度采集電路 模塊功能說(shuō)明一、 DS18b20性能介紹a) 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：～，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電b) 獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊c) DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫d) DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)e) 溫范圍－55℃～＋125℃，在10～+85℃時(shí)精度為177?！鎓) 可編程的分辨率為9～12位，℃、℃、℃℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫g) ，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快h) 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力i) 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作二、 DS18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹DS18B20主要包括溫度傳感器、64位激光ROM單線單口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等。 　光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開(kāi)始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。DS18B20的存儲(chǔ)器包括高速暫存器RAM和可電擦除RAM，可電擦除RAM又包括溫度觸發(fā)器TH和TL，以及一個(gè)配置寄存器。存儲(chǔ)器能完整的確定一線端口的通訊，數(shù)字開(kāi)始用寫(xiě)寄存器的命令寫(xiě)進(jìn)寄存器，接著也可以用讀寄存器的命令來(lái)確認(rèn)這些數(shù)字。當(dāng)確認(rèn)以后就可以用復(fù)制寄存器的命令來(lái)將這些數(shù)字轉(zhuǎn)移到可電擦除RAM中。當(dāng)修改過(guò)寄存器中的數(shù)時(shí)，這個(gè)過(guò)程能確保數(shù)字的完整性。高速暫存器RAM是由8個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器組成；第一和第二個(gè)字節(jié)是溫度的顯示位。第三和第四個(gè)字節(jié)是復(fù)制TH和TL，同時(shí)第三和第四個(gè)字節(jié)的數(shù)字可以更新；第五個(gè)字節(jié)是復(fù)制配置寄存器，同時(shí)第五個(gè)字節(jié)的數(shù)字可以更