【正文】 信號(hào)采集比較的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法 ,重點(diǎn)介紹了基于 MCS51 單片機(jī)的用軟件產(chǎn)生控制信號(hào)的途徑，并介紹了一種通過采用軟件實(shí)時(shí)處理并調(diào)節(jié)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的方法。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于單片機(jī)的機(jī)車自動(dòng)換擋設(shè)計(jì) Design of Lootive Automatic Commutating System With SCM 長(zhǎng) 春 工 程 學(xué) 院 ： ： 電氣與信息學(xué)院 ： 電子信息工程 ： 0443 ： ： ： 學(xué)生姓名 所在院系 所學(xué)專業(yè) 所在班級(jí) 指導(dǎo)教師 教師職稱 完成時(shí)間 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(dòng)化。對(duì)于機(jī)車自動(dòng)換檔控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。 基于單片機(jī)自動(dòng)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(duì)各種外部組件的控制而得到廣泛的應(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(duì)交通運(yùn)輸?shù)臉O大挑戰(zhàn)，考慮到駕駛員長(zhǎng)時(shí)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(dòng)化的換檔技術(shù)取代，上個(gè)世紀(jì)，自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)的技術(shù)在強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求下得到很好的發(fā)展，尤其在自動(dòng)化方面，例如自動(dòng)駕駛、自動(dòng)換檔變速等各個(gè)方面的技術(shù)都是時(shí)代的技術(shù)潮流，自動(dòng)化技術(shù)是人們長(zhǎng)期追求而產(chǎn)生的時(shí)代新興技術(shù)。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(chǎng)。因此 ,我國(guó)是一個(gè)極大的潛在的技術(shù)市場(chǎng)。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(dòng)作換檔，同時(shí)顯示現(xiàn)時(shí)機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)。 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，其整形過程如圖 12 所示。從整個(gè)過程來看，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)車換檔的組件，在系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)有一個(gè)顯示管，通過該顯示管 可以觀察機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)還擴(kuò)展一個(gè)報(bào)警器，在機(jī)車換檔時(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。 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。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 。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)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。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。寫入到外接程序存儲(chǔ)器的程序代碼沒有什么保密性可言。 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。 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?？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。這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。 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)。 總方案的確定 經(jīng)過上述文字對(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。 LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 。輸出驅(qū)動(dòng)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。 50ppm/℃；小功耗， 5V下的典型值為： 15mW； 電源范圍寬： — 40V，并且有電源短路保護(hù)功能； 寬的動(dòng)態(tài)范圍： 10 ZKH 滿量程頻率下的最小值為 100dB； 量程范圍： 1 ZH — 100 ZKH 。引腳 4（ PIN4）為電源地。引腳 8（ PIN8）為電源正端。 CS3020 的引腳說明 CS3020只有三個(gè)引腳， 1腳接 電源， 2腳接地， 3腳接輸出，安裝簡(jiǎn)單方便易用。 整機(jī)電路原理圖見附錄 1部分。為解決這個(gè)問題，我們采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。圖中 1C 是一個(gè)大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。 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 42，傳感器電源電壓接 14 5V，在輸出端和電源之間接一個(gè) 1K的電阻，在 原理，當(dāng)機(jī)車轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)速度傳感器輸出三個(gè)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。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來時(shí)， 經(jīng)微分 電路 9R 、 4C 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 CCV /3時(shí)，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時(shí)電流開關(guān)打向右邊，電流源 RI 對(duì)電容 CL充電，同時(shí)因復(fù)零晶體管截止而使電源 CCV 通過電阻 Rt 對(duì)電容 Ct 充電。按照前面推導(dǎo) V/F表達(dá)式的方法，可得到輸出電壓 OV 與 if 的關(guān)系為：Sitt RCRRV / 90 ? 圖 44 LM331F/V 電路圖 電容 4C 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 4C 小些有利于提高轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力。 圖 45(b)是一個(gè)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。 圖 46 電壓比較電路 17 圖 46所示是將機(jī)車速度和柴油機(jī)速度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成換檔信號(hào)的具體電路。在圖 2中， 1F 的兩個(gè)輸入電壓和 2F 的反相端輸入電壓都直接接 0u 或 1u 。當(dāng)機(jī)車速度下降到小于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，即 10 uu? ，但 10 uu ? 時(shí)， 1F 輸出低電平，但由于此時(shí) 2F 的同相輸入端 11 uu 95 .0? ， 2F 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(hào)。 該電路工作時(shí)，比較后的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)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(hào) ,當(dāng)輸入端口輸入高電平時(shí)，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， 口被下拉電阻下拉為低電平， 輸出為高電平，當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，三極管導(dǎo)通， ， ，如圖 47所示。機(jī)車從 2檔換至 1 檔時(shí)電磁繼電器 和單片機(jī)接口電路圖如圖 48(b)。 圖 49 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(dòng)功能的 CD4511作為鎖存 /譯碼 /驅(qū)動(dòng)電路 ,筆端測(cè)試輸入 LT 及消隱輸入接高電平 (無效 )。 圖 410 報(bào)警電路 5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)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、模塊化的方向編寫，整個(gè)程序的清單見 附錄 3。程序首先是對(duì)外部中斷 INT0 和 INT1 進(jìn)行開始 初始化 INT0 INT1為下降沿觸發(fā)查詢方式 長(zhǎng)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(bào)警子程序 結(jié)束 21 初始化，使兩個(gè)外部中斷都采用下降沿觸發(fā)，同時(shí)采用查詢方式。圖 52是顯示子程序的流程圖。 圖 54 報(bào)警子程序 1 0 0 1 BB 查詢 20H 查詢 21H 返回 報(bào)警 清除 20H 21H shift 查詢 20H 查詢 21H 返回 1 0 1 0 =0 =0 =0 =0 =0 =0 23 總 結(jié) 本機(jī)車自動(dòng)換檔系統(tǒng)主要是由幾個(gè)獨(dú)立功能的電路組成，線路向度復(fù)雜而程序相對(duì)簡(jiǎn)單。單片機(jī)用前端輸入的比較信號(hào)作為外部中斷源，在這里，由于機(jī)車自動(dòng)換檔組件是宏觀的硬件而執(zhí)行時(shí)間比較長(zhǎng)，是秒級(jí)以上，因而采用低電平觸發(fā)作為中斷源會(huì)導(dǎo)致重判誤判成下一次中斷， 這會(huì)致使系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯(cuò)誤，因此采用下降沿觸發(fā)作為中斷源，這在這個(gè)系統(tǒng)對(duì)同一個(gè)信號(hào)作為兩個(gè)中斷源是再好不過的，因?yàn)閮蓚€(gè)中斷源是對(duì)立的，這兩個(gè)中斷源對(duì)前端信號(hào)的變化正好各自實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，在主程序中設(shè)置了兩個(gè)標(biāo)志位，這兩個(gè)標(biāo)志位是中斷時(shí)設(shè)置的并貫穿應(yīng)用于顯示子程序、換檔 子程序、報(bào)警子程序，如果采用中斷，在程序中有可能斷點(diǎn)在三個(gè)程序中間，這樣會(huì)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(gè)子程序之前設(shè)置兩個(gè)標(biāo)志位，在三個(gè)子程序之后清除標(biāo)志位，這就解決了斷點(diǎn)位置無法確定導(dǎo)致程序的錯(cuò)誤。經(jīng)過這 次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到了開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)的艱辛，但也體會(huì)到實(shí)驗(yàn)和實(shí)物制作的樂趣。 24 參考文獻(xiàn)： [1] 潘永雄 .新編單片機(jī)原理與應(yīng)用 [M].西安電子科技大學(xué)出版社 ,2021. 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[12]Etest: The new electronic [J].the 7th 2021. 25 致 謝 本論文是在我的導(dǎo)師張學(xué)敏老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在此我衷心的感謝張老師，在她的精心指導(dǎo)和幫助下，我對(duì)單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)有了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并完成了此次基于單片機(jī)的機(jī)車自動(dòng)換檔系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。*******************主程序 ************************************ main: 。顯示鎖存 。禁止中斷 intermit: jbc ie0,intermit1 。調(diào)用報(bào)警程序 SJMP intermit 。鎖存譯碼器 28 sjmp dis3 dis1: mov a,p1 anl a,11110000b orl a,00000001b mov p1,a clr 。20H 為 1， 1檔換 2檔 jb 21h,shift1 。關(guān)閉 1檔換 2檔繼電器 setb setb sjmp shift5 29 shift1:clr 。*********************報(bào)警程序 ************************ bb: push psw push acc mov r0,10 jb 20h,sound jb 21h,sound sound: setb