【正文】 單片機 1. 概述 P89LPC901 是一款單片 封裝的微控制器 ， 適合于許多要求高集成度 、 低成本的場合 ， 可以滿足多方面的性能要求 P89LPC901， 采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu) ，指令執(zhí)行時間只需 2 到 4 個時鐘周期 6 倍于標(biāo)準(zhǔn) 80C51 器件 P89LPC901 集成了許多系統(tǒng)級的功能 ， 這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本 。在汽車發(fā)動機的起動電路系統(tǒng)中，汽車起動機的供電電源來自電瓶，發(fā)動機起動時起動機線圈電流非常大，達上百安培。顯示電路部分組成用來顯示各檢測電路的信號。汽車起動保護控制器由單片機控制電路、變速箱檔位檢測電路、開關(guān)信號檢測電路、 發(fā)動機檢測電路、顯示電路部分組成。由于誤操作等原因，在汽車發(fā)動機起動時，若發(fā)動機起動后起動機不能及時斷電．將燒毀起動機或損壞飛輪齒環(huán)；若起動時變速器不在空檔，則會引發(fā)交通事故和人身安全。 汽車在現(xiàn)代高速發(fā)展的文明社會里，不再是交通工具的代言詞。為此介紹一種利用 NXPP89LPC901 單片機控制的汽車啟動保護控制器， 通過檢測汽車啟動開關(guān)、變速箱檔位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對汽車發(fā)動機起動過程檢測和保護。起動保護器在發(fā)動機啟動過程中通過采用逐個關(guān)閉打開負(fù)載系統(tǒng)，解決汽車發(fā)動機過程中因起動電流大而對汽車電源的沖擊影響，延長電瓶的壽命。汽車起動機屬于汽車中的貴重部件，輕易不會損壞。汽車的起動保護控制器有 力的保護了起動機，延長了起動機的壽命。單片機控制電路用于分別用于輸入檢測和輸出控制。電源電路為整個系統(tǒng)供電 。為了保證汽車發(fā)動 機能正常起動，通常在發(fā)動機起動時，要求切斷汽車燈光等車身電器電源，只保證為汽車起動機提供電源。 2. 主要特性 （ 1） 1KB Flash 程序存儲器，具有 256 字節(jié)可擦除扇區(qū)、 16 字節(jié)可擦除頁規(guī)格。 （ 3） 23 位的系統(tǒng)定時器，可用作實時時鐘。 （ 6） 高精度的內(nèi)部 RC 振蕩器時不需要外接振蕩器件。 I/O 口可承受 5V（可上拉或驅(qū)動到 ） 。 3. 附加特性 （ 1）當(dāng)操作頻率為 18MHz 時，除乘法和除法指令外，高速 80C51 CPU 的指令執(zhí)行時間為 111~222ns（操作頻率在 12MHz 時為 167ns~333ns）。 （ 3）串行 Flash 在電路編程（ ICP）允許利用商用 EPROM 編程器實現(xiàn)簡單代碼的編程。 （ 5）低電壓復(fù)位（掉電檢測）可在電源故障時使系統(tǒng)安全關(guān)閉。典型的掉電電流為 1181。復(fù)位計數(shù)器和復(fù)位干擾抑制電路可防止虛假和不完全的復(fù)位。 （ 9）看門狗定時器具有獨立的片內(nèi)振蕩器，無需外接元件。當(dāng) P0 口管腳的值與一個可編程的模式匹配或者不匹配時，可產(chǎn)生一個中斷。 （ 14）當(dāng)選擇片內(nèi)復(fù)位時， P89LPC901 只需連接電源和地。 （ 18）施密特觸發(fā)端口輸入。 OSCCLK 可選擇 4 個時鐘源之一，也可降低到較低的頻率。 3） RCCLK－內(nèi)部 RC 振蕩器輸出。這些選項在對 Flash 進行編程時配置，包括片內(nèi)看門狗振蕩器和片內(nèi) RC 振蕩器。 中頻振蕩器選項 此選項支持 100KHz～ 4MHz 的外部晶振，同時也支持陶瓷諧振器。當(dāng)系統(tǒng)電源被移走時， ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 8 VDD 將降至低于指定的最低工作電壓。如果CCLK 運 行在 8MHz 或更低的頻率時，該位可以在軟件當(dāng)中置位。這樣可使外部器件與 P89LPC901 同步。 片內(nèi) RC 振蕩器選項 P89LPC901 具有一個 6 位 TRIM 寄存器，可對 RC 振蕩器的頻率進行調(diào)整。如果 CCLK 是 8MHz 或更低， CLKLP SFR 位（ ）可設(shè)置成‘ 1’來降低功耗。在不需要使用高頻振蕩器時，可使用該振蕩器降低功耗。當(dāng)使用頻率高于 12MHz 的振蕩器時，必須使能 的復(fù)位輸入功能。 振蕩器控制框圖如圖 24 所示： 專科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 24 振蕩器控制框圖 比較器 P89LPC901 有 1 個模擬比較器，當(dāng)正向輸入電壓大于反向輸入時（可選擇外部管腳輸入或內(nèi)部參考電壓），輸出信號為“ 1” （可從寄存器中讀出），反之則輸出為“ 0” 。比較器的最低工作電壓為VDD=。如果比較器中斷被使能，產(chǎn)生中斷。參考電壓的值為 Vref = 177。 比較器和節(jié)電模式 在掉電模式或空閑模式下，比較器可以繼續(xù)保持使能狀態(tài)。這樣做是因為當(dāng)振蕩器停止后，打開準(zhǔn)雙向口不會產(chǎn)生正常情況下的短時強上拉。 比較器輸入和輸出的鏈接圖如圖 5： 圖 25 比較器輸入和輸出的鏈接 I/O 口 P89LPC901 有 3～ 6 個 I/O 管腳， 、 、 、 、 和 。每個口配置 2 個控制寄存器控制每個管腳輸出類型。當(dāng)管腳輸出為低時，它的驅(qū)動能力很強，可吸收相當(dāng)大的電流。因此，建議不要在準(zhǔn)雙向口模式中向管腳施加5V 電壓。開漏端口帶有一個施密特觸發(fā)輸入以及一個干擾抑制電路。推挽模式一般用于需要更大驅(qū)動電流的情況。 通過將端口設(shè)置成僅為輸入 模式來禁止數(shù)字信號輸出， P0 口的數(shù)字輸入可通過 PT0AD 寄存器禁止。 僅為輸入模式。P89LPC901 所有端口的電平轉(zhuǎn)換速度都可以控制， 這就可避免因電平轉(zhuǎn)換過快而導(dǎo)致的噪聲。 轉(zhuǎn)速傳感器的發(fā)展歷史較長，產(chǎn)生的種類繁多，制造方法各異。光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為透射式光電轉(zhuǎn)速傳感器和反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器，兩者的主要區(qū)別是對光線的投射與接收過程不同，但在原理上沒有太大區(qū)別。電容式轉(zhuǎn)速傳感器主要有面積變化型和介質(zhì)變化型兩個種類，測量時前者是以位置變化帶動電容量變化，后者是以介電常數(shù)變化帶動電容量變化。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的 動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。 （三） 繼電器的選用 先了解必要的條件 控制電路的電源電壓，能提供的最大電流；被控制電路中的電壓和電流；被控電路需要幾組、什么形式的觸點。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對是否可以利用。對于小型電器，如玩具、遙控裝置則應(yīng)選用超小型繼電器產(chǎn)品 。 常用的蓄電池分類及特點 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 14 （ 1）、 普通蓄電池 普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是硫酸的水溶液。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。在充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能。鉛蓄電池是能反復(fù)充電、放電的電池，叫做二次電池。 專科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 第 3 章 汽車起動機結(jié)構(gòu)和工作原理 汽車起動機的結(jié)構(gòu) 汽車起動保護控制器是 為了實現(xiàn)發(fā)動機的正常 起動和安全保護，需從汽車電氣控制系統(tǒng)予以考慮。 現(xiàn)在讓我們來看看起動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各部分的工作原理。電樞由電樞繞組即裸露的寬扁銅線、電樞軸、換向器等組成。由活動鐵芯、吸引線圈、保持線圈、接觸盤、觸點等組成。 起動阻力包括： （ 1）摩擦阻力矩 （ 2）壓縮阻力矩 （ 3）慣性阻力矩 最低起動轉(zhuǎn)速 （ 1）在一定溫度下，發(fā)動機能夠起動的最低曲軸轉(zhuǎn)速。 而蓄電池的容量與起動機的容量應(yīng)成正比 P=(450~600） P/U 起動極限溫度 當(dāng)環(huán)境溫度低于起動極限溫度時，應(yīng)采取起動輔助措施： （ 1）加大蓄電池容量 （ 2）進氣加熱 （ 3）電噴車低溫補償 二 、起動機的工作特性 起動機工作特性 如 圖 7 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 18 圖 33 起動機工作特性 分析 當(dāng) I=0 時， M=0，所以， P=0，轉(zhuǎn)速 n 達到最大， n=nmax（起動機空載）； 當(dāng) I=Imax 時， n=0，所以， P=0，輸出轉(zhuǎn)矩達到最大 M=Mmax（起動機制動）。 直流串勵式電動機結(jié)構(gòu) 一、 直流電動機的 構(gòu)造 作用 ： 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。為了防止軸向竄動，軸的前端制有槽，用于裝置鎖板機構(gòu)，軸的后端制有槽，用于裝置止 動擋圈及彈性檔圈。磁場線圈采用串聯(lián)或并聯(lián)，一端與外 ?？粕厴I(yè)設(shè)計（論文） 20 殼上的絕緣接柱（即磁場接柱）相連，另一端與正電刷相連，線路連接如圖所示。兩 個負(fù)電刷搭鐵，兩個正電刷接磁場線圈，它們在壓簧的作用下緊密地與換向器接觸。如將電樞線圈稍向順 時針方向轉(zhuǎn)過一些，如圖（ b），換向器片分別與兩電刷接觸，線圈中有電流通過，其方向是從線圈 I 邊流入，從 Ⅱ邊流出。但此時換向器片已經(jīng)調(diào)換了位置。 一個線圈的電動機，雖能旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)動力量小，轉(zhuǎn)速也不穩(wěn)定，而且在圖（ a，c）的位置時不能轉(zhuǎn)動。其原理如下： 通電的線圈在磁場中受力而轉(zhuǎn)動，運動的線圈切割磁力線產(chǎn)生電動勢，電動勢的方向和線圈電流方向相反，電動勢的大小為： E 反 =Ceφn 其中， Ce－－電機結(jié)構(gòu)常數(shù)； φ－－磁極磁通； n－－電樞轉(zhuǎn)速。 吸引線圈電路為：蓄電池正極 —— 保險絲 —— 點火開關(guān)（起動檔） —— 電磁開關(guān) 50 接柱 —— 吸引線圈 —— 電動機開關(guān)的 C 接柱， —— 磁場線圈（也叫勵磁線圈） —— 正電刷 —— 電樞線圈 —— 負(fù)電刷 —— 搭鐵 —— 蓄電池負(fù)極。當(dāng)起動齒輪與飛輪接近完全嚙合時，引鐵便前移至一定位置，使觸盤與觸點接觸，電動機開關(guān)開始接通；當(dāng)兩齒輪完全嚙合時，引鐵前移到達極限位置，電動機開關(guān)被壓緊，使開關(guān)可靠接觸，電動機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)嚙合器帶動發(fā)動機起動。 二、汽車 起 動保護 控制 器 工作過程 汽車 起 動保護 控制 器原理框圖如 圖 42： 圖 42 啟動保護器原理框圖 原理圖的解析： 圖中 給出汽車起動保護器原理框圖。 三、汽車起動保護器的主要功能 正常起動 鑰匙開關(guān)從 ON 檔打到 (起動檔 )START 檔起動發(fā)動機時，當(dāng)變速箱檔位在空檔位置時，起動保護控制器先切斷車身電器負(fù)載電源，延時 s。起動過程與正常起動相同。 P89LPC901 采用內(nèi)部復(fù)位電路和片內(nèi) RC 振蕩器 ( MHz) , 可以提供 6 個可編程 I/O 接口 , 分別用于輸入檢測和輸出控制。 2 個開關(guān)量輸入信號 , 它們分別接正電源 ( +24 V)有效。當(dāng) START SW 信號電壓大于 12 V, 則 LM2903 的第 7 引腳輸出 +。 專科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸入檢測電路 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是正弦信號 , 其電壓幅值范圍為 3～ 6V。 低于 2V 時為低電平。 變速箱檔位檢測 一、空檔 開關(guān)的工作原理和電路分析 起動保護控制器的輸入開關(guān)有：起動開關(guān) (STARTSW)、空檔開關(guān) (NULLSW) 2 個開關(guān)量輸入信號，它們分別 接正電源 (+24 V)有效。 圖 44 變速箱檔位檢測 電路 當(dāng)空擋開關(guān)斷開時，由于基極的電路沒有電流產(chǎn)生，即 Ib=0。上電時，需要一個外部電路使器件保持復(fù)位狀態(tài)，直至 VDD 到達指定的電平。 同 理 當(dāng)空當(dāng)開關(guān)接通時， Ub=Ui*R19/R1+R19=24*100/147=， Uc=，又 Ue=0，由此可算出 Ubc=， 集電結(jié)反偏 ， Ube=，發(fā)射結(jié)正偏 ，該管工作在放大狀態(tài)，對輸入的電流起到了放大的作用，傳遞給單片機一個高電平。這是內(nèi)嵌仿真功能電路 CAD 元件的特點。 （ 5） 以圖形方式輸出仿真結(jié)果，直觀性強；仿真波形管理方便，能以多種方式從不同角度觀察分析結(jié)果。當(dāng) 2n5551 截止時 Vout 輸出 0V的電壓值，也就是低電平傳給單片機，當(dāng) 2n5551 的 Ube= 時三極管導(dǎo)通， Vout 輸出 3V 電壓值，也就是輸出個高電平給單片機。嚴(yán)格說起來，三極管與一般的機械接點式開關(guān)在動作上并不完全相同，但是它卻具有一些機械式開關(guān)所沒有的特點。 同理，當(dāng) Vin 為高電壓時，由于有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開關(guān)的閉合，此時三極管乃勝作于飽和區(qū) (saturation)。當(dāng) 然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。欲使開關(guān)閉合，則其 Vin 值必須夠高，以送出超過或等于 (式 1) 式所要求的最低基極電流值。圖 46(b)的電路加上了一只輔助 截止 (holdoff)電阻 R2，適當(dāng)?shù)?R1， R2 及 Vin 值設(shè)計，可于臨界輸入電壓時確保開關(guān)截止。發(fā)動機輸出信號為 173 個脈沖／轉(zhuǎn)。 從電路的整體看，電路中最重要的就是 LM2903 的電壓比較器 它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。 單片機不能簡單通過它輸入的信號就做出任何判斷的，它應(yīng)該和上面所介紹的空檔開關(guān)一同作為單片機控 制起動機的輸入信號。 R13 的作用是防止發(fā)動機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的電壓波 動導(dǎo)致電路誤導(dǎo)通，以免帶來不必要的麻煩。 圖 411 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器信號檢測電路的仿真原理圖 傳 感器把檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機輸入的數(shù)字信號， 圖 412 是 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器輸入檢測電路的仿真波形圖