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正文內(nèi)容

車輛工程畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-基于容積法的汽車油耗檢測儀器設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-09-03 17:54 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 表 所示: 表 YH2 型流量傳感器的技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù) 電源 /V DC, +5 輸出信號(hào) /脈沖當(dāng)量 /( ml/脈沖) < , TTL 電平,正脈沖 最大流量 /( l/h) 180 質(zhì)量 /kg 使用溫度 /℃ 0~ 40 應(yīng)用特點(diǎn) 有兩路脈沖信號(hào)輸出,需通過程序判斷正反轉(zhuǎn),直接輸出數(shù)字信號(hào),送入單片機(jī) 流量檢測數(shù)學(xué)模型的建立 根據(jù)檢測系統(tǒng)確定的容積式型號(hào)為 YH2 的流量傳感器,在測量范圍內(nèi),傳感器輸出的脈沖頻率與體積流量成正比,這個(gè)比值即體積儀 表系數(shù): 17 VNKQ fK ??? 或3600 ( ) 式中, f — 為流量信號(hào)頻率, Hz; Q — 為體積流量, L/h; N — 為脈沖數(shù); V — 為體積總量, L。 把儀表系數(shù) K 預(yù)先置入單片機(jī)的存儲(chǔ)器 中,單片機(jī)根據(jù)所獲得的流量脈沖頻率f 與儀表系數(shù) K 之比即可求得管路中燃油的流量 Q 之值。因此,燃油流量檢測的數(shù)學(xué)模型可采用數(shù)學(xué)公式: K fQ 3600? ( ) 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的匹配原則 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則: 單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)系統(tǒng)的 擴(kuò)展部分設(shè)計(jì) (包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展 )和各功能模塊設(shè)計(jì) (測量功能模塊、信號(hào)控制功能模塊和人機(jī)對(duì)話模塊 )。為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡可能合理,依據(jù)以下原則 : ( 1)盡可能采用功能強(qiáng)的芯片,以簡化電路; ( 2)要留有余地,考慮到以后的修改、擴(kuò)展的方便。包括 ROM 空間、 RAM 空間、I/O 端口以及 A/D 和 D/A 通道; ( 3)兼顧工藝設(shè)計(jì),包括機(jī)體、面板、配線、接插件等。必須考慮安裝、調(diào)試、維修的方便。另外,抗干擾設(shè)施必須一并考慮。 單片機(jī)的選擇原則 當(dāng)今單片機(jī)品種繁多,產(chǎn)品性能各異。主要分集中指令集 (CISC)和精 簡指令集(RISC)。采用 CISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分時(shí)復(fù)用,它的指令豐富,功能較強(qiáng),但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行,速度受限,價(jià)格也高。采用 RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分離,這種結(jié)構(gòu)的單片機(jī)取指令包含更多的處理信息,執(zhí)行效率更高,速度也更快。同時(shí),這種單片機(jī)指令多為單字節(jié),程序存儲(chǔ)器的空間利用率大大提高,有利于實(shí)現(xiàn)超小型化設(shè)計(jì)。 一般來說,對(duì)于控制方式較簡單的家電,可以采用 RISC 型單片機(jī);對(duì)于控制關(guān)系較復(fù)雜的場合,如通信產(chǎn)品,工業(yè)控制系統(tǒng),應(yīng)采用 CISC 單片機(jī)。根據(jù)功能需要和性價(jià)比以及匹配 關(guān)系,在這里選擇 CISC 型的單片機(jī),它主要包括 Intel 系列、 Motorola 18 系列、 Atmel 系列的 AT89 系列等等。 選擇單片機(jī)還應(yīng)注意以下幾方面: ( 1)了解單片機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的的適用性。單片機(jī)是否含有所需的 I/O 端口數(shù)目;是否含有所需的外圍端口部件; CPU 是否有適合的吞吐量;極限性能是否滿足要求; ( 2)了解單片機(jī)的可購買性。單片機(jī)是否可以直接買到;是否有足夠的供應(yīng)量;是否維修方便;是否仍在生產(chǎn)中; ( 3)了解單片機(jī)的可開發(fā)性。編輯軟件;程序?qū)懭牍ぞ?;調(diào)試工具;技術(shù)支持;語言體系與成熟程度。 根據(jù)以 上原則對(duì)單 片機(jī)進(jìn)行選擇, 可選擇出較合適的單片機(jī),從而保證系統(tǒng)的可靠性、最優(yōu)的性價(jià)比、最好的升級(jí)換代性。 MCS196 單片機(jī)的特點(diǎn) MCS196 系列單片機(jī)是 Intel 公司繼 8X9X 之后推出的 16 位嵌入式微控制器。它除了保留 8X9X 全部功能外,在功能部件和指令支持上又有很大改進(jìn),性能上也有了顯著提高,使得它適用于更復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場合。 MCS196 單片機(jī)有多種型號(hào),不同型號(hào)配置有不同的功能部件,且具有不同存儲(chǔ)器空間和尋址能力,可滿足不同場合的要求。 MCS196 系列單片機(jī)都有 1 個(gè)基于寄存器到寄存 器結(jié)構(gòu)的內(nèi)核。這種結(jié)構(gòu)消除了累加器的瓶頸現(xiàn)象,加快了數(shù)據(jù)傳輸。另有多種功能部件,在不同型號(hào)中進(jìn)行不同配置。這些功能部件除包括在 8X9X 中就有的 I/O 口、 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PWM(脈寬調(diào)制器)、 SIO(全雙工串行 I/O 口)、中斷源、看門狗定時(shí)器、 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 HSI/O(高速輸入 /輸出口)等以外,還包括在 MCS196 中出現(xiàn)的 PTS(外圍事務(wù)服務(wù)器)、 EPA(事件處理器陣列)、 WG(波形發(fā)生器)等。與其他系列(如 MCS51 系列、 PIC 系列等)相比, HSI/O、 PTS、 EPA、 WG 是 MCS196 最具特色的 功能部件。 HSI/O( High Speed Inputs and Outputs):其中 HSI 用于記錄某一外部事件相對(duì)于時(shí)間基準(zhǔn)(如定時(shí)器 1)的發(fā)生時(shí)刻。此功能部件在檢測到引腳上規(guī)定的跳變事件(包括正跳變、負(fù)跳變、每次正跳變、 8 個(gè)正跳變)后,將發(fā)生事件的類型與時(shí)刻記錄下來,并產(chǎn)生相關(guān)中斷。此部件適用于信號(hào)的時(shí)間參數(shù)測量。 HSO 則用于按程序規(guī)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件(如置位 /清零口線、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換等),要求 CPU 的開銷極小,速度極高。此部件便于實(shí)時(shí)輸出控制,可用來產(chǎn)生多種信號(hào)波形。 EPA( Event Processor Array):實(shí)質(zhì)上是捕捉 /比較模塊。所謂“捕捉”就是捕獲產(chǎn)生于引腳上的跳變事件(有正跳變、負(fù)跳變、正負(fù)跳變等),記載這些輸入事件相對(duì)于時(shí)基定時(shí)器發(fā)生的時(shí)刻;“比較”則是和預(yù)先規(guī)定好的時(shí)間作比較,預(yù)定時(shí)間一到就去執(zhí)行某種輸出功能(比如輸出置為高、輸出置為低、輸出翻轉(zhuǎn)、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換、 19 復(fù)位定時(shí)器等等)??梢?, EPA 和 HSI/O 的功能類似,但 EPA 在 CPU 開銷上要求更少,性能更好一些。表 1給出在不同時(shí)鐘頻率下兩者分辨能力的比較。 PTS( Peripheral Transaction Server):實(shí)質(zhì)上是中斷服務(wù)機(jī)制的改進(jìn)。對(duì)正常的中斷服務(wù), CPU 都要“親自”去執(zhí)行,而現(xiàn)在的 PTS 提供了一種類似 DMA 的操作。當(dāng)中斷發(fā)生后,由微代碼執(zhí)行 PTS 周期。該周期就像 DMA 周期那樣插入正常的指令流中,完成中斷服務(wù),這樣 CPU 的開銷比一般的中斷響應(yīng)要少得多。 WG( Waveform Generator):可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的 3 對(duì) PWM波形。特別適合控制三相交流感應(yīng)電機(jī)、直流無刷電機(jī)和其他需要多個(gè) PWM 輸出的場合。 另外, MCS196 單片機(jī)總線控制器還具有可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器,可方 便地與慢速外設(shè)接口。在運(yùn)行中可動(dòng)態(tài)選擇 8位或者 16 位的總線寬度,并能通過 HOLD/HLDA協(xié)議方便地實(shí)現(xiàn)多處理器通信。 目前, MCS196 系列主要有 3 種:① HSI/O 系列,這類芯片具有高速輸入、輸出口;② EPA 系列,這類芯片內(nèi)部具有事件處理器陣列;③ Motor Control 系列,這類芯片適用于電機(jī)控制。要注意上述分類也不是絕對(duì)的,往往在同一個(gè)型號(hào)的部件中,可同時(shí)具有多種功能。 HSI/O 系列本系列主要芯片有 8XC196KB、 8XC196KC、 8XC196KD 8XC196KB 是 MCS196系列的第 1個(gè)成員,片內(nèi)具有 8KB 程序空間, 232個(gè)字節(jié)的寄存器 RAM。它采用高速輸入 /輸出口進(jìn)行事件處理。 HSI/O 最多有 4個(gè)高速輸入口, 6個(gè)高速輸出口。 2個(gè) 16位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器均可用作時(shí)基發(fā)生器。其余的片內(nèi)資源有: 1路 PWM,1個(gè)全雙工串行通信口, 1個(gè)看門狗定時(shí)器, 1個(gè) 8通道 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器。 48條輸入 /輸出口(與部件復(fù)用)。 8XC196KC 的性能比 8XC196KB 要更進(jìn)一步。它的片內(nèi)有 16KB 的程序空間, 488個(gè)字節(jié)的寄存器 RAM,最高工作頻率可達(dá) 20MHz。除了具有 8XC196KB 的全部特點(diǎn)外, 還具有如下特點(diǎn):有 3路 PWM 發(fā)生器; A/D 轉(zhuǎn)換器具有 8位和 10位 2種方式;可對(duì)采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還加入外圍事務(wù)處理服務(wù)器 PTS,可大大減輕 CPU 在中斷處理上的負(fù)擔(dān)。 8XC196KD 除具有 8XC196KC 所具有的全部特點(diǎn)以外,它的片內(nèi)還具有 32KB 的程序空間, 1000個(gè)字節(jié)的寄存器 RAM。由于片內(nèi)存儲(chǔ)空間的增大,所以,更適合于使用高級(jí)語言編程。這種芯片的最高頻率也可達(dá) 20MHz。 表 HIS/O 和 EPA 分辨能力的比較 部件名稱 時(shí)鐘頻率 /MHz 單位 16 20 25 50 20 HSI 1125 900 750 600 ns HSO 1000 800 600 400 ns EPA 250 200 160 80 ns 這里初選 MCS196系列中 HIS/O系列的 80C196KC的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片。 80C196KC 單片機(jī)具有 16KB 的程序空間, 488 個(gè)字節(jié)的寄存器 RAM,最高工作頻率可達(dá) 20MHz。有 3路 PWM 發(fā)生器 。A/D 轉(zhuǎn)換器具有 8 位和 10 位 2種方式 ??蓪?duì)采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還加入外圍事務(wù)處理服務(wù)器 PTS,可大大減輕 CPU 在中斷處理上的負(fù)擔(dān)。它采用高 速輸入 /輸出口進(jìn)行事件處理。 HSI/0 最多有 4個(gè)高速輸入口,6個(gè)高速輸出口。 2 個(gè) 16位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器均可用作時(shí)間發(fā)生器。其余的片內(nèi)資源有 : 1個(gè)串行通信口, 1 個(gè)看門狗定時(shí)器。 擴(kuò)展芯片的選擇與匹配 微處理器通過數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線與存儲(chǔ)器連接。 如下圖所示: 地址總線為地址信號(hào),用來指明選中的存儲(chǔ)單元地址。 數(shù)據(jù)總線為數(shù)據(jù)信號(hào),它是微處理器送往存儲(chǔ)器的信息或存儲(chǔ)器送往微處理器的信息。它包括指令和數(shù)據(jù)。 控制總線發(fā)出存儲(chǔ)器讀 寫信號(hào),以便從 ROM、 RAM 中讀出指令或數(shù)據(jù),或者向 RAM寫入數(shù)據(jù)。 在微機(jī)系統(tǒng)中,常用的靜態(tài) RAM 有 611 626 62256 等。在本實(shí)驗(yàn)中使用的是6264。 6264 為 8K╳ 8位的靜態(tài) RAM。 其邏輯圖如下: CPU 存儲(chǔ)器 地址總線 控制總線 數(shù)據(jù)總線 21 其中 A0~ 12為 13 根地址線, I/O0~ 7為 8 根數(shù)據(jù)線, CS1 、 CS2為兩個(gè)片選端, OE 為數(shù)據(jù)輸出選通端, WR為寫信號(hào)端。其工作方式見下表: 控制信號(hào) CS1 CS2 OE WR 數(shù)據(jù)線 讀 L H L H 輸出 寫 L H ╳ L 輸入 非選 H ╳ ╳ ╳ 高阻態(tài) 非選 ╳ L ╳ ╳ 高阻態(tài) 輸出禁止 L H H H 高阻態(tài) 6264 是一種采用 CMOS 工藝制成的 8K 8 位 28引腳的靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器,其讀寫訪問時(shí)間根據(jù)不同型號(hào)從 20ns~ 200ns。數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳共用,三態(tài)輸出;采用單一電源 +5V,其輸入輸出電平與 TTL 兼容,具有低功耗操作方式。當(dāng)未選通時(shí),芯片處于低功耗狀態(tài),這時(shí)可減少 80%以上的功耗,只有 2V 電源電壓,幾十微安電流就可保證數(shù)據(jù)不變,這個(gè)性能用于電池供電的數(shù)據(jù)斷電保護(hù)操作。工作溫度范圍: 0℃ ~ +70℃。基于以上原因,并考慮到其性價(jià)比,選擇 6264 作為靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 其管腳排列如圖 所示 [19]。 6264 A0~ 12 VCC I/O0~ 7 WR OE CS2 GND CS1 22 圖 6264 管腳排列圖 I/O 口選擇 型號(hào)為 8255(改進(jìn)型為 8255A 及 8255A5),具有 24 條輸入 /輸出引腳、可編程的通用并行輸入 /輸出接口電路。它是一片使用單一 +5V 電源的 40 腳雙列直插式 大規(guī)模集成電 路 。 8255A 的通用性強(qiáng),使用靈活,通過它 CPU 可直接與外設(shè)相連接。 8255A是 Intel公司采用 CHMOS工藝生產(chǎn)的一種高性能通用可編程輸入 /輸出并行接口芯片,可以方便地應(yīng)用在微處理器系統(tǒng)中 。 8255A 是 40引腳雙列直插式芯片,片內(nèi)有 A, B, C 3個(gè) 8位 I/O 端口,可提供 24條可編程的輸入 /輸出端口線 8255A 是一個(gè)有 40 引腳的塑封芯片,功能較強(qiáng),廣泛的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)電路中。 256字節(jié)的靜態(tài) RAM,存取時(shí)間為 400ns,它有三個(gè) 8 位口 A、 B 、 C,總共可以擴(kuò)展出 22條接線。它含一個(gè)可預(yù)置的計(jì)數(shù)器 ,計(jì)數(shù)范圍從 2~ 16383,可用于延時(shí)、計(jì)數(shù)或分頻。它內(nèi)部還有 256 字節(jié)的 RAM,可以補(bǔ)充 CPU 內(nèi)存的不足。單一 +5V 電源供電。為了能夠設(shè)置芯片的工作方式和了解芯片的狀態(tài),內(nèi)部還有命令寄存器和狀態(tài)寄存器。基于以上的特點(diǎn)和性價(jià)比,初選芯片 8255A。圖 為 8255A 的引腳圖 [19]。 6264 11 12 13 14 15 16 17 18 10 9 8 7
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