【正文】 機(jī)車速度 柴油機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路 霍 爾 速度 傳 感器 脈沖整形電路 頻率電壓轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī) 顯示器 報(bào)警器 機(jī)車換檔控制模塊（電磁繼電器組件） 4 圖 13 機(jī)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(shè)計(jì)中，單片機(jī)主電路輸出信號去控制機(jī)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(dá)到該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求?？梢詫?shí)現(xiàn)低電壓弱電流控制高電壓強(qiáng)電流，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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。 實(shí)時(shí)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(diǎn)是傳輸延遲時(shí)間短 (510ns)，功耗大。在室溫下 ,一般輸出高電平是 ,輸出低電平是 。 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(shí)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(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正?，F(xiàn)象。 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(qiáng)且價(jià)格適合的各種芯片，這需要我們根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇比較適合的芯 片。因此，我們選用單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的控制核心。因而，本設(shè)計(jì)還是選用 51系列單片機(jī)采用軟件控制的方法實(shí)現(xiàn)核心處理。 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(gè)字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器， 21 個(gè)字節(jié)專用寄存器， 4 個(gè) 8 位并行 I/O 口， 1個(gè)全雙工串行 I/O口，兩個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 5個(gè)中斷源。用戶若想對寫入到 EPROM中的程序進(jìn)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。 6 8051 片內(nèi)有 4k ROM，無須外接外存儲器和 373，更能體現(xiàn)“單片”的簡練。 8751與 8051基本一樣，但 8751片內(nèi)有 4k的 EPROM，用戶可以將自己編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的 EPROM中進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用， EPROM的改寫同樣需要用紫外線燈照射一定時(shí)間擦除后再燒寫 。器件使用 ATMEL公司高密度、非易失性技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的MSC51指令系統(tǒng)和 8051引腳兼容。與 8051相比其最大的特點(diǎn)是： 4KB可編程 Flash存儲器，可進(jìn)行 1000次擦寫；全靜態(tài)時(shí)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。 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(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(yīng)用提供了一種靈活性高且價(jià)廉的解決方案。此外， AT89C1051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。 AT89C2051結(jié)構(gòu)與可實(shí)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(nèi)部 RAM為 128字節(jié)。而 AT89C51和 AT89S51不但和 8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)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 7 瞬間擦除、改寫，寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動成果。何況， AT89C5 AT89S51 目前的售價(jià)比 8031還低，市場供應(yīng)也很充足。 為了盡可能的應(yīng)用硬件資源，所以選用 AT89C51 或 AT89S51 一片，作為主控制器，實(shí)現(xiàn)速度檢測與顯示、輸出控制功能；目前 AT89C51 和 AT89S51 價(jià)格相當(dāng)，固選用功能更好的AT89C51；因?yàn)樵陂L春的電子城中 AT89C2051容易購買，所以選用了 AT89C2051其引腳如圖 22示。數(shù)碼管有共陰共陽 接法，只是在設(shè)計(jì)中選用共陰或共陽都是一樣的只是個(gè)人喜歡問題，共陰共陽如圖 23 所示。 圖 23 LED 的共陰、共陽接法 8 在系統(tǒng)資源較少的情況下，往往在與單片機(jī)的連接之間加有譯碼和驅(qū)動功能甚至有鎖存功能的譯碼驅(qū)動芯片，這種連接就叫譯 碼驅(qū)動，在數(shù)碼管和單片機(jī)之間加的驅(qū)動芯片有很多，功能和原理也相應(yīng)的不同，如常用到的驅(qū)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(jī)芯片是 20引腳的芯片，譯碼驅(qū)動連接方式是最好的選擇。 圖 24 單片機(jī)換檔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī) 機(jī)車自動換檔系統(tǒng)簡單原理為： CS3020 檢測機(jī)車運(yùn)行速度和柴油機(jī)速度以脈沖形式輸出信號經(jīng)整形后輸入到頻率 /電壓轉(zhuǎn)換芯片 LM331 中轉(zhuǎn)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(gè)速度比較后的 1 和 0 信號傳送到 AT89C2051 進(jìn)行處理，以此信號作程序處理輸出換檔控制信號，同時(shí)讓 LED顯示換檔狀態(tài)。 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(jià)格比較 高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。 LM331的動態(tài)范圍寬，可達(dá) 100dB；線性度好，最大非線性失真小于 ％，工作頻率低到 性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá) 12位；外接電路簡單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成 V/F或 F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。由輸入比較器、定時(shí)比較器、R－ S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。 LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在 ～ 40V之間，輸出可高達(dá) 40V，而且可以防止 CCV 短路。 LM331的 性能特點(diǎn)如下： 最大線性度為： ℅ 最佳溫度穩(wěn)定性； 最大值為：177。 LM331芯片的引腳圖如下圖 32，其管腳描述見表 31。引腳 2（ PIN2）為增益調(diào)整，改變 SR 的值可 調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小 .0f （ PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由 tR 和 tC 決定。引腳 5（ PIN5）為定時(shí)比較器正相輸入端。引腳 7（ PIN7）為輸入比較器正相輸入端。 LM331 的運(yùn)行參數(shù) LM331的極限參數(shù)（超此極限有可能導(dǎo)致?lián)p壞）表如表 32，電參數(shù)表如表 33 表 32 LM331極限參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)值 單位 電源電壓 40 V 輸出短路電流至 GND 連續(xù) 輸出短路電流至 CCV 連續(xù) 輸出電壓 ～ SV V 工作溫度范圍 0～ +70 ℃ 功耗 （ 25℃ ) W 焊接溫度（點(diǎn)焊， 10秒） 260 ℃ 11 表 33 LM331電參數(shù) (一） 參數(shù) 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 電流源（第 1腳） 輸出電流 14KRS? 01PIN?V 116 136 156 μA 電壓變化引起的變化 V1 100 ?? PINV nA 電流源關(guān)斷漏電流 MAXA TT ? 所有驅(qū)動 An 電流變化范圍 100～ 500 μA 參考電壓（第 2腳） 參考電壓 VDC 溫度穩(wěn)定性 ?60 ppm/℃ 時(shí)間定性 1000消失 ? % 選擇輸出（第 3腳） SATV mAI 5? V mAI ? (兩個(gè) TTL負(fù)載 ) MAXAMIN TTT ?? V 關(guān)斷漏電流 ? μA 電源電流 電源電流 V5?SV mA V40?SV mA Ta=25℃ ,除其他特殊說明外 CS3020霍爾元件的介紹 CS3020是 CS系列霍爾傳感器中比較常用的一員，它的由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大電路，史密特觸發(fā)器及集電極開路的輸 出級組成發(fā)磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為電壓。 （ 2）應(yīng)用 CS3020典型應(yīng)用于無觸點(diǎn)開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機(jī)等方面。其功能框圖如圖 33。 表 34 CS3020的磁特性 參數(shù) 符號 最小值 典型值 最大值 單位 工作點(diǎn) Bop — 22 35 mT 釋放點(diǎn) Brp 5 — mT 回差 Btrys 2 — — mT 表 35 CS3020的電特性 參數(shù) 符號 測試條件 最小 典型 最大 單位 電源電壓 CCV — 24 V 輸出高電平電流 ohV OUTI = 20 mA, B BOP — 10 uA 輸出低電平電壓 olV OUTV = 24 V, B BRP — 200 400 mV 電源電流 ccI CCV =輸出開路 — — 8 mA 輸出上升時(shí)間 tr RL = 820 Ω CL = 20 pF — — uS 輸出下降時(shí)間 tf — — uS 13 4 系 統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)機(jī)的車自動換檔系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)原理概圖在論文第二章圖 中也作過表述。 本章將對系統(tǒng)硬件的各個(gè)部分作具體分析。這樣我們就需要兩個(gè)直流電源。直流穩(wěn)壓電源又分成線性直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，因?yàn)榫€性直流穩(wěn)壓電源電路成熟，穩(wěn)定度高，文波小，干擾小而且有很多成熟是集成元件可選擇，電路十分簡單。 圖 41 雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源 由上圖可見，這個(gè)雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)十分簡單，只用了一個(gè) 220V 變 12V的變壓器，一個(gè)整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（ 7812和 7805）和四個(gè)電容。由于 1C 本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比較差， 所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在 1C 傍邊并聯(lián)一個(gè)高頻濾波性能良好的小電容 2C 。 速度信號的前端處理部分 在上述文章中我們已經(jīng)闡述到速度信號 的前端處理部分從信號采集到信號比較的整個(gè)過程，這小結(jié)我們將詳細(xì)說明各個(gè)小部分的電路組成。 圖 42 CS3020 電路接圖 脈沖整形的電路 該電路的作用是將霍爾速度傳感器輸出的不規(guī)則的脈 沖信號整形為規(guī)則的脈沖信號如圖43所示，電路選擇兩級 CMOS反相器組成的回差電壓可調(diào)的施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)脈沖整形功能。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻 11R 、 10R 分壓而加有約CCV /3的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻 9R 加有 CCV 的直流電壓。當(dāng)電容 LC 兩端電壓達(dá)到 2 CCV /3時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時(shí)電流開關(guān)打向左邊，電容 LC 通過電阻 LR 放電，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容 Ct 迅速放電，完成一次充放電過程。從前面的分析可知，電容LC 的充電時(shí)間由定時(shí)電路 Rt 、 Ct 決定，充電電流的大小由電流源 RI 決定，輸入脈沖的頻率越高，電容 LC 上積累的電荷就越多輸出電壓 (電容 LC 兩端的電壓 )就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率－電壓的變換。電阻 LR 和電容 LC 組成低通濾波器。這些因素在實(shí)際運(yùn)用時(shí)要綜合考慮 圖 45(a) LM331 簡單 F/V 轉(zhuǎn)換電路 16 45(b) LM33(b) 高精度 F/V 轉(zhuǎn)換電路 圖 45(a) 是一個(gè)簡單電路，輸出電流經(jīng) 100kRL? 和 1ufCL? 的濾波器后，波動峰值將低于 10mV，但響應(yīng)比較慢，例如：一個(gè) ，所對應(yīng)的建立時(shí)間是 （達(dá)到 %的精度）。這種電路波動峰值將 低于 5mV ,響應(yīng)時(shí)間相對較快，但輸入頻率低于 200 ZH 時(shí)，此電路的波動要比圖 (a)大，一般需要對濾波時(shí)間常數(shù)既要滿足快速響應(yīng)，又要滿足足夠小的波動的要求。比較代表兩個(gè)速度的電壓是由施密特電壓比較電路完成的，它不但可以比較兩個(gè)電壓信號，還可 以在 2檔到 1檔的轉(zhuǎn)換生一個(gè)施密特回滯。圖中， 0u 和1u 分別是代表機(jī)車速度和柴油機(jī)速度的電壓信號。兩個(gè)輸出端分別輸入一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的 S 和 R 端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出經(jīng)過一個(gè)光電隔離器件的處理即可變成換檔信號。而 2F 同相輸入端則由 2R 和 3R 對 Ub 分壓后輸入，由于 2R 為 560Ω，而 3R 為 10kΩ，實(shí)際的輸入電壓為 。這樣，觸發(fā)器將輸出高電平，以控制電路輸出換 2檔信號，從而使后面的單片機(jī)電路進(jìn)行換檔。當(dāng) 10 uu ?時(shí)，