【正文】 ，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 ，這是正常現(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)了多種功能強且價格適合的各種芯片，這需要我們根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)選擇比較適合的芯片。因此，我們選用單片機作為本設(shè)計的控制核心。因而，本設(shè)計還是選用 51系列單片機采用軟件控制的方法實現(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 個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器， 21 個字節(jié)專用寄存器， 4 個 8 位并行 I/O 口， 1個全雙工串行 I/O口，兩個 16位定時 /計數(shù)器， 5個中斷源。用戶若想對寫入到 EPROM中的程序進行修改，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。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 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的 EPROM中進行現(xiàn)場實驗與應(yīng)用， EPROM的改寫同樣需要用紫外線燈照射一定時間擦除后再燒寫。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相比其最大的特點是： 4KB可編程 Flash存儲器，可進行 1000次擦寫；全靜態(tài)時鐘 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長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 瞬間擦除、改寫，寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。何況， AT89C5 AT89S51 目前的售價比 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，實現(xiàn)速度檢測與顯示、輸出控制功能；目前 AT89C51 和 AT89S51 價格相當(dāng)，固選用功能更好的AT89C51；因為在長春的電子城中 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)計中選用共陰或共陽都是一樣的只是個人喜歡問題，共陰共陽如圖 23 所示。 圖 23 LED 的共陰、共陽接法 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 在系統(tǒng)資源較少的情況下，往往在與單片機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 單片機換檔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 本設(shè)計基于單片機機車自動換檔系統(tǒng)簡單原理為： CS3020 檢測機車運行速度和柴油機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，把兩個速度比較后的 1 和 0 信號傳送到 AT89C2051 進行處理，以此信號作程序處理輸出換檔控制信號，同時讓 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)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。 LM331的動態(tài)范圍寬，可達 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 12位；外接電路簡單，只需接入幾個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 40V，而且可以防止 CCV 短路。 LM331的 性能特點如下： 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（點焊， 10秒） 260 ℃ 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 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/℃ 時間定性 1000消失 ? % 選擇輸出（第 3腳） SATV mAI 5? V mAI ? (兩個 TTL負載 ) 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)強度，輸出為電壓。 （ 2）應(yīng)用 CS3020典型應(yīng)用于無觸點開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機等方面。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 Bop — 22 35 mT 釋放點 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 輸出上升時間 tr RL = 820 Ω CL = 20 pF — — uS 輸出下降時間 tf — — uS 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 基于單片機機的車自動換檔系統(tǒng)設(shè)計的硬件系統(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)硬件的各個部分作具體分析。這樣我們就需要兩個直流電源。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，因為線性直流穩(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 220V 變 12V的變壓器，一個整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（ 7812和 7805）和四個電容。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過程，這小結(jié)我們將詳細說明各個小部分的電路組成。 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 兩端電壓達到2 CCV /3時，定時比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時電流開關(guān)打向左邊，電容 LC 通過電阻 LR 放電，同時，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時電容 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 的充電時間由定時電路 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。這些因素在實際運用時要綜合考慮 圖 45(a) LM331 簡單 F/V 轉(zhuǎn)換電路 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 45(b) LM33(b) 高精度 F/V 轉(zhuǎn)換電路 圖 45(a) 是一個簡單電路，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 秒的時間常數(shù)，所對應(yīng)的建立時間是 秒（達到 %的精度）。這種電路波動峰值將低于 5mV ,響應(yīng)時間相對較快，但輸入頻率低于 200 ZH 時，此電路的波動要比圖 (a)大，一般需要對濾波時間常數(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電壓信號，還可以在 2檔到 1檔的轉(zhuǎn)換生一個施密特回滯。圖中， 0u 和1u 分別是代表機車速度和柴油機速度的電壓信號。兩個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，實際的輸入電壓為 1u 。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電路進行換檔。當(dāng) 10 uu ?時， 2F 的輸出端轉(zhuǎn)換為高電平，此時單穩(wěn)觸發(fā)器的輸入端 S 端為低電平而 R 端為高電平，從而使觸發(fā)器的輸出為低電平，以為機車提供從 2 檔到 1 檔的換檔信號。這個延遲時間可以避免機車可能由于振動或其他因素引起的頻繁換檔及不穩(wěn)定。 圖 47 信號輸入隔離電路 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 信號驅(qū)動電磁閥部分 經(jīng)單片機處理前端輸入的信號后輸出有效的控制信號以控制電磁繼電器組件，控制信號必須經(jīng)過輸出放大電路放大后才能使控制組件動作，輸出放大電路主要由一些功率放大開關(guān)管組成。選擇多個端口輸出的目的是降低 1 個端