基于单片机的机车自动换挡设计 毕业设计.doc

毕业设计（论文）基于单片机的机车自动换挡设计 design of locomotive automatic commutating system with scm： ： 电气与信息学院 ： 电子信息工程 ： 0443 ： ： ： 学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间长 春 工 程 学 院长春工程学院毕业设计(论文)摘 要在科技不断发展的今天，电力行业也逐步走向自动化。机车自动换档技术已成为自动化热门技术之一，基于单片机应用的机车自动换档技术具有相当地位的研究价值，该设计可以弥补传统机车换档技术在安全、节能、环保、等方面的问题。在这个设计设计主要完成以89c51单片机为核心的机车自动换档系统,该系统包括速度测量、脉冲整形、电压比较和输出控制。论文主要介绍了基于单片机实现机车换档的基本方法，速度传感器的应用，及信号采集比较的基本原理和实现方法,重点介绍了基于mcs-51单片机的用软件产生控制信号的途径，并介绍了一种通过采用软件实时处理并调节机车运行状态的方法。对于机车自动换档控制系统的实现提供了一种有效的途径。借助这套系统既可以减少司机经常换档的劳动强度，又可以使机车大部分时间运行在比较合理的档位，这对节省油料和保护环境都有比较好的效果。关键词 单片机 自动换档 机车 速度传感器 自动控制abstract： with the develop of science the technology , electric power industry is also trends to automation, locomotive automatic commutating technology has become one of the popular automation technology, locomotive automatic commutating technology has a certain value of reserch on the position of the design. it can fetch up for the issues of traditional locomotive commutating in energy-saving and environmental protection or security .this design be mainly composed by 89c51 microcontroller as the core of the locomotive automatic commutating system, this system includes the measurement of speed, pulse-shaping, the comparing of voltage and output to control. this paper introduces a kind of method of locomotive automatic commutating based on scm. showing some relative application of speed-sensor, and the basic principles and methods about signal sampling and comparing ,it focus on the way of using the software produce a control-signal, meanwhile introduces a method of regulating locomotive stave with the real-time software processing and regulate the state of operation of locomotive, providing an effective way to locomotive automatic commutating control system. this system can reduce driverss labor intensity of the regular work, the locomotive can run at the most of time in a more reasonable shift, which can save fuel and have relatively good results to protect the environment.keyword: microcontroller automatic commutating locomotive speed sensor automatic controlii目 录前言11 系统工作原理分析21.1 速度采集及处理21.2 输出控制换档的原理42 系统构成方案选择42.1 电路类型方案的选择42.2 主控制单元方案的选择52.3 显示管连接方式的选择72.4 总方案的确定83 主要器件的介绍83.1 lm331芯片的介绍83.2 cs3020霍尔元件的介绍114 系统的硬件设计124.1 电源设计部分134.2 速度信号的前端处理部分134.3 信号驱动电磁阀部分184.4 显示部分194.5 报警电路195 系统的软件设计195.1 主程序205.2 显示子程序215.3 换档子程序215.4 报警子程序22总 结23参考文献：24致 谢25附 录26附录一 程序清单26附录二 原理图31132 前言自动换档系统的核心技术是信号处理和控制技术，该技术通常是利用传感器采集速度信号并以脉冲的形式输出（刚采集的脉冲信号直接输入给单片机电制控制单元处理是没有意义的，需要进行一系列的处理后再把信号输入主电路进行处理），再把速度传感器采集到的机车速度的脉冲信号和柴油机速度脉冲信号分别转换成电压信号再输入到比较电路进行比较，经主电路处理后输出控制指令再放大后驱动换档组件以达到速度检测换档变速的目的一种控制技术。近年来，利用传感器和单片机相接合的控制技术以成为电气自动控制技术的热点之一。基于单片机自动系统控制因其体积小且可以方便地通过改变软件程序实现对各种外部组件的控制而得到广泛的应用，传统的人工换档是由驾驶员操纵档位，加档或减档都由人工操作，是最直接和最有效的换档调速方法，经常性的换档容易使人疲惫，这是对交通运输的极大挑战，考虑到驾驶员长时间工作的状态，机车的人工换档在发展上逐渐被自动化的换档技术取代，上个世纪，自动化运行系统的技术在强烈的市场需求下得到很好的发展，尤其在自动化方面，例如自动驾驶、自动换档变速等各个方面的技术都是时代的技术潮流，自动化技术是人们长期追求而产生的时代新兴技术。自动换档技术既可以减少司机经常换档的劳动强度，又可以使机车大部分时间运行在比较合理的档位，这对节省油料和保护环境都有比较好的效果。自70年代单片机产生以来，发达国家单片机运用在控制系统方面逐渐成为潮流之一，其具有集成度高和可再编程的性能也成为机车自动换档系统最佳选择方案之一 。纵观单片机国内外发展的情况，其作为微机发展中的一个重要分支,其产值和在各应用领域的重要性是不容忽视的。特别是在军事工业、航空、航天、宇航和家电、汽车电子、通信、交通、智能仪表以及智能卡等领域都具有急待开发应用的市场。 单片机对我国更具特殊意义，我国是发展中国家,资金不足,应用领域及规模又较大，因此单片机技术对提高各应用领域中的技术档次,可以做到少花钱、效果好。我国的汽车电子、通信产品产业已开始启动,其他应用领域也在开拓(如智能仪表、智能卡、交通、商业电子)。目前我国人均占有单片机的数量不足1片,与发达国家相差几十倍。因此,我国是一个极大的潜在的技术市场。 相信在一个芯片上实现一个完整的计算机应用系统,配以合适的标准软件,一周内开发一个新产品的时间即将到来。1 系统工作原理分析机车自动换档系统的硬件部分由前端输入电路、单片机电路和输出放大电路组成。其中前端放大电路的功能是把机车的速度和柴油机的转速两个速度参数信号转换成电压信号并进行比较，然后把结果输入到单片机电路。单片机电路的作用是根据比较的结果输出正确的控制指令来使执行元件动作换档，同时显示现时机车的运行状态。输出放大电路的作用是把单片机电路输出的控制信号进行功率放大，以使其能够驱动换档执行组件。本自动换档系统共有两个速度参数值需要测量，分别是机车速度和柴油机转速，输入单片机信号是又这两个被测量到的速度进行比较而得到的输出信号。1.1 速度采集及处理 速度信号采集：在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，如图1-1所示,车轮转轴有安装三个独立磁体，霍尔电路通电后，当转轮每转动一次，霍尔速度传感器经过三个磁场的切割，同时输出三个脉冲信号，脉冲信号频率的大小和车轮转轴的速度成正比。图1-1 霍尔速度传感器工作原理上图中霍尔速度传感器中采集到的速度信号以脉冲形式输出，由于输出的脉冲是不规则的脉冲，在进行下一步处理之前需要进行脉冲的整形，该部分可由削波器、门电路、单稳态电路、双稳态电路、施密特触发器等电路实现脉冲整形的功能，其整形过程如图1-2所示。经过脉冲整形之后，脉冲要转换成电压，再输入到比较电路中进行比较，频率电压转换可根据实际情况选择不同的芯片设计，在该设计中转换电压以68v输出。由于上述电路中采集的有两种速度信号，即机车速度和柴油机转速，这两个信号经过比较后的输出才是单片机主电路需要的换档信号。图1-2 脉冲整形前后过程图以上整个信号从采集到比较的过程电路可称为基于单片机机车自动换档系统的前端电路。从整个过程来看，前端输入电路主要由速度传感器信号采集电路、脉冲整形电路、频率电压转换电路、施密特电压比较电路组成，前端电路中信号经单片机处理后输出一个控制信号，该信号放大后控制机车换档的组件，在系统中还设计有一个显示管，通过该显示管可以观察机车运行状态，同时还扩展一个报警器，在机车换档时可以实现报警，整个系统的原理框图如图1-3所示。机车速度柴油机转速霍尔速度传感器脉冲整形电路施密特电压比较电路频率电压转换电路霍尔速度传感器脉冲整形电路频率电压转换电路 单片机显示器报警器机车换档控制模块（电磁继电器组件） 图1-3 机车自动换档系统原理框图1.2 输出控制换档的原理在系统设计中，单片机主电路输出信号去控制机车换档涉及低电压电路去控制高电压电路，在这里可以选用电磁继电器元件以达到该系统设计的要求。电磁继电器内部有一个线圈，在线圈中通入电流时，在它周围就产生磁场，也就是说，它变成了一个电磁铁，在它的磁极处，有一个软铁做的衔铁，作为动触点，当通电时，街铁被吸引过来，就可以实现与静触点的断开或闭合，从而可以控制电路的通断，它实质就是一个能自动控制的开关。可以实现低电压弱电流控制高电压强电流，还可以实现远距离控制及自动控制等，电磁继电器及工作原理如图1-4所示。图1-4 电磁继电器工作原理图2 系统构成方案选择2.1 电路类型方案的选择在基于单片机机车自动换档的系统中，实时性、低功耗性是主要的特点，这就要求芯片时要考虑到这两个方面，需要时还要考虑到各种芯片的兼容性，以下是对个系统电路中考虑到实时性、低功耗性的不同设计方案。2.1.1 实时型电路方案完全采用ttl数字集成芯片，该类型的芯片特点是传输延迟时间短(5-10ns)，功耗大。ttl电平输出高电平大于2.4v,输出低电平小于0.4v。在室温下,一般输出高电平是3.5v,输出低电平是0.2v。最小输入高电平大于或等于2.0v, 最小输入低电平小于或等于0.8v,噪声容限是0.4v，对于只考虑实时性或者实时性要求严格的设计方案可以采用该方案。2.1.2 节能型电路方案 完全采用cmos芯片，coms电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低，coms电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。在该方案中，传输延时相对较长，但对于机车自动换档系统的换档动作的宏观性而言cmos芯片的延时时间对其影响不大，故可采用cmos芯片组成的电路方案。2.2 主控制单元方案的选择随着集成芯片工艺和功能水平的不断提高，市场上出现了多种功能强且价格适合的各种芯片，这需要我们根据所设计的系统选择比较适合的芯片。由于单片机性能优越,具有较佳的性能价格比,所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。因此，我们选用单片机作为本设计的控制核心。目前我国应用最多的一种单片机系列是美国intel公司的8位高档单片机mcs51系列，8051引脚图如图2-1所示，这个系列里机型多种，性能特点不错，加上我们学习的单片机课程是该类型的单片机，应用相对顺手。因而，本设计还是选用51系列单片机采用软件控制的方法实现核心处理。因为mcs-51系列单片机型号比较多应该要作出合理的选择，下面对几种常用型号进行比较。 图2-1 8051引脚图 2.2.1 8031、8051、87518031/8051/8751是intel公司早期的产品，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，同有8位的cpu，128个字节的片内数据存储器，21个字节专用寄存器，4个8位并行i/o口，1个全双工串行i/o口，两个16位定时/计数器，5个中断源。不同的是：8031片内不带程序存储器rom，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为eprom的2764系列。用户若想对写入到eprom中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。8051片内有4k rom，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是你编的程序你无法烧写到其rom中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。8751与8051基本一样，但8751片内有4k的eprom，用户可以将自己编写的程序写入单片机的eprom中进行现场实验与应用，eprom的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。 2.2.2 at89c51、at89s51at89c51是atmel公司推出的一种带4k字节闪速可编程可擦除只读存储器(flash rom)的低电压、高性能cmos 8位微控制器。器件使用atmel公司高密度、非易失性技术生产，与标准的msc-51指令系统和8051引脚兼容。由于将多功能8位cpu和闪速存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器。与8051相比其最大的特点是：4kb可编程flash存储器，可进行1000次擦写；全静态时钟0-24m；三级程序加密；低功耗支持idle（空闲）工作模式和power-down（断电）工作模式。at89s51是2003年atmel推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了isp编程和看门狗功能。2.2.3 at89c1051、at89c2051at89c1051是一种带1k字节闪速可编程可擦除只读存储器(flash rom)的低电压、高性能cmos 8位微控制器，该器件采用atmel高密度、非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51的指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能8位cpu和闪速存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c1051是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统应用提供了一种灵活性高且价廉的解决方案。at89c1051有以下特点：1k字节eprom、64字节ram、15根i/o线、2 个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25v至5.5v的电压工作范围和12/24工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。此外，at89c1051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，cpu停止，而让ram、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。at89c2051结构与可实现的功能跟at89c1051基本一样，只是闪速可编程可擦除只读存储器(flash rom)升级到2k，还有内部ram为128字节。由上可知，8031片内不带程序存储器rom，8051与8751在程序烧写上很不方便而且8051的rom只能用一次，使用它们很不方便。而at89c51和at89s51不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4k程序存储器是flash工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。何况，at89c51、at89s51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。显然可见，at89c51和at89s51更实用。为了尽可能的应用硬件资源，所以选用at89c51或at89s51一片，作为主控制器，实现速度检测与显示、输出控制功能；目前at89c51和at89s51价格相当，固选用功能更好的at89c51；因为在长春的电子城中at89c2051容易购买，所以选用了at89c2051其引脚如图2-2示。图2-2 at89c2051引脚图2.3 显示管连接方式的选择在本系统中还附加了一个数码显示管，它可显示机车所处的档 位以及正在运行的程序段，从而使驾驶员和技术维修人员了解机车的状态。数码管有共阴共阳接法，只是在设计中选用共阴或共阳都是一样的只是个人喜欢问题，共阴共阳如图2-3 所示。本设计选用了一位共阴数码管，在数码管显示器与单片机的连接的方式中有译码驱动连接和直接种两种连接方式，在直接连接的方式中，各位数码管的一个端需要与一个单片机i/o引脚连接，该连接至少需要7个i/o端口，但是这种显示相当的占用系统资源。 图2-3 led的共阴、共阳接法在系统资源较少的情况下，往往在与单片机的连接之间加有译码和驱动功能甚至有锁存功能的译码驱动芯片，这种连接就叫译码驱动，在数码管和单片机之间加的驱动芯片有很多，功能和原理也相应的不同，如常用到的驱动芯片cd4511、ch451、max7219等等，这种连接方式和直接连接方式相比就是节约端口资源，由于在主控制芯片选择的单片机芯片是20引脚的芯片，译码驱动连接方式是最好的选择。2.4 总方案的确定at89c2051cs3020速度输入脉冲整形lm331比较电路led显示 控制输出cd4511经过上述文字对换档系统部分的讨论选择以及根据功能实现、价格、市场以及各种其他情况确定芯片型号后，我们所设计系统的方案可以初步确定，其结构简图如图2-4所示。图2-4 单片机换档系统结构简图本设计基于单片机机车自动换档系统简单原理为：cs3020检测机车运行速度和柴油机速度以脉冲形式输出信号经整形后输入到频率/电压转换芯片lm331中转换成电压，输出68伏电压信号，再输入到比较电路中比较，其比较原理在文后硬件系统论述中作介绍，把两个速度比较后的1和0信号传送到at89c2051进行处理，以此信号作程序处理输出换档控制信号，同时让led显示换档状态。 整个系统的电源由外接双路稳压电源（+5v 、+12v）提供。3 主要器件的介绍3.1 lm331芯片的介绍lm331是美国ns公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、a/d转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。lm331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0v电源电压下都有极高的精度。lm331的动态范围宽，可达100db；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成v/f或f/v等变换电路，并且容易保证转换精度。lm331为双列直插式8引脚芯片，内部电路组成如图3-1所示。由输入比较器、定时比较器、rs触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配ttl、dtl和cmos等不同的逻辑电路。lm331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.040v之间，输出可高达40v，而且可以防止短路。 图3-1 lm331内部结构图3.1.1 lm331的性能特点及引脚功能。lm331的性能特点如下：最大线性度为：0.01 最佳温度稳定性；最大值为：50ppm/；小功耗，5v下的典型值为：15mw；电源范围宽：4.040v，并且有电源短路保护功能；宽的动态范围：10满量程频率下的最小值为100db；量程范围：1100。lm331芯片的引脚图如下图3-2，其管脚描述见表3-1。图3-2 lm331引脚图表3-1 l298管脚描述管脚号名称功能1curoo电流输出2o参考电流3o频率输出4_地5i定时比较输入6i比较器反向输入端7i比较器同向输入端8_电源（pin1）为电流源输出端，在（pin3）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚2（pin2）为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小.（pin3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由和决定。引脚4（pin4）为电源地。引脚5（pin5）为定时比较器正相输入端。引脚6（pin6）为输入比较器反相输入端。引脚7（pin7）为输入比较器正相输入端。引脚8（pin8）为电源正端。3.1.2 lm331的运行参数lm331的极限参数（超此极限有可能导致损坏）表如表3-2，电参数表如表3-3 表3-2 lm331极限参数项目参数值单位电源电压40v输出短路电流至连续输出短路电流至连续输出电压-0.2vv工作温度范围0+70功耗（25)1.25w焊接温度（点焊，10秒）260表3-3 lm331电参数(一）参数测试条件最小值典型值最大值单位电流源（第1脚）输出电流116136156电压变化引起的变化0.21.0电流源关断漏电流 所有驱动0.0210.0电流变化范围100500参考电压（第2脚）参考电压1.701.892.08vdc温度稳定性60ppm/时间定性1000消失0.1%选择输出（第3脚）v(两个ttl负载)v关断漏电流0.051.0电源电流电源电流1.53.06.02.04.08.0 ta=25,除其他特殊说明外3.2 cs3020霍尔元件的介绍cs3020是cs系列霍尔传感器中比较常用的一员，它的由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大电路，史密特触发器及集电极开路的输出级组成发磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出为电压。3.2.1 cs3020的特征及应用（1）特征cs3020工作频率宽（100k），开关速度快，没瞬间抖动，电源电压范围宽，能直接和晶体管及ttl、mos等逻辑电路接口，并且还有寿命长，体积小，方便安装等优点。（2）应用cs3020典型应用于无触点开关、位置控制、转速测量、隔离检测、无刷电机等方面。3.2.2 cs3020的引脚说明cs3020只有三个引脚，1脚接电源，2脚接地，3脚接输出，安装简单方便易用。其功能框图如图3-3。图3-3 cs3020的功能框图3.2.3 cs3020的电特性和磁特性cs3020的磁特性见表3-4，电特性见表3-5。表3-4 cs3020的磁特性参数符号最小值典型值最大值单位工作点bop2235mt释放点brp516.5mt回差btrys2mt表3-5 cs3020的电特性参数符号测试条件最小典型最大单位电源电压4.524v输出高电平电流 = 20 ma, b bop0.110ua输出低电平电压 = 24 v, b brp200400mv电源电流=输出开路8ma输出上升时间rl = 820 cl = 20 pf0.12us输出下降时间0.18us4 系统的硬件设计基于单片机机的车自动换档系统设计的硬件系统原理概图在论文第二章图2.4 中也作过表述。整机电路原理图见附录1部分。本章将对系统硬件的各个部分作具体分析。4.1 电源设计部分本设计中控制部分的逻辑元件需要+5v的直流电，而我们实验用的小型直流电动机的额定电压为12v。这样我们就需要两个直流电源。为解决这个问题，我们采用双路输出的直流稳压电源。直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源，因为线性直流稳压电源电路成熟，稳定度高，文波小，干扰小而且有很多成熟是集成元件可选择，电路十分简单。所以我们在本设计中应用双路输出的直流稳压电源如下图4-1。图4-1 双路输出的线形直流稳压电源由上图可见，这个双路输出的线形直流稳压电源结构十分简单，只用了一个220v变12v的变压器，一个整流桥，两块稳压集成电路（7812和7805）和四个电容。图中是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。由于本身的电解比大，对高频交流成分的滤波效果比较差，所以为了改善滤波电路的高频抑制特性，在傍边并联一个高频滤波性能良好的小电容。而直流稳压电路输出端的电容和是用作改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性。4.2 速度信号的前端处理部分在上述文章中我们已经阐述到速度信号的前端处理部分从信号采集到信号比较的整个过程，这小结我们将详细说明各个小部分的电路组成。4.2.1 速度的采集部分速度采集部分选择了霍尔速度传感器cs3020，电路接法如下图4-2，传感器电源电压接5v，在输出端和电源之间接一个1k的电阻，在1.1小结中也讲述了其在机车速度检测应用的原理，当机车转动一圈时速度传感器输出三个脉冲波形，在机车车轮轴和柴油机转轴上以同样的方式安装相同的传感器。 图4-2 cs3020电路接图4.2.2 脉冲整形的电路该电路的作用是将霍尔速度传感器输出的不规则的脉冲信号整形为规则的脉冲信号如图4-3所示，电路选择两级cmos反相器组成的回差电压可调的施密特触发器实现脉冲整形功能。图4-3 两级cmos反相器组成的脉冲整形4.2.3 频率电压转换的电路由lm331构成的频率电压转换电路如图4-4所示，输入脉冲经、组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻、分压而加有约/3的直流电压，反相输入端经电阻加有的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时， 经微分电路、产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的上，当负向尖脉冲大于/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源对电容cl充电，同时因复零晶体管截止而使电源通过电阻对电容充电。当电容两端电压达到2/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容通过电阻放电，同时，复零晶体管导通，定时电容迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容的充电时间由定时电路、决定，充电电流的大小由电流源决定，输入脉冲的频率越高，电容上积累的电荷就越多输出电压(电容两端的电压)就越高，实现了频率电压的变换。按照前面推导v/f表达式的方法，可得到输出电压与的关系为：图4-4 lm331f/v电路图电容的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻和电容组成低通滤波器。电容大些，输出电压的纹波会小些，电容小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。这些因素在实际运用时要综合考虑 图4-5(a) lm331简单f/v转换电路 4-5(b) lm33(b) 高精度f/v转换电路图4-5(a) 是一个简单电路，输出电流经和的滤波器后，波动峰值将低于10mv，但响应比较慢，例如：一个0.1秒的时间常数，所对应的建立时间是0.7秒（达到0.1%的精度）。图4-5(b)是一个高精度f/v转换电路，其中运放起输入缓冲和滤波的作用。这种电路波动峰值将低于5mv ,响应时间相对较快，但输入频率低于200时，此电路的波动要比图(a)大，一般需要对滤波时间常数既要满足快速响应，又要满足足够小的波动的要求。4.2.4 电压比较的电路在上一小结中讲述到了通过比较机车速度和柴油机转速可以确定机车是否需要进行换档，当机车的速度低于柴油机的速度时，机车运行在1档，当机车速度大于柴油机速度时，机车换档到2档。比较代表两个速度的电压是由施密特电压比较电路完成的，它不但可以比较两个电压信号，还可以在2档到1档的转换生一个施密特回滞。 图4-6 电压比较电路图4-6所示是将机车速度和柴油机速度电压信号转换成换档信号的具体电路。图中，和分别是代表机车速度和柴油机速度的电压信号。两个运算放大器 和都接成电压比较器的形式。两个输出端分别输入一单稳态触发器的s和r端，单稳态触发器的输出经过一个光电隔离器件的处理即可变成换档信号。在图 2中，的两个输入电压和的反相端输入电压都直接接或。而同相输入端则由和对分压后输入，由于为560，而为10k，实际的输入电压为0.95。通常机车的初始档位都是1档，随着机车速度逐渐增加，当其速度大于柴油机转速（即）时，输出高电平并加入到单稳态触发器的s端，对于，由，可得，所以f2输出低电平到单稳触发器的r端。这样，触发器将输出高电平，以控制电路输出换2档信号，从而使后面的单片机电路进行换档。当机车速度下降到小于柴油机转速时，即，但时，输出低电平，但由于此时的同相输入端，的输出端仍然为低电平，这样，由于单稳触发器的s和r端都输入低电平，所以它的输出端仍维持原来的状态而不输出换档信号。当时，的输出端转换为高电平，此时单稳触发器的输入端s端为低电平而r端为高电平，从而使触发器的输出为低电平，以为机车提供从2档到1档的换档信号。由上面所述的电路工作过程可以看出：从1档到2档时，机车一旦速度到达换档点，则马上换档的，而从2档到1档时，是机车到达换档点速度的95时才进行换档。这个延迟时间可以避免机车可能由于振动或其他因素引起的频繁换档及不稳定。该电路工作时，比较后的信号经过一个光电耦合器4n26输入到单片机口和反向后输入到的口作为外中断源，使用光电耦合器的目的是避免从前端电路传过来干扰信号,当输入端口输入高电平时，发光二极管截止即不发光，耦合三极管也相应的截止，p3.2口被下拉电阻下拉为低电平，p3.3输出为高电平，当输入信号为低电平时，发光二极管导通发光，三极管导通，p3.2输出高电平，p3.3输出为低电平，如图4-7所示。图4-7 信号输入隔离电路4.3 信号驱动电磁阀部分经单片机处理前端输入的信号后输出有效的控制信号以控制电磁继电器组件，控制信号必须经过输出放大电路放大后才能使控制组件动作，输出放大电路主要由一些功率放大开关管组成。控制信号可选择多端口输出，在这里选择3个i/o口输出并接到3输入或非门。选择多个端口输出的目的是降低1个端口输出时受到的电磁等干扰导致控制组件误执行的几率，输出信号经过放大后控制电磁继电器，电磁继电器的2端是常闭触点，3端是常开触点，当单片机输出使得,三极管导通，电磁继电器线圈通流，动态触点簧片由常闭触点吸合至常开触点3端；当其中输出为1时，三极管基级为0，电磁继电器断开，机车从1档换到2档时电磁继电器和单片机接口电路图如图4-8(a)。机车从2档换至1档时电磁继电器和单片机接口电路图如图4-8(b)。图4-8(a) 1档换2档时电磁继电器的输出控制电路图图4-8(b) 2档换1时电磁继电器的输出控制电路图4.4 显示部分本设计附加了对机车自动换档状态的显示功能。下面我们分别分析显示部分的硬件连接。其原理图如图4-9所示。 图4-9 数码显示管与单片机接口的硬件图在显示部分该电路选择了具有锁存、译码、驱动功能的cd4511作为锁存/译码/驱动电路,笔端测试输入lt及消隐输入接高电平(无效)。上图可以看到，单片机、和作为bcd码的输出口,分别接cd4511的a、b、c和d，作为cd4511锁存信号输出口,当为低电平时译码输出由abcd输出端编码决定,当le由低电平变到高电平时,锁存了输入端abcd的状态,译码输出也相应的保持不变,即cd4511为上升沿锁存。4.5 报警电路报警电路在电路中起着操作提示和警告等作用，在基于单片机机车自动换档系统中利用报警电路实现的功能有：系统启动长鸣，机车换档提示。报警电路如图4-10所示。图4-10 报警电路5 系统的软件设计本设计的单片机控制程序采用51汇编语言编写，在编写的过程中，尽量向结构化、模块化的方向编写，整个程序的清单见附录3。本章将对该基于单片机机车自动换档的程序做具体分析。首先分析程序的流程，分析程序流程可根据图4.6中信号变化画一个直观的变化表，并设置相应标志位的变化如表5-1。表5-1 换档信号变化的状态表sig状态p3.2（int0)p3.3(int1)档位状态设置20h位设置21h位010100121021015.1 主程序主程序流程图如图5-1开始初始化int0 int1为下降沿触发查询方式长鸣中断查询调用显示子程序调用换档子程序调用报警子程序结束 5-1 主程序流程图如图如上图显示，本设计的主程序设计比较简单。程序首先是对外部中断int0和int1进行初始化，使两个外部中断都采用下降沿触发，同时采用查询方式。系统启动时长鸣提示机车进入自动换档模式，查询中断有效位以设置标志位，利用该标志位贯穿被调用的显示子程序，换档子程序和报警子程序，返回后继续跳至中断查询处，如此循环。5.2 显示子程序 本设计用了1位共阳数码管和七段译码器cd4511作为显示电路外围器件，其详细的硬件论述请看第四章的led显示的硬件电路部分。这样要与硬件电路匹配就要求软件的输出必须要是bcd码，。图5-2是显示子程序的流程图。在led的硬件图中可以看到，单片机的p1.0p1.3口作为显示部分的数据输出口与p3.7作为控制输出口。20h和21h是主程序中根据中断标志位设置的两个标志位，如果20h为1表示换档系统要从1档换至2档，在显示的数码管中显示2；21h为1表示换档系统从2档换至1档，在数码显示管中显示1，在流程图的显示部分中，程序先把个位数据存储单元的bcd码送到p1口的低四位，在对p3.7置0选通使cd4511译码有效，这样数码管就显示数据了，再延时一段时间后把p3.7置位锁存显示的数据。1display显示2显示1查询20h查询21h返回001图5-2 显示子程序的流程图5.3 换档子程序在换档子程序中，同样用到了根据int0和int1的两个中断有效位设置的两个标志位20h、21h,检测到20h为1就使1档换2档的电磁阀通电，检测到21h为1就使2档换1档的电磁阀通电，通电一段时间后断开，程序流程图如图5-3.shift查询20h查询21h返回1010p3.0=0 p3.1=0p3.4=0p1.4=0 p1.5=0p1.6=0图5-3 换档子程序流程图5.4 报警子程序和显示子程序以及换档子程序一样，报警子程序同样检测标志位20h 和21h位，当检测到其中一个为1时，就报警提示，报警是置位p3.5使报警器鸣声，可延时不同的时间以使报警声响不同,如图5-4在程序最后需要清除两个标志位，以免返回后重判其有效导致误操作。1001bb查询20h查询21h返回报警清除20h 21h图5-4 报警子程序总 结本机车自动换档系统主要是由几个独立功能的电路组成，线路向度复杂而程序相对简单。主要的芯片有：单片机at89c2051，译码驱动器cd4511，7段数码管，频压转换芯片lm331，霍尔传感器cs3020，3输入或非门，电磁继电器，报警器等。设计的核心技术在于用软件处理经过lm331比较后输出的信号进行换档，并实时显示换档的状态，同时报警提示。设计的难点在于频率电压转换部分电路的设计和单片机处理比较后的信号两部分。单片机用前端输入的比较信号作为外部中断源，在这里，由于机车自动换档组件是宏观的硬件而执行时间比较长，是秒级以上，因而采用低电平触发作为中断源会导致重判误判成下一次中断， 这会致使系统出现致命的错误，因此采用下降沿触发作为中断源，这在这个系统对同一个信号作为两个中断源是再好不过的，因为两个中断源是对立的，这两个中断源对前端信号的变化正好各自实现一个功能，在主程序中设置了两个标志位，这两个标志位是中断时设置的并贯穿应用于显示子程序、换档子程序、报警子程序，如果采用中断，在程序中有可能断点在三个程序中间，这样会导致前面的子程序还没执行而标志位也被清除，这里采用了中断查询方式，在三个子程序之前设置两个标志位，在三个子程序之后清除标志位，这就解决了断点位置无法确定导致程序的错误。在设该计中，仍然有些问题暂时无法解决，比如系统的抗干扰问题，这需要在今后的实践和学习中不断改善。经过几个月的努力，本人以完成了系统的软硬件设计，并通过多次实验和总结，制作出了本系统的实验板。该实验板具有一定的实用性和可观性了，可以用做相关理论教学的实验与显示。经过这次毕业设计，我深深体会到了开发一个系统的艰辛，