机车自动换档系统开题报告.doc

电气与信息学院毕业设计（论文）开题报告基于单片机的机车自动换档系统设计 余 飞 电子0443 张学敏 题目名称：报 告 人：专业班级：指导教师：基于单片机的机车自动换挡设计开题报告1、 课题的目的和意义 1研究目的搜集可行资料系统地运用所学的专业基础知识进行电路设计，选用合适的芯片、元件和控制算法实现信号采集、信号变送、输入处理、程序判断、功率放大输出的具体电路功能，以单片机为核心器件实现信号处理以及对外围电路系统的输出控制。可以根据情况在实验室模拟仿真训练。获取单片机外围电路设计和软件开发经验，为更进一步的研究、开发生活息息相关电子产品奠定良好的基础。研制以单片机为主芯片的电制控制单元（ECU）。在单片机实验室wave仿真系统上进行实验，验证和完善电路功能。将单片机输出控制信号控制外围电路并在线实验验证其控制性能。 2研究意义 计算机技术发展与嵌入式系统兴起：单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。在单片机诞生之前，为了满足工控对象的嵌入式应用要求，只能将通用计算机进行机械加固、电气加固后嵌入到对象体系（如舰船）中构成诸如自动驾驶仪、轮机监控系统等。由于通用计算机的巨大体积和高成本，无法嵌入到大多数对象体系（如家用电器、汽车、机器人、仪器仪表等）中。单片机则应嵌入式应用而生。单片机的单芯片的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具，单片机在生活的任一个方面的都关系着我们自身生活的水平。 我国汽车工业、机车工业有很长的发展史，在世界上是制造先进智能交通工具为数不多的国家，同样在其他智能产品虽然起步迟但同样达到一定的水平。在研究基于机车自动换档方面我国也达到了很高的水平，其功能已经很强大并不断的被完善。我们研究单片机机车自动换档以对我们生活中高尖端科技基本的了解，通过研究和学习一种产品技术以延伸到各个技术领域，例如：单片机技术在离我们生活相近的家电产品上面的运用。二、文献综述目前，机车也使用液力机械变速器的液压自动换档系统，但这种控制技术应用并不广泛，现在机械控制趋近于半自动和全自动控制的智能控制，电子集成技术和控制技术推进的人工智能控制运用各种自动机器或智能机器、使人机交流可以通过各个界面实现并且延伸和实现人的某些操作，实现信号的判断、处理、及执行等。智能控制的出现和发展促进了自动控制向非人工控制的方向发展。机械智能装置的设计将是新一代机械制动的研究方向。当前自动化技术日趋成熟，基于单片机高集成度控制系统已经出现，其集成包括了单片机系统智能传感器，网络通信等高新技术，构成了具有高性价比的智能化IC，这促进了自动化控制与智能控制的发展同步。 自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。 我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。 以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流. 众所周知，从20世纪60年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。在我国，不管中小型企业还是大型企业同样趋向于走的低成本工业控制自动化的道路。 工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。 目前单片机发展趋势主要有:低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 微型单片化,现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 主流与多品种共存,现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。 感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。改革开放20多年来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步，主要表现在：一是建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地；二是MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点；三是在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格的新产品；四是初步建立了敏感元件与传感器产业，2000年总产量超过13亿只，品种规格已有近6000种，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用；五是全国已有1688家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，其中从事MEMS研制生产的已有50多家。目前全行业正在执行“十五”计划，MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点。 三、研究（设计）内容和拟解决的关键问题 1研究内容（1）研究和设计基单片机自动换档设计前端信号采集处理电路。（2）建立前端模块、单片机核心、控制电路的设计模型，并实现仿真。（3）以AT89C2051单片机为主芯片的ECU电路，编程软件。（4）输出控制电路效果验证和更进。 2研究途径收集资料和文献，系统学习电路整体设计技术和单片机控制技术，按照单片机控制理论建立控制模型制定控制策略及选用适当控制算法，建立完整仿真模型并仿真，对控制部分进行调整。设计以AT89C2051单片机为主芯片、以两个霍尔速度传感器采集信号、8751集成电路或者门电路对信号整形、以LM331把脉冲信号转换成电压信号、采用施密特比较后输出比较信号、以单片机处理输出控制信号为输出信号的ECU电路，制作硬件并在线调试程序。 3技术路线（1）根据机车速度控制系统的实时性和精确性和机车节能性，选用精确信号处理芯片和节能的CHMOS或CMOS芯片相集合最佳值的控制策略，控制算法，以放大信号输出直接驱动的机车电磁阀为执行元件。（2）以ATMEL公司的8位高性能单片机AT89C2051为核心控制器研制机车换挡控制系统，并设计单片机硬件和软件系统。硬件设计采用Protel DXP制作原理图和印刷电路板，软件设计计划采用汇编语言编程，以有效提高软件开发和维护效率。（3）在线调试在单片机实验室WAVE仿真系统试验台进行，用两个不相关的滚筒速度代替车轮速度和柴油机速度，通过霍尔速度传感器测得两个滚筒速度速度，通过前端电路计算和比较出两个速度大小率信号，然后由单片机电路进行决策，输出信号控制固态继电器进一步控制速度电磁阀的开关，实现机车系统的加压、减压和保压控制以控制速度的过程，使制动过程保持在最精确速度比较率，达到良好的制动效果。 4拟解决的关键问题所要解决本课题的主要问题是：控制策略的开发和仿真，以及ECU的设计、调试。四、研究（设计）方案与进度计划安排 1研究（设计）方案：从设计的要求看，系统的完成是分模块设计的，那么在进行方案比较论证时，也是对各个模块进行方案论证，系统核心有主控制器和信号产生两部分，基于此，只对这两部分的方案选择进行说明。主控制单元的选择方案： 8031、8051、8751的比较8031/8051/8751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。 AT89C51、AT89S51的比较 AT89C51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0-24MHz；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。 AT89C1051、AT89C2051的比较AT89C1051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12MHz/24MHz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。 所以选用AT89C51或AT89S51一片，作为主控制器，实现速度比较信号采集与输出显示、按键扫描功能以及输出控制电磁阀等；我们选用AT89C1051或AT89C2051，因为目前AT89C51和AT89S51价格相当，固选用功能更好的AT89S51；因为在长春电子城中AT89C2051容易购买，所以选用了AT89C2051。速度比较信号产生模块的方案：方案一：完全采用TTL数字集成芯片，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。 方案二：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。COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片COMS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏COMS，该方案可以在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压，实现稍微困难，故不采用。方案三：考虑工作速度或功耗等方面的要求,需要采用多种逻辑器件混合使用。如TTL门电路和CMOS门电路混合使用,因而需要考虑TTL门电路与CMOS门电路的接口问题。TTL门电路和CMOS门电路由于电压和电流参数各不相同,这可以再设计中简单地实现两种芯片对接。 所以本设计采用方案二，作为速度比较信号产生模块 2进度计划安排阶 段起始日期终止日期进 度技术指标第一阶段2008.03.312008.4.13完成选题和资料收集，论证设计可行性全面丰富课题内容第二阶段2008.04.142008.04.27确定方案和技术关键，查找外文翻译符合理论要求，设计相关第三阶段2008.04.282008.06.8完成硬件设计和