基于单片机车辆检测器的设计

本科毕业设计论文 题 目 基于单片机车辆检测器的设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间 2014 年 6 月 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文毕业 任务书一、题目基于单片机车辆检测器的设计二、指导思想和目的要求（1）掌握运用所学理论知识分析解决工程实际问题的一般方法；（2）培养分析问题、解决问题和独立工作的能力；（3）通过毕业实习、毕业设计及毕业答辩全过程的训练，加强老师与学生之间、学生与学生之间知识的相互交流，互相渗透，培养学术研讨的好学风；（4）要求同学们以满腔的热情、科学的态度，严谨的作风、高度的责任感从事毕业设计工作；不得敷衍了事、马马虎虎、得过且过；提倡周密思考、大胆创新，反对死搬硬套、墨守陈规；提倡共同研究，反对相互抄袭；（5）要求遵守学校的各项规章制度，确保毕业设计顺利地、高质量地完成。三、主要技术指标智能交通系统（ITS）综合运用通信、控制、传感器和计算机技术，实现广域、全方位的运输与管理综合自动化，具备实时性和高效率。我国对 ITS 的研究和应用处于高速发展阶段。交通信息采集系统是 ITS 的重要组成部分，本课题针对高速公路的车辆信息采集，要求设计出基于飞思卡尔微控制器和线圈检测器的车辆监测系统，线圈车辆检测器性价比高、应用前景广阔。（1）通过对 ITS 和高速公路道路信息检测技术的学习，选择本设计采用的线圈检测器方案；（2）以飞思卡尔 MC68HC908 为控制核心，设计车辆信息采集及显示系统；（3）能够准确判断车辆有无，根据该信息控制挡车设备；具备当地显示功能，将车辆信息、输出控制信息显示出来；（4）与上位微机进行通讯；设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文（5）系统的软硬件实现。四、进度和要求（1）第 1-4 周收集资料，根据需要学习相关的硬软件；（2）第 5 周进行系统概要设计，提出设计的总体思想；（3）第 5-6 周，确定设计方案；（4）第 7-12 周，完成系统硬、软件的设计，针对设计中存在的缺点和不足，不断完善设计方案；（5）第 13-14 周，撰写并修改论文；（6）第 15 周，完成论文，准备答辩资料。五、主要参考书及参考资料车辆检测技术和车辆检测器；高速公路交通信息检测技术；智能交通系统相关资料。学生 指导教师 系主任 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文I摘 要随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥挤、阻塞现象日趋恶化，己成为日益严重的社会问题，单独考虑车辆或道路方面很难从根本上解决问题。车辆检测器是一种有效检测车辆的车流、车速和车辆存在的设备，在车辆管理和收费管理方面有广泛的应用。车辆检测器种类很多，有超声波车辆检测器、微波雷达车辆检测器、视频图像检测器等。环形线圈式车辆检测器，其价格低廉、准确度高，适应性强、可靠性高、漏检率低、使用寿命长、性能价格比合适等诸多优点，有很广阔的前景。论文详细论述了行驶车辆检测器的硬件电路组成与软件设计方法。课题以飞思卡尔 MC68HC08GP32 微控制器为控制核心，利用微控制器的定时器模块进行计数，捕捉当前频率，获得频率变化趋势，并根据当前的各种参数要求与基准频率比较从而判断是否有车到来。微控制器运算处理后采用继电器输出，控制外部设备如挡车器的电动机启动和停止，并将车辆的有无状态和开关量继电器输出状态通过外围的发光二极管显示电路进行显示，同时通过 MC68HC08GP32 的异步串行通讯接口 SCI，将车辆的有无状态和数据上传到收费和管理计算机上。通过基于飞思卡尔 MC68HC08GP32 微控制器车辆检测器的硬件电路和软件设计，仿真结果表明，达到了车辆检测的目的，下一步可进入样机制作，完全可以进行批量生产，应用到工程之中。关键词：环形线圈；车辆检测器；微控制器；耦合振荡西北工业大学明德学院本科毕业设计论文IIABSTRACTAs the development of the urbanization and increasing numbers of cars, the outlet brought to traffic in the central city is exacerbating and becoming the serious social problem, which cannot be solved only through auto cars and roads. However, here, the vehicle detector has wisely used in vehicle and charge control, which can measure the cars fluid, speed and existence. There are many kinds of detectors, such as ultrasonic detector, microwaved-radar detector, and visible image detector. One of the detectors, loop-coil detector, which owns low price, high accuracy plasticity and reliability, shows its expansive foreground.This essay particularly describes the detectors hardware in module and software in design. It uses the Motorola MC68HC08GP32 microcontroller as the core, counts by the micro controllers time module, captures the input frequency, gains the trend through exchange frequency, together with the comparison of the current data to judge that whether the car comes. After the microcontrollers calculation, it is outputted by relay, to control the device such as electromotor.start-up.or stop, and reveals the current situation, meanwhile, through the MC68HC08GP32 communication adapter SCI, transports the data to the charge and control computer.In order to be completely used for the continuous production of the projects, this design is based on Motorola MC68HC08GP32, which is with the help of its micro detectors hardware tele-cycle and software design, to detect the cars existence, reach the goal of autocars detection.KEYWORKS： loop-coil;vehicle detector;motorola microcontroller;coupled resonance西北工业大学明德学院本科毕业设计论文III目 录摘 要 .I第一章 绪论 .41.1 课题研究的目的和意义 .41.2 微控制器的发展 .51.3 我国交通控制系统发展现状 .6第二章 MC68HC908GP32 概述 .8第三章 基于 HC908 的车辆检测器的总体设计 .103.1 交通控制的基本类型 .103.2 车辆检测器的分析与选择 .103.3 检测模块的原理 .123.4 检测单元的等效电路 .123.5 微控制器 .143.6 总体方案确定 .15第四章 系统硬件电路设计 .164.1 微控制器最小系统的设计 .164.1.1 晶振电路设计 .174.1.2 复位电路的设计 .184.1.3 锁相环电路设计 .184.2 电源模块的设计 .194.3 地感线圈检测模块的设计 .194.4 显示电路设计 .204.5 串行通讯接口电路的设计 .21第五章 系统软件设计 .245.1 系统主程序设计 .245.2 子程序设计 .265.2.1 初始化子程序 .265.2.2 中断子程序 .275.2.3 显示子程序 .285.3 SCI 发送程序的设计 .29结 论 .33参 考 文 献 .34致 谢 .35毕业设计小结 .36附 录 .37西北工业大学明德学院本科毕业设计论文4第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义随着经济的发展，智能交通已在我国悄然兴起。在智能交通系统中，道路交通流量信息实时、有效的检测是交通信息系统的关键环节。目前不少专家学者已运用各种先进的检测手段进行了交通参数检测器的开发研制。这些检测器在一定的工作条件下取得了较好的检测效果，但也存在着一些不足。例如超声波检测器的检测精度不高，检测距离短，容易受到外界环境因素影响；红外检测器受车辆本身热源和工作环境的影响，抗噪声的能力弱：视频检测器检测精度受测量区域背景和车速的影响，存在图像处理计算量大、实时性差的缺陷。环形线圈检测器出现于 20 世纪 60 年代，是目前交通控制中应用最广的交通量检测器。随着电力电子技术、控制理论及计算机技术的飞速发展，基于环形线圈的车辆检测器也在不断改进，这里提出了一种基于环形线圈车辆检测系统的整体设计方案，并详细讨论了交通参数的计算方法。高速公路区别于一般公路的本质特征在于车辆行驶高速、快捷、安全、舒适。然而，交通事故、车辆抛锚、货物散落和气候变化等不可避免的偶发事件如果不能及时发现和处理，势必造成交通阻塞甚至引起交通事故。高速公路监控系统的作用就在于实时监测这些偶发事件的信息，并采取及时有效的控制措施予以解决。具体来说，其作用如下：(1)实时采集高速公路交通状况发生异常变化的信息，并及时对信息进行科学的处理通过可变情报板和路侧广播予以发布，向司机通报路况；(2)向道路使用者实时提供最佳行驶路线和运行速度，通过可变限速标志、可变情报板、匝道控制设备和交通地理信息系统(GIS)来实现高速公路网上交通流的动态平衡；(3)向医院、公安等救援部门以及服务区、养护工区等沿线机构发送突发事件信息和有关指令；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文5(4)机电设备运行信息监控，包括设备运行状态的显示与控制、路由之间的探测与响应、链路与传输延迟检测、设备配置参数跟踪与网管数据测试等。1.2微控制器的发展微控制器(MCU)的出现将近有三十年的历史，在我国得到广泛应用也有二十多年了，可以说微控制器 MCU 技术已成为当今科学技术现代化的重要工具。许多大学和专科学校也相继开设有关微控制器的课程，特别是对于自动化、计算机应用等近年来较热门的专业，微控制器技术已经成为其主干课程之一。我国的微控制器市场曾经一度为 MCS-51 垄断，直到九十年代初才出现MCU 的多元化发展。同样，在我国 MCU 研究应用绝大多数是以 80C51 为主，这与日益增加的 MCU 种类多样化应用情况并不相符，从某种角度来说，不利于 MCU 的应用和发展。微控制器的发展逐步走向成熟，一方面性能更高、功能更多的 16 位、32位机的发展，另一方面优于 8 位单片机用得最多，因此 8 位单片机也在不断地采用新的技术，以求更高的性能价格比。随着技术的发展，各公司推出的 8 位机（1）价格更低;（2）使用更加方便，因为内部含有 EPROM 或 ROM，所以一般应用中不需要外部扩展总线，使得电路结构简单，体积减小，稳定性提高；（3）功耗更低，使用 CMOS 低功耗电路，又有省电工作状态；（4）闪速存储器的应用，闪速存储器可实现大规模的电擦除，它既可以作为程序存储器又可作为数据存储器。Motorola8 位微控制器 MC68HC05 从出现至今已有近 20 年的历史，应用范围极其广泛。1999 年推出新一代高档 8 位微控制器 MC68HC08 系列产品，其功能强、成本低、功耗低、开发容易等优点，成为今后 8 位微控制器应用领域的主流机型。另外 Motorola 公司把 8 位微控制器，如 MC68HC908 归类于CSIC（ Customer Specified Iintegrated Circuit）意为用户定义的集成电路；把MC68HC908 微处理器看作库元件中的一个。库元件还有各类存储器，如RAM、ROM、EPROM、EEPROM、Flash（闪速存储器）等不同容量的模块，以及各类 I/O 模块，如并行口、串行口、定时器、A/D 变换器、脉宽调制器、DMA（存储器直接存取）控制器、网络通信控制器等。用户可根据自己应用西北工业大学明德学院本科毕业设计论文6的需要，任选若干模块构成自己的专用集成电路。1.3 我国交通控制系统发展现状成熟高效的城市交通信号控制系统能够有效地减少城市交通拥挤和行车延误、降低交通事故发生率和死亡率、减少能源消耗、改善交通环境，从而产生可观的社会经济效益。随着计算机技术和自动控制技术的长足发展，交通流理论以及交通运输组织与优化理论、技术的不断提高，国内外出现了一批成熟高效的城市道路交通控制系统。国内交通信号控制系统起步较晚，20 世纪 70 年代北京市采用DJS130 型计算机对干道协调控制进行了研究；20 世纪 80 年代以来国家一方面采取引进与开发相结合的方针，先后建立了一些城市道路交通控制系统；另一方面投入力量研发城市交通信号控制技术，开发适应我国以混合交通为主要特点的智能交通控制系统。海信 HiCon 交通信号控制系统： HiCon 交通信号控制系统是青岛海信网络科技股份有限公司开发的从路口信号机、通信服务器到区域控制服务器、中央控制服务器的整套智能交通解决方案，包括 HSC)100 系列交通信号机、HiCon 交通信号控制系统软件、CMT 交通信号机配置与维护工具软件。系统针对混合交通的现状建立了机非混合控制模型来控制混合交通流；采用多层次分布式控制结构，分为控制平台层、控制中心层、通信层和路口 层四层；具有完整的算法体系，包括区域协调控制算法、感应式协调控制算法、行人二次过街算法、城市快速出入口与城市路口的协调控制算法以及突发事件的检测算法，支持 NTCIP 开放协议，满足最新的国家标准。深圳市 SMOOTH 交通信号控制系统：SMOOTH 交通信号控制系统采用分布式控制模式、三层体系结构、大型数据库、多服务器协同处理；针对深圳市高饱和度、高复杂度、高期望值的交通需求，和规律性、可变性、随机性相结合的交通特征，采用了灵活有效的控制策略，在平峰时段追求通行能力最大，高峰时段追求拥挤度最小；系统吸收了 KATNET 系统识别交通状态的方法、SCOOT 系统 /临近预测 0 的策略以及 SCATS 系统战略控制与战术微调相结合的手段，提出了基于交通状态识别下的多目标决策控制策略以及单路口自适应西北工业大学明德学院本科毕业设计论文7控制和路网区域协调控制相结合的综合解决方案。展望：现代城市交通信号控制系统不再是仅控制交叉口交通信号，而是集交叉口交通信号控制、城市区域信号控制和城市快速路及高速公路交通信号控制于一体。日益增加的交通需求和交通压力要求我们必须综合利用各种新理论和新技术创新发展交通信号控制系统。 (1)要大力发展公交优先。优先发展快速公交，在硬件设施上保证和实现公交优先；大力发展以射频识别技术为主的公交优先交通信号控制系统，出于安全考虑尽可能不要发展基于全球定位系统的公交优先交通信号控制系统。 (2)要深入研究我国交通特点，特别是针对混合交通比重大、自行车数量多的特点，研究和开发高效的自适应控制模型和优化算法。 (3)系统发展要标准化和模块化。标准化才能打破传统的封闭局面，吸引更多的商家和力量投入到系统发展中来；实现设备通用化，引入同业竞争从而促进交通信号控制系统更好地发展；模块化则有利于系统的开发研制和升级换代。 (4)控制方式要智能化。要充分利用近年 来长足发展的人工智能技术、自动控制技术、信息融合技术、计算机技术以及通信技术，把模糊控制、神经网络、遗传算法、混沌理论以及专家系统等理论技术应用到实际控制系统中，充分利用多种来源的信息，充分考虑交通系统的非线性、模糊性和不确定性，真正实现智能化的交通控制。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文8第二章MC68HC908GP32 概述MC68HC908GP32 的功能结构：图 2-1 40 脚 PDIP 引脚图（1） VDD 和 VSS：电源供给端（2） OSC1 和 OSC2：片内振荡器引脚（3） RST：外部低有效复位输入或输出脚，有内部上拉电阻（4） IRQ：外部中断输入脚，有内部上拉电阻（5） VDDA 和 VSSA：时钟发生器模块（CGM ）的电源供给端（6） CGMXFC： CGM 的外部滤波电容连接脚（7） VDDAD 和 VSSAD：A/D 转换器电源供给端（8） VREFH 和 VREFL： A/D 转换器的高和低参考电压输入端（9） PTA7/KBD7PTA0/KBD0：8 位通用双向 I/O 口，每个可编程为键西北工业大学明德学院本科毕业设计论文9盘输入脚，作输入时，每个可选择有上拉电阻（10） PTB7/AD7PTB0/AD0： 8 位通用双向 I/O 口，可用作 A/D 输入（11） PTC6PTC0：7 位通用双向 I/O 口。作输入时，每个可选择有上拉电阻（12） PTD7/T2CH1PTD0/ SS：8 位特殊功能、双向 I/O 口。PTD0PTD3 可用作 SPI 脚，PTD4 PTD7 可分别用于定时器模块（TIM1 和 TIM2） 。在作输入时， ，每个可选择有上拉电阻PTE1/RXD、PTE0/TXD: 2 位通用双向 I/O 口。它们可用作 SCI。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文10第三章基于 HC908 的车辆检测器的总体设计3.1 交通控制的基本类型 按控制思想划分，可分为被动式控制和主动式控制。（1）被动式控制交通信号控制系统交通信号是被动地控制交通流变化，控制思想以在道路上的交通为主体，选取适当的控制方案(或控制参数)或联机实时生成控制方案(或控制参数)控制信号变化，使之适应交通的需求。表面上看交通是受信号指挥的，而实质上交通信号则是根据交通需求而变化的。前面讲的交通信号控制都属于这样的控制系统。（2）主动式控制交通自动化路径诱导系统交通自动化路径诱导系统能根据司机所在的位置和行驶的目的地等信息，给出优化的行驶路径和丰富的交通信息，对所控区域内行驶的车辆发出指令和忠告。这种系统的特点是把人、车、路综合起来考虑，并通过车辆诱导来改善路面交通系统，防止交通阻塞的发生，减少车辆在道路上的逗留时间，并最终实现交通流在区域内道路系统的合理均匀分布，从而预防交通阻塞的发生。3.2车辆检测器的分析与选择 一个完整的交通控制系统需要有一个准确、可靠的信息采集和监控系统，它将来自底层的实时数据收集起来，准确、迅速地通过高速信息传输网送交后台进行分析和处理，新的控制决策再重新下载到各控制器中进行交通参数的优化。（1）超声波式车辆检测器超声波式车辆检测器，由超声探头和检测单元组成，利用超声波反射时间差的变化来检测车流量、车高及占有率等参数。车速及车长的检测原理同环形线圈式，都是利用车辆通过两只传感器的时间差求得，车型判别可利用车高及西北工业大学明德学院本科毕业设计论文11车速求得.缺点：检测精度低，检测域为锥形，无法适应车型和车辆高度的变化，存在车辆相互遮挡时的漏检问题。严重拥挤时，误报率也较大，抗干扰能力弱，6 级以上大风使检测声束产生漂移，无法正常检测。（2）微波雷达式车辆检测器雷达检测器主要由发射器、接收器、收发的天线与运算单元(信号处理器)构成。主要原理是利用雷达天线发射出电磁波，当有物体(车辆)经过时，则会将波反射回来，再由雷达检测器接收并计算处理。缺点：传输频率受管制，车长辩识精度低，占道车测量精度低。（3）视频图像式车辆检测器视频图像式车辆检测器由闭路电视摄影机、终端控制器和图像处理器等设备构成。技术原理是用图像处理器分析由闭路电视摄影机所拍摄的数字化图像，用算法对图像初步处理，去掉多余信息，接着对图像进行分区，按一定算法对各分区图像处理，提取特征信息。根据特征信息进行车辆计数、分类。根据相邻图片计算车速，最后在拍摄区域内跟踪所辨识出的车辆。缺点：受环境干扰，及恶劣气候影响(雨、雾、雪)，夜间要求为路面提供足够的亮度，检测精度一般，价格高。（4）环形线圈式环形线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感器是一个埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈（一般为2米1.5米），当车辆经过环形线圈时，车辆自身铁质切割磁通线，引起线圈回路电感量的变化，检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在。各式车辆检测器之中，以环形线圈式使用最广、历史最久，优点是价格低廉、精确度高，且有较多的使用经验。超声波式也在一些国家有十余年的使用历史，其余如微波式、红外线式及图像式等属于较新产品，实际工程经验并不多。虽然环形线圈检测器有其安装不方便的缺憾，但是，由于它具有如下优点：检测参数精确度高、适应性强、可靠性高、漏检率低、使用寿命长、性能价格比合适等诸多优点，因而目前在工程上应用最广。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文123.3检测模块的原理 环形线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感器是一个埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈（一般为 2 米1.5 米） 。环形线圈做为传感器是与车辆检测仪配套使用的，一般将电缆绕四匝制成空心线圈，埋设于车道的路面下，通过馈线于检测仪相连，检测系统的组成如图 3-1所示。环形线圈馈线检测仪图 3-1 检测系统示意图线圈加馈线后的电感量为 202500H（随频率而变） ，用 50Hz 电源检测，线圈本身约为 100150H 加馈线后约为 200250H，我们知道，车辆经过环形线圈时电感量会发生变化，有资料指出，当线圈上方有机动车辆通过（或存在）时线圈电感量明显减小 5%左右。检测仪用高频信号驱动环形线圈，当环形线圈中有高频电流通过时，在环形线圈的周围就产生了交变的电磁场，这时，若有车辆从环形线圈上通过，由于车体一般是由铁磁材料构成的，这就改变了线圈周围空间的导磁率，有使线圈的电感量增加的作用。另一方面，交变的电磁场使车体内产生了感应电流，这种电流又叫做涡流，也会产生自己的磁场。根据楞次定律，感应电流产生的磁场，总是反抗引起感应电流的磁场的变化，即车体中涡流的磁场对环形线圈的磁场有去磁作用，这又有使环形线圈的电感量减小的作用。车辆经过时线圈的电感量变化，根据涡流检测的有关理论，由于集肤效应的存在，涡流在金属体中的贯穿深度与激励线圈的工作频率有关。因此，涡流的大小和它对环形线圈的影响也将随着频率的变化而变化。从而导致信号频率变化，用检测电路检测频率的变化，就可以达到检测车辆的目的。3.4 检测单元的等效电路 环形线圈与被测车辆之间是通过电磁场耦合的，从电路的角度来看，它是通过互感相互影响的。一辆机动车，不管它的形状多么复杂，当它通过环形线西北工业大学明德学院本科毕业设计论文13圈，并处在一定位置时，在车体中引起的涡流将是一定的，而涡流对环形线圈的影响也是一定的。这就是说车辆可以被等效的看成是具有一定电路参数的电路，车辆与环形线圈之间存在着一定的互感。于是，我们把环形线圈看成是由电阻 Rd 和电感 Ld 串联组成的，把正在通过环形线圈的汽车看成是由电阻 Rc 和电感 Lc 串联组成的短路环，此短路环通过互感 M 与环形线圈相耦合。其等效电路如图 3-2 所示。A CR dR ci d i cML dL cU m s i n t图 3.2 车辆传感器的等效电路环形线圈由高频信号源驱动，设信号电压为 ，且 ，Urtmsin为回路电流。因此可计算icd,（3.1） 2222 ccdccdrLRMjLRMI 式(3.1)的分母即为有车通过环形线圈时，环形线圈的等效阻抗，其中实数部分为等效的损耗电阻，它是互感系数 M 的函数。显然，当车体与环形线圈之间的距离减小时，M 就增大，等效的损耗便增加。式（ 3-1）分母的虚数部分为等效阻抗，其等效电感为：（3.2）22ccdLRL其中第一项 Ld 的变化幅度与车辆材料的导磁率有关，第二项与电涡流的效应有关。负号表示电涡流的效应是使线圈的等效电感量减小。当有车通过环形线圈时，L 的值将减小。式（3.2）的等效电感正是环形线圈车辆检测仪所要检测的参数，由此可以看出等效电感的变化量还与互感系数 M 有关。很显然，西北工业大学明德学院本科毕业设计论文14车辆覆盖线圈的面积愈大，车辆的底盘愈低，则互感系数 M 越大，检测灵敏度越高，车辆更容易被检测到。环形线圈作为振荡电路中谐振回路的电感，当其电感量变化时，振荡频率也会发生相应的变化，环形线圈检测器有环形线圈的等效电感 L 和一定值的电容构成 LC 振荡器，其振荡频率为：（3.3）LCf21显然，当车辆通过环形线圈时，L 变小，则 f 增大，通过检测电路测得其频率的变化，从而可判断有无车辆通过。3.5微控制器微控制器用最简单的叫法就是叫单片机。单片机由三大部分组成：中央处理器（CPU） 、存储器，包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）以及输入输出（I/O）接口。单片机指的是把这 3 部分做在一片集成电路芯片上。微控制器主要是用来进行控制的。对以微控制器构成的系统，要求有实时、快速的外部响应，能迅速采集到大量数据，做出逻辑判断与推理后实现对被控制对象的参数调整与控制。MC68HC908GP32 微控制器的主要特点为：（1）采用模块化设计，各种不同型号微控制器由不同模块组成。（2）含片内监控 ROM，为用户提供了在线编程及在线调试等功能。（3）具有特色的 Flash 取代片内 EPROM 和 ROM，其价格低于相同容量的OPT 型微控制器。（4）具有锁相环电路，可以使用 32kHz 的晶振产生 8MHz 的总线速度，大大降低了干扰。MC68HC908GP32 微控制器以 8 位的 CPU08 为中央处理器，CPU08 是与CPU05 指令代码向上兼容的 CPU，但性能更好、速度更快。它具有 32K 片内FLASH，可以很方便地进行在线编程。用户即可利用编程器将代码写入芯片，反复擦写进行调试，也可以利用芯片内的程序来与 PC 通讯，进行程序在线下载和调试。MC68HC908GP32 微控制器属于嵌入式单片机，面向测控对象，嵌西北工业大学明德学院本科毕业设计论文15入到实际应用系统中实施控制。3.6总体方案确定本方案以 MC68HC908GP32 为核心，通过对其进行软件编程，实现该微控制器对其外围电路的实时控制，并提供给外围电路个种所需的信号，包括频率振荡信号、数据处理信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于是采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其它更多的功能设计进去，该方案的系统结构框图如图 3-3 所示。整个系统可靠运行的重要环节就是车辆检测器。通过行驶车辆检测器检测车辆的行驶信息。地感线圈通过馈线与谐振电路相连，当铁磁性的车体通过地感线圈时，通过谐振电路将电感量的变化转换成频率的变化。单片机是整个系统的核心，通过单片机计数器进行计数，不断读出数据即读出当前频率，获得频率变化趋势，并根据当前的各种参数要求与基准频率比较从而判断是否有车到来，最后输出不同的状态信号供外部设备使用。同时通过标准串口 RS-232C将获得的信息传出。图 3-3 系统结构框图西北工业大学明德学院本科毕业设计论文16第四章 系统硬件电路设计4.1微控制器最小系统的设计最小系统包括晶振电路、复位电路。另外也将锁相环电路放入该节中介绍其原理图如图 4-1 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 29-May-2007 Sheet of File: F:Protel丁丁丁丁丁.Ddb Drawn By:Vdda(PLL)1 Vssa(PLL)2CGMXFC3OSC24 OSC15RST6PTC07 PTC18PTC29 PTC310PTC411PTE0/TxD12 PTE1/RxD13IRQ/Vpp14PTD0/SS15 PTD1/MISO16PTD2/MOSI17 PTD3/SPSCK18Vss19 Vdd20 PTD4/T1CH0 21PTD5/TICH1 22PTB0/AD0 23PTB1/AD1 24PTB2/AD2 25PTB3/AD3 26PTB4/AD4 27PTB5/AD5 28PTB6/AD6 29PTB7/AD7 30Vddad/Vrefh(ADC) 31Vssad/Vrefl(ADC) 32PTA0/KBD0 33PTA1/KBD1 34PTA2/KBD2 35PTA3/KBD3 36PTA4/KBD4 37PTA5/KBD5 38PTA6/KBD6 39PTA7/KBD7 40MC68HC908GP32U1MC68HC908GP32R310KPB1C120.1uR651U332768C120PC215P R410MR5150KR210KC130.47UC70.1UVCCVCCVCC图 4-1 最小系统晶振电路采用的元件有石英晶体 U3，电容 C1、C2，反馈电阻 R4，串行电阻 R5。参考晶振厂家给出的典型值，取 C1=20P，C2=15P，C1 与 C2 值略有差异，是为了晶振电路顺利起振。晶振采用 32.768KHz。R5 取 150K，R4为 10M。PLL 电路采用的元件有：C7 为 PLL 电路的跨接电容，用于稳定锁相环电西北工业大学明德学院本科毕业设计论文17源引脚，本设计 C7 取为 0.1F。C13 和 R2 构成滤波网络，为芯片内部的锁相环电路提供误差电平。时钟部分会对其它电路造成干扰，在电路板布线时将时钟电路的外接器件都用地线围绕起来。电路板空间允许晶振采用卧式安装，将外壳焊接在地上，最大限度的减小对外界的电磁干扰。4.1.1晶振电路设计其中晶振电路有片内的反向放大器、整形电路及外界的晶体组成。OSC1引脚为输入引脚，将信号引入片内的反向放大器，OSC2 为输出引脚，如图4.2 所示。O S C 2O S C 1晶振电路( O S C )S I M寄存器中的S I M O S C E NC O N F I G寄存器中的O S C S T O P E N BC G M X L KC G M R C L K图 4.2 晶振电路结构CGMXCLK 信号为晶振电路的输出信号，频率等于外界晶振的标称频率。CGMXCLK 信号经过缓冲后产生 CGMXCLK 信号，作为锁相环频率合成器的参考时钟。晶振电路有两个控制信号。分别是 SIM 寄存器中的 SIMOSCEN 位和 CONFIG 寄存器中的 OSCSTOPENB 位。CGMXCLK 信号还可以作为微控制器中其他需要精确时钟信号的模块的输入。需要注意的是，又于外接晶振电路使用分立元件，元器件的分布参数及环境因素，如温度、湿度等都会对时钟信号的精度产生影响。微控制器的晶振电路是一个强噪声源，由于工作频率高，很容易对系统其他电路造成干扰，所以在电路布局的时候要尽可能的缩短与晶振电路有关元器件的引脚。本系统采用 32kHz 的晶振，可以产生 8MHz 的内部总线时钟。CGMXCLK 是晶振电路的输出信号，也是 PLL 电路的参考时钟输入，其西北工业大学明德学院本科毕业设计论文18频率可通过可编程欲分频电路输入 PLL。4.1.2复位电路的设计复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使 CPU 和系统中其他部分都处在一个相同的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的整个复位电路包括芯片内、外部分，外部电路产生的复位信号通过复位引脚 RST 进入片内斯密特触发器在与片内复位电路相连。单片机的外部复位电路由上电自动复位和按键手动复位两种。上电复位利用 R3 与 C12 组成的充电回路进行充电来实现。在按键手动复位中，本系统采用的是按键电平复位，按键按下后输出低电平，系统进行复位。4.1.3锁相环电路设计锁相环电路是一个负反馈环路，它通常有基准频率源、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器组成。其结构框图如图 4-3 所示。基准频率源提供一个频率稳定的信号，其频率为 fr，一般用精度很高的石英晶体振荡器产生，是锁相环的输入信号。鉴相器是一个误差检测元件。它比较基准频率源的输出信号相位（设为i）和压控振荡器的输出信号相位（设为 o）输出一个电压信号 ud，其大小取决于两个输入信号的相位差。然后，u d 通过低通滤波器滤除高频分量，输出控制电压 uo 去控制压控振荡器。压控振荡器的输出信号频率 fo 与控制电压 uo 成一定比基准频率源 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器分频器f r i 0u du 0f 0f f图 4-3 锁相环频率合成器结构图例，而分频器将锁相环的输出信号反馈给鉴相器，形成一个负反馈，从而使输西北工业大学明德学院本科毕业设计论文19入信号和输出信号之间的相位差保持恒定。当环路处于稳定状态时，输出和输入之间存在一定量相位误差。而对于输入信号频率和输出信号频率而言，二者是成比例的，这时环路处于锁定状态，这是锁相环路的一个特点。用这种方法可以得到非常精确的频率控制。而其他的频率控制方法，在稳态时总是存在一定的频率误差。4.2电源模块的设计本系统设计中使用的电源为+5V 直流电源，作为 MCU 及其外围电路、耦合振荡电路、显示电路的电源。硬件电路原理如图 4-4 所示。1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBATitleNumber RevisionSizeA2Date: 26-May-2007 Sheet of File: C:Documents and Settings丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁丁8.DDBDrawn By:12JP5CON2C5100UVin1GND2+5V 3U10MC7805TC60.1UD1POWERR1390VCC图 4-4 直流电源系统的供电电源是直流电，通过滤波后输入到稳压电路，稳压电路采用集成的三端稳压器 MC7805T，1 管脚为电路的输入端，输入电压范围是在+6.5V与+35V 之间，3 管脚为稳压块的 5 伏输出端。MC7805T 价格便宜，使用方便，内部带有完善的保护电路。电容 C5、C6 实现电源的滤波，保证了微控制器系统所需要的干净的电源。同时，3 管脚的输出通过电阻 R1 的降压限流使发光二极管亮，作为电源正常的显示。4.3地感线圈检测模块的设计地感线圈通过馈线与谐振电路相连，当铁磁性的车体通过地感线圈时，通过谐振电路将电感量的变化转换成频率的变化。单片机是整个系统的核心，通过单片机计数器进行计数，不断读出数据即出当前频率，获得频率变化趋势，西北工业大学明德学院本科毕业设计论文20并根据当前的各种参数要求