机油压力电控系统设计及仿真课程设计说明书副本

1、 交通与汽车工程学院 课程设计说明书 课 程 名 称: 微机测控系统设计课程设计 课 程 代 码: 6010339 题 目: 机油压力检测系统 年级/专业/班: 2011 级汽车电子 1 班 学 生 姓 名: 郭路遥 学 号:5 开 始 时 间: 20142014 年 1212 月 2929 日 完 成 时 间: 20152015 年 0101 月 2020 日 课程设计成绩： 学习态度及平 时成绩（30） 技术水平与实际 能力（20） 创新 （5） 说明书（计算书、图纸、分 析报告）撰写质量（45） 总 分 （100） 指导教师签名： 年 月 日 目录目录 摘摘 要要.1 1 1 1 引引

2、言言 .2 2 1.1 问题的提出.2 2 1.2 任务与分析.2 2 2 2 方案设计方案设计与选择与选择 .3 3 2.1 机油压力电控系统设计及仿真设计方案论证 .3 3 2.2 第二方案的总体设计框图.3 3 3 3 系统硬件介绍系统硬件介绍 .5 5 3.1 主控芯片.5 5 3.2 LM106L 液晶显示器 .6 6 3.3 时钟电路.6 6 3.4 复位电路 .7 7 3.5 AD 转换电路 .8 8 3.6 传感器 .9 9 4 4 系统软件设计系统软件设计 .9 9 4.1 PROTEUS 软件环境介绍 .1 10 4.2 PROTEL 软件环境介绍 .1 11 4.3 系统

3、软件分析 .1 11 4.4 程序流程图.1 13 5 5 系统调试过程系统调试过程 .1 17 7 5.1 原理图和印制板图绘制和检查.1 17 5.2 KEIL 程序调试 .1 18 5.3 PROTEUS 仿真调试 .1 18 结结 论论 .2 20 0 致致 谢谢 .2 21 1 参考文献参考文献 .2 22 2 附录附录 摘 要 本次课程设计采用 AT89C51 单片机，通过 MPX4250 传感器模拟产生一个信号， 送入单片机进行处理，再从单片机 P0 口将电平信号送入数码管实现动态显示，并 在超过安全阈值时由单片机控制 LED 灯报警，至此完成机油压力检测，当机油压力 过高或过低

4、时通过电机对活塞阀进行控制。此说明书给出了系统的设计原理图，并 在 Proteus 软件中进行仿真实现设计功能。 关键词：关键词： AT89C51 单片机 MPX4250 数码管 蜂鸣器 机油压力 1 引 言 1.11.1 问题的提出问题的提出 机油压力对汽车运行起着重要的作用，机油压力过高或过低都会对汽车造成不良后 果，那么该设计一个怎样的系统来实时地监测汽车机油压力，并且当机油压力过高或过 低时对驾驶员做出提醒和控制机油压力回到正常呢？ 1.21.2 任务与分析任务与分析 汽车机油压力检测与控制系统是通过声音和图像信息让驾驶员了解机油压力的状态， 并根据情况采取相应措施。该系统利用 AT8

5、9C51 单片机作为微控制器，通过压变式压力 传感器对机油压力进行信号检测，传感器输出信号经数字滤波及 A/D 转换后输入 ECU， 经计算后在 LCD 屏幕上显示机油压力，同时将信号与设定的信号范围进行比较，当达到 不正常区间时通过报警线点亮报警指示灯，并通过电机对活塞阀进行控制。 设计的核心是以 AT89C51 单片机作为硬件电路的核心。应先在 protel99se 中绘制出 原理图并作相应的 ERC 检查，检查无错误后，在相应地方用文本标出注释；其次根据设 计思路确定出相应的程序设计方案，并选择最佳的方案，并在 Keil 软件里面进行程序的 编写和调试；最后在程序调试无误后在 Prote

6、us 中搭建虚拟的单片机仿真平台，并和 Keil 实现联调，并在 Proteus 中实现仿真结果。 2 2 方案设计方案设计与选择与选择 2.12.1 机油压力电控系统设计及仿真设计方案论证机油压力电控系统设计及仿真设计方案论证 第一方案 以单片机 AT89C51 为核心，通过 MPX4250 产生模拟信号，送入 ADC0804 进行模数转 换，然后送入单片机进行处理，同时通过电机对活塞阀进行控制，电路较为简单。 第二方案 以单片机 AT89C51 为核心，通过 MPX4250 产生模拟信号，经过放大、滤波、A/D 转 换，将数字信号送入单片机处理，然后 LCD 显示出压力值，且压力值超出正常

7、值时报警 灯闪烁，同时通过电机对活塞阀进行控制。 方案二在功能上更为健全，且报警灯电路简单，在要求不是很高的情况下更加经济， 所以采用该方案。 2.22.2 第二方案的总体设计框图第二方案的总体设计框图 直接对数码管进行片选，P2.0-P2.7 口作为段选位，输出要输出的数字，并在超过 安全阈值时通过单片机 P3.3、P3.4 口控制 LED 灯报警，P3.5 控制电机转动。设计思路 如图 2.1。 89C51 主 控 芯 片 图 2-1 机油压力检测系统设计框图 说明： 传 感 器 信 号 数码管显示 P0.0P0.7 P1.0P1.3 P2.0P2.7 VREF/2 P3.5 P3.6,P

8、3.7 ADC0804 位选 段选 电机控制油压 报警灯 通过信号发生器模拟机油压力传感器测得的机油压力信号，经放大滤波后， ADC0804 再将传感器传出的模拟信号转换为数字信号，主控芯片 89C51 通过对 ADC0804 传送进来的数字信号的处理，得出机油压力，送入 LCD 显示出来，并通过电机控制活塞 阀改变油压。 3 3 系统硬件介绍系统硬件介绍 3.13.1 主控芯片主控芯片 设计中所采用主控芯片为 AT89C51。因其价格便宜，在市场上已经很成熟，各个方 面都能够满足设计要求故选择它。其采用标准双列直插式引脚 DIP-40 大规模集成电路封 装。 它的引脚排列如下图 3.1 所示

9、 图 3-1 AT89C51 的引脚排列 引脚介绍： P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口 的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被 定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校 验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑 门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端 口拉到高电平，此时可作输入口。

10、作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚 被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与 AT89C51 不同之处是，P1.0 和 P1.1 还可 分别作为定时/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因 此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口 当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八

11、位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写 时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信 号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电 流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外 部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管 是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定

12、为 RESET；当/EA 端保持高 电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源 （VPP）。 3.23.2 LM016LLM016L 液晶显示器液晶显示器 LM016L 液晶模块采用 HD44780 控制器，hd44780 具有简单而功能较强的指令集， 可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L 与单片机 MCU 通讯可采用 8 位或 4 位并行传输 两种方式，hd44780 控制器由两个 8 位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR） 忙标志（BF），显示数 RAM（DDRAM），字符发生器 ROMA（CGOROM）字符发生器 RAM（CG

13、RAM），地址计数器 RAM(AC)。IR 用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR 用于 寄存数据，数据由内部操作自动写入 DDRAM 和 CGRAM,或者暂存从 DDRAM 和 CGRAM 读出的 数据，BF 为 1 时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM 用 来存储显示的字符，能存储 80 个字符码， CGROM 由 8 位字符码生成 5*7 点阵字符 160 中和 5*10 点阵字符 32 种.8 位字符编码和字符的对应关系，可以查看参考文献（30）中 的表 4. CGRAM 是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅 64 字节，可以自定义 8 个 5*7 点阵

14、字符或者 4 个 5*10 点阵字符，AC 可以存储 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址码随 指令写入 IR,则 IR 自动把地址码装入 AC，同时选择 DDRAM 或 CGRAM 图 3.2 机油压力显示设备 LM016L 液晶显示器 3.33.3 时钟电路时钟电路 本设计采用内部时钟方式的电路，其电路如图 3.3 所示。AT89C51 单片机内部有一 个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一 个稳定的自激振荡器。电路中的电容 C1 和 C2 典型值通常选择为

15、30pF 左右。晶体的振荡 频率的范围通常是在 1.2MHZ12MHZ 之间。晶体的频率越高，则系统的时钟频率也就越 高，单片机的运行速度也就越快。 图 3.3 时钟电路图 3.43.4 复位电路复位电路 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本次设计采用按键复位电路。 按键复位电路是在按键瞬间接地来实现的，其电路如图 3.4 所示。按下复位按钮后，电 源对按键 RESET 端维持两个机器周期的高电平实现复位的。 图 3.4 复位电路图 3.53.5 ADAD 转换电路转换电路 图 3.5 AD 转换电路图 /CS：芯片选择信号。 VREF：辅助参考电压。 /WR：用来启动转换的控制

16、当/WR 自 HI 变为 LO 时，转换器被清除；当/WR 回到 HI 时，转换正式 启动； /RD：外部读取转换结果的控制脚输出信号。 DB0DB7：8 位数字输出。 /INTR：中断请求信号输出，低电平动 AGND，DGND：模拟信号以及数字信号接地。 CLK IN，CLK R：时钟输入或接振荡元件（R，C），频率约限制在 100KHz1460KHz VIN（+），VIN（-）：差动模拟电压输入。输入单端正电压时，VIN（-）接地； VCC：电源供应以及作为电路的参考电压。 3.63.6 传感器传感器 金属电阻应变片式压力传感器的工作原理金属电阻应变片式压力传感器的工作原理 图 3.6a

17、传感器工作原理图 应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由 金属导体或半导体制成的电阻体，是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的 敏感器件。 图 3.6b 金属电阻应变片电桥电路图 图所示电路是输出端接放大器的直流不平衡电桥的电路。第一桥臂接电阻应变片 R1，其他三个桥臂接固定电阻。当应变片 R1 末发生应变时，由于没有阻值变化，电桥维 持初始平衡条件的 R1*R4=R2*R3，因而输出为零，即 Uout=A(Rl*R4-R2*R3)=0Uout=A(Rl*R4-R2*R3)=0 当应变片产生应变时，应变片产生R1 的电阻变化，电桥处于不平衡状态，此时

18、假设，并考虑到电桥初始平衡条件，省略去分母中的微量， 则上式可写成为 3.73.7 直流电机控制电路直流电机控制电路 当机油压力正常时电机正常不转动，当机油压力过高或过低时，电机控制电磁阀来 调节油压，并通过 Led 灯报警。 图 3.7 直流电机控制电路图 4 4 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 proteusproteus 功能特点功能特点 1原理布图 2PCB 自动或人工布线 3SPICE 电路仿真 革命性的特点 1互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如 RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器 件，部分 IIC 器件。 2仿真处理器及其外围电路

19、 可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图 的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置 的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus 建立了完备的电子设计开发环境。 4.24.2 ProtelProtel 软件环境介绍软件环境介绍 Protel 主要用于电路原理图绘制和 PCB 布线图生成。具有方便、易学、实用、快速 以及高速度、高步通率的特点。它采用了分层次下拉窗口菜单结构形式，用户基本上不 需要记背太多的键盘命令，用鼠标点击菜单命令就能操作，protel 有着很高的自动布线 布通率。Protel 已成为印制板设计

20、加工方面的工业标准，是电子产品制造业界的首选 CAD 软件。 4.3Keil4.3Keil u u VISIONVISION 软件环境介绍软件环境介绍 Keil C51 开发系统基本知识 系统概述 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil 的优势。下面详 细介绍 Keil C51 开发系统各部分功能和使用。 Keil C51 单片机软件开发系统的整体结构 C51 工具包的整体结构，Vision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos

21、的集成开发环境(IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开 发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件。然后分别由 C51 及 C51 编译器 编译生成目标文件（.obj）。目标文件可由 LIB51 创建生成库文件，也可以与库文件一 起经 L51 连接定位生成绝对目标文件(.abs）。abs 文件由 OH51 转换成标准的 hex 文件， 以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目 标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中。 使用独立的 Keil 仿真器时，注意事项 *仿真器标配 11

22、.0592MHz 的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频 率的晶振。 *仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。 * 仿真芯片的 31 脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内 ROM，不能使用 片外 ROM；但仿真器外引插针中的 31 脚并不与仿真芯片的 31 脚相连，故该仿真器仍可 插入到扩展有外部 ROM（其 CPU 的/EA 引脚接至低电平）的目标系统中使用。 4.44.4 程序流程图程序流程图 （1）主程序流程图）主程序流程图 N N Y Y 图 4-1主程序流程图 说明: 该流程图表明，在初始化 INT0 和 INT1 后，AD 转换器启动，压力值通过

23、 P1 口和 P2 口传到 LED 显示。然后程序通过和正常压力阈值比较，判断压力是否过低。如果超出正 常阈值，LED 灯闪烁，电机转动；如果在正常阈值内，LED 灯不亮，电机不转动。 初始化 INT0 和 INT1 启动 AD 转换 显示压力值 开始 控制模块，判断油 压是否过低 LED 报警 电机控制 （2）AD 转换模块转换模块 图 4-2AD 转换模块流程图 说明： AD 转换启动后，开始转换数据，待转换结束后触发中断，然后数据经传送给 P0 口， 并付给 adval，至此，数据转换和读取结束。 （3）控制模块）控制模块 图 4-3 控制模块流程图 说明： LED 不亮，电机 不转动

24、N Y LED 灯闪烁，电 机转动 返回 判断油压是否过低 开始 开始 启动 AD 转换 等待转换 转换完成 读取数据 通过将读取值与正常值阈相比较，判断油压是否过低，若是，LED 灯闪烁，电机转动； 若正常，LED 不亮，电机不转动。 （4 4）显示模块）显示模块 N Y 图 4-5 显示模块流程图 说明： 开始阶段将液晶显示器初始化，然后写入光标跳到目标位，单片机 P0 口控制 LCD 的 D0-D7 口，读入数据显示实时机油压力。调用延时程序，返回程序继续显示。 将写入光标调到目标位 判断数据是否写完 延时 开始 返回 初始化液晶显示器 5 5 系统调试过程系统调试过程 通过上面的设计，

25、设计已经基本完成。下面主要实现 Protel 99se 的原理图、印制 板图的绘制和相关检测，对 Keil 进行相应的检查和调试，并用 Proteus 对所设计系统进 行仿真用以验证设计的正确性及可行性。 5.15.1 原理图和印制板图绘制和检查原理图和印制板图绘制和检查 （1）在 Protel99se 绘制原理图并进行相应的 ERC 检查 打开 Protel99se，绘制系统的原理图。绘制完成的原理图如图所示。 图 5-1 原理图 ERC 电气规则检查结果: 图 5-2 ERC 电气规则检查结果 （2） 在 Protel99se 生成 PCB 图 在创建完原理图后，对各元器件的引脚进行封装，

26、在原理图中创建网络表(NET),然 后再 Protel 中新建 PCB 图并加载网络表。对于生成的 PCB 图中各器件进行调整，并布线。 布线结果如图所示。 图 5-3 PCB 布线图 5.25.2 KeilKeil 程序调试程序调试 程序调试结果如图所示。 机油压力 - 0 Error(s), 0 Warning(s).表示文件编译结果没有错误也没有警告。 图 5-4 程序调试通过示意图 5.35.3 ProteusProteus 仿真调试仿真调试 在 Proteus 中建立仿真图。结果如图: 1、转速大于 1800rmin 时 图 5-5 protues 仿真 1 2、怠速时 图 5-6

27、protues 仿真 2 结结 论论 本次课程设计是采用 C 语言的编写方式，来实现单片机对机油压力的采集和报警工 作，最后通过数码管来显示结果，设计结果总体还算满意。 通过这次的课程设计，我对所学单片机的知识有了更深入的了解，并得以将书本上 学到的单片机相关的知识与实践相结合，很好地促进了我们对所学知识的消化和吸收， 而且还培养了团队合作精神并提高了自学能力。 致致 谢谢 刚开始，对于课程设计我有点反感，不过通过这几天的实践，我发现课程设计确实 是巩固和学习知识的很好的方法。在这次的课程设计，让我认识到了专业知识学习的重 要性。写说明书的过程还让我意识到做事情应该有严谨认真的态度。 在课程设

28、计的过程中，各位老师，同学给予我很大的帮助。从最开始的基本设计思 想、仿真到编程、调试，他们都不厌其烦地给我解答问题，引导我一步步克服困难。当 然，本次设计的完成也离不开同学给我的建议和帮助。 在此，由衷感谢各位老师身边同学的帮助，谢谢他们帮我顺利完成本次课程设计！ 参考文献参考文献 1Protel99SE EDA 技术及应用徐峥颖编著，北京：机械工业出版社，2005 2单片机系统的 Protues 设计与仿真张靖武编著，北京：电子工业出版社，2007 3单片机原理及接口技术李朝青编著，北京：北京航空航天大学出版社，2005 4MCS-51 单片机应用开发实用子程序边春远编著，北京：人民邮电出版社，2005 5单片机应用技术刘守义编著，西安：西安电子科技大学出版社，2002. 6微型计算机控制技术潘新民，王燕芳编著，北京：电子工业出版社，2011. 附录附录 程序代码：程序代码： #include #include #include #include #define LCD P0 typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; /*LCD 显示屏控制*/ sbit RS=P22; sbit RW=P23; sbit E