汽车侧滑位移测量系统设计

SHANDONG 毕业设计说明书 汽车侧滑位移测量系统设计 学 院：电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 陈绍友 学 号： 0812102147 指导教师： 孟天星 2012 年 6 月 摘 要 I 摘 要 为使汽车具备转向轻便、准确和行使稳定等性能，在汽车设计制造过程中， 在转向轮上设计了专项定位参数，但在汽车使用过程中，由于车架、转向机构 的变形与磨损，很容易造成以上定位参数失准，导致行车中转向车轮向前滚动 的同时产生滑移，即车轮侧滑。而车轮侧滑会造成滚动阻力增加、行驶方向稳 定性变差、轮胎磨损加剧、运行油耗增加以及转向沉重等问题，进而影响汽车 的使用性能和经济性能，也比较容易造成行车事故。为了防止定位参数变形过 量，保障车辆行驶安全，国家相关标准规定：车轮侧滑量应小于或等于 5 m/ km。所以，定期对汽车转向轮侧滑量进行检测，发现问题并及时排查，对汽车 的使用性能、经济性能及驾驶员和行人的人身和财产安全都是具有重要意义的。 本设计的核心是 MCS51单片机，其配有少量外围电路，集自动检测、判 别、报警及数显于一体，具有精度高、速度快、体积小、造价低、稳定可靠等 特点，因此具有一定的可行性和现实意义。 关键词：关键词：侧滑；位移传感器；单片机；动态检测；串行通信 Abstract II Abstract Design of Car skidding measurement system Abstract In automotive design, in order to make it to the light, accurate and stable performance of the steering wheel on the design parameters of the special positioning, but in the process of the use of motor vehicles trailers because to the deformation and wear, that is, the wheels spin. Wheel spin will cause rolling resistance increased on the direction of stability deteriorate, tire wear intensified, running a heavy fuel consumption to increase, and such phenomena, the impact of the use of vehicle performance and economic performance, and likely to cause traffic accidents. In order to prevent excessive deformation positioning parameters, traffic safety protection, national standards require that the spin of the wheel should be less than or equal to 5 m / km. Therefore, regular car to spin round of testing, investigation and found problems in a timely fashion， the cars performance and economic performance is of great significance. Car skidding test-bed for the application of conditions，intelligent instruments to detect the expected functions and the main technical indicators. Design a new spin detection system， and gives its working principles，hardware and system software de- sign. Through the input and output circuit and pose the SCM system， Measurement system can also be measured through the serial port to send the results to the top of the plane. This paper describes the digital spin to MCS- 51 microcontroller as the core, with a small amount of external circuit, set automatic detection, discrimination, and a number of significant alarm in one, with high precision, speed, small size, low cost , Stable and reliable characteristics. Key words：side slip; displacement sensors; microcontroller; dynamic testing; serial communication 目 录 III 目 录 摘 要I ABSTRACTII 目 录 .III 1.1 背景 .1 1.2 汽车检测技术的发展趋势.1 1.3 汽车侧滑的提出 .3 1.3.1 设计目的.3 1.3.2 汽车侧滑的原因.3 1.3.3 侧滑量对汽车的使用性能的影响.3 1.4 对汽车侧滑量的测量要求.4 第二章 系统方案设计 .6 2.1 单板侧滑台介绍 .6 2.2 侧滑实验台设计 .6 2.2.1 侧滑实验台工作原理.6 2.2.2 侧滑试验台的主要参数.7 2.3 侧滑试验台的维护和使用方法.8 2.3.1 侧滑实验台在使用前的准备.8 2.3.2 侧滑实验台的维护.8 2.4 系统方案设计 .9 2.4.1 系统检测原理.9 2.4.2 总体系统方案设计.10 第三章 系统硬件设计 .12 3.1 位移传感器 .12 3.1.1 位移传感器选择.12 3.1.2 电感式位移传感器系统结构.12 3.2 倍频电路 .13 3.3 单片机 .15 3.3.1 AT89C51 单片机简介15 3.3.2 AT89C51 单片机特性.16 目 录 IV 3.3.3 AT89C51 存储器扩展.19 3.3.4 计数及定时装置20 3.3.5 显示报警电路.20 3.4 复位电路 .21 3.5 接口电路及上位机 .22 第四章 系统软件设计 .27 4.1 系统主程序设计原理.27 4.2 LED 动态显示子程序.27 结 论 .30 致 谢 .31 参考文献 .32 附录一 程序 .33 附录二 整机电路图 .36 第一章 引 言 - 1 - 第一章 引 言 1.1 背景 最近几年，我国机动车数量急剧增加，随之暴露出的机动车安全行驶问题 也越来越突出。由于我国机动车安全技术检测研发起步较晚，虽然历经十几年 的萌芽、形成、发展和完善，其已积累了较为丰富的技术经验，但从实质上来 看，其照搬国外的检测技术、检测设备和检测标准，早已与我国相关方面实情 有所违背，因此，如何提高机动车辆的安全技术检测效能以确保更加完备优良 的出行环境已成为当前人们较为重视的一个问题。 与发达国家相比，我国车辆状况、道路条件相对较差，驾驶员、检测员的 文化素质相对较低，车辆交通管理、微型车产业政策各不相同，因此对安全检 测线进行改造，以使其符合我国的具体实际情况和现有技术水平是一个较为重 要的问题。 评价汽车使用性能好坏的各种物理量或者是化学量统称为汽车技术状况参 数，然而汽车的技术状况则是定量测得的表征某一时刻汽车外观和性能的参数 值的总合。汽车检测技术则是对这些参数以及技术状况的变化规律的研究。例 如，汽车的转向沉重、操纵困难、增加驾驶员的操作程度及劳动强度与汽车没 有正确的前轮定位有直接的关系。汽车的转向车轮在向前滚动时将会产生横向 滑移现象，即侧滑。因此，汽车的前轮定位参数是影响汽车操纵性和稳定性的 重要因素。汽车转向轮定位值是汽车安全检测中的重点检测项目之一。 1.2 汽车检测技术的发展趋势 到目前为止,我国的汽车检测技术发展经历了从国外引进先进技术、小规模 到中大型规模、引进先进安全检测设备到自主研发及推广应用。至今为止，我 国汽车安全性能检测技术已取得了相当大的进步。在这其中，安全检测设备的 研制生产尤为突出，其快速的发展缩小了与先进国家在检测技术水平方面的差 距。 1. 汽车安全检测技术基础标准化 目前，符合我国国情且被国际公认的检测方法和限值标准还太少，我国的 第一章 引 言 - 2 - 安全检测方法和限值标准大多是采用发达国家的标准。所以，今后在这一方面 可重点开展下述汽车检测技术基础研究： 制定和完善汽车安全检测项目的检测方法和限值标准，如在汽车制动 力测试方法、汽车底盘传动系的功率损耗、汽车发动机燃料消耗量、汽车驱动 轮输出功率等方面。 统一规范全国各地的检测要求和操作方法。 为保证各检测站提供的检测数据准确、科学、公开和公正，制定适用于 不同种类的安全技术检测站和一些大型检测设备的型式认证规则。 2. 汽车安全检测设备智能化 目前，许多国外企业的汽车安全检测采用计算机安全检测控制，有些检测 设备具有专家系统和智能化功能，其设备已大量采用机、电一体化技术。而我 国汽车安全检测设备在采用智能化诊断方面和专家系统与国外相比还存在相当 大的差距。为使提升我国的安全检测水平，今后我们应当在汽车安全检测设备 智能化方面加强研究， 3. 汽车安全检测管理网络化 目前，安全检测站主要检测设备采用了计算机联网检测控制。随着检测技 术和管理的进一步发展，今后汽车安全检测将实现真正的网络化，这意味着在 安全检测站内部会形成一个检测功能齐全、检测流程合理、管理严密工作效率 和专业化程度较高的局域网。 通过内部的局域网，可以完成汽车检测自动化、汽车维修、检测管理、检 测数据统计查询、检测结果显示、检测财务管理等功能。检测站与检测站之间 ，可以通过广域网做到信息资源共享、硬件资源共享、软件资源共享。在此基 础上，可以将全国的汽车安全检测站、汽车综合性能检测站、汽车质量保证检 测线和汽车修理厂用检测线联成一个全国范围的广域网，使上级车辆管理部门 可以及时了解各地区不同行业车辆的技术状况。 总而言之，汽车安全检测工作将朝着检测技术更先进、检测设备更智能、 检测标准更科学、检测网络更发达、检测数据更精确、检测流程更合理、检测 管理更完善的方向继续发展。 第一章 引 言 - 3 - 1.3 汽车侧滑的提出 1.3.1 设计目的 行驶中的汽车因制动、转动惯性或其他原因会引起侧滑，汽车的侧滑，有 四轮侧滑、前轮侧滑、后轮侧滑三种情况，尤其是后轮侧滑，其对安全行车威 胁较大，常常会造成翻车、碰撞、掉沟等恶性的交通事故。据我国某省对驾驶 员负主要责任的交通死亡交通事故的统计与分析，因汽车后轮侧滑而引发的交 通事故占 40%，其中，有 50%是在转弯或驾驶员使用制动时发生的，对此应当 高度重视。 对于汽车侧滑位移测量根据国标 GB7258-2004 机动车运行安全技术条件 和 GB18565-2001营运车辆综合性能要求和检测方法的规定，而对于不同悬 架结构类型的机动车辆，其转向轮侧滑量的要求限值也各不相同。除此之外， 汽车转向轮侧滑量要求必须在汽车侧滑试验台上进行测量。 1.3.2 汽车侧滑的原因 造成汽车侧滑原因主要有： 就道路对汽车侧滑的影响，汽车轮胎附着力越小，侧滑的可能性就越大。 可能是由路面湿滑、油污或结冰等原因，从而使汽车轮胎附着系数降低，且左 右不对称引发车轮侧滑。 就车辆因素对汽车侧滑的影响，既有车辆本身设计的原因，同时也有车 辆驾驶和保养调整不当的原因。 就对汽车的操作对汽车侧滑的影响，如果对汽车的转向操作不当，汽车 速度过快或急打转向盘，也会使汽车的惯性离心力增大，也极易引发车轮侧滑。 如汽车后轮先制动，前轮后制动，车辆就很容易发生侧滑现象。还有如果制动 不当，动作过猛、过量，出现车轮“抱死拖带”，而后轮一般又先于前轮“抱死”， 也易引发车轮侧滑。 1.3.3 侧滑量对汽车的使用性能的影响 第一章 引 言 - 4 - 汽车前轮侧滑量的大小意味着转向轮所受的侧向力的大小，前轮的侧滑量 越大，则侧向力越大，对车辆使用性能的影响就越大。前轮侧滑量对车辆使用 性能的影响主要反映在以下几方面： 侧滑对汽车的操作难易程度、加速性能、行驶阻力和燃料的经济性的影 响：实践证明，车轮的侧滑会造成行进阻力，增大了运行油耗和轮胎的磨损， 使得行驶方向的稳定性变差，转向沉。 侧滑对汽车直线行驶稳定性的影响：汽车前轮的侧滑量对汽车直线行驶 稳定性影响很大，如果汽车转向轮的定位调整不合理，就会造成轮胎上存在一 定的侧向力，侧滑量越大，则车辆的跑偏量就越大，这就使得汽车直线行驶的 稳定性变差，即车辆易偏离原来的行驶方向。 侧滑对汽车轮胎磨损的影响：一般认为，汽车前轮侧滑量越大则会使轮 胎磨损加剧，导致轮胎使用寿命下降。因此汽车转向轮定位不当是造成轮胎正 常磨损的主要原因。 综上所述，在汽车转向轮侧滑检测中，按照国家标准进行检测，对提高汽 车的安全行驶具有十分重要的意义。因此，在今后为减少车辆交通事故、保证 车辆安全行驶。一方面需要我们不断研制和改良汽车性能；另一方面需要我们 对其做好检测和修理，恢复其性能状况。 1.4 对汽车侧滑量的测量要求 在汽车行驶的过程中，如果汽车车轮的外倾角与车轮的前束值配匹不合适 的时候，车轮就可能在直线行驶过程中产生侧向滑移。然而在行驶的过程中这 种现象过于严重时候，将会减小车轮对地面的依附能力，从而使得汽车的定向 行驶能力受到很大的影响，进而引发交通事故。机动车运行安全技术条件 规定：汽车转向轮的横向滑移量，用汽车侧滑检测时应不大于 5m/km。 在测量侧滑量之前首先检查侧滑台的各项功能和性能是否运行正常。 在测量侧滑量的过程中要求汽车以 35km/h 的低速通过滑动板，汽车速度 过高或因台板的惯性力和仪表的动态响应迟滞而影响测量精度，然而速度过低 也会引起误差。 第一章 引 言 - 5 - 在测量过程中要求对汽车的侧滑操作规范。其原因在于： 不允许汽车在侧滑台上转向或制动，这样会影响测量的精度和侧滑台的 使用寿命。 不允许汽车载重量超过侧滑台所能承受的最大重量，以防压坏或损坏侧 滑台。 在测量的过程中不应该踏离合器，突然加油、收油，这样会改变汽车轮 胎对侧滑台的依附力，从而使得侧滑量的测量不准。 第二章 系统方案设计 - 6 - 第二章 系统方案设计 2.1 单板侧滑台介绍 单滑板侧滑试验台，是对汽车侧滑位移量的测量设备。当汽车驶过试验台 时，通过汽车车轮作用在侧滑试验台上的位移量判定车轮定位是否准确。在测 量的过程中，汽车车轮一侧驶过侧滑板，另一侧从地面直接通过，侧滑台板面 显示的位移量则是左右车轮侧滑量的平均值。 优点：价格适中、操作方便、体积较小。是汽车维护、检测和保养的理想 检测设备。 缺点：由于在测量的过程中，车辆的一侧是行驶在侧滑台上，而另一侧是 直接接触地面，这样就会是的汽车的轮胎变形、轮胎附着力不均匀，从而影响 了测量的准确性1。 2.2 侧滑实验台设计 2.2.1 侧滑实验台工作原理 目前，在国内大多数侧滑试验台均是单板滑板式，检测的过程中，通过对 汽车左右侧滑量就平均值来计算汽车的侧滑量。 滑板式侧滑验台按其结构形式可分为单滑板式和双滑板式两种。在检测时， 汽车前轮放在侧滑台的滚筒上，由模拟路面的滚筒来驱动。同时有三个小滚子 紧贴轮胎，小滚子可以在互相垂直的两个方向上自由摆动，由小滚子的支座来 测量侧向力。然而这种试验台可以边检测边调整，但造价高、结构复杂。国内 也研制成一种 QCT-1 型从动滚筒检测式前轮侧滑调整台，检测时，也是将汽车 的两前轮放在侧滑台上的四个滚筒上，在模拟汽车行驶状态时，由电机带动的 后滚筒驱动车轮转动。在设计中，两前滚筒是处于从动的状态，而且可以产生 横向滑动。这是因为考虑到要测量汽车前轮的侧滑量，支撑两前滚筒的轴承座 固定在两块可以左右自由滑动的滑板上。这里只重点介绍一下侧滑试验台。侧 滑试验台的结构如图 2- 1 所示，由侧滑试验台检测装置、侧滑试验台定量指示 装置和侧滑试验台定性显示装置等几部分组成5。 第二章 系统方案设计 - 7 - 1 导向装置；2 台板；3 回位弹簧；4 平衡扛杆；5 流动轮 图2-1 汽车侧滑试验台结构图 侧滑试验台定量指示装置。 目前,我国的侧滑试验台大多数采用液晶显示或数码管显示,并具有保留峰 值的功能。在仪表的线路板上安装有电位计,标定时用于调整。有些侧滑试验台 还可以打印检测结果。 侧滑试验台检测装置。 侧滑量检测装置由杠杆联动机构、左右两块侧滑面板和位移传感器等组成。 车轮的侧滑量由该装置检测出来，并通过位移传感器传递给侧滑量指示装置。 侧滑量的显示和报警装置。 为了快速检测显示结果是否合格，在侧滑台上装有报警装置 ,当侧滑量超 过规定值时,侧滑量报警装置用信号灯以声、光信号或蜂鸣器同时报警,来引起 检测人员注意。 2.2.2 侧滑试验台的主要参数 1、外形尺寸：127050042mm3； 2、滑板尺寸：50050042mm3； 3、滑板行程：向内 5mm，向外 5mm； 4、量 程：向内 010m/km，向外 010m/km； 第二章 系统方案设计 - 8 - 5、测量精度：0.1m/km； 6、电源电压：AC220V,50Hz； 7、报警方式：蜂鸣器； 8、显示方式：LED 数码管。 2.3 侧滑试验台的维护和使用方法 2.3.1 侧滑实验台在使用前的准备 (1)在不通电的情况下，检查仪表指针是否指在零位上；接通电源，晃动滑 动板，待滑动板停止后，查看指针是否仍在零位。 (2)检查侧滑台及周围场地是否干净。如果有杂物则要清除干净。 (3)定期检查侧滑台的各种导线是否有接触不良的部位，必要时应进行修理 或更换。 (4)在汽车通过侧滑台之前应当检查并清除轮胎上的杂物，如水，油污，石 子等。 2.3.2 侧滑实验台的维护 当试验台在不使用时，一定要锁定滑动板，以防止受到外界因素引起晃 动而损坏测量器件。 为防止杂物进入侧滑台而减短器件的使用寿命，应当保持侧滑试验台表 面及周围环境清洁，及时清除泥、水和垃圾。 为防止滑动板及测量机件变形或损坏，最好不要在侧滑台上停放车辆或 堆放杂物。 为保证测量值精确无误，应当定期检查报警装置、测量装置。观察在侧 滑量测定的过程中能否给出准确的侧滑量信息或当侧滑量超过规定值时能否及 时报警。还有当限位开关工作状况不良时，应当及时调整或更换。 第二章 系统方案设计 - 9 - 10 max()KXff x YL 2.4 系统方案设计 2.4.1 系统检测原理 当汽车在侧滑台上直线行驶时，随着前轮定位参数的改变，会使车轮在侧 滑台上产生外侧滑或内侧滑。根据前轮产生侧滑时，轮胎与侧滑板之间产生的 作用力与反作用力的物理原理，在设计侧滑台时设计了一块可在导轨上左右滑 动的滑动板。在测量时，当汽车通过侧滑台滑动板时，汽车轮胎会在侧滑板上 产生一个侧向力，而这种侧滑力会使侧滑台上的侧滑板发生相应的侧向位移， 而后通过侧滑板上的传感器对该侧滑量的采集与处理最终送到显示装置，这样 便可得到汽车行驶时的侧滑量。 在本设计中位移传感器采用 BWG 4-10 电感调频式位移传感器，其分辨率 为 0.1mm，输出中心频率为 25kHz，线性行程10mm。实际测量过程中，汽车 以 5km/h，缓缓通过通过侧滑台滑动板，然后通过位移传感器送到显示器，从 而实现对汽车前轮侧滑量的动态测量。 本设计中侧滑台测量系统采集到的频率信号为幅度 05V 之间的变化量， 按照侧滑台滑动板的实际滑动范围，左右最大均为 10mm。当侧滑台上的滑动 板位于中间位置时，此时没有侧滑；当侧滑板向右偏移时为外侧滑，当外侧滑 量达到规定极限值+10mm 时，输出频率信号为+1 .43V，此时侧滑量为 10m/km。当侧滑板向左偏移时为内侧滑，内侧滑位移量达到极限值-10mm 时， 输出频率信号为-1.43V，此时转向轮侧滑量为 10m/km; 汽车侧滑量实际上是一种动态位移量，它必须通过传感器测得，侧滑检测 系统选用的电感调频式位移传感器其输出的信号频率与探头的位移呈线性关系， 测试前，传感器探头调至中心位置，此时输出的频率称中心频率；测试时，汽 车前轮驶过 0.5m 测试台，台上的滑板可向两侧滑动，滑板侧滑时，传感器探 头随之位移，并输出相应频率，通过单片机不断检测传感器的输出频率，并将 探头位移后的频率 f1 减去中心频率 f0,再乘以转换系数 K 即得侧滑量，可用公 式表示为： ( 2- 1） 第二章 系统方案设计 - 10 - 在式（2- 1）中 Y满量程频偏；Xmax最大位移量，L滑板 长 在本设计中为了提高测量的精确度，可将传感器采集的信号先送入倍频电 路，通过对频率加倍之后再送入单片机中。本设计采用四倍频电路。由上述公 式可以看出，如果以 Y/100 作为计数时间，则每记一个脉冲则代表 0.05mm/m 的侧滑量16。 2.4.2 总体系统方案设计 本设计的侧滑台侧滑检测系统主要可分为上位机、下位机两部分。上位机 因资源丰富、人机界面友好，这就有利于对采集的数据信号进行分析、运算、 存盘、打印和检测控制。而下位机主要以单片机为核心，主要实现系统的数据 采集，自动检测、判别、报警，配上单板侧滑台可独立完成侧滑检测任务。 侧滑测量电路的系统硬件主要包括位移传感器、倍频电路、显示报警电路、 AT89C51 单片机、复位电路、驱动电路、接口电路和 PC 机。 本设计是一种新型侧滑检测系统，通过输入、输出电路和单片机构成的系 统，把直线位移传感器输出的信号转化成对应的侧滑量，并具有显示和报警提 示。测量系统也可通过串行口把测量的结果发送到上位机上。信号采集电路主 要是采用位移传感器，在经过倍频电路将信号进行线性变换。而以 AT89C51 单片机为核心，负责整个系统的控制管理和信号处理。除此之外还配有少量外 围电路，集自动检测、判别、报警及数显于一体，具有精度高、速度快、体积 小、造价低、稳定可靠等特点。显示电路对测得的各种电参数的数值进行实时 显示。 位移传感器是信息获取的源头，当汽车通过侧滑板时，由于汽车对侧滑板 的作用力使得侧滑板左右侧滑。位移传感器将此信号输入到倍频电路，倍频电 路将获得的信号进行放大处理，之后将输出信号输入到 AT89C51 单片机中， 单片机进行信号处理与管理，并通过上位机进行操作并将结果显示出来。侧滑 检测系统框图如下 2-2 所示。 第二章 系统方案设计 - 11 - 图 2-2 侧滑检测系统结构框图 第三章 系统硬件设计 - 12 - 第三章 系统硬件设计 3.1 位移传感器 3.1.1 位移传感器选择 位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传 感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。 电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响， 并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。 电感式位移传感器由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈 电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料 导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何 尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比 于位移输入量的电压或电流输出。所以传感器输出的方波调频信号无需 A/ D 转换，可直接输入计算机处理，既简化了电路设计又减小了中间误差，提高了 检测速度。因此在此设计中我采用电感式位移传感器。仪器选用 BWG4-10 型 电感调频式位移传感器。其结构图如图 3-1 所示，内部系统结构如图 3-2 所示。 其该传感器的主要技术指标为14： 中心频率：15kHz(640kHz任选5%); 非线性误差：0.1%1%; 满量程相对频偏：6%70%; 输出信号：V_O(p-p)2V,方波或近似正弦波; 抗冲击加速度：100g; 量程分档：双向0-110-300mm各档。 第三章 系统硬件设计 - 13 - 3.1.2 电感式位移传感器系统结构 图 3-1 电感式位移传感器结构图 图 3-2 电感式位移传感器系统结构 3.2 倍频电路 利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制回路都可以构成倍频器。 倍频器也可由一个压控振荡器和控制环路构成。它的控制电路产生一控制电压， 使压控振荡器的振荡频率严格地锁定在输入频率 f1 的倍乘值 f0nf1 上 。倍 频器有晶体管倍频器、变容二极管倍频器、阶跃恢复二极管倍频器等。用其他 非线性电阻、电感和电容也能构成倍频器，如铁氧体倍频器等。非线性电阻构 成的倍频器，倍频噪声较大。这是因为非线性变换过程中产生的大量谐波使输 出信号相位不稳定而引起的。倍频次数越高，倍频噪声就越大，使倍频器的应 第三章 系统硬件设计 - 14 - 用受到限制。在要求倍频噪声较小的设备中，可采用根据锁相环原理构成的锁 相环倍频器和同步倍频器。但是，这类倍频器线路比较复杂，倍频次数一般不 太高，而且还可能出现相位失锁等问题。 微波振荡器的频率稳定度不太高，在几十兆赫至百兆赫的晶体振荡器后面 加上一级高次倍频器，可以获得具有晶振频率稳定度的微波振荡。另外，多级 倍频器级联起来，可以使倍频次数大大提高。例如，二倍频器和三倍频器级联 可产生六次倍频，m级n倍频器级联，总倍频次数为nm。不过，倍频级数增加， 倍频噪声也加大，故倍频上限仍受到限制。倍频电路图如下，由反相器，或非 门及微分电路构成。通过对输入方波反相好人前后沿微分产2个正脉冲，在经 过非门合成实现二倍频，四倍频有2个二倍频级联获得。 倍频电路如图3-3所示：由传感器送来的频率信号，经光耦合器O1的隔离 及三极管放大后，输入到以CD4013为核心的同步单元电路。CD4013的复位端R 由AT89S51的P1.5控制，只有当P1.5为高电平，并且在输入信号的上升的上升 沿到来时，74HC08才允许第2脚的信号输出到第3脚，把传感器的信号送给 AT89S51的T0端，可大大提高频率检测精度而不降低检测速度。倍频电路如3-3 所示3。 2 3 1 1 2 3 U6 BWG-4 U9 Optoisolator1 1K R6 +5V +5V GND 1uF C8 Q1 2N3904 GND 1K R5 1K R4 VCC 1K R3 +5V 1 2 3 U8A 74HC08 12 U7A 74HC04 GND P1.5 CLK 3 D 5 S 6 R 4 Q 2 Q 1 U5 CD4013 第三章 系统硬件设计 - 15 - 图 3-3 倍频电路图 3.3 单片机 3.3.1 AT89C51单片机简介 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and 。Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只 读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。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 指 令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片 中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版 本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 18。 AT89C51 芯片如图 3-4 所示： 第三章 系统硬件设计 - 16 - 图 3-4 AT89C51 引脚排列 3.3.2 AT89C51 单片机特性 主要特性 数据可以保留 10 年 4K 字节存储器 1000 写/擦循环 与 MCS-51 兼容 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 32 个可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 128*8 位内部 RAM 5 个中断源 片内振荡器和时钟电路 低功耗的闲置和掉电模式 AT89C51 管脚说明 主电源引脚 GND：接地或者直流电源负端。 VCC：接+5V 电源。 时钟引脚 XTAL1（18 脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相 放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 XTAL2 (19 脚) ：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的 输出端。 控制引脚 RST （9 脚）:该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡 器工作时，该引脚上只要出现持续两个机器周期的高电平，就可以实现复位操 第三章 系统硬件设计 - 17 - 作，是单片机回到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引 脚上高电平必须持续 10ms 以上才能保证有效复位。 ALE/PROG (30 脚) ：地址所存有效输出端。ALE 在每个机器周期内输出 两个脉冲。在访问外部存储器时，ALE 输出脉冲的下降沿用于锁存 16 位地址 的低 8 位。即使不访问外部存储器，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号， 此频率为振荡器频率的 1/6。ALE 端可以驱动 8 个 TTL 负载。 PSEN （29 脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。在从 外部程序存储器取指令期间，每个机器周期/PSEN 两次有效。但在访问外部数 据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。 PSEN 端可以驱动 8 个 TTL 负载。 EA/VPP（31 脚）：/EA 为片外程序存储器选用端。当/EA 保持低电平时， 单片机访问的是外部程序存储器。当/EA 端保持高电平时，单片机访问的是内 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）。 输入输出引脚 P0 口（P0.0-P0.7）：为双向 8 位漏级开路双向 I/O 口。在不接片外存储器 或不扩展 I/O 口时，可作为准双向输入和输出口。在接有片外存储器或不扩展 I/O 口时，P0 口是地址总线低 8 位及数据总线分时复用口。可驱动 8 个 TTL 负 载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。 P1 口（P1.0-P1.7）：为 8 位双向 I/O 口，它的每一位都可以分别定义为输 入线后输出线。P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1.0 和 P1.1 还有第二 功能：P1.0 可用做定时器或计数器 2 的技术脉冲输入端 T2，P1.1 可用做定时器 或计数器 2 的外部控制端 T2EX. P2 口(P2.0-P2.7)：为 8 位双向 I/O 口，当作为 I/O 口使用时，可直接连接 外部 I/O 设备，在接有片外存储器或扩展 I/O 口且寻址范围超过 256 字节时， P2 口用做高 8 位地址总线。一般作为扩展时地址总线的高 8 位使用。 P3 口(P3.0-P3.7): 为 8 位双向 I/O 口,还可以将每一位用于第二功能，而且 第三章 系统硬件设计 - 18 - P3 口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。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。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 3-1 所示： 表 3-1 P3 口第二功能定义 引脚第二功能 P3.0RXD 串行口输入端 P3.1TXD 串行口输入端 P3.2/INT0 外部中断 0 请求输入端，低电平有效 P3.3/INT1 外部中断 1 请求输入端，低电平有效 P3.4T0 定时器/计时器 0 计数脉冲输入端 P3.5T1 定时器/计时器 1 计数脉冲输入端 P3.6/WR 外部数据存储器及 I/O 口写选通信号输出端，低电平有效 P3.7/RD 外部数据存储器及 I/O 口写选通信号输出端，低电平有效 AT89C51 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配 置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 AT89C51 芯片擦除特性 保持 ALE 引脚处于低电平 10ms，通过正确的控制信号组合来擦除整个 PEROM 阵列和三个锁定位。此外，AT89C51 中设有稳态逻辑，当频率低到零 频率的条件下静态逻辑，此时支持两种软件可选的掉电模式。在空闲的模式下， 第三章 系统硬件设计 - 19 - CPU 此时停止工作。然而，内存器，计数器，定时器，中断系统和串口仍在继 续工作。在掉电模式下，冻结振荡器并保存 RAM 的内容，此时禁止使用其他 芯片的一切功能，直到下一次硬件电路复位为止。 3.3.3 AT89C51 存储器扩展 AT89C51 单片机内部设有 RAM 、ROM、中断系统、定时/计数器、I/O 等； 只要单片机外复位电路、接晶振就构成了最小应用系统。在设计中如果项目是 不太大、太复杂的情况下，没有必要再对 ROM、RAM、I/O、中断源等进行扩 展。但当设计项目较大时，这是就要对 ROM、RAM、I/O、中断源等进行相应 的扩展。本节讲讨论 AT89C51 单片机的存储器扩展技术。 AT89C51 单片机存储器扩展功能较强，扩展操作方便。这是因为它为系统 扩展提供了良好的硬、软件条件。当汽车按要求驶过测试台时候，滑板将产生 不同的位移，传感器输出不同的信号，单片机的定时器 T1 将得到不同的记时 值，单片机需要保存这些数据作为计算侧滑量的数据。所以需要对存储器进行 扩展。 程序存储器扩展采用 27C64,27C64 是 8Kx8 位的紫外线擦除可编程只读存 储器，单一 5V 供电，工作电流为 100mA，读出时间为 200-450Ns.其工作方式 共有 4 种，分别为读出方式、编程方式、备用方式。用 74LS573 进行地址锁存。 存储扩展如下图 3-5 所示： OE 1 D1 2 D2 3 D3 4 D4 5 D5 6 D6 7 D7 8 D8 9 GND 10 LE 11 Q8 12 Q7 13 Q6 14 Q5 15 Q4 16 Q3 17 Q2 18 Q1 19 VCC 20 U2 74LS573 VPP 1 A12 2 A7 3 A6 4 A5 5 A4 6 A3 7 A2 8 A1 9 A0 10 Q0 11 Q1 12 Q2 13 GND 14 Q3 15 Q4 16 Q5 17 Q6 18 Q7 19 CE 20 A10 21 OE 22 A11 23 A9 24 A8 25 NC 26 PROG 27 VCC 28 U3 27C64 RB 1 A12 2 A7 3 A6 4 A5 5 A4 6 A3 7 A2 8 A1 9 A0 10 DQ0 11 DQ1 12 DQ2 13 GND 14 DQ3 15 DQ4 16 DQ5 17 DQ6 18 DQ7 19 CE 20 A10 21 OE 22 A11 23 A9 24 A8 25 NC 26 WE 27 VCC 28 U4 28C64-GND D0 D1 D2 D4 D3 D5 D6 D7 P1.0 GND +5V GND VCCP2.5 GND GND VCC A0 A1A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 WR GND A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 第三章 系统硬件设计 - 20 - 图 3-5 存储器扩展 3.3.4 计数及定时装置 将AT89C51中的T0 和T1重新设置，这样就可以提供通信所要求的波特率。 在本设计中由3个LED共阴数码管来显示汽车的侧滑量。在本设计中，将 AT89S51中的T0、T1分别设计成16位的定时器/计数器，然而通过软件设计可以 设定定时时间，为了得到信号频率我们可以通过程序控制AT89C51在T1的定时 时间里使T0对输入的信号脉冲进行计数。 本设计采用电感调频式位移传感器，当汽车通过侧滑台时将汽车前轮的 侧滑量转化为相应的输出频率，通过倍频电路送入AT89C51的计数器计数，用 过对脉冲的计数来代表侧滑量。汽车前轮的侧滑位移量可以通过软件设置的定 时时间内计数器内表示的脉冲量得出。 3.3.5 显示报警电路 74LS573 的八个锁存器都是透明的 D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电 平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被 关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以 直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器， I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。 系统在执行通信程序时，AT89C51 的 T0、T1 被重新设置，以提供通信所 需的波特率。侧滑量由 3 位 LED 共阴数码管显示，如图 3-9 所示，侧滑位移数 据从 AT89C51 的 P2 口输出，并通过 74LS573 锁存器，送至 3 位共阴数码管， AT89C51 的 P0 口输出位选信号控制 LED 数码管的阴极，实现动态扫描显示。 AT89C51 的 P3.0 输出报警信号，控制蜂鸣器 Bell 报警，报警信号由软件提供。 74LS573 管脚图如图 3-6 所示： 从 AT89C51 的 P2 口输出，并通过 74LS573 锁存器，送至 3 位共阴极数码 管，AT89C51 的 P0 口输出选信号控制 LED 数码管的阴极，实现动态扫描显示。 AT89C51 的 P3.0 输出报警信号，控制蜂鸣器报警，报警信号有软件提供。报 第三章 系统硬件设计 - 21 - 警电路如下图 3-7 所示： 图 3-6 74LS573 管脚图 图 3-7 显示报警电路 O E 1 D 1 2 D 2 3 D 3 4 D 4 5 D 5 6 D 6 7 D 7 8 D 8 9 G N D 10 LE 11 Q 8 12 Q 7 13 Q 6 14 Q 5 15 Q 4 16 Q 3 17 Q 2 18 Q 1 19 V CC 20 74LS573 f 9 g 10 e 1 d 2 A 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 A 8 DS1 Dpy Blue-CA f 9 g 10 e 1 d 2 A 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 A 8 DS2 Dpy Blue-CA f 9 g 10 e 1 d 2 A 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 A 8 DS3 Dpy Blue-CA OE 1 D1 2 D2 3 D3 4 D4 5 D5 6 D6 7 D7 8 D8 9 GND 10 LE 11 Q8 12 Q7 13 Q6 14 Q5 15 Q4 16 Q3 17 Q2 18 Q1 19 VCC 20 U2 74LS573 OE 1 D1 2 D2 3 D3 4 D4 5 D5 6 D6 7 D7 8 D8 9 GND 10 LE 11 Q8 12 Q7 13 Q6 14 Q5 15 Q4 16 Q3 17 Q2 18 Q1 19 VCC 20 U? 74LS573 Q? 2N3906 LS? Bell 1 2 P? Header 2H GND GND GND P1.1 GND P.10 +5V 1K R7 GND +5V 第三章 系统硬件设计 - 22 - 3.4 复位电路 单片机的复位都靠外部电路实现，AT89C51单片机有一个复位引脚RST，高 电平有效，AT89C51通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。最简单的上 电自动复位电路如图3-8所示，由于AT89C51的引脚RST内部有一个拉低电阻， 故电阻R可以不接。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚出现正脉冲， 只要RST端保持两个机器周期以上的高电平就能使单片机有效复位。这是因为 振荡器从起振到稳定需要大约10ms的时间。当晶体振荡频率为12MHZ时，RC 的典型值为C=10Uf,R=8.2千欧。在复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能 会引起内部某些寄存器错误复位，这时可在RST引脚接一个去耦电容。 由于系统运行等需要，常常需要人工复位。如图3-9所示，只需将常开按钮 并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使 单片机复位。 图3-8上电自动复位电路 图3-9 上电按键复位电路 RST GND AT89S51 C R 1 Vcc RST GND C R 2 2 2 d 2 2 Vcc AT89S5 1 按 钮 R1 第三章 系统硬件设计 - 23 - 3.5 接口电路及上位机 由于 AT89C51 单片机的串口采用 TTL 电平，信号幅值低易受干扰，只能在 很近的距离内实现通讯。鉴于 MCS51 单片机串行接口的弱点，在单片机系统 串行通讯中广泛采用标准接口。许多仪器仪表出厂时配有串行接口或附件模块 销售.在标准串行接口 RS-232C 由于使用方便、线少而得到广泛地应用，多年来 不但没有被淘汰，相反使用更加广泛。RS-232C 串行