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船舶柴油机论文题目 船用柴油机遥控系统设计 目 录摘要1前言21船舶遥控系统设计的背景和要求1.1船舶遥控系统设计的背景1.2船舶遥控系统设计的基本要求2船舶柴油机遥控的系统设计32.1系统的结构设计3 2.2系统的主要功能设计83系统硬件电路设计123.1系统硬件结构介绍 3.2上位机电路设计14 3.2.1 电源电路设计 3.2.2 显示电路设计3.3下位机电路设计153.3.1 led灯显示电路设计3.3.2 继电器状态检测电路设计3.3.3 继电器驱动电路设计3.3.4 直流电机桥式驱动电路设计3.3.5 转速脉冲降幅电路设计4系统软件设计 4.1 rs-485通信原理与实现 4.1.1 rs-485通信原理 4.1.2 rs-485通信的实现 4.2系统程序结构设计 4.3遥控功能程序设计4.4手动功能程序设计 4.5参数的测量与设备的控制 5系统调试与结论致谢41参考文献42 42 船用柴油机遥控系统设计 摘 要：本柴油机遥控系统设计研究的主要内容是基于核心控制器atmega16单片机，围绕其检测系统、控制系统、执行系统、报警系统四大系统进行的，其核心技术涉及到柴油机各状态参数的检测、控制信号的数字输出、eia-485通信三大问题。本设计解决了船舶柴油机的遥控问题。能检测柴油机的主机滑油压力、齿轮箱滑油压力、主机转速、主机冷却水温、离合器失能、齿轮箱正车挂排缸压力、齿轮箱倒车挂排缸压力等重要参数，确保了柴油机的运行安全。且设计采用的自识别系统和优化技术，能保证推进装置始终处于最佳工作状态，解决了遥控大换向时经常出现的主机闷车熄火的通病。适用于长期在长江、内河及沿海湖泊作业的中、小型船舶。关键词： atmega16单片机；eia-485通信；船舶柴油机；遥控 abstract：this engine control system design, the main contents is based on the core controller chip around its atmega16 - and testing system, control system, implement system, alarm system, the system of four core technology involves diesel status parameters testing and control signal digital output, eia - 485 communications three problems. the design of the marine diesel engine control to solve problems. to detect diesel engine lub oil pressure, and the main gear box lub oil pressure and speed, main engine cooling water host, clutch incapacitation, gear box are hanged line cylinder pressure, car gearbox hang back row cylinder pressure and other important parameters, ensure the safety operation of the diesel engine. and the design and optimization technology since recognition system can ensure propulsion system are always the best working state, solved the large remote host stuffy often appear in the car stalled. applicable in the yangtze river, the river and long-term assignments in the coastal lakes, small ships. keywords： atmega16 microcontroller；eia 485 communication；marine diesel engine；remote 前言 现代电子技术和计算机技术的迅猛发展和普及应用，使得自动测控这个技术领域发生了革命性的变化，从而波及各行各业。在船舶的控制领域，也因而发生了翻天覆地的变化。现代船舶几乎都采用了高度自动化的主机遥控系统。这类系统的主要特点是，用微型计算机的软件程序来实现主机遥控的各种逻辑和控制回路，系统的各个环节和遥控系统的操作较为复杂，而且功能也非常的完善。此外，船舶的柴油机是船舶前行的动力装置，如何控制好该动力装置，直接关系到船舶运行的安全和效率。船舶主机的全自动控制业已成为船舶制造的一个发展方向，遥控技术的发展即可解决这个难题。实现对柴油机各状态参数的实时检测，利用自动控制算法对各参数进行处理，将处理结果清晰显示，将故障状态实时告警，根据处理结果对操作系统发出控制指令，自动控制柴油机安全可靠运行。本设计充分考虑了现实系统的各要素性质，相互关系和规律，并进行一定的抽象，建立的可以描述该系统的逻辑关系和数学关系的理论模型，然后利用编程技术将这些模型编成微型计算机系统能够识别的程序，以实现系统要求达到的功能。 国内船舶柴油机的遥控属于船舶自动化技术领域，经历了由轮机当班人员依照驾驶台指令操作的本地控制、采用机舱集控室的集中控制、机舱无人值班船舶到属于全自动化以节能为中心的网络型发展的过程。由此，船舶主机遥控系统应运而生，且成立世界主要造船国家船级社的通用标准。国内外的许多同类产品的控制器都采用了plc作为控制器，致使装置本身的体积偏大，造价成本偏高。部分产品的通信采用了tcp/ip协议，使得网络的结构复杂化，可靠性降低，可维护性不强。供电电源也较为单一，不能满足不间断电控的要求。逻辑运算能力也颇低，没有可靠的自动控制算法作保障。因而本设计采用了atmega16单片机作为控制器，以rs-484通讯方式进行控制系统（上位机和下位机之间）数据和命令的传递。藉由系统里检测系统、控制系统、执行系统、报警系统四大模块，实现了船舶柴油机运行参数的检测，利用调速电机对柴油机转速和方向进行控制，以及人机交互。达到了简化系统结构、提高可维护性、显示简洁，输入操作简单，降低成本的目的。1 船舶遥控系统设计的背景和要求 1.1 船舶遥控系统设计的背景 目前，我国应用比较广泛的船用主机遥控装置，如果以控制方式进行划分，大致可分为以下四种方式：机械式；全气动控制式；气电混合控制式；全电控制式。其中，机械式还可分软轴控制式和钢丝绳控制式，因其受控制距离的限制，主要用于近距离控制或小型船舶。全气动控制式遥控装置的控制原理一般采用气动逻辑元件或气动阀件组成气动发讯及程序控制回路，然后通过气动三位置气缸控制齿轮箱换向，通过气动膜片执行器控制主机油门调速。因为气动元件以气为动力和介质而不需要电，以及气动元件的密封性和不会产生电火花，所以气动遥控装置即使在失电的情况下仍可以安全驾驶，比较适合易燃防爆（如油船、液化气船、化学品船）及环境条件比较恶劣的船舶使用。全气动遥控装置具有原理比较简单易懂，适应各种易燃、易爆等恶劣环境，维修维护比较容易等特点。另外，全气动遥控装置使用范围广，执行机构力矩大，几乎所有国产和进口机型均可采用。气电混合控制式遥控装置的控制原理是采用气动元件和电器元件结合起来，组成程序控制系统，然后通过电磁阀进行转换，再通过气动执行偶控制齿轮箱转向（如果齿轮箱为电控转向齿轮箱则不需要转换，直接控制）。而主机调速则一般直接采用气动控制，不进行转换。气电混合控制式遥控装置从全气动遥控装置的基础上发展而来，其性能和控制原理与气动控制原理基本相同，只是将其气动控制转向发令及自动程序部分改为电气控制，然后再将电信号转换为气信号通过气动执行机构执行。电动控制式遥控装置从发令到程序采用电子元件和高集成电路，然后采用控制电机转换成机械行程，控制主机和齿轮箱调速和转向。电子遥控装置安装连接比以上两种遥控装置都简单，可以实现更复杂的程序和功能，更适合多个控制站对主机组进行控制。当然其执行力矩没有以上两种装置大，其使用范围有一定的局限性。电动控制式遥控装置国内从上世纪八十年代开始研发，但其早期的电动遥控装置因安装比较复杂，元器件性能比较差，因而性能不是很稳定。现在电动遥控装置多采用先进的芯片控制技术，控制微型电机作输出位移，然后通过软轴和主机换向及油门把手连接，实现对主机的控制。电动遥控设计控制对象主要为国外进口或引进机型，对国内部分机型不太合适，存在油门执行推拉力不足的缺点。但是电动控制遥控装置无需气源，驾驶室与机舱连接完全采用电缆连接，因而安装简单。但其价格相对于国产全气动遥控与气电混合控制式遥控来说比较高。现今，国内外的同类产品都在向着带有简易传令车钟装置，体积小，建议操作，直观感强的方向发展。部分产品已经做到了只需4x1电缆即可完成整个系统（报警箱报警采集点除外），结构相对较为简单。其供电电源多希望采用两路电源自动切换措施，一保障供电的可靠性，设备的可靠性。以求适应恶劣环境、保证线路简单、程序极易修改的目的。在初级逻辑运算的基础上，希望增加数值运算、死循环调节功能，增加模拟量和pid调节模块，提高运算的速度。因此本设计采用的控制方式为电动控制遥控方式。1.2 船舶遥控系统设计的基本要求目前国内外大型船舶的自动化程度都比较高，技术上基本采用了当前最新的计算机网络监控于控制技术，真正实现了无人机舱。但由于结构复杂和其初始投资较高，故在小型船舶上的推广应用还有一定的难度。同时大多数主机遥控装置使用自行研发的专业控制装置，可靠性差，通用性弱。因而船舶的遥控设计要求装置简单，易操作，可靠性强，耗能低，抗干扰能力强，控制精确及系统的可拓展性强。结合机舱条件、调试简单、维护简单等因素，我们需要使船舶的遥控在设计的时候满足下列要求：灵活性好、可调性高、通讯性强、性价比高，维护性好。过去，电气工程师必须为每套设备配置专用的控制装置，严重的限制了遥控装置的通用性和拓展能力。现在采用电气控制遥控装置，主控芯片采用高性能单片机，因而我们只需要根据不同的环境编写不同的控制程序。如此可使得遥控装置的灵活性得到了大大的提高，在性能拓展方面，我们只需根据实际需要添加相应的程序即可完成功能的拓展。而一旦出现故障，系统的自检功能将指出故障的部位，便于维修人员更换模块，使维修难度和时间降低到了最低程度。同时，亦压缩了备件库存。降低了成本。船舶遥控装置设计的初期，需要做大量的调试工作，利用单片机可对所控制的功能在实验室内进行模拟调试，大大增加了系统的调试性能，缩短了现场调试的时间和难度，减少了遥控产品的开发周期。目前，随着船舶的大型化，其需要连接的控制设备的距离也增加了许多。要实现对主机及各设备的精确和及时控制，势必对遥控系统的通信能力提出了很高的要求。利用单片机做控制器，可灵活的选用成熟的串口通信技术实现及时通讯。如rs-485技术便可完全满足现代规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多的工程大系统的控制要求。 由于单片机自身数据处理、逻辑判断能力相对都较强，且可与外部电路配合，特别是与集成电路元件配合，可大大降低遥控装置的成本。此外，应用集成元件可降低系统的复杂度，结构变的极为简单。若在硬件设计上采取光电隔离、滤波等技术，在软件上利用一系列控制算法、滤波技术、自诊断等技术，既可抵消环境的干扰，又提高了设备的可靠性。船舶遥控的主要设计依据是船用中速柴油机主机遥控装置技术规格书，内河钢船建造规范，钢质海船入级与建造规范，船舶与海上设施与电气电子设备型式试验指南。由上述规范知：在驾驶室用操纵手柄直接遥控齿轮箱按设定的程序换向和控制主机按给定的加速和减速程序调速。操纵器发送指令（正车、停车或倒车指令），若齿轮箱处于相反工作状态，则齿轮箱等待脱排，延时0.5秒后开始脱排，同时接通柴油机限速阀，延时5分钟后脱排完成。接通相应换向阀（正车或倒车换向阀），断开柴油机限速阀，齿轮箱开始脱排；若齿轮箱正处于脱排状态，则直接连通相应的换向阀，齿轮箱开始合拍；整个指令的完成过程时间不能超过12秒。控制器接收到急停命令，检测齿轮箱工作状态，若齿轮箱处于合排状态，则要求齿轮箱等待脱排，延时0.5秒后开始脱排，延时5秒后脱排完成，保持脱排状态；若齿轮箱已处于脱排状态则保持脱排状态。一旦实施过急脱排控制，只有确认主机状态正常后，由机旁输入急停指令才可以解除该状态。系统由操纵器发出指令，直到齿轮箱到达相应指令要求的状态，整个相应过程应不超过12秒，若超过时间，控制器发出错向报警。 2 船舶柴油机遥控装置的系统设计 2.1 系统结构设计本设计主要有两个大的组成部分，即上位机控制部分、下位机控制部分和rs485通信部分组成。其系统结构框图如图2.1。图2.1系统结构框图上位机控制部分和下位机控制部分都是围绕以下四个子系统来设计实现的，即检测系统、控制系统、执行系统、报警系统、电源系统。检测系统包括数字量输入检测、模拟量输入检测。模拟量输入检测主要完成电压的检测，数字量输入检测主要完成对外围设备物理开关量的检测。控制系统由三部分组成，智能芯片自动控制器，键盘模块和显示模块。智能芯片控制器实现对各数字量、模拟量的数字运算与逻辑分析，并对执行系统给出明确的指令。键盘模块和显示模块可实现人机交互。下位机的执行系统比较复杂，可细分为柴油机的调速系统，柴油机的转向控制系统，报警系统的控制。报警系统分为灯光报警和声音报警，灯光报警有两种状态，一是常亮，二是闪烁。由于要保证微型控制器的持续可靠工作，则必须保证电源的持续、稳定、可靠、安全的工作，因而本系统的电源系统很好的解决了这个问题。rs485通信系统完成上位机系统和下位机系统的数据传输、命令传递两个主要的功能。2.2系统的功能设计本遥控系统有的主要功能包含手动控制，遥控控制，紧急停车和越控，它们完成了船舶柴油机遥控装置的主要功能，柴油机遥控的后备保护（车钟遥控装置）不在本设计的考虑范围之列。手动控制需要在上位机和下位机同时切换到手动操作，且经确认一致后操作才有效。该功能包含四个操作：分别为完车、备车、停车和消音操作。完车、备车、停车操作在单方面发生时，系统会声音报警和灯光闪烁报警，在上位机和下位机的操作取得一致时，声音报警解除，灯光闪烁报警改为常亮提示。当进行消音操作后，声音报警也可单方面解除，灯光闪烁报警也变为常亮提示。遥控控制，当上位机手柄动作时，上位机控制芯片检测手柄的动作状态，做出顺车、停车、倒车的判断，把命令发送到下位机，下位机根据收到的命令控调速直流电机和顺车、倒车电磁阀动作。下位机检测调速直流电机的动作状态和顺车、倒车电磁继电器的状态，判断顺车、倒车动作是否准确，并判断是否有错向发生。下位机还将对柴油机的转速进行检测，并根据转速作出是否会发生共振、是否超速，若检测的转速可能引起共振，下位机将向上位机发出转速禁区的报警信号。若检测的转速超出预置的转速，将自动调用减速控制程序以保证柴油机在正常的转速区间工作。当系统处于遥控控制状态时，下位机将自动检测外部设备的工作状态，如主机水温、主机油压、齿轮箱油温，齿轮箱油压、离合器压力。上述的报警动作将在故障排除或者有消音操作时解除。下位机对检测到得这些参数进行智能分析，若上述参数异常，下位机将作声音报警和灯光闪烁报警，并实时将上述故障点通过max485发送到上位机，由上位机控制进行声音报警和灯光闪烁报警。越控控制功能主要是针对轻微故障和紧急情况而设置的操作。在遥控控制正常工作时，一旦发生轻微的外围设备故障或遥控程序故障时，进行越控操作能够使柴油机的工作状态恢复正常，屏蔽掉对外围设备故障状态的处理。该操作只能在上位机进行，下位机无此操作。在进行越控操作时，上位机将进行声音报警和灯光闪烁报警，整个报警过程可由动作完成或消音操作解除。这是系统的一种自我修复能力的体现。这从很大程度上加强了整个遥控装置的可靠性，同时也对紧急事件的处理能力有了极大的提高。紧急停车功能主要是为了应对紧急情况。当船舶柴油机主机需要立即停车时，由遥控装置控制柴油机按一定得操作规范智能停车。不论是上位机还是下位机，都可单方面的进行紧急停车的操作，无须验证上位机和下位机的该操作是否同步有效。但在进行该操作时，会发出声音报警和灯光闪烁报警信号，且报警信号须传送到另一方的控制芯片，作出相应的报警动作。该报警信号在停车操作完成或有消音操作时解除。由于紧急停车操作在手动控制和遥控控制时都有效，无须切换到后备保护（车钟操作控制），很大程度上保证了船舶运行的安全性。3 系统硬件电路设计3.1硬件结构设计整个遥控系统由上位机控制部分、通信模块和下位机控制部分组成，其系统硬件结构图如图3.1所示。图3.1系统硬件结构图上位机控制部分由a/d采样模块、显示模块、按键模块、报警模块组成。下位机控制部分由a/d采样模块、转速检测模块、显示模块、按键模块、报警模块、继电器工作状态检测模块、电机调速模块组成。按键输入模块、报警模块比较简单，将不做详细介绍。显示模块含led灯显示电路、数码管显示电路。报警模块指蜂鸣器的报警电路。a/d采样模块是指对电压的检测电路。按键输入模块是指按键的检测电路。转速检测模块是指柴油机的检测电路。继电器检测模块是指各继电器开关量的输入检测电路。3.2上位机电路设计3.2.1 电源电路设计电源电路设计包括电源自动切换设计、降压稳压电路设计和失电检测设计。由于本系统属于电动式遥控控制装置，因此必须保证电源的可靠性、只需性，可靠性，否则，一旦出现电源故障，整个控制装置将不能工作，势必对船舶的正常运行造成极大的危害。为此，在上位机和下位机的硬件电路设计时，都对电源电路做了专门的设计，既有供电的自动切换，也有降压稳压电路设计，还有失电的检测。可实现交流电源发生故障时，后备电源（蓄电池电源）自动切换。工作原理为：当交流电源出现故障时，24v蓄电池将自动投入电路，向系统提供稳定的24v电源。图中的整流二极管可以使蓄电池电源的电流流向控制系统。稳压二极管可以防止交流电源过来的电流破坏蓄电池。 图3.2.1降压稳压电路所示降压稳压电路如图3.2.1所示。其功能为将24v电压降到稳定的5v电压。由于系统中的集成芯片的工作电压都是5v，故要对24v电压进行降压稳压处理。图中稳压芯片采用lm2575，lm2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1a集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。最大输出电流为1a，最大输入电压63v。输出电压：3.3v、5v、12v、adj(可调),震荡频率54khz,最大稳压误差4%；转换效率75%88%（不同的电压输出效率不同）。失电检测电路如图3.2.3所示。其功能是检测外部电源的工作状态，当外部电源不故障时，将故障信号通过单片机报警。图中电源代表交流电源输入，off输出到单片机的pb5。当交流电源供电正常，三极管关断，单片机的pb5脚检测到低电平。当交流电源故障，三极管开通，off输出高电平，单片机即可检测到高电平，判断为失电，然后报警。图3.2.3失电检测电路3.2.2 数码管显示电路本设计的显示功能由两部分完成，一是数码管显示，二是led灯显示。数码管显示主要用来显示转速，led灯则是用来显示各操作的状态和外围设备的状态。led的显示分为闪烁和常亮两种，用来进行灯光报警。图3.2.4数码管显示电路数码管的显示电路如图3.2.4所示。数码管主要用来显示转速。数码管采用共阳7段数码管，显示驱动芯片采用74ls164。单片机采用timer2定时器定时20ms，将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时，即下一个20ms定时到，再传送一次新数据，该显示方式显示数据稳定，占用很少的cpu时间。若采用动态显示，则需要cpu时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的cpu时间多。图中还采用了一个npn三极管，利用pwm控制数码管显示的亮度，四级调节。改变pwm信号的占空比，即改变了电压的有效值，因而可实现对数码管显示亮度的调节。图中的data端口用于单片机向移位寄存器送数据，sck端口用于单片机为移位寄存器移位提供时钟信号。该显示的驱动程序如下：void display(uchar *str) uchar i,j,tmp; for(i=0;i4;i+) tmp=led_7*str+; for(j=0;j=1; led_7数组中存放数码管显示需要的段码，0到9十个数字的段码为0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09。tr数组用于存放需要显示的数据，该显示数据根据转速检测的结果计算得出。上面驱动程序执行时每次送8位数据，连续送4次，即可实现四位转速的显示。led灯（即报警灯、指示灯）的显示电路如图3.2.5所示。led灯主要用来显示特命令的操作以及检测各继电器的状态。显示驱动芯片采用mm74c373,该芯片是并入并出芯片，芯片的d1d8引脚分别连接到单片机的pc口的pc0pc7。每片显示驱动芯片采用mm74c373有一个使能端le，当该引脚为高电平时，芯片被选中，芯片才能有效工作。使用结束，需要对le清0，关闭驱动芯片，以防干扰。该显示芯片可以直接操作到位，即对每个灯实现直接的控制。所有的led灯的电源端都是接的npn型三极管2n3906。三极管的基极电压由单片机的pwm信号提供，单片机可通过改变占空比实现对led灯发光亮度的调节。图3.2.5 led灯显示电路3.3下位机电路设计 下位机的转速显示与上位机的转速显示电路相同，只是少了一个调节光亮强度的功能，即少了三极管部分。下位机的电源电路与上位机也是一致的，下位机仅仅少了一个失电检测的功能部分。3.3.1 led灯显示电路下位机的led显示电路与上位机不同，采用的显示驱动芯片为74ls595。其电路原理图如图3.3.1所示。图3.3.1下位机led显示驱动电路该电路也被用来显示特命令的操作以及检测各继电器的状态。74ls595的数据端：qaqh：八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段，在该显示电路中，由每一位去控制各个led灯。qh：级联输出端。用来连接下一个74ls595的数据输入端si。si：串行数据输入端。74ls595的控制端说明：(10脚)：低电平时将移位寄存器的数据清零。本电路中直接与vcc相连。srclk(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。qaqbqcqh；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5v时，大于20纳秒。）rclk(12脚)上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿存储寄存器数据不变。先给rclk低电平，当移位结束后，在rck端产生一个正脉冲，更新数据。(13脚)：高电平时禁止输出（高阻态）。电路中直接与地相连。74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流(25ma)比74595(35ma)的要小,14脚封装，体积也小一些。74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流(25ma)比74595(35ma)的要小,14脚封装，体积也小一些。74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。与164只有数据清零端相比，595还多有输出端时能/禁止控制端，可以使输出为高阻态。 该显示电路的驱动程序如下：str =0x00,0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f,0xff,0xbe用于存放需要显示的led灯段位码。void led_display(uchar *str) uchar i=0,j=0; for(i=0;i2;i+) outbyte=*str+; /再输出段码 for(j=0;j=1; slclk=1; /位同步脉冲输出 sclk=0; sclk=1; /一个锁存脉冲输出 3.3.2继电器状态检测电路 继电器状态检测电路主要用来检测柴油机的主机滑油压力、齿轮箱滑油压力、主机转速、主机冷却水温、离合器失能、齿轮箱正车挂排缸压力、齿轮箱倒车挂排缸压力等重要参数和遥控/手动、紧急停车按键状态。检测电路电路如图3.3.2所示。由于系统需要测量的外部逻辑数据（开关量）比较多，而单片机的32个i/o口不够用，必须进行端口的扩展，以测量外部的开关信号。图中的rp2为2k的排阻，起限流作用。d30d36为稳压二极管，防止外部设备的电压对芯片造成破坏。74ls165是并行输入，串行输出移位寄存器。其引脚a、b、c、d、e、f、g、h为并行输入端。qh为串行输出端。clock：时钟输入端。clock inh：时钟禁止端。当时钟禁止端为低电平时，允许时钟输入，本电路直接与地相连。s/l：移位与置位控制端。：扩展多个74ls165首尾连接端。本电路没有用到此功能，故不作考虑。图3.3.2 单片机端口扩展电路该扩展电路的驱动程序如下：程序返回值read_temp用于存放单片机读到的外部开关信号。uchar read_data(void) uchar i; data= 0; / 锁存八位数据 data= 1; for(i=0;i8;i+) read_temp=1; / 左移一位 rclk=0; if(datain=1) read_temp|=0x01; rclk=1; return read_temp;3.3.3 继电器驱动电路继电器驱动电路主要用来驱动电磁继电器控制柴油机的正转或反转，以及直流调速电机的驱动电流的放大。其驱动电路原理图如图3.3.3所示。图3.3.3 2803驱动电路原理图由于单片机的i/o口的驱动电流比较小,只有20ma,不能直接驱动直流电机和电磁继电器,故需要做一个专门的驱动电路,以放大单片机i/o口的输出电流,达到能够驱动达林顿管和电磁继电器的目的。设计中采用的驱动芯片为uln2803，使得输出电流大于200ma。图中的限流电阻rp1采用5k的排阻。in8in1分别连接到单片机pc口的pc0pc7。uln2803它的内部结构是达林顿管阵列，在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。内部的输入输出是一个反相器，实际上相当于一个三极管，当输入高电平时，输出是低电平；当输入低电平时，输出高电平。如图3.3.4为电磁继电器的驱动电路。当out5out8输入低电平时，对应的电磁继电器吸合，其输出（c7、c9、c14、c16）即可接通到24v的直流电源上，为电磁阀和报警器提供电源。out5out8受单片机控制，其电流镜uln2803放大之后，电平与单片机的输出相反。图3.3.4电磁继电器的连接图3.3.4 直流电机桥式驱动电路 直流电机桥式驱动电路主要是控制直流调速电机的转向，以实现对柴油机加速和减速的控制。驱动电路电路图如图3.3.5所示：图3.3.5直流电机驱动电路柴油机的调速是通过直流电机的位移量改变的。因此直流电机的功率较大，其工作电流大，电压也较大，为24v。为了保护系统电路和加强电机驱动的稳定性和可靠性，利用桥式电路又做了一个驱动电路。当图中out1为低电平，out4为高电平时，三极管q1开通，和三极管q4闭合时，电机电源满足工作条件，可正转，实现柴油机的加速；同时必须使得out2为高电平，out3为低电平，三极管q2关闭，三极管q3开通，以减小漏电流对电机运行控制的干扰，及提高电机供电的可靠性。同理，要使电机反转，实现柴油机的减速操作，只需要进行相反的操作即可。若要停止电机则需要使q1、q2同时关断。3.3.5 转速脉冲降幅电路 转速脉冲降幅电路的功能是将传感器24v的脉冲信号转化成5v的脉冲信号，以及对脉冲信号整波，使脉冲上升沿和下降沿更陡。该降幅电路原理图如图3.3.6所示。图3.3.6转速脉冲降幅电路原理图柴油机的转速经电磁传感器检测、变换之后，输出的是0v和24v的ttl信号，而单片机的允许电压最大只有5v，因此需要对转速脉冲进行降幅处理，使其转化为0v和5v的ttl信号。该降幅电路图采用了比较器工作的原理，当输入电压大于比较器设定的参考电压时，比较器输出高电平5v，当输入电压低于设定的参考电压时，比较器输出0v，这样即实现了对转速脉冲的幅值变换，还对转速脉冲可以起到整波的效果。原理图中的比较器选用的是lm339。6号输入端起到了门限电压的作用，经两个电阻分压之后，门限电压约为2.5v，7号输入端输入转速脉冲，图中d21限流二极管防止了输入转速脉冲对门限电压的干扰。4系统软件设计4.1 rs-485通信4.1.1 rs-485通信原理串行通讯标准rs-485，是由电子工业协会（eia）制订并发布的。标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。rs-485通信的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为a，另一线定义为b。通常情况下，发送驱动器a、b之间的正电平在+2+6v，是一个逻辑状态，负电平在-2v6v，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c，在rs-485中还有一个“使能”端。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。 rs-485标准，具有多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为tia/eia-485-a标准。rs-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。rs-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mv的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 rs-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。rs-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用rs-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。rs-485的共模输出电压在-7v至+12v之间。rs-485的最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10mbps。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1mbps。4.1.2 max485的结构和性能max485接口芯片是maxim公司的一种rs485芯片。采用单一电源+5v工作，额定电流为300a，采用半双工通讯方式。它完成将ttl电平转换为rs485电平的功能。max485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。ro和di端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的rxd和txd相连即可；/re和de端分别为接收和发送的使能端，当/re为逻辑0时，器件处于接收状态；当de为逻辑1时，器件处于发送状态，因为max485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；a端和b端分别为接收和发送的差分信号端,当a引脚的电平高于b时，代表发送的数据为1；当a的电平低于b端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制max485的接收和发送即可。同时将a和b端之间加匹配电阻，一般可选100的电阻。4.1.3 rs-485通信的实现max485在实现rs-485通信时采用如图4.1所示的电路连接。图4.1 max485的点对点rs-485通信连接图图4.1是单片机点对点的rs-485通信连接，max485与单片机的连接关系为：max485的1号脚(ro)接单片机的14号脚rxd,单片机接收max485传输的数据。max485的4号脚(di)接单片机的15号脚(txd)，单片机向max485传送数据，当txd上的低电平强制输出a为低电平，而输出b为高电平。同理，txd上的高电平强制输出a为高电平，而输出b为低电平。max485的2号脚()和3号脚(de)接单片机的16号脚(pd2)，当pd2为低电平时，ro有效，驱动器输出为高阻状态，器件被用作线接收器；当pd2为高电平时，ro为高阻状态，驱动器输出a与b有效，器件被用作线驱动器。rt为100的匹配电阻(也称终接电阻)，接在传输线的两端，增大吸收，减少信号回波反射。rs-485的通信实现用到了单片机的串口usart。上位机采用定时发送，每5ms钟发送一次数据，接收采用usart中断接收。下位机不主动发送数据，接收采用usart中断接收，在每次接收完后，并进行简单的数据提取处理，处理完成后立即向上位机发送数据。上位机通信数据帧长度定义为12个字节。往下位机发送的数据帧包括：下位机的led显示数据s_led0,s_led1；下位机要接收的ad值s_ad_dat0,s_ad_dat1；手动/遥控命令s_shoudong默认为0，代表遥控状态；按键值s_key_value默认为，代表无按键操作，1，2，3，4分别代表完、备、停车和紧急停车命令。接收的下位机的数据帧包括：下位机测的的转速led_su0,led_su1,led_su2,led_su3；下位机传上来的led显示数据r_led0,r_led1,r_led2；手动/遥控命令shoudong默认为，代表遥控状态；下位机的按键值r_key_valuve,初始为代表无按键操作，1，2，3，4分别代表完、备、停车和紧急停车命令；遥控是顺、倒、停车的闪烁控制shanshuo_flag=0,默认常亮。下位机通信数据帧长度定义为12个字节。往上位机位机发送的数据帧包括：下位机测的的转速led_su0,led_su1,led_su2,led_su3；上位机的led需要显示的数据s_led0,s_led1,s_led2；手动/遥控命令s_shoudong默认为，代表遥控状态；下位机的按键值s_key_valuve,初始为代表无按键操作，1，2，3，4分别代表完、备、停车和紧急停车命令；遥控是顺、倒、停车的闪烁控制shanshuo_flag=0,默认常亮。接收的上位机数据帧包括：上位机测得得ad值ad_dat0,ad_dat1；手动/遥控命令r_shoudong默认为0，代表遥控状态；按键值r_key_value默认为，代表无按键操作，1，2，3，4分别代表完、备、停车和紧急停车命令。开始标志位同一定义为“”，结束标志位同一定义为“$”。rx为已接收字节数，uartstart为开始接受标志，初始化为0，finish为接受结束标志，初始化为0。通信速率为9600bps,波特率寄存器的初始化可以由系统软件得到。正常异步模式的计算公式：通信的校验方式采用和校验，即对发送的数据进行求和，对接收的数据进行求和，将两个和值进行比较，若二者一致，则可认为通信数据正常，否则抛弃不正常数据。下位机的通信函数包含上位机通信函数的所有功能，故只给出下位机的数据发送函数、中断接收函数、接受数据处理函数分别如下所示：void send_485() uchar i; e485=1; /485发送使能 ucsrb=0x08; output0=0x40; / output1=led_su0;/向上位机发送数码管转速显示数据，此位对应最高位 output2=led_su1;/向上位机发送数码管转速显示数据，此位对应第二位 output3=led_su2;/向上位机发送数码管转速显示数据，此位对应第三位 output4=led_su3;/向上位机发送数码管转速显示数据，此位对应最低位 output5=s_led0; output6=s_led1; output7=s_led2; output8=s_shoudong; output9=s_key_value; output10=shanshuo_flag; output11=0x24; /$ for(i=0;i12;i+) udr=outputi; while(!(ucsra&0x40); delay_ms(1); ucsrb=0x90; delay_ms(1); e485=0; /485接收使能interrupt usart_rxc void usart_rx_isr(void) char tmp; tmp=udr; if(tmp=0x40) / rx=0; uartstart=1; else if(tmp=0x24) /$ uartstart=0; finish=1; else if(uartstart=1) bufferrx=tmp; rx+; void receive() if(finish=1) r_key_value=buffer5; /接收上位机紧急停车、完、备、停信号 r_shoudong=buffer4; /接收上位机手动/遥控信号 r_led1=buffer3; /接收上位机led显示数据，对应u3 r_led