毕业设计（论文）-基于CAN总线的汽车监控系统的设计与实现.doc

专科生毕业设计（论文）摘 要随着全球汽车工业的发展，汽车上的电控装置和集成电路单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制器的数量越来越多，线路越来越复杂。为了简化线路，提高各电脑之间的通信速度，CAN总线应运而生。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的现场总线，具有高性能和高可靠性的特点，目前CAN技术在汽车领域应用最为广泛。本系统采用CAN现场总线技术实现对的整车自动监控和报警，使对汽车的控制、行驶等达到最佳效果。该系统可完成车内空气质量监控，汽车发动机工作状况监测，汽车超声波倒车控制等功能，整个网络采用总线式网络拓扑结构，结构简单，成本低。整个监控系统由各个需要检测参数的传感器CAN智能节点群、监控上节点构成。监控上节点通过与各个网络节点通信，进行数据采集、显示。CAN智能节点由微处理器和可编程的CAN控制芯片组成，主要完成车上各个参数信号的采集、显示处理，控制各现场设备的运行，并通过CAN总线完成与监控主机的通信。本次设计的产品具有通信距离远，数据传输率高，可靠性极高，抗干扰能力强，后期维护成本低，可靠的错误处理和检错机制，通讯失败率低，总线利用率高，网络调试容易等优点。关键词：汽车控制；CAN总线；监测；报警显示AbstractAlong with the development of automobile industry, the cars electronic control devices and integrated circuits , MCU in the car by the wider use of vehicles with electronic controller increasing number and the line has become increasingly sophisticated . To simplify the line , improving the speed of communications between computers , CAN bus came into being. CAN is an effective support for distributed real-time control, or control of the fieldbus,a high-performance and reliability characteristics, CAN technology in the automotive field is most widely used. The system uses CAN fieldbus technology to the automatic vehicle monitoring and alarm to the control of the bus , such as moving to achieve the best- results . The system can be completed inside the air quality monitoring , monitoring of working conditioned of the engine passenger bus ultrasonic reversing control, and other functions, the entire network using network topology-bus structuring , the structure is simple and low cost . Monitoring with the various nodes on the network node communications, data acquisition and display.CAN intelligent node from microprocessors and programme chip CAN control component, mainly completion of various parameters on board the signal acquisition and display processing , controlling the operation of the equipment at the scene , and through the completion CAN bus communication with the control console.The product is designed distance communications, data transmission rate, high reliability, strong anti-interference ability, post-maintenance and low cost, reliable error handling and error detection mechanisms, communications failure rate is low and the high bus utilization, network debugging easily.Key words：Bus control; CAN bus; monitoring ;alarm and display目 录第1章 绪 论11.1汽车监控系统的研究意义11.2系统的主要特点及功能2第2章 系统设计方案论证32.1系统设计方案32.1.1 系统总体方案及框图32.1.2 框图分析42.2汽车监控系统方案论证5第3章 系统硬件设计63.1 上位机的硬件设计63.1.1 系统组成及工作原理63.1.2 硬件构成63.1.3 抗干扰设计103.2 智能节点群的硬件设计113.2.1 对汽车内多参数气体检测的节点设计113.2.2 对发动机转动情况监测的节点设计153.2.3 实现对主机冷却水温度和气缸排气温度检测的节点设计173.2.4 采用超声波进行倒车监控的节点设计213.2.5 对汽车电器等设备供电检测的节点设计243.2.6 对汽车油量检测的节点设计283.3 CAN总线通信模块的硬件设计30第4章 系统软件设计324.1 上位机软件的设计324.1.1 主程序的设计324.1.2 显示子程序流程图设计334.1.3 告警子程序流程图的设计334.2 气体检测软件的设计344.3 发动机转速测量软件的设计364.4 超声波测距电路软件的设计374.5 电量检测和油量检测软件的设计384.6 CAN总线通信模块软件的设计40第5章 结 论42参考文献43致 谢44附 录45附 录47IV 第1章 绪 论1.1汽车监控系统的研究意义随着汽车产业的迅速发展，汽车已越来越接近大众，汽车监控也日益受到人们的关注，人们对汽车监控功能提出了更高的要求，随着电于技术和大规模集成电路的迅速发展，网络控制芯片性能逐步提高、体积逐步减小、价格进步降低，为汽车局域网的普及推广创造了良好的条件。在众多的汽车局域网协议中，CAN以其良好的运行特性，极高的可靠性和独特的设计，不但特别适合现代汽车各电于控制单元之间的互联通信，而且也受到到其它业界的欢迎，并被公认为最有发展前景的现场总线之一。CAN总线在汽车上的广泛应用将使汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性都上升到新的高度，给汽车技术的发展注入新的活力。随着汽车上的电控装置和集成电路单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制器的数量越来越多，线路越来越复杂。如果仍采用常规的布线方式，将导致汽车上电线数目急剧增加，使连接这些装置的电子线路迅速膨胀，在汽车设计和维修中的负担到了无法承受的程度；而且，线路以及接头的增加是引起安全问题的巨大隐患；另外，线的质量和占用空间也都成为值得考虑的问题。质量的增加意味着降低汽车效率。所以汽车新技术的发展应用与汽车线束根数增加的矛盾日益突出。为了简化线路，提高各电脑之间的通信速度，降低故障频率，CAN总线应运而生。各大汽车生产商先后都用了该技术。CAN总线是德国Robert Bosch公司在20世纪80年代为汽车业开发的一种串行数据通信总线。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本多线路网络。在自动化电子领域等应用中，CAN的位速率可达1Mbps。同时，它可以廉价地用于交通运载工具电气系统中。由于CAN总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。因此，CAN协议对于许多领域的分布式测控都很有吸引力，而CAN又是一种有效支持分布式控制或实时控制的现场总线，具有高性能和高可靠性的特点。CAN总线最初被设计作为汽车环境中的微控制器通信，形成汽车电子控制网络。因其卓越的性能、极高的可靠性、独特灵活的设计和低廉的价格，现已更广泛的应用于汽车领域。而目前大多数监控系统采用的是传统的RS-485通信，以此实现监测、控制信号的传输；但是随着对通信要求的提升，其无完整的协议规约、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、传输距离不理想、应用不灵活等缺点慢慢地暴露出来，这些都将对监控网络的延伸、功能强化、应用环境都会有所限制。基于CAN总线的汽车监控系统是本次设计的主要方法，基于CAN总线通信方式与传统RS-485通信方式相比，具有通信距离远，数据传输率高，可靠性极高，抗干扰能力强，后期维护成本低，可靠的错误处理和检错机制，通讯失败率低，总线利用率高，网络调试容易等优点。而在节点设计中该监控系统一般都采用MCS-51系列单片机加CAN控制器的CAN总线通信解决方案，这些设计方法都能很好的解决上述所说的问题，提高了客车的性能，也能很好的节省车辆的成本。所以研究适合我国国情的，属于我们自己的车辆监控系统是必然的，同时也必然给我国无论经济，交通，还是人们生命及财产安全带来很大益。所以本文就此给出了一种基于CAN总线的汽车监控系统，尤其适合应用于类似汽车这种强干扰环境。1.2系统的主要特点及功能该系统的实时性能好，能够较快的对各种参数进行检测和显示，并对于超限数据进行报警。同时也必然给我国无论经济，交通，还是人们生命及财产安全带来很大益。系统软硬件设计的温度精度要求为1，等其它的要求为1级精度。本次设计整个网络结构简单，成本低。整个监控系统由各个需要检测参数的传感器CAN智能节电群、监控上位机构成。监控上位主机MCS 51单片机为主控器，负责与各个网络节点通信，进行数据采集、显示等。CAN智能节点由微处理器和可编程的CAN控制芯片和各类的传感器组成。例如在测量汽车内二氧化碳等气体进行检测时需要用到气体传感器，测量汽车发动机转速时需要用到转速传感器等等。本系统能实现以下功能：采用CAN现场总线实现对客车内二氧化碳等气体进行检测报警；实现对发动机转动情况的监测；实现对主机冷却水温度和气缸排气温度的检测；采用超声波进行倒车监控；实现对汽车电器等设备供电检测；将车速检测、油量检测接入CAN总线系统并进行显示温度、转速、CO2、O2等值。第2章 系统设计方案论证2.1系统设计方案2.1.1 系统总体方案及框图本设计的汽车监控系统主要实现对车内气体检测、倒车控制、发动机转速的测量、和供电设备的监控等等。它一般由智能节点群，CAN总线和上位机三部分组成。监控系统组成结构如图2.1所示。监控系统是按其三层结构进行工作的，即最底层的智能节点群CAN智能节点由微处理器和可编程的CAN控制芯片组成，主要完成车上各个参数信号的采集、显示处理，控制各现场设备的运行，并通过CAN总线完成与监控主机的通信。上位机通过CAN总线负责接受传感器采集到的数据，监控上节点通过与各个网络节点通信，进行数据采集和显示报警，也可以根据需要对网络节点进行参数设置和控制等。CAN多参数气体检测智能节 点CAN BUS车用显示仪表（包括显示、报警功能）CAN 发动机测速智能节 点CAN 冷却水和排气温度智能节 点CAN油量监测智能节 点CAN 超声波倒车控制智能节 点CAN 电量检测智能节 点图 2.1监控系统组成结构框图2.1.2 框图分析1对汽车内二氧化碳等气体进行检测报警系统节点模块主要由几个功能子模块组成，包括：进气过滤系统、传感器及信号处理单元（红外传感器、电化学传感器）、主控电路板、供电单元等组成。这个系统能分别对氧气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等气体进行检测。2对发动机转动情况的监测本系统主要采用的是霍尔转速传感器来测量发动机转速。由于测量转速时外界的干扰信号很强，必须采取相应的措施。可采用光电隔离方法消除噪声。再接入CAN总线进行显示和报警。3实现对汽车电器等设备供电检测和油量检测并进行显示油量检测主要由油量传感器、主控单片机组成。单片机采用的是PIC单片机，测量时把油量传感器通过信号处理电路接入单片机即可。对汽车电器设备的供电检测时主要检测的是汽车蓄电池的电量检测，用到的是电流传感器。这两个量最后都通过CAN总线接入车用仪表进行显示。4对主机冷却水温度和气缸排气温度的检测对主机冷却水温度和气缸排气温的进行检测时，采用的是NTC热敏点则传感器测量温度，最后接入车用仪表进行显示。5利用超声波倒车监控对汽车实行倒车监控的手段主要采用超声波传感器，这个系统主要包括几个部分组成，分别是检波电路，滤波放大电路，整形电路，这些也可以叫做超声发射电路和超声接收电路，电源电路和单片机核心控制电路等，最后通过总线显示与报警。6CAN总线上节点的设计上节点的设计就是在车内实现的车用仪表，主要模块包括单片机主控模块、传感器模块、A/D转换模块、显示模块等。其中主控模块主要完成外围硬件的控制和一些运算功能，传感器完成信号的采样功能，显示模块完成字符、数字的显示功能。2.2汽车监控系统方案论证本系统共有三大部分组成，下面对每部分实现方法及器件选择进行分析。1上位机的设计上位机主要由主控模块、传感器模块、模/数转换模块、现44780显示模块组成。主控制器采用ATMEL公司的AT89C52，它是该公司推出的AT89系列高档型单片机，它是低电压，高性能CMOS8位单片机，与标准的MCS-51指令系统兼容。功能强大AT89C52适合于许多较为复杂的应用场合。所以选择的是这个型号的单片机。由于本系统需处理多路模拟信号，故采用ADC0809 A/D转换模块，它采用逐次逼近的方法完成A/D转换；本系统采44780驱动的LCD，HD44780（KS0062）是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器（兼带驱动器），和4bit/8bit微处理器相连，它能使点阵LCD显示大小写英文字母、数字和符号等丰富的信息，同时有较强的通用性应用，使用方便，用户能用少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统，送入相关的数据和指令就可实现所需的显示。2智能节点群的设计智能节点群每个节点就是一个控制系统，该监控系统也可采用MCS-51系列单片机加CAN控制器的CAN总线通信解决方案，带CAN控制器的单片机P87C591，具有16KB内部程序存储器，512字节片内数据RAM，一般不需要扩展外部存储器；且具有6路模拟输入的10位ADC，2个8位分辨率的脉宽调制输出(PWM)和32个I/O口，用来作为输入输出通道，例如接入其他传感器(例如烟雾传感器和红外探测传感器)信号和控制雨刷、灯光等其他辅助设备，实施对目标的综合监控和管理，甚至可以整合监控以外的系统，例如数据采集系统。此外由于微控制器和总线驱动器都支持待机睡眠模式，还具有节电能力。与常用的MCS-51系列单片机加CAN控制器方案相比，该系统具有简化应用设计，体积小，方便嵌入应用和更高可靠性的优点；但是则其成本很高，优点很多却不利于推广，MCS-51系列单片机加CAN控制器的CAN总线通信解决方案不仅可以应用于客车的监控，还可以方便地推广应用于其它测控领域。所以本次设计采用这种实现方法。3CAN通信模块的设计CAN通信模块采用的是SJA+光耦+82C250的常用结构，SJA1000和PCA82C250分别适用物理隔离的电源供电，是为了增强系统的抗干扰能力和可靠性。第3章 系统硬件设计3.1 上位机的硬件设计本系统的上位机就是一个车用仪表，能对需要检测的各个参数实行显示或报警，车辆仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，是车辆安全行驶的重要保证。随着电子技术的广泛应用，传统汽车仪表逐渐被微处理器为核心的电子控制数字仪表取代已成为必然趋势。然而，目前国内车辆仪表数字化水平还不高，绝大部分仪表还是模拟式的，而大多数模拟仪表表头的体积较大、数量多，使得显示系统拥挤不堪，影响美观；另外一些模拟仪表故障率高，增加了用户的经济负担，减小了车辆行使的安全系数。为克服这些缺点，文中提出用51单片机、模/数转换器件ADC0809及霍尔元件等对其进行技术改进，设计并实现了新型全数字仪表系统，该仪表系统有显示直观准确、灵敏度高、使用寿命长、灵巧美观、成本低等优点。代表了车用仪表的最新发展趋势。 3.1.1 系统组成及工作原理本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换，各种信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能等。其工作原理是AT89C51单片机依次查询各传感器的输出信号（气压、油压等模拟传感器输出的模拟信号需要经过ADC0809进行模数转换）；然后AT89C51对输入信号进行相应处理后通过显示模块44780输出，同时还可输出各种告警信号。 3.1.2 硬件构成 该系统硬件主要包括以下几个模块： 89C51主控模块、传感器模块还有ADC0809模/数转换模块、44780显示模块等。其中89C51主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，传感器完成信号的采样功能，ADC0809完成将模拟信号转换成数字信号的功能，44780显示模块完成字符、数字的显示功能。具体框图如图3.1所示。1主控模块系统采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机，它带有4KB闪速式存储器、128B内存，最大工作频率24MHz，同时，具有32条输入输出线，16位定时/计数器，5个中断源，1个串行口。2温度传感器DS18B20用少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统，送入相关的数据和指令就可实现所需的显示。DS18B20是Dallas公司推出的单线数字式测温芯片，DS18B20固有的分辨率是0.5度，它能在现场采集温度数据，并将温度数据直接转换成数字量输出。DS18B20与AT89C51的接口电路图如图3.2所示，其中DS18B20模/数转换模块 ADC0809温度传感器DS18B20主控模块AT89C51霍尔元件显示模块报警输出模拟传感器图3.1 车用仪表系统框图图3.2 DS18B20与AT89C51的接口电路图工作在外部电源供电方式，单片机AT89C51采用P2.0和DS18B20通信。344780显示模块本系统采用44780驱动的LCD，HD44780（KS0062）是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器（兼带驱动器），和4bit/8bit微处理器相连，它能使点阵LCD显示大小写英文字母、数字和符号等丰富的信息，同时有较强的通用性应用，使用方便，用户能用少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统，送入相关的数据和指令就可实现所需的显示。44780显示模块有8条数据线，3条控制线。可与微处理器或微控制器相连，通过送入数据和指令，就可使模块正常工作，44780显示模块和89C51单片机连接电路如图3.3所示。 图3.3 44780显示模块和AT89C51单片机连接电路图需要说明的是，真正投入使用的显示模块需要根据车辆生产厂家对仪表显示界面的具体需求到液晶生产公司定制。4A/D转换模块 由于本系统需处理多路模拟信号，故采用ADC0809 A/D转换模块，它采用逐次逼近的方法完成A/D转换；其片内带有锁存功能的8 路模拟开关，可对8路05V的输入模拟电压信号进行转换, 完成一次转换约需100s。其输出具有TTL三态锁存缓冲器,可直接接到单片机AT89C51的P0口。ADC0809 与AT 89C51接口电路如图3.4所示。5测速传感器 经调查，速度传感器是车辆传感器中的易损器件，所以该系统对测速传感器进行了改进，测速传感器由霍尔开关、磁铁组成。其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置，车辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生开关信号，通过在单位时间对其计数可计算出车辆的行驶的瞬时速度，累计开关信号可算出车辆行使的距离。它具有灵敏度高、价格低廉、不易损坏等优点。图3.4 ADC0809 与AT89C51接口电路6报警电路的设计本报警电路主要采用的是LM386。 LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机、收音机和报警电路之中。具体电路框图如图3.5所示。AT89C51声音驱动模块LM386扬声器CAN总线传输模块节点模块发光报警图3.5 报警电路框图声光报警模块硬件结构如图3.6所示。采用单片机AT89C51作为此模块的微控制器，其外设资源丰富，可根据收到的命令控制各部分完成各种功能；声音驱动部分，采用低电压的音频功率放大芯片 LM386 推动扬声器发音；CAN总线传输部分，采用CAN总线控制器SJA1000和CAN总线收发器 PCA82C250 完成接收和发送CAN信息帧功能。图3.6 音频报警电路音频报警模块可以应用于本次设计的所有需要报警的需要报音提示的现场。实际应用中给驾驶员带来很大的方便。7其他模拟传感器气体浓度、温度、油量等参数的测量采用模拟传感器，其输出的模拟信号通过ADC0809模数转换后输入单片机89C51，经过相应软件处理后输出。3.1.3 抗干扰设计由于本仪表系统是为汽车、摩托车设计的，而汽车、摩托车的点火系统有较强的电磁干扰，另外车辆移动性大，有可能处于较强电磁干扰的环境中，因此必须采取抗干扰措施，否则系统难以稳定、可靠运行。1采用抗干扰电源单片机系统供电线路是干扰的主要来源，本系统的电源由车载电瓶提供，车辆的点火系统、音响设备等都可能对本系统产生干扰，为此，可将车载电瓶12V电源经磁珠和电容组成形滤波电路后，再经过UA7805C变压，然后经过稳压、滤波得到本系统电源。另外给每个集成电路芯片都安置一个0.01mF的陶瓷电容器，来消除大部分高频干扰。同时，良好接地是系统稳定工作的重要条件，由于本系统既有模拟电路又有数字电路，因此设计时将数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连。2CPU抗干扰措施当干扰信号作用到单片机本身时，单片机将不能按正常状态执行程序，从而引起混乱。为此本系统采用了以下几种方法。人工复位：当微处理器失控时，可使用复位方法处理，使程序自动从0000H开始执行。为此系统设置了复位键，当微处理器失控时，只要按下复位键，并持续10ms以上即可。掉电保护：因为当车辆颠簸的路况时，可能引起电源等接触不良，使系统陷入混乱状态，电源电压恢复正常后，系统难以恢复正常。为此系统设计了掉电保护。掉电信号由硬件电路检测到，加到单片机的外部中断输入端。将掉电中断规定为高级中断，使系统及时对掉电做出反应。在掉电中断子程序中，首先进行现场保护，当电源恢复正常时，单片机重新复位，恢复现场，继续工作。至于程序跑飞，可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。具体的讲，可以在RAM中埋一些标志，在每次程序复位时，通过这些标志，可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行有连续性，用户在使用时也不易察觉到程序被重新复位过。3.2 智能节点群的硬件设计3.2.1 对汽车内多参数气体检测的节点设计在汽车内的空气中，由于人呼吸、汽车尾气等环境因素，还因为车内一般比较封闭，所以车内的空气质量在一定的时间后肯定会变得很复杂，这时就会对人的健康产生不利的影响，所以本系统专门为这个原因设计的。系统节点模块主要由几个功能子模块组成，包括：进气过滤系统、传感器及信号处理单元（红外传感器、电化学传感器）、主控电路板、供电单元等组成。这个系统能分别对氧气、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫等气体进行检测。同时, 随着各种天然气、 煤制气、 液化气的开发和使用，各种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中， 因此连续、 直接检测工作环境和生活环境中有害气体、可燃性气体有着极其重要的意义。目前，气体检测大多采用单气体检测方式，即每测量一种气体需要携带一种测量仪表。研制能用一种仪器同时检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势，即进行多参数测量，多种气体检测,实现对多种气体种类的识别和浓度的判断，从而更全面地反映被测气体在特定环境中所显示的特性。本节点模块采用基于AT89C51 单片机控制的多参数气体检测仪的设计和实现方法。1 多参数气体检测仪的功能及测量原理系统由几个功能模块构成，其中包括：进气过滤系统、传感器及信号处理单元(红外传感器、电化学传感器)、主控电路板以及时钟输入单元。系统检测原理如图3.7 所示。进气过滤单元传感器及信号处理单元8K数据存储器A/D转换器单片机上位机显示报警单元键盘输入图3.7 系统检测原理图红外气体传感器和电化学传感器分别对氧气、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫四种气体进行检测。其中，二氧化碳采用红外传感器检测， 氧气、一氧化碳、二氧化硫由电化学传感器检测。本次设计主要以检测CO2为例，其他气体检测原理和CO2大同小异。目前，各种检测用的CO2传感器主要有固体电解质式、 钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等，这些传感器存在对气体的选择性差、易出现误报、需要频繁校准、使用寿命较短等不足。而红外吸收型 CO2传感器具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点它的测量精度为0.5。为此，本设计采用红外吸收型 CO2 传感器，整个电路设计简单易用，快速直读、价格低廉。2检测电路的工作原理红外吸收型 CO2气体传感器的工作原理红外吸收型 CO2 气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同体积分数时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与体积分数成指数关系。因此 ,通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的体积分数。被测气体通过两类传感器时产生的信号经放大、A/D转换后，由微处理器 AT89C51 进行采集、计算、数据处理产生浓度结果数据，并对数据结果进行超限比较，当被测气体的浓度超过仪器设定的报警限时，通过报警电路产生报警，并在显示屏上显示报警状态同时保存数据结果。图3.8 气体检测信号处理电路图3 传感器采样及信号处理电路设计在传感器及信号处理单元，滤波电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于C1的电抗趋于无穷大，因而，正反馈很弱，当信号频率趋于无穷大时，C2的电抗趋于零。这样，就保证了当信号频率在趋于零和无穷大之间的任何一个值，滤波电路都可以正常提取相应的电信号。放大电路的作用是将滤波电路输出的信号放大到一定的程度，以便驱动负载。R6和 C4串联构成校正网络用来对电路进行相位补偿。如图3.8所示。4A/D转换电路设计由于本节点设计采用ADC0809 A/D转换模块对气体传感器信号进行转换，经过 A/D 转换电路把传感器产生的关于气体浓度的有关信息转化为单片机能识别的数字信号，它采用逐次逼近的方法完成A/D转换。5数据扩展模块的设计在显示模块中直接通过CAN总线接入上位机进行显示和报警由于系统要存储很多测试信息，而且 AT89C51 单片机只有128B的RAM，我们外扩8K的外部数据存储器6264；具体电路图如图3.9所示。图3.9 数据扩展模块电路图6键盘电路的设计由于系统可以设定报警的限值和变更时间，则需要4个键盘接口，来控制设置、上升、下降、右移。本设计采用的是独立式按键。独立式按键直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个必须占用一个I/O口线，本设计按键数量较少，所以采用了这种按键。其具体电路图如图3.10所示。AT89C51 复位后运行其内部程序，选择第一种气体的模拟通道并启动 A/D 转换，把转换结果送单片机，同样方法依次启动另四种气体的转换，由于每一次转换至少需要 100us 的转换时间， 所以在下一种气体的转换过程中把上一种气体的转换数据与程序中设定的超限值进行比较, 若超出其范围则进行声光报警，图3.10 键盘电路的设计若在其范围内则等待下一组测量结果，最后一组数据转换结束后更新显示器上的气体浓度信息，再把测量数据连同其气体种类及时间信息写入外部数据存储器中。具体流程图及程序见后文。3.2.2 对发动机转动情况监测的节点设计发动机转速是反映发动机运行状况的一个重要参数，它能够综合反映发动机的工作状态和工作质量。利用发动机转速可以对发动机动力性能作定量分析和判断动力的异常情况；利用发动机转速的波动变化规律可以对发动机运行参数进行监测、对其功率进行估算等，因此，对发动机转速的测量是非常必要的。C8051F系列单片机是美国CYGNAL公司推出的一种与51系列单片机内核兼容的单片机。本设计采用的是C8051F006型单片机。1C8051F系列单片机特点： （1）内核采用流水线结构，速度可达25MIPS（25MHz晶振），比普通的51单片机快10倍；其指令与标准系列51单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易；该芯片的JTAG调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程，且不占用片内资源。 （2）片上集成有64KBFLASH、4352B内部RAM(可外扩至64KB)、59个I/O口、2通道16位1MSPS的可编程增益ADC、8通道10位200KSPS可编程增益ADC、2路12位DAC、3路模拟比较器、内部电压基准以及片内电源监视、降压检测和看门狗等功能。由于C8051F006的高集成度，因而无需外扩ROM、RAM、AD、DA、WATCHDOG、可编程I/O口和EEPROM（用片内FLASH实现），从而大大简化了硬件电路，并为构成以C8051F006为核心的单片机系统创造了条件，同时也提高了系统的可靠性。（3）片内集成有2个UART、1个SM和1个SPI。最为便利的是，C8051F006集成了CAN总线控制器，这使得CAN总线具有开发费用低廉、抗干扰性强、可适用于工业现场应用等特点，并可广泛应用于干扰环境非常严重的各种工业现场测控领域。C8051F006只需加上CAN总线收发电路就可挂接到CAN通信上，因而大大简化了通信系统的设计，减少了通信节点受干扰的概率。 （4）可编程的16位计数器阵列PCA有6个捕捉/比较模块和5个通用16位计数器/定时器，这一为要求定时器/计数器具有较多的测控节点提供了方便。 C8051F006能满足绝大多数工业测控节点的要求，能够形成以C8051F006为核心的单片机系统，如果配以外围测量单元，还可形成完整的测控节点。2传感器器件的选择本次设计采用的传感器是表面贴装的SS500系列的数字霍尔位置传感器，它具有宽工作温度和供电电压范围，表面贴装适用于大批量工业生产应用范围，它的主要特点是： 宽工作温度和供电电压范围，适用于恶劣环境（如汽车）；工作温度：-40150摄氏度，供电电压：4.524VDC；SS500带温度补偿适用于各种磁铁；SS500封装能承受热力和机械压力；工业标准表面贴装“gull-wing”；单极，双极和锁存；高精度或长距离应用；供电电压：4.524VDC；电流消耗：10mA；输出电压：0.4V MAX；输出电流：20mA MAX；工作温度：-40150摄氏度。3系统设计发动机转速测量硬件传感器与光电隔离电路电路如图3.11所示。图3.11光电隔离电路光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下，以光为煤介传送信号，对输入和输出电路可以进行隔离。因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。在霍尔传感器电路与单片机电路之间，使用光电隔离，能有效地，保证输入到单片机的发动机转速脉冲信号的质量。光电隔离电路与单片机接口电路如图3.12所示。图3.12 光电隔离电路与单片机接口电路3.2.3 实现对主机冷却水温度和气缸排气温度检测的节点设计汽车发动机工作时，气缸内的内燃气温度可高达2200k-1800k(开尔文)，导致与高温气体接触的机件(如缸盖、缸套、活塞、气门等)将受热而温度升高，:热变形而破坏零件间的正常配合，零件机械强度下降，热应力增大而损坏，润滑油变质或焦化，摩擦、磨损加剧；充气效率下降，燃烧不正常影响内燃机的动力性经济性，甚至直接汽车停车无动力。为了保证与高温燃气接触的零部件不至于因温度过高而影响正常工作，必须及时将多余的热量散发出去。因此发动机冷却系统是保障发动机正常稳定运行的重要辅助系统，它通过冷却水的循环带走发动机运转过程中散发出来多余的热量，保证发动机正常工作，避免发动机各零部件因温度过高而损坏。但在气缸工作中，冷却温度变化非线性和不确定的关系，再加之外界干扰，所以实行有效的检测冷却水和气缸排气温度可以对汽车发动机状况进行实时监测。1温度传感器的选择在选择温度传感器时，应考虑的主要因素有温度测量范围、精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度。目前，应用最广泛的温度传感器是热电偶、热电阻、热敏电阻和PN结型温度传感器。热电偶由两种不同的金属构成，它们的一端熔接在一起形成一个敏感结，温度变化时将有一个相应的热电势产生，使用热电偶测量温度时容易引入误差（冷端误差）。热电阻传感器电阻值随温度增加而增加，最常见的构成材料是铂、镍或铜，其线性度好，但价格较高，阻值小，连入测量电路中须考虑引线电阻影响。PN结型温度传感器利用了在一定的电流模式下，PN 结的正向电压与温度之间有很好的线性关系这一特征，测温精度高。热敏电阻由钴、锰、镍等金属的氧化物以不同配方高温烧结而成，包括正温度系数热敏电阻（PTC），负温度系数热敏电阻（NTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR），在温度测量中主要采用 NTC 和 PTC，尤其 NTC 应用较多。热敏电阻的阻值随温度变化而迅速变化，且阻值较大，如应用于野外测量，几十欧的引线电阻对测量影响较小，可忽略不计，非常适合测量微弱温度变化。但是非线性严重，使用时必须进行线性化处理。由于本系统测量点多，考虑价格等多种因素，选用NTC型热敏电阻较为合适。2NTC 温度传感器特点和应用现状在汽车电控系统中有广泛的应用，它能对发动机水温 进气温度和自动变速器油液温度进行测量，为发动机的燃油喷射、自动变速器的换挡、离合器的锁定和油压控制提供控制依据。本节点设计就针对NTC温度传感器的原理及其在大型客车上的应用。构成温度传感器的核心元件是热敏电阻，NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写,意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件.通常我们提到的NTC是指负温度系数热敏电阻,简称NTC热敏电阻. 热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。按其温度系数可分为负温度系数热敏电阻NTC和正温度系数热敏电阻PTC两大类。所谓正温度系数是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同；负温度系数是指电阻的变化趋势与温度的变化趋势相反。也即当温度上升时；电阻值反而下降的变化特性。 NTC热敏电阻是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的.这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料.温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。热敏电阻研制得较早，技术也较成熟。是用陶瓷半导体材料掺入适量金属氧化物，在高温条件下烧结而成的。根据氧化物的比例，其标称阻值（25）时，可以从0.1K至几百K范围内选择。测温热敏电阻NTC它的阻值与温度之间呈严格的负指数关系，如图3.13所示。图3.13 NTC阻值与温度关系曲线其关系式为： （3-3）式中：为NTC在开氏温度为T时的电阻值；为NTC在开氏温度为T0时的电阻值；多数厂商将T0设定在298K；B为NTC的温度常数。目前市场迫切需要可靠，高精度、高耐热性的NTC热敏电阻，如汽车上检测排气温度用的热敏电阻，工作温度为400500，检测石油液化气用的温度传感器的工作温度也相当高。对高温热敏电阻的迫切性日益增加。为了提高工作温度，正在试验添加、和等氧化物和等非氧化物的高温材料。这些也叫做指数型NTC。指数型NTC的B值是由制造工艺和氧化物含量所决定。用户可根据需要在15005000K之间选择。其精度和一致性可达0.1%。因此NTC的离散性较小，测量精度较高，加之热敏电阻尺寸小，响应速度快和易于加工制造等优点，故在汽车中广泛采用。本次设计的发动机水温传感器，进气温度传感器由NTC热敏电阻制成。3发动机冷却水的温度检测发动机冷却水水温传感器用于发动机冷却水的温度检测。在工作过程中，传感器热敏电阻随发动机冷却水温度的变化而变化，从而使信号线输出电压也相应产生变化，上位机根据电压的变化测得发动机的水温，为修正发动机喷油量及确定喷油时刻提供准确依据。4进气温度的检测进气温度的检测主要用进气温度传感器。它安装在空气滤清器盖上，用以检测进气温度，它与安装在发动机进气歧管上的半导体压敏电阻式空气压力传感器一起联合使用。可以准确地反映进入气缸的空气量，上位机根据进气温度传感器检测到的进气温度，来修正喷油量，使发动机自动适应外部环境的变化。它们的检测原理图如图3.14所示。图3.14 温度检测原理框图进气/水温温度检测电路连接图如图3.15所示。图3.15 进气/水温温度检测电路图本次设计的NTC热敏电则温度传感器，将它应用于汽车的冷却水水温测量，这种传感器利用NTC热敏电阻阻值随温度的变化而变化，从而使仪表的电流发生变化的这一个特性，不需要任何放大电路，就能直接指示相应的温度值，经试验，水温传感器和进气温度传感器的测量结果如表3.1所示。表3.1 传感器温度与电阻值测量结果温度/电阻值/103530-4100202350-2670401085-123060540-61580292-326100165-190 从表3.1中可以看出，实际的测量结果和曲线变化大体一致，精度较高。这种传感器的可靠、抗干扰的特点能保证本次设计在一定的电压变化范围内所引起的附加测温误差小于1摄氏度之间，满足了设计的要求。3.2.4 采用超声波进行倒车监控的节点设计随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车保有数量正在逐年增加。同时汽车驾驶人员中，非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生汽车尾部碰撞事件。因此本次设计的超声波倒车监控系统就是为了解决这个问题而设计的。超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器。1渡越时间超声测距法原理超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法，其中常用脉冲回波法测距。超声波测距的原理一般采用渡越时间法 ( time offlight)，其原理是超声传感器发射超声波，超声波在空气中传播至障碍物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，再乘以超声波在空气中的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即： （3-3）式中：D为超声传感器与被测障碍物之间的距离；c为超声波在介质(空气)中的传输速率；t 为超声波从发射到接收的时间。超声波在空气中的传播速度为： （3-4）式中：T为绝对温度数值； =273.15K，=331.4m/s.在测量精度不是很高的情况下，一般可以认为 c 为常数。由于温度影响超声波在空气中的传播速度，超声波反射回波又很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素是使用超声测距引起误差的原因。2超声传感器的参数选择超声波是频率高于20KHz 的机械波，为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波