（机械电子工程专业论文）机务段机车润滑油脂自动发放系统的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的快速发展和普及，计算机技术及应用取得了突飞猛进的进步 计算机性能不断提高，计算机的体积、功耗、价格不断下降。今天的微处理器和 个人计算机已广泛应用于办公自动化、工业自动控制、商业信息处理、家用电器 控制等领域，促进了各行业的生产效率和工作效率的快速提升。 为了缓解当前出现的客流高蜂的压力，铁道部增开了多趟列车，进行了五次 列车提速。做好列车的日常维护和检修工作，对于保证列车安全快速运行具有重 要的意义。 机车的润滑油脂的发放是机车维护中很重要的一个方面。由于润滑油脂每次 发放的数量不像燃油那么多，以前的油脂发放往往采用原始的人工发放方式。这 种发放方式采用瓢舀秤称，不仅效率低下、浪费严重，还存在着严重的安全问题， 已经越来越不能满足发展的需要。 为了适应这种需要，我们设计了一种基于工业控制计算机的新型油脂自动发 放系统。该系统主要包括机械部分、电气控制部分、管路控制部分、计算机软硬 件部分、压力监控部分以及油温监控部分。 本文提出了一种全新的油脂发放方案，介绍了系统各部分的具体实现。其中 计算机系统的软件和硬件设计是本文的重点，也是本系统的精髓所在。当系统启 动后，通过数据采集卡将传感器脉冲信号采集到计算机，计算机将其转换成流量， 当达到发放数量后，自动切断电机及其电磁阀，并将发放信息保存到计算机。 整个系统的设计，以自动控制理论为基础，将传统的电气技术与先进的计算 机控制技术和管理方法结合起来，经过了严格的试验、反复的调试，最终成功地 完成了这套油脂自动发放系统的研制。目前该系统已在汉口火车站折返段投入使 用。实践证明该系统运行良好，可以很好地适应今后我国铁路事业的发展。 关键词：油脂发放机车单片机p c i 0 4 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dp r e v a l e n c eo ft h es c i e n c e ，p e o p l eh a v em a d e g r e a tp r o g r e s si nt h ef i e l do ft h et e c h n o l o g ya n dt h eu t i l i t yo ft h ec o m p u t e r w i t ht h e u p g r a d eo ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p u t e r , t h ep r i c e ，s i z ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n d e c r e a s ec o n s t a n t l y t o d a y , t h em i c r o p r o c e s s o ra n dt h ec o m p u t e rh a v eb e e nu s e di n t h ef i e l d so fo f f i c ea u t o m a t i o n ，i n d u s t r yc o n t r o la u t o m a t i o n ，c o m m e r c i a li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，h o u s e h o l da p p i i a n c e sc o n t r o la n ds oo n ，a n dh e l pt oq u i c k l yi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na n dw o r ki na l m o s ta l lt h ef i e l d s t or e l i e ft h ep r e s s u r eo ft h er u s ho ft h eg u e s t sc u r r e n tn o w , t h em i n i s t r yo f r a i l w a yh a si n c r e a s e dm a n yt r a i n sa n dh a sr a i s e dt h es p e e d5t i m e s i th a sv e r y i m p o r t a n tm e a n i n gt op e r f o r mt h er e g u l a rm a i n t e n a n c ea n do v e r h a u lt oe n s u r et h e t r a i n sm ns a f e l ya n dr a p i d l y t h ep r o v i d i n go ft h el u b r i c a t i o no i l f a to ft h et r a i n si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r t sd u r i n gt h ec o u r s eo ft h em a i n t e n a n c eo ft h et r a i n s b e c a u s et h eq u a n t i t yo ft h el u b r i c a t i o no i l f a ti sm u c hl e s st h a nt h ef u e lo i l ，t h e o i l f a ta l w a y sb e e np r o v i d e db yh a n d sp r i m i t i v e l y t h i sm o d eo fo i l - f a tp r o v i d i n gh a s c a u s e dm u c hw a s t ea n dl o we f f i c i e n c y , a n dh a sl a t e n ts a f e t y , a n dc a n tm e e tt h en e e d o ft h ed e v e l o p m e n t t om e e tt h en e e d ，w eh a v ed e v i s e dak i n do fn e w l yo i l f a tp r o v i d i n gs y s t e m b a s e so nt h ei n d u s t r yc o m p u t e r t h es y s t e mi n c l u d e st h ed e v i s eo fn u t sa n db o l t s ， e l e c t r i cc o n t r o l ，p i p ec o n t r o l ，c o m p u t e rs o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，l i q u i dl o c a t i o nc o n t r o l a n dt e m p e r a t u r eo fo i l f a tc o n t r 0 1 t h ep a p e rg i v e san e w l yo i l - f a tp r o v i d i n gp r o j c c t ，a n dd e s c r i b e se v e r yp a r t s c o n c r e t er e a l i z a t i o n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r et h ef o c a lp o i n ti nt h ep a p e r ，a n d t h em a n o wo ft h es y s t e m w h e nt h es y s t e mi ss t a r t e d ，t h es e n s o rp u l s es i g n a li s c o n v e y e dt ot h ec o m p u t e rb yt h ed a t ag a t h e r i n gc a r d ，a n dt h ec o m p u t e rc o n v e t q si tt o t h ef l o w w h e nt h eq u a n t i t yi sr e a c h e d ，t h ec o m p u t e rc u to f f t h e e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e a n dt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y , a n ds a v e st h ep r o v i d i n gi n f o r m a t i o ni nt h ec o m p u t e r t h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi sb a s e do na u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y , a n d c o m b i n e st h et r a d i t i o n a le l e c t r i ct e c h n o l o g yw i t ht h ea d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dt h eo f f i c ep r o c e d u r e t h es y s t e mh a sb e e na c c o m p l i s h e ds u c c e s s f u l l y e v e n t u a l l yb yt h es t r i c tt e s ta n db yt h er e p e a t e dd e b u g a tp r e s e n t ，t h es y s t e mh a sb e e n p u ti nu s ea tt h er e t u r ns e c t i o no ft h eh a n k o ur a i l w a ys t a t i o n i tp r o v e st h es y s t e m r u n sw e l l ，a n dc a na d a p tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h eu n d e r t a k i n go ft h er a i l w a y k e yw o r d s ：o i l f a tp r o v i d i n g ，l o c o m o t i v e ，m i c r o c o n t r o l l e r ，p c i 0 4 i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究背景及现状 目前国内油脂发放的现状主要是： ( 1 ) 由于投入太少，有很多机务段仍然采用最原始的手动方式，从长远来考 虑会造成更大的浪费，随着我国列车的提速和列车数量的增加，人工方式会阻碍 我国铁路事业的发展。这种方式采用托盘秤为计量工具，用器皿将润滑油脂直接 从油桶里盛出来，然后放到托盘秤上称量后还要减去器皿的重量，然后才是要的 油脂量。用人工方式加到机车需要润滑处，最后再由记单人员将实际加油信息进 行详细的记录。 ( 2 ) 有些机务段已经对油脂发放系统进行了改造，控制系统以单片机为核心， 尽管成本低，但功能单一，界面不友好，不利于油脂发放师傅的操作。单片机驱 动的l e d 或l c d 数码管不能同时显示加油量、司机报单号、用油单位、开始时间、 结束时间。单片机存储器容量有限，不能保存数次发放的数据量。同时单片机在 工业现场一般采用4 8 5 等现场总线向上位机传送数据，通讯线路一般较长，存在 着较大的偏差。如哈尔滨铁路局哈尔滨科研所于1 9 9 4 年研制成功的滚动轴承注 油脂机就是基于单片机的油脂发放系统。 ( 3 ) 采用人工的报表记录方式，容易发生人为的失误。当发生失误追究责 任时，不易查清原因。 四十多年来，我国从事信息技术研究、开发、建设和维护的人员已由几十人 发展到近万人，基本具备了开发、建设和管理现代铁路大型信息系统的能力，已 初步建成了铁路信息系统的支撑环境。铁路广域网和局域网已初具规模、部分信 息系统已开始发挥重要作用。目前虽然国内铁路系统已经有很多单位使用类似的 加油装置和系统，但是系统的实时性、测量精度和数据采集等还远不能满足实际 应用要求。1 9 9 4 年湖南大学研制了内燃机车集散发放系统，下位机以8 0 c 5 5 2 单 片机为控制芯片【”，采用单总线标准进行设计，系统程序存储空间仅为3 2 k 。福 州机务段2 0 0 0 年研制出了j y z - 1 型加油自动控制装置，并通过了福州铁路分局 组织的技术验收。该装置采用8 9 c 5 2 单片机对流量脉冲进行计数，输出控制信 号，该控制装置结构简单，成本低。 国外早年也采用手动方式发放油脂，近几年俄罗斯推出了一种新型的油脂定 量发放器1 3 4 j ，在东欧和中欧一些国家得到迅速的推广。定量加油器按可移动方 案制作，它安装在专门的小车上，设有接上加油枪的高压软管，加油枪接到润滑 脂使用处。这种该发放系统的主要结构如图1 一l 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 这种油脂定量发放器，可以准确地实现油脂的定量发放，可以起到保证机车 可靠润滑、减轻维护人员的劳动强度和降低污染的作用。 强l定麓地油嚣浙朦弹舟 】- 一萍l2 。$ 一迸棒曲蕾i4 - - 琏毫i5 b 量柏嚏郸推力艟1 7h 虹，g - 气功分配一i9 气动2 遗一一1 0 - 工怍胯； 1 2 - - 盎曲肆一i1 3 l 一播l 靠讣j 5 一风缸捕囊轩i l 一 辩簟遭1 7 一费叠肆麓，1 8 一手l ：穗怍的气曲分配舟 1 2 本课题的研究目的和意义 许多石油产品对人体都有害，接触皮肤如不及时清洗干净，则可能轻者引起 皮炎、疙瘩，重者发生皮疹或皮瘤。误入口内或吸入体内，轻者发生肠胃病或肺 炎，重者可能导致癌症，因而极应注意不要把石油弄到食品上，不要弄进呼吸道 里，也不要弄到满身是油或满地是油，这不但给国家造成浪费，而且有碍个人卫 生。 我国铁路自解放以来有很大发展，铁路营业里程从1 9 4 9 年底的2 1 8 万公里 增加到目前的7 3 万公里。中国铁路现有营业里程7 3 万公里，年发送旅客1 0 多亿 人次，发送货物2 0 多亿吨。中国铁路以占世界铁路6 的营业里程，完成了世界铁 路2 4 的运输量，铁路平均运输密度居世界第一位，是世界上最繁忙的铁路。铁 路客货运输量在中国国内运输市场中的份额分别为3 5 和5 5 左右，居世界同行首 位。中国铁道部副部长胡亚东在2 0 0 4 年7 月1 同在中国国际服务业大会和展览会上 说，铁道部将快速扩充铁路运输能力，至u 2 0 2 0 年，铁路营业罩程将达到l o 万公罩。 虽然改革开放以来，计算机技术己经广泛应用于铁路事业，但与发达国家相比， 武汉理工大学硕士学位论文 还存在着很大的差距，铁道部提出了建设信息化机务段的目标。 目前我国对机车燃油的发放已经开始重视起来，但润滑油脂的发放由于发放 量较小，长期被忽视。长此以往下去，很难适应我国铁路事业的发展，同时还对 环境造成了很大的污染。 为了适应这种铁路快速的发展形式，提升油脂发放的效率，我们设计了这种 新型的油脂发放系统。为了使机车油脂发放过程安全高效、提高机车油脂发放的 管理效能、减少人力的重复劳动和人为的不利因素，本课题结合数据库技术、软 件工程、嵌入式技术、自动控制技术、强电控制技术结合在一起实现机车润滑的 自动化、智能化和机车油脂发放管理的信息化”1 。 1 3 课题来源及主要研究内容 i 3 1 课题来源 武汉江岸机务段科研项目：机车油脂自动发放系统的研制。 1 3 2 主要研究内容 主要包括强电电路控制系统、管路控制系统、发放柜的结构设计、计算机 控制系统、监控系统的设计以及安全系统和抗干扰系统的设计等。 强电电路控制系统； 通过对发放电气柜的合理设计实现发放系统的三种润滑油脂的定量发放 以及油脂的加热处理。 管路控制系统； 包括管路元件如流量计、电磁阀、过滤器的选择与合理的布局安装，配合 电路控制系统实现润滑油脂的准确方便的发放以及从油桶向储油罐中的 抽入。 发放柜的结构设计： 计算机控制系统的设计； 包括工控机和单片机的接口设计以及数据量采集和计算显示、强电和弱电 系统的接口设计、油脂发放控制系统的软件设计、操作界面设计等； 监控系统的设计； 主要实现油脂的温度、压力的监控，以及与计算机的通讯显示系统的设计： 安全系统的设计和抗干扰系统的设计： 为了确保发放安全的安装设计中所要注意的事项以及采取的措施：系统干 扰的来源和抑止的方法。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章油脂发放系统的总体设计方案 2 1 系统的总体架构 本文所介绍的油脂自动发放系统是由p c i 0 4 总线的工控机【1 5 i 和a v r 单片机 【2 2 】【2 3 】共同构成计算机控制系统实现控制的。油脂发放系统的总体主要架构如图 2 - - 1 所示： 图2 - 1油脂发放系统总体架构 p c i 0 4 和a v r 单片机共同构成整个主要控制系统，二者通过r s 2 3 2 串行总线 实现数据通讯，f c 1 0 4 负责发放系统的流量计脉冲的采集、继电器开关的控制、 界面显示和发放数据的管理以及打印报表等功能；a v r 负责控制i c 卡的读写2 6 1 1 3 9 l 、压力的采集。 整个发放系统所要实现的功能为： 根据设定的发放量能自动控制油泵的启动、停止，以及相应控制管路电磁阀 的打开和关闭； 实时记录和显示油脂的流量； 记录并存储机车号、发放量、发放时间、发放人、发放种类和司机报单等， 并将信息传送至卜位p c 棚： 4 武汉理工大学硕士学位论文 i c 卡记录功能；司机可用l c 卡存储信息，包括：司机工号、司机报单号、 每次发放时问、发放种类、发放量； 管路压力的监测，保证发放的安全性； 自动手动切换，保证控制系统的可靠性； 收集发放数据，自动生成各种统计数据，如班报、月报和年报数据。 2 2电气控制系统的设计 电气控制部分的设计属于油脂系统的强电部分，是油脂发放系统中一个主要 的组成部分。其构成原理如图2 - - 2 所示4 l ： l 雠压堋号l t | i鼓| 1鳓霸西 嚣罂 3ci 壹 ? t 置l 机 弱旷刖 熊 丙岛生0 书婶 ? 控崔 訇堆 l 躅曲 艮 娥油。 电路 的f 冲信号 芙量扭 信号 c b _ 一- m 一 l | l 一 胙 2 一 十、 抱轴菜起停 瓦油控酣l 号 i 计茸机控 k 越目b 控毒劓謇与 旦_ j 蕾路控制舒分 图2 2 电气控制系统原理图 油管管路主干由过滤器、手动球阀、流量计、电控电磁阀组成，增设压力传 感器和流量计发信器向单片机传送压力信号和流量脉冲。 2 2 1 支路电气控制系统原理图 油脂发放系统主要有三路电气控制支路【8 j 各个支路基本相同，因此本文只 武汉理工大学硕士学位论文 介绍风泵油的电气控制支路。 风泵油电气控制原理图如图2 3 所示： 图2 3 风泵油电气控制原理图 当要发放时，首先通过双路开关k 来选择油脂发放方式：自动或手动。 自动发放过程：k 选择自动发放方式，微机电源得电，自动方式指示灯点亮， 图中1 l 处和7 3 路分别接连接中间继电器的常开触点。当各自继电器得电后，分别 使电磁阀和电机得电，启动一次油脂发放。 手动发放过程：k 选择手动发放方式，微机电源处于断开状态，因此微机对 手动发放方式没有影响。线圈z 得电，常开触点z 闭合，按下c a 2 使线圈l c 得电。 油脂发放开启指示灯燃亮，同时风泵油电磁阀和电机得电，启动一次油脂发放。 2 2 2 支路温控电气控制系统原理图 汉口火车站所用的风泵油、双曲线油和抱轴瓦油三种润滑油浓度和粘度比一 般的燃油的大。在温度较低的时候容易阻碍油脂的顺利发放，严重时可能会使管 路中的压力过大而损害整个发放系统的安全性，因此本文设计了加热温控系统来 降低润滑油的粘度。同样由于三个支路基本相同，本文只介绍风泵油的加热电气 控制原理图。风泵油的加热控制原理如2 4 所示1 9 i ： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 风泵油的加热控制原理图 在加热时首先通过拨盘来设定所需要的温度值，当按下拨动开关以后，线圈 5 c 得电的，加热电阻得电，启动加热系统，当达到所要设定的温度后，线圈w 1 得电，使触点w l 断开。 2 2 3 流量计的选择 流量计的种类很多，有孔板式的差压流量计、超声波流量计等，从使用的成 本、精度和可靠性来考虑，本系统选用价格低廉的l c 系列椭圆齿轮流量计。 椭圆齿轮流量计是用于对管道中液体流量进行连续测量的商精度计量仪表。 它具有量程范围大、压力损失小、粘度适用性强、能测量高温高粘度液体、标定 方便、安装简易等诸多优点，是容积式流量计的代表产品。 l c b 系列型椭圆齿轮流量计，装有现场指示显示、字轮累计计数装置，可以 直接显示流经管道内的液体累积流量。这种流量计比较符合铁道部油脂管理的要 求，而且使用简单，不需要任何调整和处理。 2 2 4 电磁阀的选择 电磁阀是实现油路开关控制的关键器件，在加油机油路中，它与油泵的正确 配合是自动发油的关键因素之一，发油时，先开阀后开泵，停止时，先关泵后关 阀，保证管路油压不至于过高而造成油泵和管路的损坏。 电磁阀的选型遵循安全性、可靠性、实用性、经济性四项原则【9 】和六个方面 的现场工况( 管道参数、介质参数、压力参数、电源参数、动作方式、特殊要求) 来进行选型。 本机车加油系统中选用的电磁阀为卜海巨良公司的z c a 型电磁阀，工作压力 在1 0 k g c m 2 ，压差0 5k g c m 2 ，直立安装。有防爆要求，环境要求不高。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 油脂发放系统的结构设计 主要包括管路的设计、面板的设计及柜体的设计，这里只介绍管路的设计和 面板的设计。 2 3 1 管路控制系统的结构设计 管路的设计充分考虑了灵活、可靠，通过很简单的设计，配合手动阀的组合 就可以实现所有的控制功能。 支路的管路结构如图2 5 所示，当有发油任务时将手动阀3 、4 年1 1 5 关闭，手动 阀1 打开，通过计算机或电气控制电磁阀和电泵的开启，同时流量计向计算机发 出脉冲，实现了油脂的发放和准确计量。同理将手动阀1 、2 和5 关闭，开启电泵 即可实现油脂的输入。手动阀5 管路部分为备用发放管路，当电磁阀发生故障时 使用。 出 入 2 3 2 面板的结构设计 图2 5 管路控制结构图 油脂发放系统的面板分为两部分：显示部分和控制部分。显示部分主要是显 示当前电压值、电流值和当前温度值、压力值以及各种加油数据。控制部分主要 是手动控制时各继电器得失电控制来实现三路油脂发放和设定加热继电器油脂 加温控制。 如图2 6 为显示面板： 武汉理工大学硕士学位论文 多莠j 曼；耋支。：兰 图2 6 油脂发放系统的显示面板 图2 7 为控制面板的设计 图2 7 油脂发放系统控制面板的设计 2 4 油脂数据管理系统的设计 油脂发放系统的数据管理是我们所设计的发放系统很重要的一个部分，也是 体现我们这个系统优越性的一个重要方面，主要负责记录油脂发放过程中的一些 数据。 利用c + + b u i l d e r l 9 1 集成开发环境提供的快速报表组建可以很方便地制订出 满足用户需求的报表，它可以直接与数据库进行连接，方便地对报表数据进行抽 武汉理工大学硕士学位论文 取、剪裁、合并，并将数据方便地保存起来。这种方式大大地减少了人力、财力 的浪费，提高了工作效率，同时可以利用网络将报表发送到其他的计算机上。 关于这部分的软件详细设计，我们会在以后的章节中给出。 2 5 本章小结 在本章里，我们介绍了整个油脂发放系统的构架、电气部分的设计、管路部 分和面板部分的结构设计、油脂数据管理系统的设计、流量计以及电磁阀的选取。 使大家可以对本文的主要的设计思路有一个较为清晰的认识。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章油脂发放系统的硬件设计 3 1硬件系统的总体设计方案 本文所介绍的油脂发放系统的硬件设计主要分为p c i 0 4 1 1 】工控机部分的硬件 设计和单片机部分的硬件设计以及二者的通讯部分的设计。可以用图3 一l 来表示 发放系统的硬件设计1 1 0 l 1 1 1 。因此本章是本文的重点，也是我们介绍的重点。 图3 1油脂发放系统硬件控制系统简图 由图3 1 可知，p c i 0 4 主板为整个系统的上位机的c p u 板，上面配备着f d d 软 驱控制器、i d e 硬盘控制器、c r t 接口、l c d 接口、以太网接口、u s b 接口和p c i 0 4 扩张总线接口。以太网连接火车站的h u b 用于向站内其它的计算机传输数据，l c d 接口连接l c d 显示器，i d e 连接硬盘，串口连接单片机。单片机系统扩展了i c 卡系 统、键盘、流量计脉冲的采集、压力的采集以及语音系统。考虑到系统的稳定性， 本文设计了现场信号接口板，通过排线与单片杌相连。 现场信号接口板是本文开发设计的接口板，由于现场的流量计输出脉冲信号 不是标准的c m o s 电平，同时，开关量信号的输出没有采用隔离措施，所以，专门 设计此板用于脉冲信号的整形和电平转换，对开关量的输出设计采用光电隔离以 使计算机的地线和现场继电器等器件的电源地线隔离，达到抗千扰的目的。这样， 武汉理工大学硕士学位论文 整个计算机的电源设计分计算机系统供电电源( + 5 v 、+ 1 2 v 、一1 2 v 和地) 和现场 继电器等的工作电源( + 1 2 v 和地) ，两者是完全独立的电源。 由上图分析知道，单片机系统的设计是本章的重点部分，下面将分别介绍各 部分。 3 2 单片机系统的方案设计和最小系统设计 3 2 1单片机系统的总体设计 本文所选用的单片机为a v r 单片机系列的a t 9 0 s 8 5 3 5 1 2 2 1 ，通过a v r 单片机1 2 3 1 来实现i c 卡、键盘、a d 转换、串行通讯、语音系统、压力显示以及报警的设计 等。单片机的系统框图如图3 2 所示： 图3 2 单片机系统的硬件设计框图 3 2 2a v r 单片机简介 a v r 单片机f 2 1 l 是a t m e l 公司于1 9 9 7 年推出的一款基于r i s e 指令架构的高性 能、低功耗的8 位单片机，该系列单片机在吸收p i c 及8 0 5 1 单片机的优点的基础上， 做出了重大的改进。本文所用到的a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机是a t 9 0 系列a v r 单片机中内部 武汉理工大学硕士学位论文 接口丰富、功能齐全、性价比高的产品。 a v r 单片机具有以下的特点； l 、速度快 a v r 单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每m h z 可实现阶段m i p s 的处理能力，是具有最高m i p s m w 能力的确良8 位单片机。 a v r 单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。其快速存取 r i s c 寄存器文件由3 2 个通用工作寄存器组成。a v r 用3 2 个通用寄存器代替累加器， 避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周期内执行一条指 令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规c i s c 微控制器快十倍。a v r 单片机 是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执行前一条指令时就耿出下一条指令， 然后以一个周期执行指令( 与d s p 类似) ，是8 位单片机中第一种真的r i s c 单片机。 2 、性能价格比高 a v r 单片机中既有引脚少的器件( 8 脚) ，也有存储容量较大、引脚较多的器 件，给用户以充分的选择余地。 a v r 单片机采用h a r v a r d 结构，程序存储器和数据存储器是分开的，可以直接 访问8 m 字节程序存储器和8 m 的数据存储器。 a v r 单片机片内资源丰富。包括：1 k 一1 2 8 k 字节可下载的f l a s h 存储器、6 4 4 k 字节e e p r o m 、1 2 8 4 k 字节r a m 、5 - 3 2 条通用的i o 线，3 2 个通用工作寄存器、摸拟 比较器、定时器计数、可编程异步串行口、内部及外部中断、带内部晶振的可 编程看门狗定时器、为下载程序而设计的s p i 串行口、l o 位a d 转换器、以及闲置 摸式和掉电摸式2 个可选择的省电摸式等。 a v r 单片机具有高度保密性。程序存储器f l a s h 具有多重密码保护锁死 ( l o c k ) 功能，绝不可能解密， 3 、系统内重新编程( i s pi n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 功能 a v r 单片机片内可下载f l a s h 存储器，可以通过s p i 串行接口或一般的编程器 进行系统内重新编程( i s pi n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) ，给新产品的开发、老产品 的升级和维护带来极大的方便。 4 、工作电压范围宽( 2 7 - 6 v ) 、抗干扰能力强 总之，a v r 单片机在一个芯片内将增强性能的r i s c8 位c p u 与可下载的f l a s h 相结合使其成为适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制 器。 3 2 3a t 9 0 8 8 5 3 5 单片机的特点 a t 9 0 s 8 5 3 5 1 4 0 唷4 0 引脚p d l p 和4 4 引脚p l c c 、t q f p 等多种封装形式它具有以 下主要特征： 武汉理工大学硕士学位论文 片内有8 k t 3 可下载的f l a s h 存储器。程序下载采用其s p i 串行接口，使用寿命 为10 0 0 次； 3 2 条通用i 0 线及3 2 个通用8 位寄存器r 0 一r 3 1 ，6 4 个i 0 v 用寄存器； 有5 1 2 1 3 的e e p r o m ( 使用寿命为1 0 力一次) 及5 1 2 b 的内部s r a m ； 供电电压在4 o 一6 o v 内可以全静态，工作范围为0 8 删z ；具有1 1 8 条功能强 大的指令，大多数执行时间为单时钟周期，指令周期最短仅为1 2 5 n s ； 提供1 6 种不同的内、外中断源( 其中有两个外部中断源) ； 带片内晶振器的可编程看门狗定时器；并有3 种可通过软件选择的电源节电模 式：闲置模式、掉电模式、省电模式； 可编程的全双工串行通信接h u a r t 及同步串行接v i s p i ： 两个带预分频及比较模式的8 位定时器计数器t c 0 、t c 2 ：一个1 6 位的带预分 频及比较模式、捕获模式及双1 8 位、9 位或1 0 位的p i p t 输出的定时器计数器 t o ；而且t c 2 可作为带单独晶振的r t c 使用； 片内带有一个模拟比较器及8 通道的a d 转换器。 3 2 4a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机的最小系统的设计 单片机最小应用系统设计是指能以单片形态实现单片机应用系统的设计方 法，它包括两方面内容，即单片机的广泛选择和单片机最小系统设计。通过单片 机的广泛选择，最大限度满足应用系统对硬件资源的要求；最小系统设计则是单 片机最基本、最通常的外围电路设计，如时钟电路、复位电路等【矧。 系统复位电路的设计一定要使系统能够充分复位，在各种复杂情况下稳定可 靠地工作。复位性能不好会影响系统的正常运行。a 1 9 0 s 8 5 3 5 单片机支持上电复 位、外部复位和看门狗复位等三种复位方式。 a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机片内含有f l a s h 程序存储器，故在一般情况下不需要扩展 存储器。在a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机的x t a l i 和a t a l 2 之间加上0 8 m 的晶振，并通 过2 0 p f 左右的电容接地为单片机提供工作时钟，在r e s e t 引脚加上低电平复位 的复位电路并为单片机加上4 6 v 的电源后，a t 9 0 $ 8 5 3 5 就可以正常工作，这样 构成了a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机的最小系统，如图3 3 所示： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 工眦 p 1 3 0 担x d ) d i ( t x d l 咖i n , t o ) 埘f a 4 t t ) p d 4 ( o c t m p ( o c i a ) p 肼( 1 0 p ) p d ? n d 鼢 ( t 0 s c i 】m ( t 0 p a 图3 - - 3a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机的最小系统 3 3i c 卡部分的设计 为了方便机车加油量的管理和记录，给油脂发放人员配备了i c 卡，i c 卡罩存 储着工号和密码，同时还记录了每次的发放量。发放的时候，发放人员根据语音 先插入i c 卡，发放系统自动进入显示i c 卡卡号的界面，并从数据库罩查找该工号， 若存在则进入下一步输入密码，否则要求重新输入密码，输入正确的密码就可以 发放，如果密码输入三次错误，则取消本次发放操作。在操作的时候为了使发放 人员方便的使用i c 卡，我们设计了语音提示系统。 i c 卡的设计是油脂发放系统的控制系统中较为复杂的一个方面，本文将重点 介绍这部分的设计。 3 3 1l c 卡简介 i c ，又称“集成电路卡”、智能卡、英文名称“i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ”或 “s m a r tc a r d , 是法国人r o l a n dm o r o n o 于1 9 7 4 年发明的，将具有存储、加密及数 据处理能力的集成电路芯片模块封装于和信用卡尺寸一样大小的塑料基座中，便 构成了犯卡。 根据i c 卡的特点，i c 卡可以分为以下三种： 根据i c 卡的特点，i c 卡可以分为以下三种： 队队弛弛雎m雎队蹴鬟器器e e u u 毫考渤瓣 萎吾嚣嚣m 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 接触式i c 卡：该类卡是通过i c 卡读写设备的触点与l c 卡的触点接 触后进行数据的读写。 ( 2 ) 非接触式i c 卡：该类卡与l c 卡设备无电路接触，而是通过非接触式 的读写技术进行读写( 如光或无线技术) 。其内嵌芯片除了c p u 、逻辑单元、 存储单元外，增加了射频收发电路。国际标准i s 0 1 0 5 3 6 系列阐述了对非接触式 l c 卡的规定。 ( 3 ) 双界面卡：将接触式l c 卡与非接触式i c 卡组合到一张卡片中，操作 独立，但可以共用c p u 和存储空间。 根据l c 卡的内部结构，i c 卡又可以分为存储卡、逻辑加密卡和c p u 卡。 ( 1 ) 存储卡：卡内芯片为电可擦除可编程只读存储器e e p r o m ( e l e c t r i c a l l y e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y ) ，以及地址译码电路和指令译码电路。 为了能把它封装在0 7 6 m m 的塑料卡基中，特制成0 3 m m 的薄型结构。存储卡 属于被动型卡，通常采用同步通信方式。这种卡片存储方便、使用简单、价格便 宜，在很多场合可以替代磁卡。但该类i c 卡不具备保密功能，因而一般用于存 放不需要保密的信息。例如医疗上用的急救卡、餐饮业用的客户菜单卡。 ( 2 ) 逻辑加密卡：该类卡片除了具有存储卡的e e p r o m 外，还带有加密 逻辑，每次读写卡之前要先进行密码验证。如果连续几次密码验证错误，卡片 将会自锁，成为死卡。从数据管理、密码校验和识别方面来说，逻辑加密卡也是 一种被动型卡，采用同步方式进行通信。 ( 3 ) c p u 卡：该类芯片内部包含微处理器单元( c p u ) 、存储单元( r a m 、 r o m 和e e p r o m ) 、和输入输出接口单元。其中，r a m 用于存放运算过程中的中 间数据，r o m 中固化有片内操作系统c o s ( c a r do p e r a t i n gs y s t e m ) ，而e e p r o m 用于存放持卡人的个人信息以及发行单位的有关信息。c p u 管理信息的加解密 和传输，严格防范非法访问卡内信息，发现数次非法访问，将锁死相应的信息区 ( 也可用高一级命令解锁) 。c p u 卡的容量有大有小，价格比逻辑加密卡要高。 但c p u 卡的良好的处理能力和上佳的保密性能，使其成为i c 卡发展的主要方向。 c p u 卡适用于保密性要求特别高的场合，如金融卡、军事密令传递卡等。国际上 比较著名的c p u 卡提供商有g e m p l u s 、g d 、s c h l u m b e r g e r 等。 3 3 2l c 卡的选型 根据i c 卡的特点和实际的使用环境，这罩所选择的i c 卡应满足如下条件： i c 卡的工作温度在- - 2 0 5 0 之间 i c n - 的工作电压在5 v 1 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 i c 卡内的存储器适合本设计所设计的数据存储 i c 卡内有一定的保密性以防止非法复制 i c 卡成本应该控制在一定的范围内 综合上述考虑，本文选用西门子s l e 4 4 4 2 逻辑加密性i c 卡进行数据存储和身 份识别。 3 3 3s l e 4 4 4 2i c 卡简介 s l e 4 4 4 2 | 2 6 1 是西门子公司的一款具有可变程安全代码( p s c ) 和写保护功能 的智能型存储芯片。 s l e 4 4 4 2 为加密存储卡，容量为2 5 6b y t e 。总密码核对正确之后，才可以对 卡读写操作。该卡前3 2 字节可进行写保护位操作。总密码错误计数器值为3 ，核 对错误一次，减1 操作，若计数值为0 ，整卡数据锁死。若3 次内有一次核对正确， 则计数器恢复初值。 s l e 4 4 4 2i c 卡的主要指标如下： 2 5 6 字节e e p r o m ； 3 2 位保护存储器； 3 字节用户密码，密码错误计数：3 次； 温度范围：- - 3 0 7 0 ； 至少1 0 万次擦写； 至少1 0 年数据保存期。 3 3 4s l e 4 4 4 2 的引脚配置 s l e 4 4 4 2i c 卡米用曲线数韬传辅万式，具引脚自d 羞如图3 4 所不 v c c 圆回g n d r s t 圆圈n c c l k 圆回i o n c圆 圈n c 图3 4s i ，e 4 4 4 2i c 卡引呦图 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 4 s l e 4 4 4 2 的内部结构及其存储器编址 s l e 4 4 4 2 的内部结构如图3 5 所示 图3 5s l e 4 4 4 2 的内部结构 s l e 4 4 4 2 采用存储器独立编址，其地址分配如表3 一l 所示 表3 1s l e 4 4 4 2 存储器地址分配表 s i e 髂鸷胃出厂时b 胃化只 醴字节的写保护 量鼍区 o - 艘0 3 吵w o o 帆如o eo f 什f f 什什f f 什f f 什什f f 什f ff ff ff f 什 什什什f ff f 什什f ff f 什什什什什f f 仟 f ff f f f f f f ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff f f f f ff ff ff ff ff ff f 什f ff f 什f f 什什f f 什 f 什f + f ，f ，f + f + f + f ，f + f 什f f ： ：；：。：；。；。僦 f ff f 仟f f什什f fl # f 什f ff f 什 一一 f f 什f f 什f ff f 仵什什f ff f 什什f ff f 什 f f 什f f 什f f 仟f f 什什f f 什什什f ff f f f 仟f f 什f ff f 什f ff f f ff f 什f ff f 什什f f f f 什f f 什f f 什f f 什f f 什f ff ff f 什什f f 1 8 是据区 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 5s l e 4 4 4 2 的数据传输协议 s l e 4 4 4 2 采用两线数据传输协议1 37 1 ，与其它设备构成完整的i c 电路，所有i 0 口的数据变化都是在时钟的下降沿开始。s l e 的i o 脚是开漏型的，需要外接上拉 电阻以提供高电平。此协议包含4 种模式。 1 复位和复位响应 复位和复位响应是根据i s 0 7 8 1 6 3 标准来进行的在操作期间的任意时候都 可以复位。开始地址计数器随一个时钟脉冲而被设置为零。当r s t 线从高状态h 置到低状态l 时，第一个数据位( l s b ) 的内容被送n i 0 上。若连续输入3 2 个时钟 脉冲主存储器中的前四个字节地址单元中的内容被读出。在第3 3 个始终脉冲的下 降沿t o 线被置成高状态而关闭。 图3 6 给出了复位与应答复位的时序。 v c c 厂一 r s t c l k i ，o 一夏位地址 ，上 置 同n 同门冈同同i c 将v o e 】黝。1 3 0i d tid 2 ：i id 3 0ii ) 3 1y 为z 态 图3 6 复位与应答复位的时序 2 命令模式 复位响应以后芯片等待着命令。每条命令都以一个“启动状态”开始。整个 命令包括3 个