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DZ234车高控制传感器,毕业设计

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1 目 录 第一章 绪论 . 3 1.1 研究意义 . 3 1.2项目的背景 . 3 1.3主要设计要求 . 3 第二章 总体方案 . 4 2.1控制方案 . 4 2.2设计方案 . 4 2.2.1 控制单元 . 4 2.2.2 车高检测元件的设计 . 5 2.2.3 输入通道的设计 . 5 2.2.4 执行单元设计 . 5 2.2.5 输出通道的设计 . 5 2.2.6 外围电路的设计 . 5 2.3 总体框图设计 . 6 第三章 PID 控制算法 . 7 3.1 PID控制技术 . 7 3.2 PID参数的整定 . 9 第四章 硬件系统组成 . 12 4.1 主机系统的设计 . 12 4.1.1 ATMEL89C51 单片机 . 12 4.1.2. 89C51 的性能及特点 . 12 4.1.3 89C51 最小应用系统 . 14 4.2 车高检测单元的设计 . 16 4.2.1 车高控制传感器的结构与工作原理 . 17 4.2.2 车高控制传感器电路检测 . 18 4.3 前向通道的设计 . 19 4.3.1 ADC0809 转换器 . 19 4.3.2 ADC0809 结构及转换原理 . 19 4.3.3. MCS-51与 ADC0809的接口 . 20 4.3.4 芯片 74LS373 . 20 4.4 执行单元的设计 . 21 4.4.1 主要特征 . 21 4.4.2 线圈结构 . 21 nts 2 4.4.3 控制方式 . 21 4.5 外围电路的 设计 . 22 4.5.1 显示器的选择 . 22 4.5.2 键盘的选择 . 24 4.5.3 报警系统 . 26 第五章 软件设计 . 27 5.1 主程序模块设计 . 27 5.2 中断服务程序 . 28 5.3 PID控制算法程序设计 . 29 5.4 显示子程序设计 . 30 5.5 数字滤波子程序设计 . 30 5.6 采样子程序设计 . 32 第六章 结束语 . 33 参考文献 . 34 附 录 . 35 nts 3 第一章 绪论 1.1 研究意义 汽车悬架系统决定着汽车的稳定性、舒适性和安全性，是现代汽车十分关键的部件之一。空气悬架系统具有以下优点： 1)空气悬挂刚度低。装备空气悬挂的车辆可以获得较低的固有频率，行驶平顺性好，乘坐舒适，车辆使用寿命长，减轻车辆对路面的破坏； 2)空气悬挂刚度呈非线性且可调节。刚度随着车辆载荷的变化而变化，不论空载或满载悬架的固有频率基本保持不变，另外车身姿态急剧变化时，可以使弹簧变硬，以抑制 车身姿态的变化； 3)空气悬架高度可调。不论是否载重，装载是否均匀，车身均可在一定高度保持水平，还可根据需要抬高或降低车身高度，以提高车辆的通过或方便乘客上下车； 4)空气悬架质量轻，可以减轻车辆自重； 5)空气弹簧噪声低，寿命长。因此，汽 车采用空气弹簧悬架取代原有的钢板弹簧悬架是今后的发展方向。 目前，空气悬架已经由机械控制式逐步发展成为电子控制式，如 Audi A6旅行车、日本丰田生产的凌志 LS 400 轿车、 Benz 公司生产的 S 系列 2000 型轿车和美国Lincoln 轿车、 Ford 轿车均装备了电子控制的空气悬 架系统。 在汽车悬架系统方面，我国除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟以外，其它的悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进或直接购买产品阶段。我国拥有空气悬架项目的公司为数众多，但真正拥有空气悬架系统设计开发、制造能力的寥寥无几，规模也十分有限。目前国内具有代理性质但无实际设计能力的公司居多，主要以代理美国、德国、韩国、日本产品为主，公司规模一般不大，产品有限。 因此，汽车空气悬架智能控制器的研制对我国汽车工业的发展和东北老工业基地的建设具有重要意义。 1.2项目的背景 本项目的设计的北京来源于校内基金汽车 动态悬挂控制系统的研究。 1.3主要设计要求 设计一个空气悬架控制系统，使车身高度调节范围在 0-120mm，精度在 +/-5% 控制系统的响应时间为 0.02s。 nts 4 第二章 总体方案 2.1控制方案 车身高度控制系统的设计方案，控制框图如图 2.1所示。控制单元根据车高传感器信号的变化和驾驶员给与的控制模式指令，给控制车高的电磁阀发出指令。当车身需要升高时，电磁阀动作，压缩空气进入空气悬挂的主气室，主气室的充气量增加，车身上升。当车身需要下降时，空气压缩机停止工作，电磁阀通电打开，同时排气阀也通电打开 ，悬挂主气室的气体通过电磁阀、空气管路、干燥器、排气阀而排出，车身下降。 （ a）车身升高 （ b）车身降低 图 2.1 车身高度控制系统 控制系统的原理图如图 2.2所示。 控 制 器 空 气 悬 架车 高 传 感 器R ( t ) y图 2.2 控制系统原理图 2.2设计方案 2.2.1 控制单元 本设计采用的控制单元是微型计算机控制系统。由于本设计是属于过程控制技术的设计，所以本设计的控制单元采用的是 8 位 MCS-51 系列的单片机。因为单片机小巧灵 活，成本低，易于产品化，并且可靠性好，适应温度范围宽。具体方案见第四章。 nts 5 2.2.2 车高检测元件的设计 本设计检测车身高度的原理是根据车身上下起伏的运动，运用车高传感器来进行车高调整，本设计的车身调节范围是 0120mm，精度 +/-5%，控制系统的响应时间为0.02s。 2.2.3 输入通道的设计 根据子系统的设计要求，要对 4 个轮胎的高度进行检测，所以要有 4 个输入通道。车高传感器将位移信号转换成电信号，要输入给单片机，还要转换成模拟信号，因此在输入通道中有 A/D转换单元。根据系统的设计要求 ，本系统采用 8为 A/D转换单元。 2.2.4 执行单元设计 由于控制过程可知，控制车身高度，只需调节电磁阀开，断的时间 T 就可以。因此，本系统采用电磁阀为执行机构。 2.2.5 输出通道的设计 模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是将 CPU输出的数字信号转换成模拟信号去驱动相应的执行机构，以达到控制的目的。由前面可知，只需要调节电磁阀开断时间，就能控制车身高度。因此，输出通道为数字量输出，无需加上 D/A转换器。 2.2.6 外围电路的设计 本设计的外围电路由显示，键 盘，报警三部分组成，下面做逐一介绍 本设计采用的显示器是 LED 显示块。 LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，在单片机应用系统中通常使用的是七段 LED本系统采用共阴极 LED显示块。其管脚配置如图 2-3所示。 图 2-3 共阴极 LED七段显示块及管脚配置 nts 6 通常的七段 LED显示块中有八个发光二极管，其中七个发光二极管构成小数点。 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合键的识别是由专用硬 件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。 实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压蜂鸣器，这种蜂鸣器只需要在其两引线上加 315V的直流电压，就能产生 4KHz左右的蜂鸣震荡音响，比电研式蜂鸣器结构简单，耗电少，而且更适合于在单片机系统中应用。 2.3 总体框图设计 图 2-4 总体框图 A/D V/I 变换UA 车高传感器 执行机构 执行机构 外围电路 89C51 nts 7 第三章 PID 控制算法 3.1 PID控制技术 PID 调节器是按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节 器，是边疆系统中技术成熟应用最为广泛的一种调节器。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别在工业过程控制中，由于控制对象的精确数字模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，目标又不能得到预期的效果，所以人们常采用 PID调节器，并根据经验进行再现整定。随着计算机特别是微机技术的发展 ， PID 数字控制算法已能用微机和单片机简单实现。由于系统的灵活性， PID算法可以得到修正而更加完善。 一 PID调节的优点 1. 技术成熟；结构灵活，可以根据系统 的要求，采用多种 PID 的变种；系统整定参数方便。 2. 易被人们熟悉和掌握。 3. 不需要求出数学模型。 4. 控制效果好，用数字 PID完全可以代替模拟调节器。 二、 PID调节的原理 PID 调节器是一种线性调节器，其框图如图 3-1 所示。 PID 控制器把设定值 W与实际输出值 Y相减，得到控制偏差 e,偏差 e经比例调节器 P，积分调节器 I，微分调节器 D 的作用后通过线性组合构成控制量 u,然后用 u对对象进行控制。 I 对象DPw e+ -u Y图 3-1 PID控制器框图 1.比例调节器 它是一种简单的调节器，控制规律为 U=Kp e+U0 式中Kp为比例系数， U0为控制常量，即误差为零时的控制变量。但比例调节器不能使差减小到零，有残存的误差（静差）。加大比例系数 Kp 可以减小静差，但当 K 过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。比例控制器的优点是反应快，缺点是不能完全消除静差。要想克服这个缺点必须采用积nts 8 分控制规律进行弥补。 2.比例积分调节器 积分器的加入能自动 调节控制常量 U0，消除静差，使系统趋于稳 定。其控制规律为00 )1( UedtTieKpt 其中 Ti 为积分常数，Ti越大积分作用越弱。 3 .比例积分微分调节器 积分器虽然能消除静差，但使系统的响应速度慢，于是在 P2调节器的基础上再加微分调节器，组成比例、积分、微分调节器，其控制规律为：00 )1( UdtdeTde d tTieKpt 式中 Td 为积分常数， Td 越大微分作用越强。微分调节器的加入将有助于减小超调量克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度、缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能。 三、 PID控制算法的数字实现 采用单片机作为控制器核心的自动控制系统。 89C51 单片机系统通过 A/D 电路检测过程变量 Y0并计算误差 e和控制变量 U。计算机控制根据采样时刻的误差值计算控制量 U，在采样 t=i T。 (T 为采样周期， i 为正整数 )， PID 调节规律可以通过数值公式近似计算：010 )( UeeTTdeTiTeKpUiiiTj ji ，由于PID计算机控制是一种采样控制，模拟 PID控制算法公式中的积分项和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。如果采样周期取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。上式称为位置式算 法。 当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量（例如去驱动步进电机）时，由式（ 3-1 ） 可 导 出 增 量 式 PID 算 法 ， 这 时 只 要 将 式010 )( UeeTTdeTiTeKpUiiiTj ji （ 3-2） 及 0211011)( UeeTTdeTiTeKpU iiTj jii （ 3-3） 相减就可以导出下面的公式： )2( 2111 iiiiiiiii eeeTTdeTiTeeKpUUU （ 3-4） 称为 PID控制算法，式（ 3-1）称为位置算法。式（ 3-4）也可以进一步改写成 为： 21 210 iii edededUi（ 3-5） 其中 )1(0TTdTiTKpd )21(1TTdKpd TTdKpd 2nts 9 可见增量式 PID算法只需保持现时以前的三个时刻的误差（ ei、 ei-1 、 ei-2）即可。增量式 PID 算法与位置式 PID相比有下列优点： 位置 式 PID 算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值 ej容易产生圈套的累积计算误差。而增量式 PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的影响小。 控制从手动切换到自动时，位置式 PID 算法必须首先将计算机的输出值为原始阀门开度 U0，才能保证无冲击切换。如果采用增量式算法，则由于公式中不出现 U0项，易于实现手动到自动的无冲击切换。 在本单片机应用系统，执行机构需要的是控制变量的绝对值而不是其增量，但仍可用增量式计算，输出则采用位置式的输出形式。变换（ 3-4） 得 : 2 211 iiiiiii eDeeeKpUUUUi （ 3-6） 把1 iii eee212 )( iii eee代入上式得： )2(2)( 2111 iiiiiii eeeDeeeKpUUi 式中 YiWei ， W 为设定值， Yi 为第 i 次实际输出值， Kp 为比例系数，积分系数 TiTI , 微分系数 TTdD ， T为采样周期。 3.2 PID参数的整定 整定 PID的方法有临界比例度法、扩充响应曲线法和试凑法整定 PID法。本系统的参数整定采用扩充响应曲线法和试凑法相结合的方法，即先用扩充响应曲线法整定参数初值，再用试凑法微调，使系统的输出后达到控制要求。 1 扩充临界比例度法整定 PID参数 扩充临界比例度法是在模拟 PID 调节器中使用的临界比例度为基础的一种数字PID调节器参数的整定方法。整定步骤如下： (1) 选择一个足够短的周期 T，例如被控制过程有纯滞后时，采样周期 T取滞后时间的 1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值 r作阶跃输入。 (2) 逐渐加大比例系数pK、使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期 Ts，并记下此时的比例系数pK，将其记作临界振荡增益SK。此时的比例度为临界比例度，记作 ss K1 。 (3) 选择控制度，所谓控制度时数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比，即 模拟控制度)()(0202dttedtte D D C 对于模拟系统，其误差平方积分可以按记录纸上的图形面积计算；而数字控制系统则可用计算机直接计算。 控制度是数字调节器和模拟调节器控制效果相比较的一种性能指示。通常不需要nts 10 去计算。当控制度为 1.05 时，数字调节器与模拟调节器的控制效果相当；当控制度为 2.0时，数字调节器的控制质量差一倍。 按式（ 3 5）选择的控制度应为 1.05、 1.2、 1.5、 2.0中的一个数。 (4) 表 3 1 是扩充临界比例度法整定参数的计算 公式。根据控制度，查表 4.3求出 T 、pK、iT、和 Td 值。 (5) 最后整定出 PID参数初值。 2 试凑法 由于实际生产过程错综复杂 ,参数千变万化，因此并不是所有的数字 PID 调节器参数都能用临界比例度法和扩充响应曲线法整定的，所以目前应用最多的还是试凑法。试凑法是从一组初始 PID参数出发，经过闭环试验，再根据各参数对系统品质的定性影响，反 复试凑，不断修改最后确定 PID 参数。表 3 2 是 PID 参数的经验选择范围 表 3-1扩充临界比例度法整定参数的计算公式 表 3-2 PID参数的经验选择范围 被调量 特点 Kp Ti（分） Td（分） 温度 滞后大，用微分 1.6 5 3 10 0.5 3 压力 滞后一般不大，不用微分 1.4 3.5 0.4 3 液位 若允许有静差，可不用积分和微分 1.25 5 流量 时间常数小，有噪声，故 KP较小， Ti较短，不用微分 1 2.5 0.1 1 只采用比例控制，pK由小变大，若响应时间、超条、静差已达到要求，只采用比例调节即可。 若静差不满足，则加入积分控制，将pK减小，例如取 0.8Kp代替pK，iT由小控制度 控制规律 T Kp Ti（分） Td 1.05 PI 0.1 0.84Tc/ 3.4 PID 0.05 1.15 Tc/ 2.0 0.45 1.20 PI 0.2 0.78 Tc/ 3.6 PID 0.16 1.0 Tc/ 1.9 0.55 1.50 PI 0.5 0.68 Tc/ 3.9 PID 0.34 0.85 Tc/ 1.62 0.65 2.00 PI 0.8 0.57 Tc/ 4.2 PID 0.6 0.6 Tc/ 1.5 0.82 nts 11 到大，反复测试多组的pK和iT值，从中确定合适的参数。 若动特性不满足，比如超调量过 大，或调节时间过长，则加入微分控制， Td由小到大，逐步凑多组 PID参数，从中找到一组最佳调节参数。 系统采样周期的确定 (3) 香农采样定理 设连续信号 tx 的频带宽度是有限的，所包含的最高频率为maxw，为了能使连续信号 tx 采样后的离散频谱 jwx 彼此不重叠，并能复现原信号 tx 的全部信息，则要求采样频率sw满足下述关系： max2wws nts 12 第四章 硬件系统组成 4.1 主机系统的设计 确定了总体方案后，我们要选择一个合适的单片机对系统进行控制。就性能与价格等因素，我选择了 微处理器 ATMEL 89C51。 4.1.1 ATMEL89C51 单片机 ATMEL89C51是一种低功耗，高性能的片内含有 4KB/20KB的闪烁可编程 /擦除只读存储器的 8位 CMOS单片机，并且与 MCS-51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的 FPEROM允许在线编程或采用通用的编程器对其重复编程。 AT89C51将具有多种功能的 8位CPU 与 FPEROM 结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜 (现价 20多元 )的方案，其性能价格比远高于 8751。 4.1.2. 89C51的性能及特点 89C51的主要性能包括： 与 MCS-51微控制器产品系列兼容。 片内有 4KB可在线重复编 程的快闪擦写存储器 (FlashMemory)。 存储器可循环写入 /擦除 1 000次。 存储数据保存时间为 10年。 宽工作电压范围： Vcc可为 2.7V6V。 全静态工作：可从 0Hz至 16MHz。 程序存储器具有 3级加密保护。 128 8位内部 RAM。 32条可编程 I/O线。 两个 16位定时器 /计数器。 AT89C51硬件结构及引脚 89C51 的内部硬件除程序存储器由 FPEROM 取代了 87C51 的 EPROM 外，其余部分完全相同。 89C51的引脚与 87C51的引脚也是完全兼容的，其引脚配置如图 4-1所示。 P0口 : P0 口是一组 8 位漏极开路双向 I/O 口 ,也即是址 /数据总线复用口。作为输出口用时 ,每位能吸收 电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 ,对端口写“ 1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 FLASH 编程时， P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 nts 13 89 C 51P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T / VPDR X D / P 3 . 0T X D / P 3 . 1T 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5X T A L 2X T A L 1V s sI N T 0 / P 3 . 2I N T 1 / P 3 . 3RD / P 3 . 7WR / P 3 . 6V c cP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7EA / VPPA L E / P R O GPSENP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 0图 4-1 89C51 引脚 P1口： P1口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。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。 FLASH编程和程序校验期间， P1接收低 8位地址。本次设计中 P1 口用作传感器的输入口、加热部分的固态继电器的控制口、声光报警电路以及部分看门狗电路的接口。 P2口 : P2口是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口， P2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，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。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时， P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRI 指令）时， P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器 SFR区中 R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。 FLASH 编程或校验时， P2亦接收高位地址和其它控制信号。 P3口： P3口是一组带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口。 P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL逻辑门电路。对 P3 口写入“ 1” 时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输 入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3口将用上拉电阻输出电流 Iil。nts 14 P3口除了作为一般的 I/O口线外，更重要的用途是它的第二个功能，如 表 4-1所示： 表 4-1 P3口的第二功 能 本次设计中我们用到了 P3口的第二功能。 RST: 复位输入。当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG : 当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8位字节。即使不访问外部存储器， ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE脉冲。对 FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ PROG ）。如有必要，可通过支特殊功能寄存器区中的 8EH单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉商，单片机执行外部程序时，应设置 ALE无效。 PSEN : 程序储存允许（ PSEN ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当门市部外部数据存储器，这两次有效的 PSEN 信号不出现。 EA/VPP: 外部访问允许。欲使 +CPU 仅访问外部程序存储器（地址 0000HFFFFH）， EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端）， CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 FLASH 存储器编程时，该引脚加上 +12V的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。 4.1.3 89C51最小应用系统 89C51内部有 4K内存，芯片本身就是一个最小体统。在能满足系统的性能要求端口引脚 第二功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外中断） P3.3 INT1（外中断） P3.4 T0（定时 /计数器 0） P3.5 T1（定时 /计数器 1） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） nts 15 的情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单，可靠用 89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上始终电路和复位电路即可，见图 4-2。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的测控单元。下面就把时钟电路和复位电路做下介绍。 （ 1 ）时钟电路 时钟是单片机的心脏，单片机各功能不见的运行都是以时钟频率为基准，有条不乱地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机 的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。 1内部时钟方式 MCS-51 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。这两个引脚接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。 除使用晶体振荡器外，如对时钟频率要求不高，还可以用陶瓷振荡器来代替。电路中的电容 C1 和 C2 典型值通常选择为 30 微发左右。对外接电容的值虽然没有严格的要 求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。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。但反过来运行速度对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高，既要求线间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定，可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的 NPO高频电容。 MCS-51单片机常选择振荡频率 6HMz或 12MHz的石英晶体 。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在的高速单片机芯片的时钟频率已达 40MHz。 2外部始终方式 外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片 MCS-51单片机 同时工作，以便于同步。对外部脉冲信号只要求高点平的持续时间大于 20 微秒，一般为低于 12MHz的方波。 外部的时钟源直接接到 XTAL2端，直接输入到片内的时钟发生器上。由于 XTAL2的逻辑电平不是 TTL 的，故建议外接一个 4.7K10K 的上拉电阻。 （ 2）复位电路 1复位操作 复位是单片机的初始化操作，只要给 RESET 引脚加上 2 个机器周期以上的高电平信号，就可使 MCS-51 单片机复位。复位的主要功能是把 PC初始化为 0000H，使 MCS-51nts 16 单片机从 0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需要按复位键重新启动。 除 PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如下表所示。由表中可以看出，复位时， SP=0.7H； 4 个 I/O 端口 P0P3 的引脚均为高电平，这在某些控制应用中，要考虑到引脚的高电平对外部控制电路的影响。 由于单片机内部的各个功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序运行直接受程序计数器（ PC）指挥。、 另外，在复位有效期间， MCS-51单片机的 ALE引脚和 PSEN引脚均为高电平，且内部 RAM不受复位影响。 2复位电路 MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。 MCS-51单片机片内复位结构如图。 复位引脚 RST通过一个斯密特与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的 S5P2，斯密特出发器的输出电平有复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作需要的信号。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自己动复位电路如图。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现上电复位。当时钟频率选用 6MHz时， C取 22 微发， R取 1千欧。 图 4-2 89C51 最小系统 4.2 车高检测单元的设计 本设计所采用的车高检测单元是 凌志 LS 400 车高控制传感器 车高控制传感器用来传感悬架元件与车身间在垂直方向上的关系 ,其信号可使悬nts 17 架电控单元 ECU根据汽车载荷的大小 ,通过有关执行元件 随时调节车身高度 ,维持车身高度基本不随载荷变化而变化 ;在汽车起步、转向、制动及前、后、左、右车轮载荷响应发生变化时 ,随时调整有关车轮悬架的刚度 ,提高汽车抗俯仰、抗侧倾能力 ,保证其良好的操纵稳定性 ;在汽车各轮载荷不同时 ,分别调节各轮悬架的高度 ,维持车身姿势基本不变。为了检测汽车高度因道路不平而引起的悬架位移量 ,凌志 LS 400 轿车在每个悬架上都装有一个光电式车高控制传感器 ,用来连续监测车身与悬架下摆臂之间的距离。 4.2.1 车高控制传感器的结构与工作原理 凌志 LS 400 车高控制传感器的结构如 图 4-3所示 。随转轴转动的圆盘上设有将转动角度数码化的窄缝 ,遮光器由发光二极管和光敏三极管组成。 图 4-3 车高控制传感器的结构 凌志 LS 400 车高控制传感器的工作原理如图 4-4 所示。其中窄缝板即为上述的圆盘 ,传感器的遮光器以 4个为一组 ,覆盖了该窄缝板。转轴的外端装有导杆 ,导杆的另一端通过有关零件与独立悬架的摆臂相连。当车身高度发生变化 ,即悬架变形量发生变化 (如汽车载荷发生变化 ) 时 ,导杆随摆臂上下摆动 ,通过传感器转轴驱动窄缝板转动 ,各遮光器输出随之进行“ ON”、“ OFF”变换。车高控制传感器根据各遮光器 输出信号的不同组合 ,将车身高度分为 16个区 (见表 4-2) ,并传送给 ECU ,从而使 ECU 检测出车身高度的变化。 图 4-4 车高控制传感器的工作原理 图 nts 18 表 4-2 汽车行驶中 ,由于车身振动 ,随时判定车高所属的区间比较困难 ,ECU 可在一定的时间间隔 (如 10ms) 判定车高在某个区间的百分比频度 ,据此判定是否需要进行车高调整。 2 、 车高控制电路的检测 电控悬架系统均设有故障自诊断功能 , 悬架 ECU 发现电控系统出现故障时 ,指示灯亮 ,并将故障以代码形式存储在存储器中 ,供诊断时提取。 4.2.2 车高控制传感器电路检测 车高控制传感器利用遮光器通 / 断信号的输出组合 ,用 16 个选择脉冲检测汽车高度 ,并将它转换成串行数据送至悬架 ECU 。一旦悬架 ECU 的存储器中存入故障代码11 、 12 、 13 、 14 后 ,即终止车高控制和悬架刚度与阻尼的控制。代码 11 表示右前车高传感器电路 ;代码 12 表示左前车高传感器电路 ;代码 13 表示右后车高传感器电路 ;代码 14 表示左后车高传感器电路。诊断步骤 : 1) 检查车高控制传感器插头 1 号端子与车身接地间电压。检查前车高控制传感器时 ,应拆下前轮 ,脱开车高控制传感器插 头 ,接通点火开关。检查后车高控制传感器时 ,应拆下行李箱装潢前盖 ,脱开车高控制传感器插头 ,接通点火开关。正常电压值应为蓄电池电压 ,若电压正常 ,则继续下一步检查 ;若电压不正常 ,则应检查、维修 2 号车高控制nts 19 继电器与车高控制传感器之间的连接线和连接器。 2) 检查悬架 ECU 与车高控制传感器之间的连接线和连接器 ,若正常 ,则继续下一步检查 ;若不正常 ,则应修理或更换连接线和连接器。 3) 装上好的车高控制传感器 ,重复上述检查 ,若故障消失 ,则应更换车高控制传感器 ;若故障仍存在 ,应检查其他电路。 4.3 前向通道的设计 4.3.1 ADC0809转换器 ADC0809引脚及功能 ADC0809 是一种逐次逼近式 8 路模拟输入， 8 位数字量输出的 A/D 转换器。其引脚图见硬件总图。 由引脚可见， ADC0809 共有 28 个引脚，采用双列直插式封装。其主要引脚功能如下： 1 IN0IN7是 8路模拟信号输入端。 2 D0D7是 8 位数字量输出端。 3 A， B， C与 ALE控制 8路模拟通道的切换， A， B， C分别与三根地址 线或数据线相连，三者编码对应 8个通道地址口。 C， B， A=000111分别对应 IN0IN7通道地址。 强调说明一点 ： ADC0809虽然有 8路模拟通道可以同时输入 8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。 4 OE， STATE， CLK为控制信号端， OE 为输出允许端， STATE为启动 信号输入端， CLK为时钟信号输入端。 5 Vr（ +）和 Vr（ ）为参考电压输入端。 4.3.2 ADC0809结构及转换原理 0809是采用逐次逼近的方法完成 A/D转换的。由单一的 +5V电源供电；内 带有锁存功能的 8 路选一的模拟开关，有 C， B， A 的编码来决定所选的通道 0809 完成依次转换需要 100 微秒左右。输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到 MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路， 0809 可对 05V的模拟信号进行转换。 ADC0809工作过程如下： 首先用指令选择 0809的一个模拟输入通道，当执行 MOVXDPTR， A时，产生一个启动信号给 START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。当转换结束后发出结束信号，置 EOC脚为高电平，该信号可作为中断申请信号；当读允许信号到， OE端有高电平，则可以读出转换的数字量。利用 MOVX A， DPTR 把该通道转换 结果读到 A累加器中 . nts 20 4.3.3. MCS-51与 ADC0809 的接口 在讨论 MCS-51与 0809的接口设计之前 ,先来讨论单片机如何来控制 ADC的问题 . 用单片机控制 ADC 时 ,多数采用查询和中断控制两种方法 .查询法是在单片机把启动命令送到 ADC 之后 ,执行别的程序 ,同时对 ADC 的状态进行查询 ,以检查 ADC 变换是否已经结束 ,如查询到变换已结束 ,则读入转换完毕的数据 . 中断控制发是在启动信号送到 ADC之后 ,单片机执行别的程序 .当 ADC变换结束并向单片机发出中断请求信号时 ,单片机响应此中断 ,进入中断服务程序 ,读入转换数据 ,并进行必要的数据处理 ,然后返回到原程序 .这种方法单片机无需进行转换时间的管理 ,CPU效率高 ,所以特别适合于变换时间较长的 ADC. 如果对转换速度要求高 ,采用上述良种 ADC 控制方法往往不能满足要求 ,可采用DMA(直接存储器存取 )的方法 ,这时可在 ADC 与单片机之间插入一个 DMA 接口 .传输一开始 ,AD转换的数据就可以从输出寄存器经过 DMA中的数据寄存器直接传输到主存储器 ,因而不必受程序的限制 . 4.3.4 芯片 74LS373 本设计的地址锁存器可使用带三态缓冲输出的入 口存储器 74LS373 ,它的芯片外部引脚图如图 4-4所示 图 4-4 74L373 管脚图 当三态门的使能信号线 OE 为低电平时，三态门处于导通状态，允许 Q端输出；当 OE 端为高电平时，输出三态门断开，输出端对外电路是阻态。因此 74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号端 OE 为低电平，这 时，当 G输入端为高nts 21 电平时，锁存器输出（ 1Q 8Q）状态和输入端（ 1D 8D）状态相同，当 G端以高电平返回低电平（下降沿）时，输入端（