汽车电控燃油喷射系统的硬件研制论文.doc

第一章 绪论随着汽车工业的飞速发展，汽车尾气排放带来的空气污染日益严重, 西方各国都制定了严格的汽车排放法规法案。同时受能源危机的冲击以及电子技术、计算机技术等的飞速发展, 也促进了电子控制汽油喷射发动机的诞生。1.1课题的背景及意义在电子控制燃油喷射装置中,电控单元根据各种传感器实时检测到的机器运行参数，与ECU中预先已经存储的参数值或参数图谱相比较，按其最佳值或计算后的目标值，把指令输送到执行器。执行器根据ECU指令，控制喷油量和喷油定时。喷油器的电磁特性对汽油机与电控系统的匹配有很大影响。电控喷油器在工作时,其中的燃油流动和电路、磁路都达不到稳定工作状态,基本都工作在过渡过程中,这一特点决定了电控喷油喷射过程的复杂性。近年来,随着全球石油资源日渐匮乏,致使国际石油价格持续攀高,而且全球大气污染也越来越严重,这些严峻的事实都迫切地要求改进汽车发动机的工作性能。加强汽车电子控制,尤其是加强发动机电子控制,改进供油部件的性能(主要是喷油器的性能)已经成为汽车性能研究领域内亟待解决的主要问题之一。电控喷射技术的应用极大地提高了汽车的整体性能,使发动机具有低油耗、低污染和高动力性的优点,原因之一是电子控制喷油器性能的改进带动了发动机动力性能、燃油经济性能的改善,良好的燃油喷射雾化性能可以改善燃烧过程进而降低发动机尾气中有害物质的排放量。面对越来越严格的排放法规和燃油经济法规, 传统的化油器式汽车已经难以胜任，世界汽车工业寻找各种途径以解决汽车的节能和排放问题。混合动力汽车、燃料电池车、太阳能汽车等技术得到了广泛的研究。但在当前阶段，应用最广, 价格最低, 并受到广泛肯定的是电控燃油喷射技术。1.2国内外研究概况及发展趋势在国外, 电控汽油喷射已进入实用阶段,但它曾有过一段较长的发展过程。早在二战期间，汽油喷射系统已广泛应用于飞机发动机上。由于技术难度大,成本高,一直被没有应用到汽车发动机上, 直到50年代, 这种供油系统开始用于一些高级轿车和赛车上。以后的十多年中, 电控喷油技术逐步扩展应用于一般汽车上,在欧洲和日本也得到了稳步发展。随着电控技术的不断发展和完善, 应用电控汽油喷射和点火控制的发动机的使用范围也在不断扩大。这种趋势自进入80年代后在不断地加速, 在美国表现得尤其突出,现在美国和日本市场上的汽车, 几乎百分之百地采用了电控汽油喷射系统,西欧也超过半数以上。国外在理论研究领域内主要开展了以下工作：应用现代控制理论实现发动机的优化运行, 但还处在研究阶段；混合气形成机理及缸内混合气状况的研究；喷嘴雾化特性及其对发动机性能的影响；利用电控实现混合气稀薄燃烧的研究；国内有关汽油喷射的研究工作始于50年代,一些高校和研究单位先后在跃进、红旗及492Q等发动机上做过一些工作,但大多数只是在直接引进国外已有技术的基础上进行发动机的匹配工作。最近几年也有从事传感器控制器及电磁喷油嘴的研制工作,但进展大不,离实用化阶段还有很大距离。在发动机工作过程的研究方面,极少有文献报道。针对上述情况,为了尽快赶上国际先进的发动机电控技术水平,一方面应努力开展电控的基础理论研究和实用系统的开发,另一方面也要积极开展技术交流和引进。 前者可以降低技术引进的代价和加快消化吸收,使电控发动机在国内达到实用化阶段；后者则可加快电控技术的发展进程,为此国内一些汽车制造厂已打算或正开始做技术引进方面的准备。为进一步完善发动机的优化运行,人们不断地期望着新型传感器的问世,可望在不久的将来,诸如CO传感器、HC传感器、NOX传感器以及用于实时控制的燃烧压力和火焰传感器将会陆续开发成功, 以控制HC+NOX为目标的传感器也将得到应用。与此同时,传感器将朝高度集成化和智能化方向发展,集传感器及处理器功能于一体。随着微处理器功能的不断加强和新型传感器的研制,将使现代控制理论应用于发动机的控制成为可能,从而使发动机控制系统朝自适应和智能化方向发展，达到各项指标的最佳控制。1.3本文的主要研究内容本系统的设计主要包括硬件系统和软件系统设计。硬件主要包括各个模块的方案论证及其设计、PCB板的绘制与制作、各模块的焊接与调试及其最后的总体调试等。软件主要包括：主流程图的设计、各模块程序的编写与调试。其中程序主要包括：主程序、中断服务子程序、采样子程序、滤波子程序、温度速度比较子程序等。这次所做的设计就是针对温度和速度的控制需求来展开的，将温度和速度不但实时采样，而且显示在用户面前，方便用户对温度、速度的监测与控制，而且通过需求能设置最高限度。而且微处理器会根据电机转速的大小，对燃油阀门开关量的大小检测，模拟出其驱动的部分。本论文主要从四部分来介绍设计内容。第一部分为设计要求的分析及系统框图的设计。第二部分为硬件设计介绍，主要介绍硬件部分的相关功能和模块，包括温度和速度的采集模块、0804A/D转换、7279的控制、数码管显示模块、EEPROM存储模块等，对硬件部分做了较详细的介绍。 第三部分为系统程序设计，主要对各个模块进行了论述，即主程序、温度和速度采样子程序、中断服务子程序等子程序设计的介绍。第四部分简单的对系统调试进行了描述，同时对这次毕业设计进行了总结。第二章 系统的组成和工作原理2.1研究内容及设计要求1汽车运行过程中的车速、温度信息采集模块，含信息的实时采集、放大与A/D转换。2控制参数：测温范围0120，测量精度1 ；测速范围0120 Km/s,允许误差1Km/s。3实时监测汽车燃油喷射的温度、压力参数。4系统断电能记忆存系统设置的温度、车速参数。2.2系统功能分析根据以上要求与技术指标，主要采用了单片机STC89C52作为系统的控制核心。主要实现了两个功能：温度与车速的实时采样和温度与车速的控制。实现第一个功能，要综合它的精度和控制范围，选择适合的传感器和A/D转换器。它的具体实现是通过一个桥路，产生一个微弱电压信号，然后放大，A/D转换器接收，转换成单片机能识别的信号。为了方便用户，通过数码管显示出来。实现第二个功能，要考虑它的控制阀门角度，从而通过步进电机的转动角度来实现。若超出范围，自动报警电路启动，来提醒用户工作不正常。为了方便用户，通过键盘来控制到用户所需要的温度与速度。考虑到异常断电的情况，可能会将所有的信息都丢失，所以将设置参数保存到EEPROM里去。当电恢复起来，继续按照设置参数进行。为了行车安全，设置了一个自动报警指示。若出现燃油温度过高或者车速过快等异常情况，系统将自动报警，发出刺耳的报警声。2.3系统组成框图本系统的温度测控方面通过温度传感器采集温度信号，经信号调理电路整理后，再由ADC0804模数转换器将转换后的数字信号送入单片机进行处理；车速测试方面采用系统控制步进电机产生相应的速度，在通过霍尔传感器采集相应的脉冲，来实现车速的测量；另外还有温度、车速报警电路。系统框图主要如图2.1所示:温度采集电路LED显示电路STC89C52单片机的控制速度采集电路7279键盘输入燃油喷入量控制驱动模块报警电路E2PROM存储电路 图2.1 系统原理框图第三章 系统硬件的设计3. 1单片机最小系统电路3.1.1 STC89C52 单片机89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8K片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52引脚结构如图3.1示。图3.1 STC89C52引脚结构3.1.2 时钟电路时钟电路是用于产生单片机工作所需要的时钟信号。单片机内含振荡电路，晶体振荡器在外，由XTAL1 、XTAL2接入片内。MCS-51 内部都有一个反相放大器，XTAL1 、XTAL2 分别是反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。如下图3.2 所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路，CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行 。 片内振荡器的震荡频率 f 0 非常接近晶振频率 ， 一般多在1.2MHz12MHz 之间选取(但STC89C52的晶振频率最高为24MHZ)，这次毕设用的时钟频率6MHz 。图3.2 中C1、C2 是反馈电容，其值在5pF30pF 之间选择，典型值是20Pf或30Pf 。作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f 起微调（C1、C2 大，f 变小）。 在做PCB板时，晶振电路尽可能的靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡的稳定性。3.1.3 复位电路为了使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这状态开始工作，系统在启动运行时都要复位。采用上电复位方式，在RST 复位端接一个电阻R 至Vcc 和一个电容C 至Vss(地),就能实现上电自动复位。在上电的瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平。只要保持RST 引脚为高电平时间足够长，就可使CPU 复位。所需高电平时间的长短与Vcc 上升时间和振荡器起振时间有关。10MHz 时，约1ms；1MHz 时，约10ms 。若Vcc 上升时间小于20ms ，那么从上电时间算起，只要保持RST 引脚在高电平停留时间不小于20ms 即可。本系统采用的是典型的系统复位电路，如图3.2 所示。其中R1=1K，C3=22F，若频率为6MHz，可以保证可靠的上电复位。如果频率降低，可以适当加大电容C3。 时钟和复位电路如图3.2所示：图3.2单片机时钟和复位电路图3.1.4键盘、显示电路HD7279A（如图3.3）是一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片DIG0DIG7和SASG同时还分别是64键盘的列线和行线端口，完成对键盘的监视，译码和键值的识别。在88阵列中每个键的键码是用十六进制表示的，可用读键盘数据指令读出，其范围是00H3FH。 HD7279与微处理器仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效，）。当微处理器访问HD7279A（读键号或写指令）时，应将片选端置为低电平。DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。KEY为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止。图3.3 HD7279A芯片引脚图RC引脚用于连接HD7279A的外接振荡元件，其典型值R=1.5k,C=15pF。RESET为复位端。该端口由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束。通常，该端口接+5V即可。HD7279A的CS、CLK、DATA、KEY分别接单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口（如图3.4）。通过控制P1的前四个口来模拟时序、传送数据。如果直接采用矩阵键盘，需要占用STC89C52的8个I/O 口，I/O 中是单片机宝贵的资源，这种方案的编程比较复杂（需要键盘的消抖动），软件调试也较困难。HD7279A 芯片大大简化系统电路。HD7279A 只需要4 根线（CS、CLK、DATA、KEY）与STC89C52 相连，仅仅使用单片机的P2.0P2.3 口，大大节省了CPU 的端口资源，即可实现键盘接口功能。由于HD7279A 内部含有去抖动电路，软件编程时不需要键盘的消抖动程序，而且HD7279A 的控制指令也使得软件编程更简单。选用HD7279A 芯片作为驱动接键盘矩阵。扫描键盘时，如果有键按下，直接通过读键盘数据指令即可在LED上显示键入的键值，而不需要通过STC89C52 口来控制键盘输入值。单片机接收键入的键值以控制所采集的样品量。图3.4 HD7279A驱动键盘电路HD7279A的DIG0DIG7分别为8个LED管的位驱动输出端。SASG分别为LED数码管的A段G段的输出端。DP为小数点的驱动输出端。HD7279A片内具有驱动电路，它可以直接驱动1英寸及以下的LED数码管，使外围电路变得简单可靠。A-G和DP为显示数据，分别对应7段LED数码管的各段。当对应的数据位为1时，该段点亮，为0时则不亮。此指令灵活，通过造字形表，可以显示用户所需的字符。造字形码，它是通过LED的八段顺序来造字：DP、a、b、c、d、e、f、g。当对应的数据位为1时，则亮。如显示0，八段的a、b、c、d、e、F亮，则显示码就是01111110B（7EH）。同理1、2、3、4、5、6、7、8、9对应的显示码为30H、6DH、79H、33H、5BH、5FH、70H、7FH、7BH。由于它本身有些特殊的控制指令，使得只要通过软件送命令，就可以得到很好的效果。这些指令为编程带来方便，而且省去了一些硬件的麻烦。选择使用HD7279A节省了宝贵的I/O口，为其他硬件的扩展留有余地。3.2 温度采集电路设计3.2.1温度传感器AD590简介集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测： VBE= (KIT/q) lnI 式（3-1） 式中： K波尔兹常数；q 电子电荷绝对值 。 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为0，温度为25时输出为2.98V。电流输出型的灵敏度一般为1A/K。温度传感器AD590采集温度信号，它是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。该器件具有测温范围宽，电源电压范围宽输出阻抗高性能稳定等优点。AD590是一个二端集成温度传感器，其输出电流与绝对温度成正比，电源范围在4V到30V之间时，该器件工作在高阻状态下，其电流变化恒为1A/K。通过片上薄片电阻的激光调整器校准器件，使其在298K（25）下的输出为298A。AD590的适用于低于150下的温度传感应用，这一温度范围是目前常用温度传感器所应用的。AD590内在单块集成电路价格低廉，无须支持电路，因而被广泛应用于温度测量中，使用AD590时无须线性化电路、精密电压放大电路、阻抗测量电路、以及冷结点补偿等。图3.5 AD590的应用电路电路分析如下：1流过AD590的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：=1A/K 式（3-2）IrT 式中： Ir为流过AD590的电流，单位为A；T为热力学温度，单位为K2AD590的测温范围为：55+1503AD590的电源电压为4V30V。有耐电性能：可承受高达44V的正向电压和20V反向电压。因此，电源不稳定或引脚接反不会损坏元件。4输出电阻为710M。其高输出阻抗提供了很好的抗电源电压漂移的能力，例如：将电源电压由5V变到10V最多只引起电路改变1A，即1误差。5精度高。AD590共有I、J、K、L、M五挡，其中M挡精度最高，在55+150范围内，非线性误差为0.3.3.2.2电桥测量电路在传感器的测量电路中，最简单的形式为电桥电路，通过对一个相似元件的比较来进行测量。此部分电路主要由三个电阻、一个AD590温度传感器、一个可变电阻和12V（VDD）的电源组成如图3.6所示。图3.6 电桥电路U A = 1*(T+273)mv 式（3-3） U B = (R5+W1)VDD/(R5+W1+R3)式（3-4）当温度为0度时，A点的电压U A为0.273V，此时将电桥调零，即使得B点的电压U B调为0.273V，即W1 = 266 ；则电桥处于平衡： U = 0 ，这是电桥的调零环节，调整好之后就不需要再改变其值。 当温度为120度时，A点的电压U A为0.393V，而B点的电压U B为0.273V，则 U = 0.12V所以，当温度T变化为0120时，U的变化范围为 0 120mV。3.2.3信号放大（测量放大器）电路方案一：TLO84二级放大电路由于前级电桥电路输出的只有毫伏级的电压，而后级ADC0804的模拟输入电压范围在05V之间，为了得到一个稳定的、准确的输入模拟信号，所以要用到运放来放大前级的电路。而TL084运算放大器，它具有很高的共模抑制能力和克服失调参数及其漂移的影响，广泛适用于电桥信号放大、电量放大等领域。由于电桥的输出电压只有几百毫伏，所以必须对其进行放大，本设计采用了TL084运算放大器对有源线性测量电桥电压进行放大，放大以后输出电压为05V，达到ADC0804的采样值要求（采样值在05V）。测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器减法器， R2，R3用以调节运放的放大倍数。其根据放大倍数K=1+2R19/R20，可以很方便的调节输出的电压。正常可以调节R3使输出电压满度为5V。就可以满足A/D的输入电压范围要求。由图3.8所示，将其信号U0进行放大，从而使得放大后的电压信号U01成为后级A/D芯片的输入转换电压。因些可得输出的电压U01为 U01=U0*(1+2R2/R1) 式(3-5)从上面的式子可知，要想使输出的电压变大只需要调小R1的阻值便可，即调节它放大倍数。改变电阻R1的大小，可方便地调节放大器的增益，在集成化的测量放大器中，R1是外接电阻，用户可根据整机的增益要求来选择R1的大小。此外，输出电压Vo与输入电压的差值成正比，因此在共模电压作用下，输出电压Vo=0，这是因共模电压作用在RG的两端不会产生电位差，从而R1上不存在共模分量对应的电流，也就不会引起输出,即使共模输入电压发生变化，也不会引起输出.因此，测量放大器具有很高的共模抑制能力，通常选取R2=R3，其目的是为了抵消A1和A2本身共模抑制比不等造成的误差和克服失调参数及其漂移的影响。图3.7 TL084组成的测量放大器电路方案二：AD620集成运算放大电路AD620是一款低成本、高精度的单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值，用户仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。其原理图如下图所示：图3.8 AD620原理图输入晶体管Q1和Q2提供一路高精度差分对双极性输入，同时由于采用Supereta处理，因此输入偏置电流减小10倍。反馈环路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2事输入器件Q1和Q2的集电极电流保持恒定，从而可将输入电压作用于外部增益设置电阻RG上。这样就产生了从输入至A1/A2输出的差分增益，其计算公式为G=(R1+R2)/RG+1。单位增益减法器A3用来消除任何共模信号，以获得折合到REF引脚电位的单端输出。内部增益电阻R1和R2调整至绝对值24.7K，则其增益公式为：图3.9 AD620应用电路AD620的增益通过电阻RG进行编程，即通过引脚1和引脚8之间存在的任何阻抗进行编程。AD620旨在用0.1%至1%电阻提供精确的增益。表列出了各种增益所要求的RG值。对于G=1，RG引脚不连接（RG=）。对于任意增益，可用以上式子计算RG。为使增益误差最小，应避免产生与RG串联的高寄生电阻；为使增益漂移最小，RG应具有低温度系数TC（小于10ppm/C）才能获得最佳性能。表3.1 AD620要求的增益电阻值1%标准表RG值（）计算得到的增益值0.1%标准表RG值（）计算得到的增益值49.9K1.99049.3K2.00212.4K4.98412.4K4.9845.49K9.9985.49K9.9982.61K19.932.61K19.931.00K50.401.01K49.91499100.0499100.0249199.4249199.4100495.098.8501.049.9991.049.31,003.03.2.4 温度传感器DS18B20简介DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 工作特性：1、独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。2、在使用中不需要任何外围元件。3、可用数据线供电，电压范围：+3.0 +5.5 V。4、测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为0.5 。5、通过编程可实现912位的数字读数方式。6、用户可自设定非易失性的报警上下限值。7、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。8、负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。其测温电路如图3.10所示：图3.10 DS18B20测温电路3.2.5铂热电阻 铂热电阻是利用阻值随温度而变化的特性来测量温度，它有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽。铂热电阻与温度之间的关系近似线性关系。因此选择了铂热电阻。在200 0范围，温度为t时的阻值Rt的表达式为在温度为0 650范围内：式中的分度常数为：A3.96847（/）,B5.847（/）422（/）是在0时阻值为100欧姆。下面列出铂热电阻在0 100时的电阻值：表3.2 铂热电阻与温度之间的关系表01234567890100.0100.4100.8101.2101.6102.0102.3102.7103.1103.510103.9104.3104.7105.1105.5105.8106.2106.6107.0107.420107.8108.2108.6109.0109.3109.7110.1110.5110.9111.330111.7112.1112.4112.8113.2113.6114.0114.4114.8115.240115.5115.9116.3116.7117.1117.5117.9118.2118.6119.050119.4119.8120.2120.5120.9121.3121.7122.1122.5122.960123.2123.6124.0124.4124.8125.2125.5125.9126.3126.770127.1127.5127.8128.2128.6129.0129.4129.7130.1130.580130.9131.3131.7132.0132.4132.8133.2133.6133.9134.390134.7135.1135.5135.8136.2136.6137.0137.4137.7138.1100138.53.2.6电路方案论证方案一：如图3.11所示，由于AD590的输出电流很小，使用运放TL084将电流信号转化为电压并将其放大，该电路可用来测量摄氏温度。使用电桥的方法，再经过二级放大。其高输出阻抗提供了很好的抗电源电压漂移的能力，精度高。温度采集电路如图3.11所示：图3.11 AD590的温度采集电路方案二：采用温度传感器DS18B20来测量温度，范围是-55 +125 。电路图如图3.10所示。方案三：用PT-100温度传感器和测量放大器组成的电路，电路图如图3.12：前端电路用非平衡电桥电路和PT100将温度信号转换成电压信号。PT100随温度的变化引起其内阻的变化，通过非平衡电桥可将温度转化为电压输出，从而达到观察、测量和控制温度变化的目的具有准确度高、灵敏度高和稳定性好的优点，在0120的范围内有较好的线性。图3.12 LM324组成的测量放大器电路3.2.7电路参数确定与器件选择方案一使用了AD590组成的电桥电路使得输出到采样芯片的电压稳定，具有准确度高，灵敏度高，稳定性好的优点，在0120的范围内有较好的线性。能够很好地达到所需要的要求，而且相对于方案二、三而言，方案一的设计能达到范围，而且更加精确。相对综合以上三种方案的比较，本设计选用方案一。在0时电桥处于平衡状态，此时的输出电压为0V。当温度发生变化时，由于温度的变化而使传感器支路的电流发生变化从而破坏了电桥的平衡，这时将有一个电压输出，由于传感器支路的电流发生变化与温度成线性关系，这样电压的变化就与温度的变化有一个线性关系，也就是说电桥输出电压的变化就可以反映出温度的变化。本次毕设采用AD590作为传感器测温元件，其特性稳定，测温范围宽（-55+150）它是一种典型的温度传感器。3.3 驱动燃油阀门电路设计3.3.1 步进电机电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图3.13是该四相反应式步进电机工作原理示意图。开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相 绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。此次设计用到了QH4-4119型电机，是四相八拍的工作方式。图3.13 步进电机原理图 步进电机用ULN2003来驱动, ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。图3.14 ULN2003引脚图单片机控制步进电机电路如图3.15所示：图3.15 转速控制电路3.3.2霍尔传感器 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为 U=KIB/d 其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。 霍尔传感器的外形图如图3.16所示。磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。图3.16 霍尔传感器外形霍尔传感器检测转速示意图如图。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。当没有信号产生时，可以改变一下磁钢的方向，霍尔对磁钢方向有要求。没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输出低电平。图3.17 转速测量电路3.4 A/D转换电路A/D 转换是决定测量精度和稳定性的重要一环，温度信号由传感器组成的电路传导测量，经传输放大后由模数转换器转换为数字量，由单片机进行采集，用于控制和显示。本实验采用ADC0804来实现A/D转换。图3.18 ADC0804引脚图Vin+、Vin-：ADC0804的两模拟信号输出端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号。DB0DB7：A/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相接。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入端。CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，频率为1/1.1RC。CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。WR：写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换。RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可读取转换输出数据。INTR：转换结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。图3.19 ADC0804时序图ADC0804控制信号的时序图如图3.19所示，由图可见，各控制信号时序关系为：当CS与WR同为低电平时，A/D转换器被启动，且在WR上升沿后100S模数转换完成，转换结果存入数据锁存器，同时INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。如CS、RD同时为低电平，则数据锁存器三态门打开，数据信号送出，而在RD高电平到来后三态门处于高阻状态。ADC0804的零点无需调整。满刻度调整时，先给输入端加入电压VIN+，使满刻度所对应的电压值是 ，其中Vmax是输入电压的最大值，Vmin是输入电压的最小值。当输入电压VIN+值相当时，调整VREF/2端电压值使输出码为FEH或FFH。图3.20 ADC0804与单片机的连接图在使用A/D转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。如输入电压动态范围较小，则可调节参考电压VREF，以保证小信号输入时ADC0804芯片8位的转换精度。模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以致影响转换结果的准确性。A/D、D/A及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地（AGND）和数字地（DGND）。在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。转换电路如图3.21所示：图3.21 A/D转换电路35 温度、车速参数的存储设计在许多检测系统中，对某些状态参数，不仅要求能够在线修改，而且断电后能保持，以备上电后恢复系统状态。本次采用的AT24C02 EEPROM进行存储（温度、压力的设置参数）。 AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM意为电可改写及可编程只读存储器。其存储量为256字节，最高工作频率为400kHz，工作电压为2.45.5V。它提供几种读/写操作，支持字节写入以及随机读取和序列读取功能，并有全部内存写保护引脚，用于保护内存内容。具有工作电压宽（2.55.5），擦写次数多（大于10000次），写入速度快等（小于10ms）、占用I/O少等特点。单片机做主控制器时，发出起始信号后，立即发送寻址地址，此时所有挂在I2C总线上的器件都将此寻址地址与自己的器件地址比较，相同则该器件被选中。主器件在发送启动命令后开始传送，主器件发送相应的从器件的地址，8位从器件地址的高4位固定为1010。接下来的3位（见图3.22）用来定义存储器的地址，对于AT24C02位无意义。最后一位为读写控制位。“1”表示读操作，“0”表示写操作。图3.22 AT24C02从器件寻址其中A2A1A0的取值由该芯片上A0-A2引脚具体的接法决定，若A0-A2全接GND，则A0-A2取0，该芯片的写地址为A0H，读地址为A1H，若A0-A2全接VCC，则A0-A2取1，该芯片的写地址则为AEH，读地址为AFH，A0-A2对应8种接法，即8个器件地址，所以I2C总线上最多可同时扩展8片AT24C02。图3.23 AT24C02存储模块设计电路图图中AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送上和单片机的P2.6连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个10K的电阻上拉。第7脚需要接地。WP接地，A0，A1和A2也接地，这样芯片的地址为0。该芯片的写地址为A0H，读地址为A1H。AT24C02规定当SCL为高电平时，SDA由高变低，为起始条件。SCL为高电平时，SDA由低变高，为停止条件，而传输数据时，SCL必须为低电平。SCL的上升沿，数据从单片机由SDA输入E2PROM，SCL的下降沿，数据从E2PROM由SDA输出到单片机。起始/停止时序如图3.24所示： 图3.24 AT24C02开始、停止时序图AT24C02在接收到起始信号和从器件地址之后响应一个应答信号，如果器件已选择了写操作，则在每接收一个8位字节之后响应一个应答信号。当AT24C02工作于读模式时，在发送一个8位数据后释放SDA线并监视一个应答信号一旦接收到应答信号，AT24C02继续发送数据，如主器件没有发送应答信号，器件停止传送数据且等待一个停止信号。AT24C02应答时序如图3.25所示 ： 图3.25 AT24C02应答信号时序图AT24C02的存储是通过时序去控制，其中SCL、SDA接单片机的P2.5、P2.6脚。通过单片机的程序去控制SCL、SDA，然后按硬件的接法写入固定的地址。将要存储的数据写入或读出，这样就做到了上电后恢复系统状态。这个系列的芯片有8脚DIP（双列直插）封装，8脚SIOC（表面贴装）封装，一部分还有14脚SOIC封装。此次用的是8脚DIP（双列直插）封装。36 报警电路设计3.6.1 蜂鸣器报警电路 当考虑到，实时温度与速度超过了设定值。那么关掉加热与加速装置是很必然的，但还是不能提醒用户此时的工作状态。因此按照要求与更人性化设计，报警电路是很必要的。下面设计了两套方案。方案一：设计电路如图3.26，是通过光耦实现电气隔离，起到了抗干扰的作用。通过P1.7输出低电平，再经7407驱动后经过耦合使蜂鸣器响。软件使P1.7为低电平时，光敏二极管不导通，光耦输出高电平此时蜂鸣器响。可以通过控制P1.7来控制蜂鸣器的叫声。图3.26 带光耦的报警电路图方案二：电路如图3.27所示。它是通过控制NPN管的导通与截止，去控制蜂鸣器的通断。当P1.7为低时，三极管就导通，蜂鸣器就响。同理P1.7为高电平时，蜂鸣器就停止蜂鸣。因此可以通过控制P1.7的高低，去控制蜂鸣器的叫声。通过延时P1.7的低电平，来得到不同的叫声。本次设计就是通过这样的原理，设计了几种不同的蜂鸣声音。图3.27报警电路图方案一抗干扰能力较强，但电路较复杂，电路成本较高。而且由于只是一个起提示作用的报警电路，稍有干扰对电路影响不大。所以选择了方案二。它只通过一个三极管的通断来控制蜂鸣器，既简单又容易控制。3.6.2 发光二极管指示电路发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。其指示电路如图3.28所示：图3.28 LED指示电路第四章 系统软件的设计4.1 软件程序设计要求本软件设计包括三个子系统设计分别是：单片机测温程序及报警，单片机测速程序，显示程序，存储程序等。测温程序主要实现通过AD590对温度进行实时地采集，精度在小数点后一位。测速主要实现对步进电机的测速功能，精度在小数点后一位。显示程序则是实现对温度报警值的显示以及对温度和速度的实时显示。报警程序用来实现对超温现象的报警。存储程序主要控制AT24C02对报警数据的存储功能。4.2 各功能模块介绍4.2.1 主程序模块主程序主要是完成对各个状态寄存器的初始化，通过对各个子程序（采样，报警，转换，显示处理等）的调用实现对温度的采样和电动机速度的采样和控制，其流程图如图4.1：初始化按键扫描NY开始图4.1 主程序流程图是否