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1、1 / 38 HUNANUNIVERSITY 毕业设计 论文）设计 王 耀 南2007 年 6 月 7 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 38 页2 / 38 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 38 页I / 38 汽车 ABS 轮速传感器耐久性实验台硬件设计摘要汽车 ABS 轮速传感器耐久性实验台的主要作用是监控轮速传感器的工作状态，记录并显示传感器的输出电压、转速和累计工作时间等。本系统采用8051 单片机作为主控制器，利用多路转换开关对轮速信号
2、进行切换，再通过单片机进行控制，并将轮速传感器的工作状态显示在液晶显示屏上。本文将重点介绍汽车ABS 轮速传感器耐久性实验台的硬件电路设计。首先，本文将概述汽车ABS 及其车轮转速传感器的发展，同时介绍了国内外的研究状况，并阐述了本设计的内容和意义。其次，本文将对系统设计的总体结构和原理进行分析和描述，并给出具体的接口定义。再次，本文将详细的介绍系统的硬件设计原理和方法，包括电路的连接及芯片的选型，并给出了电路图。最后，本文将结合硬件电路要实现的功能来说明对软件系统的要求。在附录中，本文还将给出一些必要的电路图，供参考之用。关键词：汽车 ABS；轮速传感器；耐久性测试；硬件设计精选学习资料 -
3、 - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 38 页II / 38 The Hardware Design OfThe ABS Wheel Speed Sensor Durability TestAbstract The main role ofABS wheel speed sensor durability test ismonitoring wheel speed sensor working state,recording and showing the output voltage, speed and total work time o
4、f the sensor. The system uses 8051 as a main controller,a multi-channel switch on wheel speed signal switching, Then microprocessor control, wheel speed sensor and the status display on the monitor. This paper focuses on the hardware circuit design of ABS wheel speed sensor durability test. First, t
5、his paper will introduce the development of automotive ABS and its wheel rotating speed sensor and the reserch in the world. Also I will show the content and some significances of the design. Secondly, we will design the overall system structure and principles for analysis and description, and provi
6、des the interface definition. Again, this will be described in detail the hardware design principles and methodologies, including circuit and connecting the chip selection, and the circuit diagram is given. Finally, this paper will be integrated with the hardware to achieve the functions of the soft
7、ware to illustrate the system. In the appendix, the paper also gives some necessary circuit diagrams for reference. Key words: Automotive ABS,Wheel Rotating Speed Sensor,Durability Test,Hardware Design. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 38 页I / 38 目录1. 绪论11.1 本课题背景及研究意义 11.2 轮速传感器
8、产品及分类 2 1.3 汽车用传感器技术的发展趋势3 1.4 课题国内外研究状况 6 1.5 课题的设计内容 6 2. 汽车 ABS轮速传感器耐久性实验台设计原理7 2.1汽车 ABS 轮速传感器产品及工作原理.7 2.2 ABS轮速传感器耐久性实验台工作原理9 2.2.1 输出信号频率的测量原理 9 2.2.2 检测原理 .10 2.3 汽车 ABS 轮速传感器耐久性实验台硬件系统整体框图 .10 3. 汽车 ABS轮速传感器耐久性实验台的硬件设计.12 3.1 电源设计 .12 3.1.1系统的电压转换 12 3.1.2电源的滤波 12 3.1.3单片机时钟电路设计 13 3.1.4单片机
9、的复位 13 3.2 单片机的选型 .13 3.2.1嵌入式系统处理器的选择13 3.2.2控制系统单片机的选择 15 3.3 多路转换开关的选型 .20 3.4电压比较器的选型 .21 3.5 液晶显示器的选型 .23 3.6 输出信号波形整形电路的设计.24 4. 看门狗电路 X5045介绍25 4.1 引脚介绍 .25 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 38 页II / 38 4.2 工作原理 26 5. 汽车 ABS轮速传感器耐久性实验台的软件简介27 5.1 概述27 5.2 对编程环境的要求 27 5.3 软件
10、部分要实现怎样的功能27 6 结论.28 致谢.29 参考文献 .30 附录.31 附录 A 汽车 ABS 轮速传感器耐久性实验台硬件电路图31 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 38 页1 / 38 1 绪论1.1 背景及课题研究的意义随着世界汽车工业的迅猛发展，舒适性日益成为人们选购汽车的重要依据。目前广泛采用的防抱死制动系统；2.保持汽车制动时的方向稳定性；3.保持汽车制动时的转向稳定性；4.减少汽车制动时轮胎的磨损。ABS能防止轮胎在制动过程中产生剧烈的拖痕，提高轮胎使用寿命：5.减少驾驶员的疲劳强度(特别是汽车制
11、动时的紧张情绪。鉴于防抱制动系统 (ABS具有如上的优越性，所以该系统的装车率逐年上升。车轮转速传感器是当代防抱制动装置1ABS）的三大组成部分公司取得了 ABS专利权。它是由装在车轮上的电磁式转速传感器和控制液压的电磁阀组成，使用开关方法对制动压力进行控制。 2O世纪4O年代末期，为了缩短飞机着陆时的滑行距离、防止车轮在制动时跑偏、甩尾和轮胎剧烈磨耗，飞机制动系统开始采用ABS，并很快成为飞机的标准装备。2O世纪5O年代防抱制动系统开始应用于汽车工业。1951年Goodyear航空公司将 ABS装于载重车上， 1954年福特汽车公司在林肯车上装用法国航空公司的ABS装置。 1978年ABS系
12、统有了突破性发展。博世公司与奔驰公司合作研制出三通道四轮带有精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 38 页3 / 38 数字式控制器的 ABS系统，并批量装于奔驰轿车上。由于微处理器的引入，使ABS系统开始具有了智能，从而奠定了ABS系统的基础和基本模式。 1981年德国的威伯科 (WABCO公司与奔驰公司在载重车上装用了数字式ABS系统。ABS的市场占有率迅速上升。2O世纪8O年代中期以后，借助于电子控制技术的进步，ABS的反应更为灵敏、成本更低、安装更方便、价格也更易被中小型家用轿车所接受。这期间较为典型的 ABS装置有博
13、世 (Bosch公司于 1979年推出的 Bosch 2型，大陆特威斯(Teves1984 年推出的 Mark 2型。以及博世公司 1986年推出的具有防抱制动和驱动防滑功能的 ABSASR 2U型。机械与电子元件持续不断的发展和改进使ABS的优越性越来越明显，随着激烈的竞争，技术的日趋成熟，ABS变得更精密，更可靠，价格也在下降。目前，国际上 ABS在汽车上的应用越来越广泛已成为绝大多数类型汽车的标准装备。北美和西欧的各类客车和轻型货车ABS的装备率已达 90 以上，轿车 ABS的装备率在60 左右，运送危险品的货车ABS的装备率为 100 。1.3 ABS及汽车用传感器的发展趋势根据国内外
14、的一些研究动态和高档轿车的实际应用表明，ABS技术将沿着以下几个方面继续发展： (1ABSASR和车辆稳定性控制装置的结合2。驱动防滑系统 (简称 ASR是对 ABS的完善和补充。 ASR系统是能提高汽车在易滑路面上的稳定性和加速性的电子装置。其作用主要是通过控制发动机扭矩和汽车的制动系统等手段来控制驱动力，防止车轮空转打滑，保持最佳驱动力。ABS保证了汽车制动过程中方向的稳定性，ASR则保证了汽车行驶过程中(起步、加速时 的方向稳定性和操纵性。现代的很多轿车中，ABS电子控制装置设有与ASR电子控制装置交换信号的接口。并且ASR和ABS的主要部件(如电子控制器、轮速传感器、制动压力调节器可以
15、通用或共用，装有ABS的汽车在装用ASR系统时，只需加装差速制动阀、发动机控制阀和发动机控制缸即可。由此可见，ABS与ASR结合使用，可以充分利用有关部件，并且汽车的主动安全性将更有保证。车辆稳定性控制装置(简称 VSC利用两个传感器分别感测汽车横摆角速度和汽车侧向加速度，并将转向角与实际方向进行比较。当它发现汽车并不按驾车人的意图行驶时，就立即向ASR和ABS发出修正信号，指示它们采取措施使汽车驶向正确的方向。这些系统尽管功能和结构各异，但工作过程很相似，都是传感器拾取信号3，ECU精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 38
16、 页4 / 38 进行计算处理，执行机构采取相应动作。在这些系统组成中，传感器拾取信号的准确程度直接影响 ECU的计算结果，另外，轮速传感器大多数是安装在车轮附近，环境恶劣，特别是对耐热性、耐振性、防磁性、耐腐蚀性有很高的要求，对传感器这些方面性能的改进十分重要。 (2动态稳定控制系统 VDC(或电子稳定控制 (ESP。VDC 主要在 ABSASR基础上解决汽车转向行驶时的方向稳定性问题。ABS与电子全控式 (或半控式 悬架、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等控制系统在功能、结构上有机地结合起来。保证汽车在各种恶劣情况下行驶时都具有良好的动态稳定性。 (3ABSASR与自
17、动巡航控制系统(ACC集成。自动巡航控制系统(ACC的目的是在巡航行驶时自动把车速限制在一个设定的速度，并且能够根据前方车辆的行驶状况，自动施加制动或加速，使其保持在一定的安全距离内行驶。在遇到障碍物时，可以自动施加制动，把车速调整到安全范围内。由于ABSASR和ACC都要用到相同的轮速采集系统，制动压力调节装置以及发动机输出力矩调节装置。因此ABSASR与ACC的集成，形成 ABSASRACC集成化系统，不仅可以大大降低成本，而且可以提高汽车的整体安全性能。 (4减小体积，降低重量。为了提高汽车的安全性能，增加了一些装置，汽车的重量也随之增加，对燃料经济性不利。所以新增设的各种装置必须在保证
18、安全性的前提下，尽量地减少重量。另外，不论是大型车还是小型车，发动机的安装空间都是非常紧凑的。因此，也要求 ABS控制器的体积尽可能的小一些。 (5ABS与各种电控装置组合使用。ABS与电子油门控制系统、电子全控式(或半控式悬挂、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器、巡航控制系统、全球定位系统等各种电子控制系统的组合使用，可以使汽车的运动始终保持在最佳状态。随着 ABS与新一代制动系统的结合。如电子液压制动EHB(Electro Hydraulic Brake、电子机械制动 EMB(Electro Mechanical Brake，ABS有了更快的响应速度，更好的控制效果，而
19、且更容易与其他电子系统集成。ABS将成为集成化汽车底盘系统中不可缺少的一个节点。另外，在ABS系统中嵌入电子制动力分配装置EBD(Electronic Brake Force Distribution ，构成了 ABS+EBD 系统。 EBD的功能就是在汽车 ABS开始制动压力调节之前，高速计算出汽车四个轮胎与路面问的附着力大小，然后调节车轮制动器制动力，达到制动力与附着力的匹配，进一步提高车辆制动时的方向稳定性，同精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 38 页5 / 38 时尽可能地缩短制动距离。 (6总线技术的应用。随着
20、电控单元在汽车中的应用越来越多，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要，以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是很有必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及廉价性是对汽车电子网络系统的要求。在该网络系统中 ,各处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能，同时在其他处理机需要时提供数据服务。汽车内部网络的构成主要依靠总线传输技术。汽车总线传输是通过某种通讯协议将汽车中各种电控单元(发动机、 ABS、自动变速器等 、智能传感器、智能仪表等联接起来，从而构成的汽车内部网络。其优点有：减少了线束的数量和线束的容积，提高了电子系统的可靠性和可维护性；采用通用传感器，达到数据共享的目的；改善了系统的
21、灵活性，即通过系统的软件可以实现系统功能的变化。 (7在ABS系统的基础上扩展成车速记录仪(Vehicle Speed Recorder VSR。又称汽车黑匣子。该装置通过实时采集的四个车轮轮速信号，再现交通事故发生过程中汽车的实际运行轨迹以及驾驶员对车辆的操作情况，便于公安交通管理部门能准确判断事故的责任。汽车 ABS技术已经得到了全球的公认，ABS改善了汽车的制动效能，缩短了制动距离。避免了车轮抱死，从而避免了汽车丧失转向能力、失去方向稳定性的现象发生。可以预计，近期各种车辆都必将装备这种技术。当然，ABS技术仍有缺陷，比如系统的稳定性还需提高，控制算法还需进一步的研究和改善。对于汽车用传
22、感器有两大趋势：一是新的结构设计；二是开发新的原理的传感器，以满足更新换代的需要。总的发展趋势是多功能化、集成化、智能化。多功能化是指一个传感器能检测 2 个或者 2 个以上的特性参数或者化学参数。集成化是指利用IC 制造技术和精细加工技术制作 IC 式传感器。智能化是指传感器与大规模集成电路相结合, 带有MPU , 具有智能作用。新近研发的汽车用传感器具有如下特点: 数字化信号输出、线性化微处理器补偿、传感器信号共用和加工、传感器间接测量、复合传感器信号处理、IC 化和精细加工等4。传感器信号输出与控制系统的计算机接口也是一个重要的研究课题。内含有A/ D、D/ A 、I/ O 驱动、缓冲
23、RAM 、程序 ROM、MPU , 并具有线性、温度补偿以及相应控制程序的灵巧型汽车用传感器引人注目, 将使得汽车各系统的元器件数量大大减少, 从而降低系统成本 , 减小体积和减轻质量 , 并使整个系统更加简单可靠。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 38 页6 / 38 总之，随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，汽车传感器市场需求将保持高速增长，微型化，多功能化，集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。未来的智能化集成传感器，不仅要提供模拟和处理的信号，而且还能对信号做放大和处
24、理。同时，还能自动进行时漂，温漂和非线形的自校正，具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，保证传感器信号的质量不受影响，即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度。它还具有结构紧凑，安装方便的优点，从而免受机械特性的影响。1.4 课题的国内外研究状况汽车 ABS 轮速传感器是一种汽车专用传感器，比一般的传感器要求精度高、耐久性与可靠性好。目前，国内对该传感器的测试大部分是采用不同设备对传感器所需测试的每一项内容进行单独测试，主要包括静态测试对电阻、电感的测量）和动态测试在电动机转动时对传感器产生的感应输出电压峰峰值的测量），判断其结果，然后统计给出最后结论。测试过程繁琐，周期长，工作效率过低，难以
25、满足现代化生产测试的要求。而对 ABS 轮速传感器进行耐久性的测试，国内外的研究比较少。1.5 课题的主要研究内容本设计主要针对汽车ABS 车轮转速传感器的耐久性进行测试,主要是对其轮速信号进行检测，判断所测信号频率是否在一定范围内，让用户更方便的了解车轮转速传感器的工作状态，从而更详细的了解汽车的重要安全设施ABS 的工作情况。本系统采用AT89C52 单片机，利用单片机，多路转换开关，电压比较器LM339 和液晶显示屏SMG24064来实现系统的检测与监控功能。研究内容如下：1）利用 AT89C52单片机作为主控制器；2）轮速信号的整形滤波电路的设计；3）测量轮速传感器输出信号频率的硬件设
26、计；汽车 ABS 车轮转速传感器耐久性实验台将实现以下功能：1）整形与滤波：模块对轮速信号进行整形滤波，将正弦信号转化为方波信号。2）检测功能：通过频率检测，能分析所得信号频率是否在所要求的范围内。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 38 页7 / 38 3）轮速传感器监控与报警：模块能对轮速传感器工作状态进行监控与报警并能显示其持续工作时间。2 汽车 ABS轮速传感器耐久性实验台设计原理汽车 ABS 轮速传感器耐久性测试系统采用AT89S52单片机作为主控制器，利用单片机，多路转换开关CD4052，电压比较器LM339
27、和液晶显示屏SMG24064 来实现系统的检测与监控功能。2.1 ABS轮速传感器的产品及工作原理为了更好的了解轮速传感器在ABS 中的作用以及对本课题的研究，有必要对轮速传感器的产品及工作原理进行介绍。轮速传感器，又称转速传感器，转速属于一常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的。但这种传感器存在一些缺点：第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙 亦称磁感应距离）只有零点几毫M ；第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生的是幅度很低且
28、变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低接近于零）的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。集成转速传感器是分立式转速传感器的升级换代产品，典型产品有 philips公司生产的 KMI15 系列磁阻式集成转速传感器。目前，用于 ABS系统的速度传感器主要有电磁式和霍尔式两种。1）电磁式转速传感器结构如图所示，磁感应式转速传感器主要由信号转子、永久磁铁、铁心和绕在铁心上的传感线圈组成。它的工作原理是当信号转子转动时，改变了通过传感线圈的磁通量，于是在线圈内便产生感应电
29、动势，由线圈的两端输出。感应电动势的大小与原磁场磁通的变化速率成正比，因此当信号转子转到铁心位于信号转子两个凸齿之间的某一位置时，磁通变化速率最大，其感应电动势最高过了该点磁通量变化速率又开始降低感应电动势也下降 即产生交流电）。信号转子转速越高，磁通变化率越大，传感线圈输出的感应电动势越高。一般汽车磁感应式传感器信号输出电压在0.5-100V 之间。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 38 页8 / 38 电磁式轮速传感器结构简单、成本低，但存在下述缺点：一是其输出信号的幅值随转速的变化而变化。若车速过慢，其输出信号低于
30、1V，电控单元就无法检测；二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上；三是抗电磁波干扰能力差。目前，国内外 ABS系统的控制速度范围一般为15160km/h，今后要求控制速度范围扩大到8260km/h以至更大，显然电磁感应式轮速传感器很难适应。图2.1 磁感应式转速传感器1.齿圈 2.磁心端部齿 3.感应线圈端子 4.感应线圈 5.磁心 6.磁力线 7.传感器定子 8.磁极 9.齿图2.2 霍尔轮速传感器示意图 1.磁体 2.霍尔元件 3.齿圈所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图中 (b所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使
31、得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏 (mV级的准正弦波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 38 页9 / 38 压。霍尔轮速传感器具有以下优点：其一是输出信号电压幅值不受转速的影响；其二是频率响应高。其响应频率高达20kHz，相当于车速为 1000km/h时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。因此，霍尔传感器不仅广泛应用于ABS轮速检测，也广泛应用于其控制系统的转速检测。2.2ABS轮速传感器耐久性实验台工作原理轮速传感器输
32、出信号是近似正弦波信号，其频率不是固定的是变化的，有一定的范围。 它随 着 车 轮转 速的 变化 而变化 ，反 应车 轮转 速 ， 其变化 范围 为 25HZ 1000HZ。本课题的主要内容之一就是测量输出信号的频率，使人们对其有一个直观的了解。输出信号的频率是轮速信号的重要参数，只有通过对它的检测才可以了解轮速传感器的工作状态，进一步了解ABS 的工作原理，因此对它的检测至为重要。本设计主要是实现测量轮速传感器输出信号频率的功能，利用单片机作为主控制器；多路开关用于选择控制四个轮速信号输入，电压比较器用于对传感器输出信号波形进行整形，再输入计数器来测量输出信号的频率；最后检测频率是否在设计要
33、求的范围内，若满足要求，则持续计时并将数据传到液晶显示器显示其持续正常工作时间，否则中断跳出，显示非正常状态并报警。2.2.1输出信号频率的测量原理把轮速传感器输出的原始信号正玄波输入电压比较器LM339，基准电压设为0V，输入信号高于基准电压则输出高电平，输入信号低于基准电压则输出低电平，从而实现对正玄波的整形。再把整形后得到的方波信号接入单片机P3，当方波为上升缘时，启动定时器，当方波再次为上升缘时关闭定时器，读定时器的值。因为定时器实质上是对机器周期脉冲Tcy 计数，每个机器周期TL1 加 1，所以定时器的值就是机器周期脉冲 Tcy 的个数 N。由于本设计中取振荡频率fosc=12MHZ
34、，即 Tcy=1us，所以方波的周期为 N us，则方波的频率为 106/N）HZ。又因电压比较器的基准电压是0V，所以轮速传感器输出电压的频率即为方波频率，也就是106/N）HZ。由于本设计只需要频率关键点的值，因此在测得一个频率值后判断其是否为关键点，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 38 页10 / 38 如果是则储存，如果不是则不要该数据，继续测量。本设计就是利用这个原理测量汽车ABS 车轮转速传感器输出电压的频率，测量误差为 1/N，即对机器周期脉冲Tcy 计数的个数相差一个，轮速传感器的输出电压的信号周期越大
35、，误差越小。2.2.2检测原理最后本设计需要检测所测得的频率是否符合要求，也就是频率是否在其上下限之内。由于正常轮速信号频率范围在25Hz-1000Hz 内，即其最大周期是40ms。本设计使用一个周期为 80ms的脉冲去检测轮速信号，若在它2 倍最大周期内无任何信号，则表明轮速传感器工作不正常，系统报警，若有信号，则持续检测并计时。2.3 汽车 ABS 车轮转速传感器耐久性实验台硬件系统整体框图图 2.4 是汽车 ABS 车轮转速传感器耐久性实验台硬件系统的结构框图，通过该图组可以更直观的了解该系统的整体结构和组成。本设计主要完成对车轮转速传感器输出信号频率的测量，多路开关用于选择控制轮速信号
36、，电压比较器主要实现信号波形的整形，数据的测量和记录及处理主要是靠单片机完成，最后将数据送往液晶显示器以监控传感器的工作状态及故障报警。其中轮速传感器输出信号波形如图2.3所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 38 页11 / 38 图 2.3 不同车速时轮速传感器输出信号波形图轮速信号输入精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 38 页12 / 38 图 2.4 硬件系统整体框图3 汽车 ABS轮速传感器耐久性实验台的硬件设计3.1 电源设计汽车 A
37、BS轮速传感器耐久性实验台系统使用220V交流电压作为供电来源。所以系统设计时应充分考虑到兼容性及可扩展性的问题，尤其是在器件选型时应充分考虑到器件的可替换性。系统选用的AT89S52 单片机、液晶显示器、多路开关及各种处理电路所需工作电压均为5V。因此需要设计电压转换电路为各种器件提供稳定可靠的电源，而且，为了保证电源的可靠运行，需加入滤波电路。3.1.1系统的电压转换由于本系统采用220V 交流电源，而系统各个模块所需电压仅为5V,故必须假如电压转换电路。本设计通过采取降压的方法实现系统电压的转换。转换电路如图3.1所示图 3.1 电压转换电路图3.1.2电源的滤波精选学习资料 - - -
38、 - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 38 页13 / 38 图 3.2 电源的滤波电路图为了排除高频信号的干扰，我们加入了滤波电路来达到去耦滤波的目的，让系统更加的稳定。电容的取值为C30C31=C32=C33=C3410103PF。3.1.3 单片机时钟电路设计时钟电路相对较简单，只需要外接石英晶振和电容即可。通过对晶振的取值可以得到不同的系统工作频率。如图 3.3所示为中央处理器的时钟电路图：图 3.3 中央处理器时钟电路图3.1.4单片机的复位复位操作是单片机的初始化操作，单片机在进入运行前和在运行过程中程序出错或操作失误是系统不能正常运行
39、时，需要进行复位操作。复位操作有上电自动复位、按键复位和外部脉冲复位三种方式，均可由复位电路实现。由于本设计使用的AT89S52单片机其内部带有看门狗电路定时器，与看门狗电路X5045就是其中的一种。这些器件可以被用作DSP 协处理器，但对于许多通用信号处理来说显得不够灵活。另外可以选择精简指令集计算机(RISC处理器。这些处理器的时钟速度特别快，但可扩展性不是很强，而且会发生其它实时(可预测性 问题。现场可编程阵列(FPGA是一种快速器件，能够快速高效地完成某些DSP功能，但与 DSP相比开发难度比较大，因为在DSP中一个简单的程序就能完成相同的功能。如果是主信号处理应用，则最好采用性能强大
40、功耗也较大的通用处理器。如果需要快速升级信号处理应用，采用DSP 等可编程器件比定制的硬件方案要更好些。3、工具支持：支持软件创建、调试、系统集成、代码调整和优化工具对整体工程成功与否非常关键。4、操作系统支持：嵌入式系统应用需要使用有帮助的抽象来减少其复杂性。针对处理器系列产品作过优化的商用操作系统(OS能够缩短设备开发周期和上市时间。5、过去的经验：拥有处理器或处理器系列产品的开发经验可以减少可观的学习新处理器、工具和技术的时间。6、仿真支持：循环精确仿真对某些类型的应用来说非常重要，特别是数字信号处理应用中许多功能正确性验证都是采用仿真技术完成的。嵌入式系统的软硬件协同设计模型也促使处理
41、器仿真器成为开发流程中一个非常有用的工具。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 38 页15 / 38 7、应用支持：应用支持有多种方式，从通过热线或网站取得的应用专家支持，到预打包的软件和应用框架，甚至完好的测试平台。一些DSP 处理器能够提供外围器件的驱动器、板级支持包和其它“启动帮助组件”。有了这些软件组件后，应用开发师就无需再编写器件驱动器等“无附加值”的软件，相反，他们可以把精力放在具有附加值的功能开发上，使他们的产品能独树一帜。8、成本：嵌入式应用对成本特别敏感，而产品成本的稍许差别都可能导致市场的失败。9、功耗
42、：市场上有许多依靠电池工作的便携嵌入式实时系统，此时电池寿命将成为系统的重要参数。这种情况下应该考虑使用针对便携式应用优化的低功耗器件。10、传统代码：如果选中的处理器需要设计人员编写与现存代码的接口，将会导致整个设计流程的严重滞后。因此需要选择一款代码兼容的器件来避免或减少这一步骤造成的影响。此外还要考虑软件性能问题。许多嵌入式实时系统必须满足一系列性能目标。一般来讲，性能是一个软件系统或组件对时间要求满足程度的一种指示。这里的时间指标可以用响应时间和吞吐量来衡量，该时间值是指响应某种要求所需的时间，而吞吐量用以指示系统在特定时间间隔内能够处理的请求数量。可扩展性是嵌入式实时系统的另外一个重
43、要指标，可以用它来衡量系统要求提高时系统能够继续满足响应时间或吞吐量要求的能力。如果在整个开发生命周期内得不到正确的性能管理，那么即使选择了正确的处理器和软件也是徒劳的。性能故障的后果是非常严重的，它可能损伤与客户的关系，造成收入下降，甚至导致整个工程失败。因此在整个生命周期内需要随时关注性能问题。性能管理可以被动或主动完成。被动方式需要采用一个较大的处理器解决性能问题，它只在系统完成构架、设计和实现后处理性能问题，在解决问题前一直处于等待状态，直到实际需要测量的事件发生。主动方式是指整个生命周期内一直在跟踪和交流性能问题，同时开发用以识别性能劣化的进程，并在性能处理中培养团队成员。3.2.2
44、控制系统单片机的选择本设计选择 AT89S系列的 AT89S52型号。 AT89S52是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8位微控制器，具有 8K在系统可编程 Flash存储器。使用 Atmel公司高密度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 38 页16 / 38 非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有
45、效的解决方案。功能强大的 AT89S52单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合。其主要性能参数如下： 1）与 MCS-51 单片机产品兼容； 2）8k 字节系统可编程 Flash存储器； 3）1000次擦写周期； 4）全静态操作： 0Hz-33MHz； 5）三级加密程序存储器； 6）32个可编程 I/O 口线； 7）3个 16位定时 /计数器； 8）8个中断源； 9）全双工 UART 串行通道； 10）低功耗空闲和掉电模式； 11）掉电后中断可唤醒； 12）看门狗定时器； 13）双数据指针； 14）掉电标识符。 AT89S52提供以下标准功能： 8k 字节 Flash闪速存储器， 256字节内
46、部 RAM ，32个I/O 口线，看门狗定时器， 2个数据指针， 3 个 16 位定时 /计数器，一个 6向量 2级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52可降至 0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许 RAM ，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89S52芯片有 40 个引脚。用 HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插式封装，见图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -
47、- - -第 22 页，共 38 页17 / 38 3.4。图 3.4 AT89S52 芯片引脚结构图低功耗的，采用CHMOS 工艺制造的机型也有用方型封装结构的。现将各引脚分别说明如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 38 页18 / 38 1.主电源引脚Vcc：接+5V 电源正端。GND：接+5V 电源地端。2.外接晶体引脚XTAL1 ：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2 ：振荡器反相放大器的输出端。外接晶体时，XTAL1 与 XTAL2 各接晶体的一端，借外接晶体与片内反相放大器构成振荡器。3.
48、输入/输出引脚P0 口：P0口是一组 8 位漏极开路的双向I/O 口，也即地址 /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P0 写“1”时，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。P1 口：P1 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4 个TTL 逻辑门电路。对P1 端口写“ 1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时
49、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。此外， P1.0 和 P1.1 还可以分别作为定时 /计数器 2 的外部计数输入 P1.0/T2）和输入P1.1/T2EX）,参见表 3.1。在 Flash编程和程序校验期间， P1接收低 8位地址。表 3.1 P1.0和 P1.1 的第二功能P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部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。在访问外部程
50、序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高 8精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 38 页19 / 38 位地址数据；在访问8 位地址的外部数据存储器时，P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash编程或校验时， P2亦接收高 8位地址和一些控制信号。P3 口：P3口是一组带内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，P3的输出缓冲级可驱动4个 TTL 逻辑门电路。对P3 端口写“ 1”，它们被内部上拉电阻提高并可作为输出端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3 口除作为一般的I/O 接口使用外，更重要