单片机的发动机冷却水温自动监测系统的毕业设计.docx
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单片机的发动机冷却水温自动监测系统的毕业设计
摘要:
随着能源日益紧张,人们对发动机时的舒适性日益重视,有关发动机冷却水温的研究得到了越来越多科研机构的重视。
因为冷却水温与发动机的许多工作性能有着直接或间接的联系,如果冷却水温保持在最佳的温度范围内,不仅可以提高发动机的动力性、减少废气的产生、还可以减少燃料消耗量、增强发动机工作平稳性。
所谓最佳温度范围指冷却水温保持在此温度范围内,发动机工作的整体经济性最好。
而确定此最佳冷却水温范围,只有经过大量的检测实验和数据分析才能得出。
检测冷却水温对发动机零件磨损、功率、工作噪声、排气质量、润滑油质量、使用寿命、工作粗暴性等的具体影响,然后通过比较分析得出最佳温度范围。
进行这些发动机性能测试实验的必备条件是有一个能检测并控制冷却水温在设定范围内的控制装置,研究并试制这样一个自动控制装置就是本课题的研究目的。
本文介绍了一种基于MCS-51系列单片机的发动机冷却水温自动监测系统的设计,该系统实现了对监测到的水温进行及时采集和智能化处理的功能。
简述了其工作原理、硬件系统及软件编程思路。
关键词:
冷却水温,单片机,A/D转换器、发动机、MCS-51
Summary:
Withtheincreasinglytenseenergy,peoplecomfortwhentheengineincreasingattention,theenginecoolingwatertemperatureofgainingmoreandmoreattentiontoscientificresearchinstitutions.Becausemanyoftheenginecoolingwatertemperatureandtheperformancehasadirectorindirectcontact,ifthecoolingwatertemperaturemaintainedatoptimumtemperaturerange,notonlycanimprovetheengine'spowerXing,JianShaogasproduction,alsocanreducefuelconsumption,ZengQiangenginestationarywork.Theso-calledoptimaltemperaturerangemeanscoolingwatertemperaturemaintainedatthistemperaturerange,theoveralleconomyoftheengineworkthebest.Anddeterminetheoptimalcoolingtemperaturerange,onlyafterdetectionofalargenumberofexperimentsanddataanalysisinordertoobtain.Detectionofthecoolingwatertemperatureonthewearofenginecomponents,power,worknoise,exhaustquality,oilquality,life,workandsothespecificimpactofthegross,andthenanalyzedbycomparingtheoptimumtemperaturerange.Engineperformancetestsfortheseexperimentsisanecessaryconditiontodetectandcontrolthecoolingwatertemperatureintherangeofsetofcontroldevices,researchandtrialofsuchacontroldevicethatisthesubjectofresearchpurposes.Thispaperintroducesamicrocomputer-basedMCS-51seriesenginecoolingwatertemperatureautomaticmonitoringsystem,thesystemrealizedthewatertemperaturewasmonitoredfortimelyacquisitionandintelligentprocessingfunctions.Outlineditsworkingprinciple,hardwaresystemsandsoftwareprogrammingideas.
Keywords:
coolingwatertemperature,microcontroller,A/Dconverter,engine,MCS-51
引言
发动机是现在动力的主要来源之一。
发动机工作热负荷大,作业时周围环境灰尘多,气温一般又较高,容易使发动机水温升高。
必须有良好的散热条件,因此冷却系统工作状态应予以监控。
冷却系统工作状态的主要参数是冷却水温度。
并且发动机水温数据也是汽车电控系统使用的主要数据之一,也是发动机暖机情况的主要指标。
冷却水温的过高过低都会对发动机的工作状况造成破坏。
本文采用了MCS-51系列单片机进行了发动机水温数据的自动检测,对进一步提高发动机的性能发挥具有重要意义。
第一章单片机控制系统原理
本系统利用温度传感器实现对温度的采集,然后把温度信号转变为电压模拟信号,信号通过运算放大器、保持器和A/D转换器将模拟量变为数字量送入单片机进行处理。
单片机根据不同的输入信号分析处理,并将检测到的水温通过数字显示电路显示出来,进而与设定参数进行比较,如果超出设定值,立即启动报警系统,告知工作人员采取相应的措施;如果正常,循环采集数据,即可实现发动机水温的自动检测。
本系统以MCS-51单片机为核心,组成一个集发动机水温的采集、数据处理、显示、报警为一体的自动监测系统,其原理见(图1)。
图中硬件电路主要由以下几部分组成:
单片机控制器、显示系统、水温监控电路、报警器。
(图1)
第二章系统主要硬件介绍及电路设计
2.1 单片机
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
2.1.1单片机历史
单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
1.SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
2.MCU即微控制器(MicroControllerUnit)阶段,主要的技术发展方向是:
不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。
3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
2.1.2单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
1.在智能仪器仪表上的应用
2.在工业控制中的应用
3.在家用电器中的应用
4.在计算机网络和通信领域中的应用
5.单片机在医用设备领域中的应用
6.在各种大型电器中的模块化应用
7.单片机在汽车设备领域中的应用
此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
2.1.3单片机的选用
从本系统的功能、精度及工作环境出发,并且系统中需处理的信息量不是很大,故根据实际应用要求,所选用的是MCS-51系列的8031单片机作为中央处理器。
使系统具有良好的性能/价格比和较高的可靠性,充分发挥了单片机的功能多、抗干扰、性能好的特点。
2.2水温传感器
又名,水温感应塞,作用差不多,只是传感器比较先进数据可以有连续性,比较精确。
2.2.1水温传感器作用
水温传感器的作用是把冷却水温度转换为电信号,输入ECU后有:
1。
修正喷油量;当低温时增加喷油量。
2。
修正点火提前角;低温时增大点火提前角,高温时,为防止爆燃,推迟。
3.影响怠速控制阀;低温时ECU根据水温传感信号控制怠速控制阀动作,提高速转。
4.影响EGR阀。
2.2.2水温传感器工作原理及选用
发动机水温传感器一般采用负温度系数的热敏电阻式传感器。
常用的温度传感器有热电阻和热敏电阻传感器两种,前者适用于低温测量,需要辅助电源且不能应用动态测量;后者电阻温度系数大、灵敏度高、响应速度快。
NTC热敏电阻具有很高的负温度系数,适宜于-100℃一300℃之间的温度测量,广泛应用于点温度、表面温度和温度场的测量。
温度数值的变化反映为电阻值的变化,再通过电桥变换电路转换为电压信号输出,放大后再由V/F转换电路转换为频率信号。
2.2.3温度采样电路
系统的信号采集电路主要由温度传感器(AD590)、基准电压(7812)及A/D转换电路(ADC0804)三部分组成。
如图2
(图2)
2.3A/D转换器
即模数转换器或简称ADC,通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义,仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准,比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
模数转换器最重要的参数是转换的精度,通常用输出的数字信号的位数的多少表示。
转换器能够准确输出的数字信号的位数越多,表示转换器能够分辨输入信号的能力越强,转换器的性能也就越好。
A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。
在实际电路中,有些过程是合并进行的,如采样和保持,量化和编码在转换过程中是同时实现的。
温度传感器感受发动机水温的变化,并把温度信号转变为电压模拟信号,经过滤波校正后要送入A/D转换器中。
针对系统检测性能要求,本系统的A/D转换器采用常见的ADC0809,二进制输出、逐次比较型转换器。
水温模拟量通过通道IN0输入A/D转换器,再由A/D转换器把采集来的模拟电压信号转换为数字信号并读入单片机。
(如图3)
(图3)
2.4信号处理电路
信号处理电路的设计必须考虑许多实际因素。
由于水温传感器的输出是幅度为0-12伏、脉冲持续时间和周期均可变。
因此,此类信号必须经过转换才能送入A/D转换器。
本设计给出的电路如图4所示,可以很好实现脉冲信号的处理。
(图4)
2.5显示电路
本监测系统所采用的液晶显示器选用中科院新乡液晶显示器厂生产的4320型。
该液晶显示器的位数是4位,能满足设计需要。
81C55的PA口、PB口定义为基本输入/输出,PC口定义为输入。
其中,PB口用于ICM7211AM的数字输入及译码,PA口用于扫描键盘,PC口用于接收键盘扫描信息。
该模块的主要功能是对所监测到的水温进行显示。
2.6复位电路
2.6.1复位电路简介
为确保微机系统中电路稳定可靠工作,复位电路是必不可少的一部分,复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%,即4.75~5.25V。
由于微机电路是时序数字电路,它需要稳定的时钟信号,因此在电源上电时,只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时,复位信号才被撤除,微机电路开始正常工作。
2.6.2单片机复位电路的类型
目前为止,单片机复位电路主要有四种类型:
(1)微分型复位电路;
(2)积分型复位电路;(3)比较器型复位电路;(4)看门狗型复位电路。
ISA总线的复位信号到南桥之间会有一个非门,跟随器或电子开关,常态时为低电平,复位时为高电平。
IDE的复位和ISA总线正好相反,通常两者之间会有一个非门或是一个反向电子开关,也就是说IDE常态时为高电平,复位时为低电平。
(如图5)
(图5)
2.6.3看门狗
在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,俗称"看门狗"(watchdog)
2.6.4看门狗电路的应用
看门狗电路的应用,使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是:
看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的,一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位。
为了系统设计可靠性,设置了MAX705复位/看门狗当电路。
主要功能是防止程序运行时失控和提供外部复位功能。
源干扰引起单片机程序混乱时,由看门狗将单片机初始化,程序从头开始,进行延时,重新读出EEPROM中数进行累加,避免了EEPROM写操作,防止破坏累积计时结果。
通过以上的软件措施使本系统可以高速、准确地测量发动机水温,同时高精度、高可靠地进行计时累加。
当由于外部干扰或其他原因导致死机时,看门狗电路会自动发出复位信号。
2.7报警接口电路设计
本系统根据实际需要采用报警灯来实现报警功能,从键盘上预设报警点,当超过这个数值时,会给出一种报警灯信号。
报警指示灯均由相同规格的发光二极管构成。
如图6所示
(图6)
温度检测控制电路由电阻器Rl、R2、电容器C、可变电阻器RP、热敏电阻器RT(作为温度传感器)、控制集成电路ICl和继电器K组成。
接通开关S后,该报警器电路进人温度检测状态,ICl输出低电平,K吸合,其常开触头接通点火线圈的工作电源。
在水箱内水温低于gOC时,报警电路不工作,HL不亮,IC2不工作,HA不发声。
当水箱因严重缺水或其他原因导致水温超过gOt时,lCl输出高电平,K释放,其常开触头接通,使HL点亮,IC2工作,驱动HA发出报警声;同时K的常闭触头断开点火线圈的工作电源,使发动机熄火。
调节RP的阻值,可设定报警器动作温度。
元器件选择:
R1和R2选用1/4W金属膜电阻器或碳膜电阻器。
Rp选用合成膜可变电阻器或实心可变电阻器。
RT选用测温型负温度系数的热敏电阻器(使用时将其密封在铜管内,从水箱迸水口附近插入水箱内的水中),例如MF5l系列。
C选用耐压值为16V铝电解电容器。
lCl选用JEC-2B型多功能控制集成电路;lC2选用CHlO00型报警用蜂鸣器驱动集成电路。
HA选用带助声腔的压电式蜂鸣器。
HL选用l2V指示灯。
K选用JRX-l3F型l2V直流继电器,使用时将其两组常开触头并联使用。
第3章系统的软件设计
控制系统软件的功能是协调好单片机内部资源和外接电路的工作,软件设计的主要任务是使单片机及外围器件按程序设计的功能动作,以满足控制要求。
C语言具有较高的可移植性,有丰富的库函数,运算速度快,编译效率高,且可以直接实现对系统硬件的控制。
因此本系统程序设计采用专门用于51系列单片机编程的C语言—C51编写。
软件部分主要包括主程序、定时器T0中断服务程序显示子程序等及其它子程序。
系统程序框图如图7所示。
(图7)
3.1主程序
软件主程序的功能是对单片机及其他芯片的工作状态进行初始化,同时组织调用各子程序,按预定要求完成控制功能。
程序具体功能包括:
(1)对单片机及其他芯片进行初始化。
(2)调用水温测量子程序。
传感器测量的水温信号输入到单片机的计数器,经过运算、转换得出发动机的水温。
主程序通过调用该子程序直接获得发动机的水温。
(3)将水温显示在液晶显示器上供工作人员参考。
温度显示模块设计成显示子程序,主程序调用显示子程序即可显示水温大小。
(4)调用水温测量子程序,获得水温大小信号。
水温信号经A/D转换器转换后输入单片机,经换算后返回水温大小数据。
此测量子程序被调用后,水温数据进入主程序。
(5)检查水温的大小是否在设定范围内,如果超出设定值,调用报警子程序。
发出报警信号,让操纵人员可以及时采取措施,排除故障。
(具体程序见附录)
3.2定时器T0中断服务程序
定时/计数器TO的使用是要利用TO的计时功能来达到对系统运行时间的计时。
在程序中TO作为16位的定时器,其定时范围为0-65ms,为计算方便,将TO作为50ms的定时器使用。
50ms定时到,TO申请中断。
TO的预置的计数初值是。
于是系统中的1秒定时是通过20次(TTO=20)的50ms定时来实现。
(具体程序见附录)
3.3显示子程序
本系统采用4位共阴显示屏显示,主要用于显示所测发动机水温的值。
显示数据采用串行输入,通过移位寄存器74ALS164转换成8位显示信号。
4位LED数码管的数据线是并联的,通过切换其有效选择信号(阴级)实现显示屏的4位数字以非常快的速度切换,依次显示,以实现肉眼看来同时显示的效果。
水温传感器采集的数据经过单片机处理后,计算出发动机水温的大小,以十进制数表示,进而显示。
(具体程序见附录)
结论
这种发动机水温自动检测系统,可以较好的满足实时性和通用性的要求。
本监测系统的创新点在于采用8031单片机作为系统控制核心,不但实现了水温的显示,而且实现了自动报警功能,提高发动机的工作效率,减少发动机的故障率。
该系统性能稳定,工作可靠,具有良好的推广前景。
这种发动机水温自动检测系统,可以较好的满足实时性和通用性的要求。
通过对本设计的思考,更加加深了对单片机的认识,熟练了单片机的编程,更对当前的温度传感器有了更深刻的认识与了解,但是由于此系统依赖温度传感器,因而对温度传感器的稳定性,线性等诸多方面有着严格的要求,但是传感器的性能越好,相对而言其价格也就越高,因而在此设计中,温度传感器我个人觉的还是存在遗憾,其次,由于采用了汇编语言,所以其编程过程复杂不易查错。
最后由于时间紧迫,本设计还有诸多地方需要改进。
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附录:
源程序代码
(主程序如下:
)
ORG0000H
AJMPSTART;主程序
ORG000BH
AJMPTIM0;T0中断子程序
ORG0023H
AJMPRT;串口中断接受子程序
ORG0100H
START:
MOV50H,#00H;初始化设定温度
MOV51H,#00H
MOV52H,#00H
MOV53H,#00H
MOV54H,#0C6H;发送第5个数码管字形码“C”
MOVTMOD,#01H;T0工作在MODE1
MOVTH0,#0ECH;晶振12M,50ms中断一次
MOVTL0,#78H
SETBTR0
MOVTMOD,#20H;T1工作在MODE2
MOVTH1,#0E6H;设波特率
MOVTL1,#0E6H
SETBTR1
MOVSCON,#50H
MOVIE,#92H;允许T0,RI中断
MOVR6,#04H;初始要接收的数据个数
MOVR1,#50H;初始要接收数据的起始地址
MOVR4,#00H
REY:
MOVA,53H
CJNEA,#00H,YES
SJMPREY
YES:
MOVR3,#00H
YES1:
CLRP2.0;开始AD转换
CLRP3.6
SETBP3.6
ACALLDELAY
J1:
MOVXA,@R0
ACALLSJCL;调用数据处理子程序
ACALLDISP
DJNZR3,MM
ACALLFS;调用串口发送子程序
AJMPYES
MM:
AJMPYES1
SJCL:
MOVB,#60
MULAB
MOV61H,A
MOVA,B
ADDA,#35
ACALLL10
MOV60H,R5;存十进制高八位(个位和十位)
MOVA,61H
MOVB,#9
MULAB
MOV61H,B;存十进制低八位(小数点)
RET
L10:
CLRC
MOVR5,#00H;初始化十进制转换的地位寄存器
MOVR4,#08H;调整次数
NEXT:
RLCA
MOVR2,A
MOVA,R5
ADDCA,R5
DAA
MOVR5R5,A
MOVA,R2
DJNZR4,NEXT
RET
DISP:
MOVA,60H
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