电控设计 机油压力检测控制设计.docx

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电控设计机油压力检测控制设计

交通与汽车工程学院

课程设计说明书

课程名称:

汽车电控系统实习及课程设计

课程代码:

6010319

题目:

机油压力控制系统

年级/专业/班:

2010级汽车电子一班

学生姓名:

学号:

开始时间:

2014年1月6日

完成时间:

2014年1月10日

课程设计成绩：

学习态度及平时成绩（30）

技术水平与实际能力（20）

创新（5）

说明书（计算书、图纸、分析报告）撰写质量（45）

总分（100）

指导教师签名：

年月日

摘要…………………………………………………………………………………………2

1引言………………………………………………………………………………………3

1.1问题的提出……………………………………………………………………………3

1.2任务与分析……………………………………………………………………………3

2方案设计…………………………………………………………………………………4

2.1系统设计方案…………………………………………………………………………4

2.2系统总体框图…………………………………………………………………………4

3系统硬件设计……………………………………………………………………………5

3.1AT89C51单片机……………………………………………………………………5

3.2ADC0808………………………………………………………………………………8

3.3时钟电路………………………………………………………………………………11

3.4复位电路………………………………………………………………………………11

3.5MPX4115压力传感器…………………………………………………………………12

3.6LM061L液晶显示器…………………………………………………………………12

3.7直流电机控制电路……………………………………………………………………13

3.8黄灯预警电路…………………………………………………………………………14

4系统软件设计……………………………………………………………………………15

4.1Proteus软件环境介绍………………………………………………………………15

4.2KileuVision4软件环境介绍………………………………………………………15

4.3Protel软件环境介绍………………………………………………………………16

4.4程序流程图…………………………………………………………………………17

4.5位置式PID控制原理………………………………………………………………19

5系统调试过程…………………………………………………………………………20

设计总结……………………………………………………………………………………26

致谢…………………………………………………………………………………………27

参考文献……………………………………………………………………………………28

附录1………………………………………………………………………………………29

摘要

机油压力是汽车发动机的重要参数之一。

如何利用已学知识模拟机油压力检测，并且对机油压力进行电控是开始本设计的初衷。

本此设计通过以AT89C51单片机为中心，通过MPX4115模拟产生一个信号，通过ADC0808数据转换送入单片机进行处理，再从单片机P0口将电平信号送入液晶显示器C实现动态显示。

并在超过机油压力安全值时由单片机控制LED进行光报警，同时当机油压力过高或者过低时通过电机控制活塞阀进行放油处理。

此说明书给出了系统的设计原理图，以及PCD印制板图，并在Proteus软件中进行仿真实现设计功能。

关键词：

AT89C51单片机机油压力电机控制

1引言

1.1问题的提出

随着进入电气时代，越来越多的电子技术被应用在现代汽车上。

汽车也将由单纯的机械产品向高级的机电一体化产品方向发展。

由于实时驾驶信息系统及多媒体设备在汽车上普及，汽车更具个性化、通用性、安全性和舒适性。

汽车在人们的生活中不仅仅是代步工具，而逐步成为一种生活的方式。

在汽车电子领域的研究成为汽车研发中最活跃的一部分。

随着进入电气时代，电子测控装置被广泛应用于各种电器机械产品上，本次课程设计的任务就是基于单片机设计机油压力电控系统，检测机油压力，对油压超过预定值则使用LED报警，并且能够进行控制。

1.2任务与分析

本次设计的任务是基于单片机机油压力电控系统设计。

要求是本此设计通过以AT89C51单片机为中心，通过MPX4115模拟产生一个信号，通过ADC0808数据转换送入单片机进行处理，再从单片机P0口将电平信号送入液晶显示器LM061L实现动态显示。

并在超过机油压力安全值时由单片机控制LED进行光报警，同时当机油压力过时通过电机控制活塞阀进行控制。

此说明书给出了系统的设计原理图,以并在Proteus软件中进行仿真实现设计功能。

本系统可以分为以下6大主要模块：

（1）AT89C51模块：

用于数据处理，初值设定。

（2）ADC0808：

进行数据转换，将压力传感器采集的模拟信号转换为数字信号。

（3）MPX4115：

采集模拟压力信号。

（4）液晶显示器LM061L：

用于实时的显示机油压力信息。

（5）LED二极管：

超过机油压力下限值，则LED亮灯报警。

（6）直流电机：

当机油压力过高时，通过电机控制活塞阀，从而控制机油压力。

2系统方案设计

2.1系统设计方案

本此设计通过以AT89C51单片机为中心，通过MPX4115模拟产生一个信号，通过ADC0808数据转换送入单片机进行处理。

指定机油压力正常的范围是20—80（MPa），当机油压力在正常范围内时，仅仅从单片机P0口将电平信号送入液晶显示器LM061L实现动态显示。

当检测到低于机油压力安全值（即<=20Mpa）时，由单片机控制LED进行亮光报警，当检测到高于机油压力安全值（即>=80Mpa）时，由单片机通过电机控制活塞阀进行放油等紧急措施。

2.2系统总体框图

当程序启动后，程序进入初始化阶段。

时钟电路的晶振产生外部振荡脉冲信号送入AT89C51单片机的XTAL2口。

单片机AT89C51执行编写在其内部的程序，处理从ADC0808送来的信号，并送到P0口输出到液晶显示器LM061L显示。

当检测到低于机油压力安全值（即<=20Mpa）时，由单片机控制LED进行亮光报警，当检测到高于机油压力安全值（即>=80Mpa）时，由单片机通过电机控制活塞阀进行放油等紧急措施。

3系统硬件电路设计

3.1AT89C51单片机

 通过对多种单片机性能的分析，最终认为89C51是最理想的电子时钟开发芯片。

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，而且它与MCS-51兼容，且具有4K字节可编程闪烁存储器和1000写/擦循环，数据保留时间为10年等特点，是最好的选择。

MCS-51系列单片机是Intel公司1980年推出的高性能8位单片微型计算机主要有8031、8051、8751这三种机型，他们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内ROM有所不同。

主要功能为：

·8位CPU；

·片内带振荡器，振荡频率f的范围为1.2-12MHZ,可有时钟输出；

·128B片内数据存储器；

·4KB片内程序存储器；

·程序存储器的寻址范围为64KB；

·片外数据存储器的寻址范围为64KB；

·21B专用寄存器；

·4个8位并行I/O口：

P0，P1,P2,P3；

·1个全双工串行I/O口，可多机通信；

·2个16位定时/计数器；

·中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级；

·111条指令，含乘法指令和除法指令；

·有强的位寻址，位处理能力；

·片内采用单总线结构；

图3-189C51单片机引脚图

89C51单片机与早期Intel的8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用FlashROM替代了ROM/EPROM而已。

89C51单片机内部结构如图所示。

图3-289C51单片机内部结构示意图

各引脚的功能如下：

·VCC：

供电电压。

·GND：

接地。

 ·P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

·P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

·P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

 ·P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

·RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。

·ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

·

：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次

有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号将不出现。

·

：

当保持低电平时，则在此期间CPU只访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，

将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，则执行内部程序存储器中的程序。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

·XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

 ·XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.2ADC0808

为了满足多种需要，目前国内外各半导体器件生产厂家设计并生产出了多种多样的ADC芯片。

仅美国AD公司的ADC产品就有几十个系列、近百种型号之多。

从性能上讲，它们有的精度高、速度快，有的则价格低廉。

从功能上讲，有的不仅具有A/D转换的基本功能，还包括内部放大器和三态输出锁存器；有的甚至还包括多路开关、采样保持器等，已发展为一个单片的小型数据采集系统。

ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。

ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。

图3-3AD0808引脚图

1）主要技术指标和特性

（1）分辨率：

8位。

（2）总的不可调误差：

ADC0808为±1/2LSB,ADC0809为±1LSB。

（3）转换时间：

取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。

（4）单一电源：

+5V。

（5）模拟输入电压范围：

单极性0～5V；双极性±5V,±10V（需外加一定电路）。

（6）具有可控三态输出缓存器。

（7）启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。

（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。

2）内部结构和外部引脚

ADC0808/0809的内部结构和外部引脚分别如图11.19和图11.20所示。

内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下：

图3-4ADC0808/0809内部结构框图

（1）IN0～IN7——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。

（2）D7～D0——A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。

8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。

（3）ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。

地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。

（4）VR（+）、VR（-）——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。

在单极性输入时，VR（+）=5V，VR（-）=0V；双极性输入时，VR（+）、VR（-）分别接正、负极性的参考电压。

表3-1地址信号与选中通道的关系

地址

选中通道

ADDC

ADDB

ADDA

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

（5）ALE——地址锁存允许信号，高电平有效。

当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。

在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。

（6）START——A/D转换启动信号，正脉冲有效。

加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。

如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。

（7）EOC——转换结束信号，高电平有效。

该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。

该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。

在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。

（8）OE——输出允许信号，高电平有效。

当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。

在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。

3）工作时序与使用说明

当通道选择地址有效时，ALE信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随ALE之后（或与ALE同时）出现。

START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位，在该上升沿之后的2μs加8个时钟周期内（不定），EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后EOC再变高电平。

微处理器收到变为高电平的EOC信号后，便立即送出OE信号，打开三态门，读取转换结果。

模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行（当然，不能在转换过程中进行），然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成（因为ADC0808/0809的时间特性允许这样做）。

这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。

在与微机接口时，输入通道的选择可有两种方法，一种是通过地址总线选择，一种是通过数据总线选择。

如用EOC信号去产生中断请求，要特别注意EOC的变低相对于启动信号有2μs+8个时钟周期的延迟，要设法使它不致产生虚假的中断请求。

为此，最好利用EOC上升沿产生中断请求，而不是靠高电平产生中断请求。

3.3时钟系统

利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出时钟信号。

振荡晶体选择12MHz。

电容只无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1和C2可在20-100pF取值，但在，60-70pF时振荡器有较高的频率稳定性。

图3-5内部时钟电路

3.4复位电路

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

本次设计采用按键复位电路。

按键复位电路是在按键瞬间接地来实现的，其电路如图所示。

按下复位按钮后，电源对按键RESET端维持两个机器周期的高电平实现复位的。

图3-6复位电路

3.5MPX4115压力传感器

MPX4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器。

这个传感器结合了高级的微电机技术，薄膜镀金属。

还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力。

在0℃-85℃的温度下误差不超过1.5%，温度补偿是-40℃-125℃。

图3-7压力传感器

3.6液晶显示器LM061L

LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM（AC）。

IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码，CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系，CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM但愿，LM016L液晶模块的引脚功能如下表所示：

图3-8LM061L引脚图

3.7直流电机控制电路

直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。

它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

直流电机在控制中使用了脉宽调制（PWM）控制的方法。

PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压.PWM不是调节电流的。

PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和

低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压。

所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节.

脉宽调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。

PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

模拟控制电路有以下缺陷:

模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。

图3-8直流电机控制电路

3.8黄灯预警电路

当油压在正常范围内（20—80Mpa）时黄灯不亮，当油压低于最低的阀值时，单片机控制黄灯亮起，达到警示的作用。

图3-9黄灯警示电路

4系统软件设计

4.1Proteus软件环境介绍

本系统的硬件设计首先是在Proteus软件环境中仿真实现的。

Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的。

针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。

如果有显示及输出，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，还能看到运行后输入输出的效果。

Proteus建立了完备的电子设计开发环境，尤其重要的是ProteusLite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果。

Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。

可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件...）。

其实Proteus与multisim比较类似，只不过它可以仿真MCU，当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是初学者拥有它们的可能性比较小。

当然，硬件实践还是必不可少的。

在没有硬件的情况下，Proteus能像pspice仿真模拟/数字电路那样仿真MCU及外围电路。

另外，即使有硬件，在程序编写早期用软件仿真一下也是很有必要的。

Proteus软件主要具有以下几个方面的特点：

1）设计和仿真软件Proteus是一个很有用的工具，它可以帮助学生和专业人士提高他们的模拟和数字电路的设计能力。

2）它允许对电路设计采用图形环境，在这种环境中，可以使用一个特定符号来代替元器件，并完成不会对真实电路造成任何损害的电路仿真操作。

3）它可以仿真仪表以及可描述在仿真过程中所获得的信号的图表。

4）它可以仿真目前流行的单片机，如PICS,ATMEL-AVR,MOTOROLA,8051等。

5）在设计综合性方案中,还可以利用ARES开发印制电路板。

4.2KeilμVision软件环境介绍

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品