单片机测油温和转速本科 毕业设计.docx
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单片机测油温和转速本科毕业设计
单片机测油温与转速硬件部分
通信工程电子专业适用
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摘要
本次设计所要达到的目的是通过单片机应用系统的数据采集、数据处理、数据显示等技术,实现单片机单片机对油温的测量和油泵主轴转速的测量。
具有重要的现实意义。
利用STC89C51RC单片机内部T0、T1定时器/计数器产生中断,接收光耦合器产生的信号脉冲,从而测出油泵主轴转速。
测量油温采用比较新型的DS18B20芯片测温技术。
并用LED数码管实时显示转速和温度。
本次设计主要工作是进行:
1、总体设计,确定技术指标和软硬件分工;2、硬件设计,确定电路功能框图和原理图;3、软件设计,在总体分工和硬件设计的基础上,确定程序功能、编写功能模块子程序。
关键字:
单片机,油温,转速,DS18B20,光耦合器
Abstract
Theobjectiveoftheprojectwastorealizethemeasurementofoiltemperatureandpumpspindlespeedbasedonmicrocontrollerwithdataacquisition,processinganddisplay.
PumpspindlespeedwasmeasuredoutbysignalimpulsefromopticalcouplerrafterirruptoccurredbyT0、T1Timer/counterinsideSTC89C51RCmicrocontroller.AndDS18B20chipwasusedforoiltemperaturemeasurement.SpeedandtemperatureweredisplayedbyLEDdigitaltube.
Thedesignwascarriedoutfromthefollowingaspects:
overalldesignthatdeterminethetechnicalspecifications,hardwareandsoftwaredivision;hardwaredesignwhichfinishedthecircuitfunctionalblockdiagramandschematic;andsoftwaredesignthatcompletedtheprogramfunctionandsubroutineoffunctionalmodule,basedontheoveralldivisionandhardwaredesign.
Keywords:
microcontroller;oiltemperature;spindlespeed;DS18B20;Opticalcoupler;
第1章绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题背景
1993年,中国失去了它一直引以为豪的能源自给地位。
仅1993年到1998年,自政局不稳的中东地区进口的石油在中国全部石油消费中的比重就从16%飙升至61%。
2002年,中国超越日本成为世界第二大能源进口国。
自那以后,中国的石油净进口量一直以每年15%的惊人速度增长,到2010年已经升至2.54亿。
根据中国国家能源局的数据,中国对进口石油的依赖度2011年已经达到创纪录的56.5%。
随着我国汽车工业的迅猛发展,能源短缺问题变得越来越严重,2003年我国石油年进口量超过日本,成为全球第二大进口国,2004年,我国进口原油1.17亿吨,而且近年都在增加,因而车用发动机的节能降耗问题显得越来越重要。
柴油机与汽油机相比具有较好的经济性与动力性,因而柴油机得到越来越广泛的应用,以前采用汽油机的轿车也开始向柴油机过渡。
随着人们对环保意识的提高,对汽车尾气的排放要求也在逐渐提高,国产汽车的排放目前要求达到欧n标准。
影响柴油机性能的主要因素之一是喷油系统,喷油泵是柴油机的心脏,喷油泵的各种技术参数对柴油机的各项性能指标:
柴油机加速性能、油耗大小、尾气排放量、工作噪音的大小、动力性能等影响极大。
按照国家标准规定,喷油泵油缸的温度必须控制在38~42℃之间,此时对一定喷油次数下喷油量的检测和油缸内油压测量才是准确的。
而主轴的平稳转速和流量控制以及发动机运转情况密切相关。
所以,油温和主轴转速测量准确与否直接决定着柴油机的动力性、经济性及排放。
准确测试喷油泵各项技术参数对提高柴油机的经济性、动力性、可靠性、耐久性和降低排污、噪声、烟度等有十分重要的意义。
1.1.2课题意义
早期的测量仪器基本都是用COMS、TTL等集成电路搭接而成,这种仪器使用电子元件很多,成本较高,其测量精度却不高。
而本设计是用单片机测量转速(喷油次数)和油温,则非常精确和方便,可以大大的提高油泵对石油的利用率,并且单片机与微机通信易于实现,更是加大了对结果的可视性和可操控性。
在本设计中,利用单片机内部T0、T1定时器/计数器产生中断,对接收到的信号脉冲进行检测,从而测出油泵主轴转速。
且在增加的油温测量系统中采用比较新型的DS18B20芯片一线测温技术,精确到小数点后一位,并用LED数码管直观显示。
另外,利用单片机串口通信技术实现单片机与微机的通信,可以便于对操作过程进行实时监控。
因而,本次设计是有必要性和现实意义的。
1.2油泵试验台系统的现状和发展趋势
由于本论文的整体构思是以喷油泵试验台为基础的,本小节对喷油泵试验台做一下简单介绍。
喷油泵试验台是各汽车、柴油机制造和修理厂研制、生产、检验、调整喷油泵不可缺少的设备。
喷油泵试验台的主要用途是检测和调整喷油泵在各种工况时的喷油量及各缸喷油间隔角。
衡量喷油泵试验台性能和质量的一个重要指标就是喷油量测量的精确性,它还需要对主轴转速、喷油次数进行精确测量。
国内喷油泵试验台按动力调速分为:
J系列:
机械式传动变速喷油泵试验台,如12PSJ55/75型。
Y系列:
液压无级变速传动喷油泵试验台,如12PSY55/75型。
D系列:
电子控制无级变速喷油泵试验台,如12PSD55/75型。
W系列:
变频无级调速喷油泵试验台,如12PSW55/75型。
J系列正在被淘汰,仅有很少的厂家生产,Y系列生产的数量比D系列和W系列少得多,目前颇具竞争力的主要是D系列和W系列。
据统计,国内各厂家目前普遍生产的试验台,主要是滑差式离合器的传动变速和交流变频器调速两种类型的产品。
W系列由于其关键部件变频器均为进口,且技术含量高,故价格偏高。
喷油泵测试时所需的条件参数均可由仪表测量数字显示。
喷油泵调试参数主要是各缸油量,目前测试还是以玻璃筒计量为主,但这种测量方式的最大缺点是测量过程缓慢。
国外现在能利用计算机测控技术及传感器对油泵的喷油量进行快速、连续的测量,这正是国产喷油泵试验台与国外先进产品之间真正差距所在。
国内喷油泵实验台系统的发展要求试验台的自动化程度要高,如喷油量快速数字化测量等。
今后喷油泵试验台的技术发展应主要集中在充分利用计算机测控技术,使油泵调试中的各项条件和技术参数的测量完全以数字化方式自动测量,以适应喷油泵产品技术不断提高的需要。
国外在喷油泵试验台自动测试技术方面的研究走在前列,德国Moehwald公司研制成功的EP32000型、RPB2000型油泵试验台采用KMM测量系统可以连续地测量各缸喷油量,既能用屏幕显示喷油量,又能打出每行程或多次的喷油量,还能利用计算机半自动地检测喷油泵。
美国的Bacharach公司研制的PDFM808型燃油喷射测量系统采用CRT显示喷油量、转速及测量误差。
它可以测量单缸以及多至8缸的喷油量,还可以测定某一个缸的每行程喷油量;可以按顺序自动地显示各缸的总喷油量,平均喷油量,单缸喷油量,也可连续不断地测量。
国外喷油泵试验台的发展趋势是采用先进的电子技术研制微机测量及数字显示系统,按国际标准改进结构提高测试精度,主要特点是数字显示压力、温度、转速与计数,过去喷油泵试验台采用的机械式转速表、弹簧压力表和压力式指示温度计,很难达到国际标准。
1.3设计平台
1.3.1硬件原理图开发环境
Proteus是基于windows9x/windowsNT/windows2000的纯32位电路设计制板系统。
它运行于Windows操作系统上,可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。
该软件的特点是:
(1)实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
(2)支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有:
68000系列、AT89C51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
(3)提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能;同时支持第三方的软件编译和调试环境,如KeilC51uVision3等软件。
(4)具有强大的原理图绘制功能。
总之,该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,功能极其强大。
1.3.2软件辅助编程环境
本次设计的程序是用C语言编写的。
简单来说,C语言对汇编语言进行了抽象,具有如下优点:
(1)更符合人类思维习惯,开发效率高、时间短。
(2)容易实现模块化开发。
(3)程序可移植性好。
(4)提供数学函数并支持浮点运算,从而实现复杂的运算。
(5)程序可读性强,便于阅读和交流。
(6)容易调试和维护程序。
1.3.3调试程序相关工具
KeilC51uVision3是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
它是众多单片机应用开发的优秀软件之一,它集编辑、编译、仿真于一体,支持汇编、PLM语言和C语言的程序设计,界面友好,易学易用。
与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
KeilC51单片机软件开发系统的整体结构:
C51工具包的整体结构中uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE),可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。
目标文件可由LIB51创建生成库文件,也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件,以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试,也可由仿真器使用直接对目标板进行调试,也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
1.4预期结果
实现对油温和油泵主轴转速的测量。
当油温发生变化时,测温芯片将实时温度信号传递到单片机,处理后,显示到LED数码管上。
当转速发生变化时,测速传感器将实时转速信号传递到单片机,处理后,显示到LED数码管上。
本设计具有复位功能。
当突然断电时,由于单片机内部已经储存运行的程序,可能造成运行错误、显示混乱等问题,此时复位即可使电路正常运行。
1.5设计认知
在这次设计过程中,我们综合运用了所学的单片机、C语言、数字电子技术等专业知识进行分析、解决实际问题。
也掌握了文献检索、资料查询的基本方法以及获取新知识的能力。
基本具备了用计算机软件、硬件应用系统设计和开发的能力。
书面表达、口语表达、协作配合进行工作的能力都得到了很大的提高。
第2章设计方案与分析
单片机应用系统的设计研制过程主要包括:
总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试等几个阶段。
包括单片机控制模块、温度测量模块、转速测量模块、数码显示模块、以及下载(串口通信)模块等几大部分。
总体框架如图2-1所示。
硬件设计详见第3章,软件设计详见第4章,硬件实物和实际结果详见第5章。
注意,因为Proteus仿真中无法直接模拟转速模块,虽然可用脉冲激励源来代替,但对实际设计没有指导作用。
故本文不给出仿真。
图2-1系统总体框图
2.1温度测量的方案与分析
2.1.1热敏电阻测温方案
电路如图2-2所示。
RK为100k的精密电阻;RT为100K-精度为1%的热敏电阻;R1为100Ω的普通电阻;C1为0.1μ的瓷介电容。
图2-2热敏电阻测温电路图
其工作原理为:
(1)先将P1.0、P1.1、P1.2都设为低电平输出,使C1放电至放完。
(2)将P1.1、P1.2设置为输入状态,P1.0设为高电平输出,通过RK电阻对C1充电,单片机内部计时器清零并开始计时,检测P1.2口状态,当P1.2口检测为高电平时,即C1上的电压达到单片机高电平输入的门嵌电压时,单片机计时器记录下从开始充电到P1.2口转变为高电平的时间T1。
(3)将P1.0、P1.1、P1.2都设为低电平输出,使C1放电至放完。
(4)再将P1.0、P1.2设置为输入状态,P1.1设为高电平输出,通过RT电阻对C1充电,单片机内部计时器清零并开始计时,检测P1.2口状态,当P1.2口检测为高电平时,单片机计时器记录下从开始充电到P1.2口转变为高电平的时间T2。
(5)从电容的电压公式:
(2-1)
可以得到:
T1/RK=T2/RT,即RT=T2×RK/T1。
通过单片机计算得到热敏电阻RT的阻值,通过查表法可以得到温度值。
该测温电路的误差来源于:
单片机的定时器精度,RK电阻的精度,热敏电阻RT的精度,而与单片机的输出电压值、门嵌电压值、电容精度无关。
此方案需耗费较多单片机I/O口,且选材较麻烦,精度难以控制。
故本设计不采用此方案。
2.1.2DS18B20芯片测温方案
DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器。
它体积小、适用电压宽、价格低。
DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
测温范围为-55~+125℃,在-10~+85℃范围内,精度为±0.5℃。
DS18B20采用接电源方式工作,一线测温,测出的数据存放在寄存器,将数据经过BCD码转换后送LED显示。
测温流程如图2-3所示。
图2-3测温流程图
2.2转速测量方案与分析
测量转速首先要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号,从而进行脉冲计数。
主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)。
2.2.1霍尔传感器测速方案
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片,在垂直于平面方向上施加外磁场B,在沿平面方向两端加外电场,则使电子在磁场中运动,结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。
根据霍尔效应原理,将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿,霍尔元件受磁钢所产生的磁场影响,输出脉冲信号,其频率和转速成正比。
脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系:
(2-2)
式中,n为电机转速;P为电机转一圈的脉冲数;T为输出方波信号周期。
该方案基本的测量原理如图2-4所示。
图2-4霍尔传感器测速原理
2.2.2光耦合器测速方案
光电耦合器(简称光耦)是以光为媒介把输入端信号耦合到输出端,来传输电信号的器件,发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内,将它们的光路耦合在一起,当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。
由于它具有体积小、寿命长、无触点,抗干扰能力强,输出和输入之间绝缘,单向传输信号,传输信号的频率高等优点,在电路上获得了广泛的应用。
本设计采用此方案测速。
2.3数码显示模块方案与分析
2.3.1LCD显示方案
LCD是LiquidCrystalDisplay的简称。
它本身并不发光,是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性,从而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。
由于LCD的面板较为脆弱,制造商已将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器用PCB连接到一起,称为液晶显示模块。
LCD从显示内容上分可以分为字符型(如1602)和点阵型(如12864)。
从功能上可以分为带字库和不带字库两种类型。
字符型需要通过向指定显示位置对应的DDRAM中写数据来显示字符。
而在点阵型LCD上显示一幅图片或是字符,需将黑色的部分点亮,空白的点置0。
无论是字符型还是点阵型LCD,其基本原理都是通过将数据写入所对应的DDRAM地址中来显示所需要的图形或是字符。
虽然LCD接线方便,显示美观,但LCD价格昂贵,程序复杂度高。
2.3.2LED数码管显示方案
2.3.2.1动态显示方案
显示时采用循环移位法,即八位数码管依次循环点亮,利用人眼睛的视觉暂留效果达到连续显示,主程序每运行一遍便调用一次显示子程序,将数据显示出来。
该方法的优点是编程简单,显示实时性比较强。
需要注意的是,由于LED点亮需要一定时间,如果程序中延时太短,则亮度非常低,难以辨认。
因为人的视觉停留时间时值为1/24S,最小辨认时间大约是0.1S。
如果程序延时太长,则会造成显示闪烁,难以辨认。
2.3.2.2静态显示方案
8051的资源有限,I/O接口只有四个,P0,P1,P2,P3,而且I/0口驱动外部设备能力有限。
静态显示,一个LED数码管就占用一个I/O接口,本设计中需要8位数码管,I/O口不够用,需要扩展I/O接口。
最常用的是使用一些I/O口芯片,或者将串口作为I/O口,使用一些串行输入并行输出的芯片,比如74LS164、74HC595等。
如果用静态显示,则LED数码管非常亮,效果清晰。
但是编程较为复杂,而且需要增加其他芯片,增加成本,接线也更复杂一些。
本设计选择动态显示方案足以满足显示需求。
第3章系统硬件部分的设计
3.1单片机的最小系统
单片机的最小系统(老三件)CPU、8位3态D锁存器74LS373、ROM或者RAM,加上时钟电路和复位电路。
但现在单片机集成度高,只需加上时钟电路和复位电路就构成最小系统。
单片机的最小系统功能框图如下图:
图3-1单片机的最小系统功能框图
3.1.1STC89C51RC单片机简介
STC89C51RC是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机。
片内含有至少4KBytes的可以反复擦写的Flash只读程序存储器和512Bytes的随机存储器(RAM),以及通用异步串行口(UART)、SPI、A/D、PWM等模块。
器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术,兼容标准MCS-51指令系统,内置功能强大的微型计算机的STC89C51RC提供了高性价比的解决方案。
3.1.1.1STC89C51RC单片机的主要结构特征
表3-1STC89C51RC单片机的主要结构特征
兼容MCS-51指令系统
8KISPFlashROM/IAP
32个双向I/O口
3.3∼5.5V工作电压
3个16位可编程定时/计数器
时钟频率0~40MHz
通用异步串行口(UART)
512bit内部RAM
4个外部中断源
EEPROM功能
中断唤醒省电模式
3级加密位
看门狗(WDT)电路
软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程
双数据寄存器指针
-40∼+85℃工作环境
内部集成MAX810专用复位电路
3.1.1.2STC89C51RC单片机的引脚功能
图3-2STC89C51RC单片机管脚图
引脚说明:
(1)电源引脚
Vcc(40脚):
典型值+5V。
Vss(20脚):
接低电平。
(2)外部晶振:
X1、X2分别与晶体两端相连接。
当采用外部时钟信号时,X2接振荡信号,X1接地。
(3)输入输出口引脚
P0口:
I/O双向口。
作输入口时,应先软件置“1”。
P1口:
I/O双向口。
作输入口时,应先软件置“1”。
P2口:
I/O双向口。
作输入口时,应先软件置“1”。
P3口:
I/O双向口。
作输入口时,应先软件置“1”。
(4)控制引脚:
RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。
RST/Vpd(9脚):
复位信号输入端(高电平有效)。
其第二功能是,加+5V备用电源,可以实现掉电保护RAM信息不丢失。
ALE/-PROG(30脚):
地址锁存信号输出端。
其第二功能是编程脉冲输入。
-PSEN(29脚):
外部程序存储器读选通信号。
-EA/Vpp(31脚):
外部程序存储器使能端。
第二功能是,编程电压输入端(+21V)。
3.1.2时钟电路
系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及两个电容构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。
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震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此,本设计的电路选取晶体振荡器的值为11.0592MHz。
电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值约为30pF。
在引脚XTAL1和XTAL2跨接晶振Y1和两个微调电容就构成了内部震荡方式,由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成自激振荡器并产生震荡时钟脉冲。
时钟电路如图3-4所示:
图3-4时钟电路
3.1.3复位电路
复位电路的基本功能是:
系统上电时提供复位信号,直至电源稳定后,撤销复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时(共大于两个机器周期)才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分——合过程中引起抖动而影响复位。
复位后P0-P3口均表现为高电平,程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。
当复位脚由高电平变为地电平时,芯片为ROM的00H处开始运行程序。
本最小系统采用上电自动复位和按键手动复位方式。
上电自动复位由电容充电来实现,按键手动复位通过复位端经电阻和VCC接通而实现。
复位是由外部的复位电路来实现的。
片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期的S5P2,由复位电路采样一次。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式,此电路系统采用的是上电与按钮复位电路,如图3-5所示。
当时钟频率选用11.0592MHz时,电容为10uF,Rk约为1K。
复位电路如图3-5所示。
图3-5复位电路
3.2温度模块
3.2.1DS18B20芯片简介
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
3.3.2DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构如图3-6所示,主要由4部分组成:
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列
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