汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度監(jiān)控器的設(shè)計(jì)

1、1緒論1.1課題背景及意義隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量高科技不斷被運(yùn)用到汽車系統(tǒng)中去，推動(dòng)著汽車工業(yè)的快速發(fā)展。由于在我們的日常生活中汽車是重要的代步工具，其性能的好壞，以及使用壽命等都直接決定汽車的好壞。因此，在汽車的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度的測(cè)試是必不可少的1。在發(fā)動(dòng)機(jī)使用過程中，水箱溫度是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，也是個(gè)比較棘手的問題。如果溫度很高，再加之發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生很高的熱量，若是水箱的散熱效果不好，或水箱虧水，電子扇、節(jié)溫器等元件損壞都極易造成發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度過高。若不及時(shí)將這些過多熱量散發(fā)掉而仍然持續(xù)高負(fù)荷駕駛，就會(huì)使活塞、活塞環(huán)、連桿等部件的強(qiáng)度降低，甚至變形，承受不了正常的負(fù)荷，

2、同時(shí)也會(huì)破壞各零件間的正常間隙，使零件間不能保持正常的油膜，輕則會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸、拉瓦，重則還會(huì)使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)損壞甚至報(bào)廢2。本文的主要內(nèi)容，就是設(shè)計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度監(jiān)測(cè)裝置，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警等功能，以保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作和不必要的損壞。隨著現(xiàn)代汽車的發(fā)展，尤其是對(duì)車自身的安全要求的提高，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度控制系統(tǒng)的需求量會(huì)大幅增加，并且技術(shù)要求也會(huì)提高。隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，以及測(cè)溫儀器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制已應(yīng)用到人們的生活的各個(gè)方面，但溫度控制一直是一個(gè)未開發(fā)的領(lǐng)域，卻又是與人們息息相關(guān)的一個(gè)實(shí)際問題，針對(duì)這種實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度

3、控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實(shí)際意義。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度的監(jiān)控，可以避免由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度很高，使活塞、活塞環(huán)、連桿等部件的強(qiáng)度降低，甚至變形，承受不了正常的負(fù)荷，同時(shí)也會(huì)避免破壞各零件間的正常間隙，使零件間不能保持正常的油膜。1.2課題研究的現(xiàn)狀發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度過高會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，汽車也就無法正常的行駛，若是停留在高速公路及交通繁忙的路段上會(huì)給自己和他人帶來很大的不便，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)交通事故。如果可以在水箱溫度過高前顯示當(dāng)前的水箱溫度或者是進(jìn)行報(bào)警，則會(huì)避免一些不必要的麻煩，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)本身也起到很好的保護(hù)。到目前為止，國(guó)內(nèi)的有關(guān)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研究所和高校已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的研究，但是仍沒有研制

4、出比較優(yōu)良的測(cè)試途徑。溫度，已經(jīng)成為限制發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶頸項(xiàng)目。國(guó)家有關(guān)部門積極推動(dòng)著這方面的發(fā)展3。1.3 課題研究的主要內(nèi)容本課題主要是要完成基于桑塔納系列ajr型發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度監(jiān)控器的設(shè)計(jì)，溫度傳感器選用半導(dǎo)體二極管作為檢測(cè)元件，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能要求，完成信號(hào)調(diào)理電路、顯示電路、掃描驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警電路等總體電路的設(shè)計(jì)及編程。信號(hào)處理電路，把模擬信號(hào)變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計(jì)算顯示讀出或其他目的的數(shù)字信號(hào)。模擬傳感器可測(cè)量很多物理量，如溫度、壓力、光強(qiáng)等.但由于傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字信號(hào)之前必須進(jìn)行調(diào)理

5、。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號(hào)等，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的輸入。然后，adc對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號(hào)送到mcu或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。本次設(shè)計(jì)采用的是動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示控制的基本原理是，8051單片機(jī)依次發(fā)出段選控制字和對(duì)應(yīng)哪一位led顯示器的位選控制信號(hào)，顯示器逐個(gè)循環(huán)點(diǎn)亮。適當(dāng)選擇掃描速度，利用人眼“留光”效應(yīng)，使得看上去好像這幾位顯示器同時(shí)在顯示一樣，而在動(dòng)態(tài)掃描顯示控制中，同一時(shí)刻實(shí)際上只有一位led顯示器被點(diǎn)亮4。技術(shù)要求：1）測(cè)溫范圍為50100，水箱溫度超過75時(shí)，報(bào)警電路聲光報(bào)警。2）允許誤差0.5。3）溫度可用led數(shù)碼管直讀顯示。2

6、方案論證要設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，就必須了解其測(cè)量原理，這樣才可以進(jìn)一步地設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分。本系統(tǒng)所要測(cè)量的參數(shù)主要是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的水箱溫度。溫度的測(cè)量方法有很多，目前主要的測(cè)量方法有：熱電阻測(cè)溫，熱電偶測(cè)溫，集成溫度傳感器測(cè)溫，二極管測(cè)溫等。2.1 熱電阻測(cè)溫?zé)犭娮铚y(cè)溫的原理是：根據(jù)導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的性質(zhì)，通過測(cè)量電阻值來表示被測(cè)對(duì)象的溫度值。常用的低溫電阻計(jì)有鉑電阻溫度計(jì)（適用范圍14900k）、銠鐵電阻溫度計(jì)（0.1500k）、碳電阻溫度計(jì)（0.01100k）、玻璃碳電阻溫度計(jì)（1.5300k）等。選用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在30030k 左

7、右時(shí)，所測(cè)溫度值比較溫度，而當(dāng)溫度低于30k 左右后，溫度顯示儀表上讀數(shù)開始發(fā)生波動(dòng)，并且隨著溫度的進(jìn)一步下降，溫度漂移越來越劇烈，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍，所以不適合本實(shí)驗(yàn)的要求5。2.2 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。由于兩種不同金屬所攜帶的電子數(shù)不同，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體的二個(gè)執(zhí)著點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，就會(huì)發(fā)生高電位向低電位放電現(xiàn)象，因而在回路中形成電流,溫度差越大，電流越大，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，也叫塞貝克效應(yīng)，熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。而且測(cè)量范圍廣。常用的熱電

8、偶從-50-+1600均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-271-+2800如金鐵鎳鉻和鎢-錸。還有就是構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。但是其冷端的溫度不易調(diào)零，所以在很多場(chǎng)合的應(yīng)用中有所限制6。2.3 集成溫度傳感器測(cè)溫集成溫度傳感器測(cè)溫可直接輸出與熱力學(xué)溫度成正比的電流信號(hào)，在輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻則轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是不像熱電偶測(cè)溫，集成溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫的時(shí)候不需要參考點(diǎn)，其抗干擾能力強(qiáng)，互換性好，但是成本比較高，也不適合本次設(shè)計(jì)中使用7。2.4 二極管測(cè)溫圖1是二極管在低溫下正向電流分別為200、10

9、0和50時(shí)的正向電壓降溫度曲線。由上述特性曲線可知，在液氮溫區(qū)以及液氮以上的溫區(qū)，硅二極管溫度計(jì)的正向電壓降溫度特性近似為直線，這對(duì)實(shí)現(xiàn)用電子儀器進(jìn)行溫度的數(shù)字顯示，以及自動(dòng)控溫很有用處。在實(shí)際使用二極管作為測(cè)溫元件時(shí)，常在二極管兩端并聯(lián)一只小電容以避免因二極管的檢波效應(yīng)而使天電干擾訊號(hào)進(jìn)入測(cè)量?jī)x表8。圖1 硅和砷化鎵二極管的正向電壓降-溫度特性任何一個(gè)普通的二極管（例如 in4148），從原理上講，都可以作為一個(gè)優(yōu)良的、具有一定精度的電子溫度計(jì)的傳感元件，因?yàn)槎O管在溫度每升高1度時(shí)，其正向壓降將降低2mv。2.5 本課題所選測(cè)溫方案最終根據(jù)本課題的任務(wù)要求，選擇二級(jí)管作為溫度傳感器。本測(cè)試

10、系統(tǒng)所要測(cè)量溫度，所以從成本和精度等綜合因素來考慮，所以選擇使用二極管作為測(cè)溫傳感器。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本測(cè)試系統(tǒng)硬件電路主要有傳感器電路，信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)電路，led顯示電路組成。其中，信號(hào)調(diào)理電路包括放大電路、濾波電路。測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量獲得的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，經(jīng)處理后通過led顯示。測(cè)試系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)框圖如圖2所示。led顯示信號(hào)調(diào)理ad轉(zhuǎn)換溫度傳感器采集溫度單片機(jī)處理圖2測(cè)試系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)框圖3.1 二極管的選擇以及二極管測(cè)溫電路任何一個(gè)普通的二極管（例如 in4148），從原理上講，都可以作為一個(gè)優(yōu)良的、具有一定精度的電子溫度計(jì)的傳感元件，因?yàn)槎O管在溫度每升高

11、1度時(shí)，其正向壓降將降低2mv9。二極管測(cè)溫部分是溫度測(cè)試系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，也是第一個(gè)環(huán)節(jié)，它是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的電路。其電路圖如圖3所示。圖3 二極管測(cè)溫電路圖在圖3中，測(cè)溫二極管接在輸入端，溫度每升高一度，二極管的正向壓降就減少2mv，此時(shí)vo就會(huì)發(fā)生變化，vo變化的值與二極管所處的溫度有關(guān)，所以可以達(dá)到溫度測(cè)量的目的。3.2 信號(hào)調(diào)理電路傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)一般都比較微弱，因而在大多數(shù)情況下都需要放大電路。放大電路主要用來將傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行放大，為測(cè)試系統(tǒng)提供高精度的模擬輸入信號(hào)，它對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的精度起著關(guān)鍵作用10。信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)單的說就是將待測(cè)信號(hào)通過放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成采集

12、設(shè)備能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。是指利用內(nèi)部的電路(如濾波器、轉(zhuǎn)換器、放大器等)來改變輸入的訊號(hào)類型并輸出之。因?yàn)楣I(yè)信號(hào)有些是高壓，過流，浪涌等，不能被系統(tǒng)正確識(shí)別，必須調(diào)整理清之。a/d芯片只能接收一定范圍的模擬信號(hào)，而傳感器把非電物理量變換成電信號(hào)后，并不一定在這一范圍內(nèi)。傳感器輸出的信號(hào)有時(shí)還必須經(jīng)放大等措施后，才能送a/d轉(zhuǎn)換器。本課題集成運(yùn)放選用lm324放大器，lm324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為mc1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍

13、包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖5所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端，“vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同11。lm324放大器的元件圖如圖4所示：圖4 lm324管腳圖二極管測(cè)溫調(diào)理電路如圖5所示。圖中反饋電容，起濾波并穩(wěn)定電路的作用。圖5 二極管測(cè)溫調(diào)理電路如圖5所示，二極管接入輸入端，vo的變化與二極管的電壓有關(guān)，從而vo1的值與

14、v1有關(guān)。相關(guān)表達(dá)式：vo1= -vor2/r1 。經(jīng)過調(diào)理后的電壓信號(hào)在送入a/d轉(zhuǎn)換之前，需要進(jìn)行放大，放大電路如圖6所示。圖6信號(hào)調(diào)理電路圖如圖6所示，放大電路首先通過r14進(jìn)行調(diào)零，即在輸入為零的情況下調(diào)節(jié)r14使得輸出也為零。完成調(diào)零工作后，vo1接入放大器的輸入端，此時(shí)可以通過調(diào)節(jié)r10來改變放大倍數(shù)，使得vo2符合a/d轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求。3.3 a/d轉(zhuǎn)換電路傳感器輸出的模擬信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理，這時(shí)就要用到a/d轉(zhuǎn)換電路。a/d轉(zhuǎn)換在測(cè)控系統(tǒng)中是非常重要的環(huán)節(jié)，在以單片機(jī)和計(jì)算機(jī)為核心的系統(tǒng)中是不可或缺的一部分。一般分為串行a/d和并行a/d,并

15、行式a/d轉(zhuǎn)換器是目前轉(zhuǎn)換速度最快，轉(zhuǎn)換原理最直觀的a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)，主要用于瞬態(tài)信號(hào)采集，快速波形記錄與存儲(chǔ)，視頻信號(hào)采集及高速數(shù)字通訊技術(shù)領(lǐng)域。此處，我們選用adc0809為核心來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能12。adc0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的cmos工藝8通道，8位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用a/d芯片。adc0809的主要特性是：1）8路輸入通道，8位a/d轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640khz時(shí))，1

16、30s（時(shí)鐘為500khz時(shí)） 4）單個(gè)+5v電源供電 5）模擬輸入電壓范圍0+5v，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度 7）低功耗，約15mw。下面簡(jiǎn)單介紹一下本設(shè)計(jì)所用到的引腳的功能：in0in7：8路模擬量輸入端。 2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。 adda、addb、addc：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ale：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 start： a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換）。 eoc： a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端

17、輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 oe：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 clk：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基準(zhǔn)電壓。 vcc：電源，單一+5v。 gnd：地13。adc0809引腳圖如圖7所示：圖7 adc0809引腳圖adc0809的工作過程：首先輸入3位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) a/d轉(zhuǎn)換，之后eoc輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到a/d轉(zhuǎn)

18、換完成，eoc變?yōu)楦唠娖剑甘綼/d轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)oe輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 a/d轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)a/d轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。 1）定時(shí)傳送方式 對(duì)于一種a/d轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如adc0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s，相當(dāng)于6mhz的mcs-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完

19、成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 2）查詢方式 a/d轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如adc0809的eoc端。因此可以用查詢方式，測(cè)試eoc的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 3）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（eoc）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號(hào)有效時(shí)，oe信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受14。本課題采用的a/d轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。圖8 a/d轉(zhuǎn)換電路圖工作原理簡(jiǎn)單說明：a/d轉(zhuǎn)換主要用中斷方式來實(shí)現(xiàn)，通過wr和rd以及p2.7來實(shí)現(xiàn)對(duì)ad轉(zhuǎn)換啟

20、動(dòng)及轉(zhuǎn)換之后結(jié)果輸出，當(dāng)wr和p2.7不都為高電平時(shí)，ale有效，鎖存通道號(hào)；當(dāng)wr和p2.7都為高電平時(shí)，start有效，開始轉(zhuǎn)換；當(dāng)ad轉(zhuǎn)換完成時(shí)，adc0809的eoc為高電平，觸發(fā)單片機(jī)中斷；p2.7和rd不都為低電平時(shí)，oe有效，讀出a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.4 單片機(jī)及其接口電路由于單片機(jī)具有體積小，重量輕，價(jià)格便宜，功耗低，控制能力強(qiáng)以及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，因而在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。本課題采用采用8051單片機(jī)。單片機(jī)電路系統(tǒng)框圖如圖9所示。muc8051復(fù)位電路并行通訊接口電路數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)電路時(shí)鐘電路圖9 單片機(jī)電路系統(tǒng)框圖3.4.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介下面就本次設(shè)計(jì)中所用到的引腳作簡(jiǎn)

21、單的介紹。其引腳圖如圖10所示。ale/prog 地址鎖存控制信號(hào)：在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ale用于控制把p0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。（在后面關(guān)于擴(kuò)展的課程中我們就會(huì)看到8051擴(kuò)展 eeprom電路，當(dāng)cpu對(duì)外部進(jìn)行存取時(shí)，用以鎖住地址的低位地址，即p0口輸出。ale有可能是高電平也有可能是低電平，當(dāng)ale是高電平時(shí)，允許地址鎖存信號(hào)，當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale信號(hào)負(fù)跳變（即由正變負(fù)）將p0口上低8位地址信號(hào)送入鎖存器。當(dāng)ale是低電平時(shí)，p0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。在沒有訪問外部存儲(chǔ)器期間，ale以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器以

22、1/12振蕩周期輸出（12分頻）。從這里我們可以看到，當(dāng)系統(tǒng)沒有進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)ale會(huì)以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時(shí)鐘，或者外部定時(shí)脈沖使用15。p0口的功能：1）外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，可當(dāng)做數(shù)據(jù)總線或地址總線； 2）不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的i/o使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 p1口只做i/o口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。 p2口有兩個(gè)功能： 1）擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用； 2）做一般i/o口使用，其內(nèi)部有上拉電阻。 p3口有兩個(gè)功能： 除了作為i/o使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置，具體功能請(qǐng)參考我們后面的引腳說明

23、。 有內(nèi)部eprom的單片機(jī)芯片（例如8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的。圖10 8051單片機(jī)引腳圖3.4.2 時(shí)鐘電路晶振電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)工作的節(jié)奏，8051單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率典型值是12mhz。電容c1和c2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率f起微調(diào)作用，其典型值是30pf。時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。它產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘，在這個(gè)時(shí)鐘下，單片機(jī)系統(tǒng)所進(jìn)行的所有的操作都按著此節(jié)拍有序的進(jìn)行著。任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括嵌入系統(tǒng)，都需要有一個(gè)時(shí)鐘電路。mcs

24、-51系列單片機(jī)芯片內(nèi)都有一個(gè)由反相放大器所構(gòu)成的振蕩電路。xtal1和xtal2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時(shí)鐘產(chǎn)生的方式有兩種：外部方式和內(nèi)部方式。外部方式的時(shí)鐘電路如圖11所示。xtal2浮空，xtal1接外部振蕩源。一般只有當(dāng)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)已有時(shí)鐘或者為了取得時(shí)鐘上的同步，可以采用此方式。圖 11 外部時(shí)鐘方式內(nèi)部方式時(shí)鐘電路如圖12所示。在xtal1和xtal2之間外接晶振元件，內(nèi)部振蕩電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。外接振蕩電路的原因，是因?yàn)榫д竦募啥群艿?，很難將其集成到芯片中，所以大多數(shù)芯片廠商都是將晶振電路做成外接形式，使用時(shí)只需要在xtal1和xtal2之間接上一定頻率的晶振就可

25、以和芯片內(nèi)部的振蕩電路作用產(chǎn)生所需要的振蕩脈沖。圖12 內(nèi)部時(shí)鐘方式在本系統(tǒng)中，并沒有可以使用的時(shí)鐘，而且沒有必要取得時(shí)鐘上的同步，因此該測(cè)試電路的時(shí)鐘方式采用內(nèi)部方式。外接晶振以及電容c1和c2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，這時(shí)內(nèi)部振蕩器就會(huì)產(chǎn)生自己振蕩。外部電容c1和c2的取值，雖然沒有嚴(yán)格的要求但是電容的大小多少會(huì)影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性。c1和c2的典型值在20pf100pf之間選取，通常選擇30pf左右；外接陶瓷諧振器時(shí)，c1和c2的典型值約為47pf。在設(shè)計(jì)印刷電路板的時(shí)候，需要注意將晶振和電容盡量靠近單片機(jī)，以減少寄生電容的影響。電容的大小對(duì)振

26、蕩頻率有微小的影響，可以起到頻率微調(diào)的作用16。晶振電路如圖13所示：圖13晶振電路圖3.4.3 復(fù)位電路復(fù)位電路如圖14所示。為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5v5%，即4.755.25v。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng)vcc超過4.75v低于5.25v以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。復(fù)位電路工作原理如圖14所示，vcc上電時(shí)，c充電，在10k電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；幾個(gè)毫秒后，c充滿，10k電阻上電流降為0，電壓

27、也為0，使得單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。工作期間，按下s，則c放電。s松手，則c又充電，在10k電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。圖14 復(fù)位電路圖3.5 顯示電路本設(shè)計(jì)采用的是led顯示。led是英文單詞的縮寫，主要含義：led = light emitting diode，發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。led耗電相當(dāng)?shù)?，直流?qū)動(dòng)，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近100%。一般來說led的工作電壓是2-3.6v，工作電流是0.02-0.03a；這就是說，它消耗的電能不超過0.1w，相同照明效果比傳

28、統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。顯示電路可以分靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示控制的基本原理是，8051單片機(jī)依次發(fā)出段選控制字和對(duì)應(yīng)哪一位led顯示器的位選控制信號(hào)，顯示器逐個(gè)循環(huán)點(diǎn)亮。適當(dāng)選擇掃描速度，利用人眼“留光”效應(yīng)，使得看上去好像這幾位顯示器同時(shí)在顯示一樣，而在動(dòng)態(tài)掃描顯示控制中，同一時(shí)刻實(shí)際上只有一位led顯示器被點(diǎn)亮18。靜態(tài)顯示方式無須以延時(shí)方式逐位送段選碼，只要在譯碼之后，傳送段選碼就可以了。本次設(shè)計(jì)采用的是動(dòng)態(tài)顯示。顯示電路如圖15所示：圖15 顯示電路圖由于單片機(jī)輸出的是二進(jìn)制碼，并非bcd碼，所以要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)芯片選用4511.其引腳如圖16所示。4511是雙列直插16腳封裝

29、，它將bcd標(biāo)準(zhǔn)代碼變換成驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管所需的信號(hào)。其中四線ad為bcd碼輸入端。高電平有效。a為低位輸入端，d為高位端。七段ag輸出高電平以驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管發(fā)光。le為鎖存控制端，高點(diǎn)平時(shí)能夠鎖存輸入的bcd碼。lt為燈測(cè)試反相控制端，bi為消隱反相控制端19。圖16 4511引腳圖驅(qū)動(dòng)電路圖如圖17所示:圖17 驅(qū)動(dòng)電路圖3.6 報(bào)警電路本次設(shè)計(jì)中采用聲光報(bào)警的方式來實(shí)現(xiàn)報(bào)警。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。兩種蜂鳴器又分有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，這里的源特指振蕩源；有源蜂鳴器直接加電就可以響起，無源蜂鳴器需要我們給提供

30、振蕩源。理想的振蕩源為一定頻率的方波20。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在這里選擇有源蜂鳴器。報(bào)警電路如圖18所示：圖18 報(bào)警電路圖工作原理：當(dāng)水箱溫度達(dá)到設(shè)定的報(bào)警溫度時(shí)，p2.7口為高電平，進(jìn)行聲光報(bào)警。3.7 電源設(shè)計(jì)為了滿足測(cè)試系統(tǒng)的存儲(chǔ)式要求，整體電路就需要采用內(nèi)部電源供電的方式，即使用電池為測(cè)量電路提供電源電壓。為了保證測(cè)試系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地正常工作，選用何種電池、所選用電池的性能就顯得非常重要。電池的能量通常以ah（安時(shí)）為單位，它表示電池所能工作的時(shí)間。負(fù)載電流越大，則其工作時(shí)間越短；負(fù)載電流越小，則其工作時(shí)間越長(zhǎng)，它們之間是反比的關(guān)系。電池的種類有很多，常用的有鉛蓄電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳

31、氫電池。鋰離子電池、銀鋅電池以及積層電池等。每種電池都有其適用環(huán)境。鉛蓄電池應(yīng)用極其廣泛，可以反復(fù)利用，其內(nèi)阻極小，可以提供很大的電流，用它給汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)供電，瞬時(shí)電流可達(dá)二十多安培，這是迄今為止其他任何電池都不可替代的，但是體積太大，不方便攜帶。鉛酸電池，其容量沒有鋰電池大，同樣容量的鉛酸電池的體積是鋰離子電池體積的幾倍，但由于其價(jià)格便宜，而且可以充電反復(fù)使用，因此在工業(yè)控制中使用較為廣泛。鎳鎘充電電池，其外觀和錳鋅電池干電池一樣，只不過是其材料是鎳鋼，成本高，但是可以反復(fù)充電使用。鎳鎘電池電壓只有1.2v，在某些場(chǎng)合不適合使用。鎳鎘其電阻小，當(dāng)電流較大時(shí)，路端電壓很大；但是其缺點(diǎn)就是存在殘

32、留記憶性。也就是說，當(dāng)電池還有1/2還沒有用完時(shí)就進(jìn)行充電，只能充進(jìn)總?cè)萘康?/2，而且下一次的放電量也只是這次沖入的電量，以前的1/2空間就會(huì)被堵死，再也不能充電使用了。因此，雖然理論上說充電可達(dá)上千次，但是一般充放電數(shù)百次之后便不宜再使用。鋰電池?fù)碛懈吣芰棵芏龋╇娏枯^大，內(nèi)阻小，多用于消費(fèi)類電子設(shè)備中，例如用于照相機(jī)驅(qū)動(dòng)卷片電機(jī)和手機(jī)通訊設(shè)備中。有一種可充電的塊狀鋰電池，其能量很大，可以提供7.2ah的電流，即為在1a的電流條件下，可以工作7.2h。而且體積和重量相對(duì)較小。顯然，它的性能遠(yuǎn)優(yōu)于鎳鎘電池和鎳氫電池21。車載電源就是一種24v的蓄電池，本次課題是汽車水箱溫度監(jiān)測(cè)，所以采用的是

33、車載電源，但是要通過電路將其轉(zhuǎn)化為本設(shè)計(jì)電路中所需的5v的正負(fù)電壓。電源供電電路如圖19所示：圖19 電源供電電路4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)硬件離不開軟件，軟件語言一般有匯編語言，c語言等，我在本課題中采用匯編語言進(jìn)行軟件部分的編程。匯編語言(assemblylanguage)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言。在匯編語合中，用助記符(memoni)代替操作碼，用地址符號(hào)(symbol)或標(biāo)號(hào)(label)代替地址碼。這樣用符號(hào)代替機(jī)器語言的二進(jìn)制碼，就把機(jī)器語言變成了匯編語言。于是匯編語言亦稱為符號(hào)語言。使用匯編語言編寫的程序，機(jī)器不能直接識(shí)別，要由一種程序?qū)R編語言翻譯成機(jī)器語言，這種起翻譯作用的程序叫匯編

34、程序，匯編程序是系統(tǒng)軟件中語言處理系統(tǒng)軟件。匯編程序把匯編語言翻譯成機(jī)器語言的過程稱為匯編22。在本設(shè)計(jì)中，測(cè)試電路部分的程序采用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)程序主要包括：主程序 、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警。4.1 主程序主程序主要完成初始化，控制程序的流向，調(diào)用子程序等功能，其流程圖如圖20所示：開始初始化有觸發(fā)？n等待中斷n有中斷？進(jìn)入中斷圖20主程序流程圖按照上面的流程圖，其執(zhí)行過程主要分為以下幾個(gè)步驟：1）上電復(fù)位后，程序從0000h開始執(zhí)行；2）清ram單元，初始化標(biāo)志位，設(shè)置堆棧，初始化a/d；3）鑒別有無觸發(fā)信號(hào)，如有則進(jìn)入下一步，如無則繼續(xù)鑒別；4）進(jìn)入等待；如出現(xiàn)中斷，則

35、進(jìn)入中斷程序，否則繼續(xù)等待。4.2 數(shù)據(jù)采集子程序數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過程。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。數(shù)據(jù)采集的目的是為了測(cè)量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象?；趐c的數(shù)據(jù)采集，通過模塊化硬件、應(yīng)用軟件和計(jì)算機(jī)的結(jié)合，進(jìn)行測(cè)量。盡管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求有不同的定義，但各個(gè)系統(tǒng)采集、分析和顯示信息的目的卻都相同。數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖21所示：初始化start上升沿開始轉(zhuǎn)換eoc=1?noe=1?n數(shù)據(jù)采集 圖21 數(shù)據(jù)采集流程圖4.3 數(shù)據(jù)處理子程序數(shù)據(jù)處理子程序?qū)纹瑱C(jī)接收的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為bcd碼，再由4511芯片將

36、bcd碼轉(zhuǎn)換為七段碼，送led顯示。單字節(jié)二進(jìn)制無符號(hào)數(shù)最大為255，因此最多可轉(zhuǎn)換為3位bcd碼。在這個(gè)二進(jìn)制數(shù)中所包含的64h的個(gè)數(shù)，即為bcd碼的百位數(shù)；減去百位數(shù)后的余數(shù)中所包含的0ah的個(gè)數(shù)，即為bcd碼的十位數(shù)；減去十位數(shù)的余數(shù)，即為bcd碼的個(gè)位數(shù)。單字節(jié)二進(jìn)制無符號(hào)數(shù)轉(zhuǎn)換成bcd碼就是將00h-ffh范圍里的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為bcd數(shù)（0-256）。數(shù)據(jù)處理子程序如圖22所示：取操作數(shù)64h的個(gè)數(shù)bcd碼的百位減去百位數(shù)后的余數(shù)后0ah的個(gè)數(shù)bcd碼的十位減去十位的余數(shù)bcd碼個(gè)位圖22 數(shù)據(jù)處理子程序流程圖4.4 數(shù)據(jù)顯示子程序如果當(dāng)前水箱溫度未到達(dá)設(shè)定值，則顯示當(dāng)前溫度。數(shù)據(jù)顯

37、示子程序流程圖如圖23所示：開始p0口初始化測(cè)得值轉(zhuǎn)換為bcd碼十位選通n顯十位個(gè)位選通n顯示個(gè)位結(jié)束顯示圖23 數(shù)據(jù)顯示子程序流程圖4.5 報(bào)警實(shí)現(xiàn)子程序當(dāng)水箱溫度達(dá)到設(shè)定值或者超過設(shè)定值的時(shí)候，p2.7口置高電平，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。報(bào)警子程序流程圖如圖24所示：將采集數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比n高于設(shè)定值？p2.7高電平聲光報(bào)警圖24 報(bào)警實(shí)現(xiàn)子程序流程圖結(jié) 論本課題主要是要完成發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度監(jiān)控器的設(shè)計(jì)，溫度傳感器選用半導(dǎo)體二極管作為檢測(cè)元件，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能要求，完成了lm324信號(hào)調(diào)理電路、led顯示電路、掃描驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警電路等總體電路的設(shè)計(jì)及編程，最終實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度的顯示和報(bào)警功能。畢業(yè)

38、設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過這次發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)，各種電路的連接，我都是

39、隨著設(shè)計(jì)的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會(huì)應(yīng)用的。和老師的溝通交流更使我從經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)設(shè)計(jì)有了新的認(rèn)識(shí)也對(duì)自己提出了新的要求，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：我使用的ad轉(zhuǎn)換是8位的，開始我設(shè)計(jì)的時(shí)候使用的是max196，成本較高，所以后來使用adc0809。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我提前了解了這些知識(shí)，這是很珍貴的。在二極管測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)時(shí)，開始感覺無從下手，參考了許多電路，后來決定將二極管接在放大器的反饋中，但是這么一來，二極管有時(shí)就不會(huì)導(dǎo)通，達(dá)不到測(cè)溫的目的。經(jīng)過老師的指導(dǎo)，我將放大器接在輸入端，這樣一來，二極管隨溫度變化自身電壓也會(huì)發(fā)生變化，這種變化會(huì)在輸出端體現(xiàn)出來。所以在這次的設(shè)計(jì)過程中，我考慮問題還不夠全面，

40、細(xì)致。我想這點(diǎn)在以后還是要好好改進(jìn)的。致 謝本課題是在張翠平老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在課題設(shè)計(jì)和論文寫作中，得到張老師的無微不至的關(guān)懷和耐心的指導(dǎo)。張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、寬廣淵博的學(xué)識(shí)、敏捷活躍的思維、科學(xué)的研究方法、敏銳的洞察力使作者受益匪淺，在以后的工作學(xué)中我必將終身受益。在本論文結(jié)束之際，特向張老師表示衷心的感謝！衷心地感謝我的同學(xué)們這段時(shí)間來對(duì)我的支持和幫助，他們的幫助與支持是我最大的精神支柱和動(dòng)力來源！最后感謝所有在論文工作中對(duì)我給予支持、幫助和鼓勵(lì)的人們！參 考 文 獻(xiàn)1 歐偉明. 數(shù)顯溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作m.北京：清華大學(xué)出版社,1997.2 張志永，李岳林. 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究j. 山東內(nèi)燃機(jī)：2006(1): 18-20,30. 3 魯直雄，劉奕貫. 汽車電噴發(fā)動(dòng)機(jī)波形分析圖解m. 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2006.4 羅文華汽車電控發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器智能測(cè)試系統(tǒng)j交通標(biāo)準(zhǔn)化，2004(5):87-89. 5 楊明筑. 冷卻液溫度傳感器電路故障癥狀析j. 汽