機車自動換檔系統(tǒng)開題報告

1、<p><b>　　電氣與信息學(xué)院</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　《基于單片機的機車自動換擋設(shè)計》開題報告</p><p><b>　　課題的目的和意義</b></p><p><b>　　1．研究目的</b></p&

2、gt;<p>　　搜集可行資料系統(tǒng)地運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識進行電路設(shè)計，選用合適的芯片、元件和控制算法實現(xiàn)信號采集、信號變送、輸入處理、程序判斷、功率放大輸出的具體電路功能，以單片機為核心器件實現(xiàn)信號處理以及對外圍電路系統(tǒng)的輸出控制?？梢愿鶕?jù)情況在實驗室模擬仿真訓(xùn)練。獲取單片機外圍電路設(shè)計和軟件開發(fā)經(jīng)驗，為更進一步的研究、開發(fā)生活息息相關(guān)電子產(chǎn)品奠定良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　研制以單片機為主

3、芯片的電制控制單元（ECU）。在單片機實驗室wave仿真系統(tǒng)上進行實驗，驗證和完善電路功能。將單片機輸出控制信號控制外圍電路并在線實驗驗證其控制性能。</p><p><b>　　2．研究意義</b></p><p>　　計算機技術(shù)發(fā)展與嵌入式系統(tǒng)興起：單片機的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，單片機的誕生標志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機

4、系統(tǒng)兩大分支。在單片機誕生之前，為了滿足工控對象的嵌入式應(yīng)用要求，只能將通用計算機進行機械加固、電氣加固后嵌入到對象體系（如艦船）中構(gòu)成諸如自動駕駛儀、輪機監(jiān)控系統(tǒng)等。由于通用計算機的巨大體積和高成本，無法嵌入到大多數(shù)對象體系（如家用電器、汽車、機器人、儀器儀表等）中。單片機則應(yīng)嵌入式應(yīng)用而生。單片機的單芯片的微小體積和極低的成本，可廣泛地嵌入到如玩具、家用電器、機器人、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備、金融電子系統(tǒng)

5、、艦船、個人信息終端及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具，單片機在生活的任一個方面的都關(guān)系著我們自身生活的水平。</p><p>　　我國汽車工業(yè)、機車工業(yè)有很長的發(fā)展史，在世界上是制造先進智能交通工具為數(shù)不多的國家，同樣在其他智能產(chǎn)品雖然起步遲但同樣達到一定的水平。在研究基于機車自動換檔方面我國也達到了很高的水平，其功能已經(jīng)很強大并不斷的被完善。我們研究單片機機車自動換檔以對我們生活中高尖端科技基

6、本的了解，通過研究和學(xué)習(xí)一種產(chǎn)品技術(shù)以延伸到各個技術(shù)領(lǐng)域，例如：單片機技術(shù)在離我們生活相近的家電產(chǎn)品上面的運用。</p><p><b>　　二、文獻綜述</b></p><p>　　目前，機車也使用液力機械變速器的液壓自動換檔系統(tǒng)，但這種控制技術(shù)應(yīng)用并不廣泛，現(xiàn)在機械控制趨近于半自動和全自動控制的智能控制，電子集成技術(shù)和控制技術(shù)推進的人工智能控制運用各種自動機器或智

7、能機器、使人機交流可以通過各個界面實現(xiàn)并且延伸和實現(xiàn)人的某些操作，實現(xiàn)信號的判斷、處理、及執(zhí)行等。智能控制的出現(xiàn)和發(fā)展促進了自動控制向非人工控制的方向發(fā)展。機械智能裝置的設(shè)計將是新一代機械制動的研究方向。當前自動化技術(shù)日趨成熟，基于單片機高集成度控制系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，其集成包括了單片機系統(tǒng)智能傳感器，網(wǎng)絡(luò)通信等高新技術(shù)，構(gòu)成了具有高性價比的智能化IC，這促進了自動化控制與智能控制的發(fā)展同步。</p><p>　　自動

8、化技術(shù)是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術(shù)，對工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術(shù)，主要包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。工業(yè)控制自動化技術(shù)作為20世紀現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。雖然自動化系統(tǒng)本身并不直接創(chuàng)造效益，但它對企業(yè)生產(chǎn)過程有明顯的提升作用。 </p><p>　　我國工業(yè)控

9、制自動化的發(fā)展道路，大多是在引進成套設(shè)備的同時進行消化吸收，然后進行二次開發(fā)和應(yīng)用。目前我國工業(yè)控制自動化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用都有了很大的發(fā)展，我國工業(yè)計算機系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)形成。目前，工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展。 以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化將成為主流. 眾所周知，從20世紀60年代開始，西方國家就依靠技術(shù)進步（即新設(shè)備、新工藝以及計算機應(yīng)用）開始對傳統(tǒng)工業(yè)進行改造，使工業(yè)得到飛速發(fā)展。在我國，不管中小型

10、企業(yè)還是大型企業(yè)同樣趨向于走的低成本工業(yè)控制自動化的道路。 </p><p>　　工業(yè)控制自動化主要包含三個層次，從下往上依次是基礎(chǔ)自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎(chǔ)自動化和過程自動化。</p><p>　　目前單片機發(fā)展趨勢主要有:低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個

11、單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑。 </p><p>　　微型單片化,現(xiàn)在常規(guī)

12、的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。 </p&g

13、t;<p>　　此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 </p><p>　　主流與多品種共存,現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公

14、司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機。所以C8051為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。 &

15、lt;/p><p>　　感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，其水平高低是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志之一。傳感器產(chǎn)業(yè)也是國內(nèi)外公認的具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，它以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人矚目。改革開放20多年來，我國的傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長足進步，主要表現(xiàn)在：一是建立了“傳感技術(shù)國家重點實驗室”、“微米/納米國家重點實驗室”、“國家傳感技術(shù)工程中心

16、”等研究開發(fā)基地；二是MEMS、MOEMS等研究項目列入了國家高新技術(shù)發(fā)展重點；三是在“九五”國家重點科技攻關(guān)項目中，傳感器技術(shù)研究取得了51個品種86個規(guī)格的新產(chǎn)品；四是初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)，2000年總產(chǎn)量超過13億只，品種規(guī)格已有近6000種，并已在國民經(jīng)濟各部門和國防建設(shè)中得到一定應(yīng)用；五是全國已有1688家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，其中從事MEMS研制生產(chǎn)的已有50多家。目前全行業(yè)正在執(zhí)行“十五”計劃，

17、MEMS等5項新型傳感器已列入研究開發(fā)的重點。 </p><p><b>　　1．研究內(nèi)容</b></p><p>　?。?）研究和設(shè)計基單片機自動換檔設(shè)計前端信號采集處理電路。</p><p>　?。?）建立前端模塊、單片機核心

18、、控制電路的設(shè)計模型，并實現(xiàn)仿真。</p><p>　　（3）以AT89C2051單片機為主芯片的ECU電路，編程軟件。</p><p>　?。?）輸出控制電路效果驗證和更進。</p><p><b>　　2．研究途徑</b></p><p>　　收集資料和文獻，系統(tǒng)學(xué)習(xí)電路整體設(shè)計技術(shù)和單片機控制技術(shù)，按照單片機控制理

19、論建立控制模型制定控制策略及選用適當控制算法，建立完整仿真模型并仿真，對控制部分進行調(diào)整。設(shè)計以AT89C2051單片機為主芯片、以兩個霍爾速度傳感器采集信號、8751集成電路或者門電路對信號整形、以LM331把脈沖信號轉(zhuǎn)換成電壓信號、采用施密特比較后輸出比較信號、以單片機處理輸出控制信號為輸出信號的ECU電路，制作硬件并在線調(diào)試程序。</p><p><b>　　3．技術(shù)路線</b><

20、;/p><p>　?。?）根據(jù)機車速度控制系統(tǒng)的實時性和精確性和機車節(jié)能性，選用精確信號處理芯片和節(jié)能的CHMOS或CMOS芯片相集合最佳值的控制策略，控制算法，以放大信號輸出直接驅(qū)動的機車電磁閥為執(zhí)行元件。</p><p>　　（2）以ATMEL公司的8位高性能單片機AT89C2051為核心控制器研制機車換擋控制系統(tǒng)，并設(shè)計單片機硬件和軟件系統(tǒng)。硬件設(shè)計采用Protel DXP制作原理圖和印

21、刷電路板，軟件設(shè)計計劃采用匯編語言編程，以有效提高軟件開發(fā)和維護效率。</p><p>　?。?）在線調(diào)試在單片機實驗室WAVE仿真系統(tǒng)試驗臺進行，用兩個不相關(guān)的滾筒速度代替車輪速度和柴油機速度，通過霍爾速度傳感器測得兩個滾筒速度速度，通過前端電路計算和比較出兩個速度大小率信號，然后由單片機電路進行決策，輸出信號控制固態(tài)繼電器進一步控制速度電磁閥的開關(guān)，實現(xiàn)機車系統(tǒng)的加壓、減壓和保壓控制以控制速度的過程，使制動過

22、程保持在最精確速度比較率，達到良好的制動效果。</p><p>　　4．擬解決的關(guān)鍵問題</p><p>　　所要解決本課題的主要問題是：控制策略的開發(fā)和仿真，以及ECU的設(shè)計、調(diào)試。</p><p>　　四、研究（設(shè)計）方案與進度計劃安排</p><p>　　1．研究（設(shè)計）方案：</p><p>　　從設(shè)計的要求看

23、，系統(tǒng)的完成是分模塊設(shè)計的，那么在進行方案比較論證時，也是對各個模塊進行方案論證，系統(tǒng)核心有主控制器和信號產(chǎn)生兩部分，基于此，只對這兩部分的方案選擇進行說明。</p><p>　　主控制單元的選擇方案：</p><p>　　㈠ 8031、8051、8751的比較</p><p>　　8031/8051/8751是Intel公司早期的產(chǎn)品，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全

24、兼容，同有8位的CPU，128個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，21個字節(jié)專用寄存器，4個8位并行I/O口，1個全雙工串行I/O口，兩個16位定時/計數(shù)器，5個中斷源。不同的是：8031片內(nèi)不帶程序存儲器ROM，使用時用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路373，外接的程序存儲器多為EPROM的2764系列。用戶若想對寫入到EPROM中的程序進行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什么保密性可

25、言。</p><p>　　8051片內(nèi)有4k ROM，無須外接外存儲器和373，更能體現(xiàn)“單片”的簡練。但是你編的程序你無法燒寫到其ROM中，只有將程序交芯片廠代你燒寫，并是一次性的，今后你和芯片廠都不能改寫其內(nèi)容。</p><p>　　8751與8051基本一樣，但8751片內(nèi)有4k的EPROM，用戶可以將自己編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C的EPROM中進行現(xiàn)場實驗與應(yīng)用，EPROM的改寫同樣需要

26、用紫外線燈照射一定時間擦除后再燒寫。 </p><p>　　㈡ AT89C51、AT89S51的比較</p><p>　　AT89C51是ATMEL公司推出的一種帶4K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器。器件使用ATMEL公司高密度、非易失性技術(shù)生產(chǎn)，與標準的MSC-51指令系統(tǒng)和8051引腳兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存

27、儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。與8051相比其最大的特點是：4KB可編程Flash存儲器，可進行1000次擦寫；全靜態(tài)時鐘0-24MHz；三級程序加密；低功耗支持Idle（空閑）工作模式和Power-Down（斷電）工作模式。AT89S51是2003年ATMEL推出的新型品種，除了完全兼容8051外，還多了ISP編程和看門狗功能。</p><p>　?、?AT89C1051、

28、AT89C2051的比較</p><p>　　AT89C1051是一種帶1K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，該器件采用ATMEL高密度、非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51的指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C1051是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種靈活性高

29、且價廉的解決方案。AT89C1051有以下特點：1k字節(jié)EPROM、64字節(jié)RAM、15根I/O線、2 個16位定時/計數(shù)器、5個向量二級中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙向的串行口、并且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25V至5.5V的電壓工作范圍和12MHz/24MHz工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外，AT89C1051還支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時，CPU停止，而讓RAM、定時/計數(shù)器、串

30、行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。AT89C2051結(jié)構(gòu)與可實現(xiàn)的功能跟AT89C1051基本一樣，只是閃速可編程可擦除只讀存儲器(FLASH ROM)升級到2K，還有內(nèi)部RAM為128字節(jié)。</p><p>　　由上可知，8031片內(nèi)不帶程序存儲器ROM，8051與8751在程序燒寫上很不方便而且8051的ROM只能用一次，使用它們很不方便。而AT89C51和AT89S51不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4

31、K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，寫入單片機內(nèi)的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。何況，AT89C51、AT89S51目前的售價比8031還低，市場供應(yīng)也很充足。顯然可見，AT89C51和AT89S51更實用。</p><p>　　所以選用AT89C51或AT89S51一片，作為主控制器，實現(xiàn)速度比

32、較信號采集與輸出顯示、按鍵掃描功能以及輸出控制電磁閥等；我們選用AT89C1051或AT89C2051，因為目前AT89C51和AT89S51價格相當，固選用功能更好的AT89S51；因為在長春電子城中AT89C2051容易購買，所以選用了AT89C2051。</p><p>　　速度比較信號產(chǎn)生模塊的方案：</p><p>　　方案一：完全采用TTL數(shù)字集成芯片，傳輸延遲時間短(5-10

33、ns)，但是功耗大。</p><p>　　方案二：完全采用CMOS芯片，COMS電路的速度慢，傳輸延遲時間長(25-50ns),但功耗低，COMS電路本身的功耗與輸入信號的脈沖頻率有關(guān)，頻率越高，芯片集越熱，這是正?，F(xiàn)象。COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時，COMS的內(nèi)部電流能達到40mA以上，很容易燒毀芯片COMS的輸入電流超

34、過1mA，就有可能燒壞COMS，該方案可以在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過不超過規(guī)定電壓，實現(xiàn)稍微困難，故不采用。</p><p>　　方案三：考慮工作速度或功耗等方面的要求,需要采用多種邏輯器件混合使用。如TTL門電路和CMOS門電路混合使用,因而需要考慮TTL門電路與CMOS門電路的接口問題。TTL門電路和CMOS門電路由于電壓和電流參數(shù)各不相同,這可以再設(shè)計中簡單地實現(xiàn)兩種芯片對接。</

35、p><p>　　所以本設(shè)計采用方案二，作為速度比較信號產(chǎn)生模塊</p><p><b>　　2．進度計劃安排</b></p><p>　　五、預(yù)期結(jié)果和創(chuàng)新成果</p><p>　　從1檔到2檔時，機車一旦速度到達換檔點，則馬上換檔的，而從2檔到1檔時，是機車到達換檔點速度的93％時才進行換檔。這個延遲時間可以避免機車可能由

36、于振動或其他因素引起的頻繁換檔及不穩(wěn)定?？梢栽偌由蠄缶鲗崿F(xiàn)每每換擋提示. </p><p>　　六、成文時間和提交成果形式</p><p>　　2008年6月22日完成論文“基于單片機的機車自動換擋系統(tǒng)設(shè)計”。</p><p>　　提交成果：開題報告、設(shè)計論文、系統(tǒng)電路原理圖、有關(guān)設(shè)計的英文翻譯、畢業(yè)設(shè)計手冊。</p><p><b&

37、gt;　　七、參考文獻目錄</b></p><p>　　[1] 潘永雄 新編單片機原理與應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，2003 </p><p>　　[2] 閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) .高等教育出版社， 2006</p><p>　　[3] 童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社，2005</p><p>　　[4] 劉建

38、清 模擬電子技術(shù) 國防工業(yè)出版社，2007.1</p><p>　　[5] 何立民.MCS51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,1990..</p><p>　　[6] 林德杰 等.電氣測試技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996..</p><p>　　[7] 紀宗南.8031單片機實用接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,..</

39、p><p>　　[8] 雜志期刊.《電工技術(shù)》科技部西南信息中心.2003.01</p><p>　　[9] 馮建華、趙亮.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)。人民郵電出版社，2004.11</p><p>　　[10] 李剛、林凌、姜葦。51系列單片機系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用技巧。北京航空航天大學(xué)出版社，2004.1.</p><p>　　[11]雜志期刊:單