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汽车电子论文汽车电子论文 本科生毕业设计(论文) 摘 要 随着我国经济的发展,人民生活水平的不断提高,轿车的产销量也在日益增长,竞争日趋激烈。汽车的安全性、舒适性,操作的简便性,功能的完备性已成为用户选择的重要依据。国内外已有的汽车保护产品功能相对单一,或者操作复杂、使用不便。本文基于现有成熟的嵌入式技术,研究开发一套实用性强的多功能汽车保护仪。 多功能汽车保护仪的设计与实现,综合运用了计算机软件、硬件技术、电子技术、传感器技术、检测技术、数据处理理论、嵌入式系统理论等多学科的知识。其利用单片机,采用CAN总线结构及...

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汽车电子论文 本科生毕业设计(论文) 摘 要 随着我国经济的发展,人民生活水平的不断提高,轿车的产销量也在日益增长,竞争日趋激烈。汽车的安全性、舒适性,操作的简便性,功能的完备性已成为用户选择的重要依据。国内外已有的汽车保护产品功能相对单一,或者操作复杂、使用不便。本文基于现有成熟的嵌入式技术,研究开发一套实用性强的多功能汽车保护仪。 多功能汽车保护仪的设计与实现,综合运用了计算机软件、硬件技术、电子技术、传感器技术、检测技术、数据处理理论、嵌入式系统理论等多学科的知识。其利用单片机,采用CAN总线结构及传感器数据采集与检测原理,实现汽车的防盗、防碰及日常维护。其中对于超声波测距的研究是本课 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究的重点。为提高系统的稳定性与可靠性,以及便于功能的扩充与维护,系统的抗干扰设计是本课题研究的难点。 论文首先介绍了选题的背景及意义,然后提出了系统的整体设计思想,据此进行软硬件的选择及系统的实现。接着对系统硬件电路的设计进行了详细介绍。指出该系统包括四大功能模块:超声波测距,温度检测,驾驶室内酒精含量检测以及密码保护。同时用protel软件设计了系统的硬件电路图。 单片机软件采用C51高级语言设计,编译器采用伟福公司的wave6000仿真器软件,克服了以往用高级语言编写的程序效率不高、代码长、执行速度慢的缺点,大幅提高了工作效率。 最后,论文给出了系统的测试结果,测量精度和实时性都达到了预期要求,具有很好的应用前景。 关键词:传感器;嵌入式系统;测距;抗干扰 I 本科生毕业设计(论文) Abstract With the development of economy of our country and the constant improvement of the people'sliving standard,the output of the car is increasing and the competition is becoming furious.So the security,easiness,operational facility,and functional maturity of the car havebecome the focal points when users want to buy a car.Automobile protection products of domestic and overseas has a single function relative,or complicated to operate,use inconvenience.This article is based on the existing mature embedded technology,research and develop a set of strong multi-purpose utility vehicle protection devices. The design and implementation of multifunction automobile protection device,integrated use of computer software and hardware technology,electronic technology,sensor technology, testing technology,data processing theory,plug-in systems theory,interdisciplinary knowledge.Its use microcontroller and can bus structure and sensor data collection and testing theories,the achievement of vehicle anti-theft and anti-touch and routine maintenance.For ultrasonic distance measurement study which is the focus of this research.To enhance system stability and reliability and facilitate the expansion and maintenance functions,the system design of the anti-interference is difficult. At First,the papers introduce the background and significance of the selection of subjects,and then made the overall system design concepts,and the choice of software and hardware forthis system can be achieved. Proceeded to the hardware circuit design a detailed briefing.Noted that the system includes four functional modules:ultrasound ranging,temperature testing,indoor driving alcohol testingand password protection.At the same time,we used PROTEL software to design the hardwarecircuit figure. Using C51 advanced computer language to design the software of the micro controller,and using WAVE6000 Simulation device software as compiler which was developed by WEI FU company.The compiler can overcome much previous disadvantages such as low efficiency,long code,low execution speed.It also overcome much disadvantage of using crabbed assemble language,and increase work efficiency in a large extent. II 本科生毕业设计(论文) At last,the issue gives the conclusion of experimentation.Indicating by the experimentation,the system has the stable capability,measurement precision which have reached the anticipate requirement,and has a good practical future. Key words: sensor;embedded;system;distance-measurement anti-interference III 本科生毕业设计(论文) 目 录 第1章 绪 论 .......................................................................................................1 1.1 问题的提出及选题意义 .........................................................................1 1.2 国内外现有系统的发展状况 .................................................................2 1.2.1 国内状况 ......................................................................................2 1.2.2 国外状况 ......................................................................................2 1.2.3 嵌入式系统简介 ..........................................................................3 1.3 论文的主要工作 .....................................................................................5 1.4 关键问题及创新 .....................................................................................5 第2章 系统的整体设计 ......................................................................................7 2.1 系统的整体设计思想 .............................................................................7 2.1.1 硬件方面 ......................................................................................7 2.1.2 软件方面 ......................................................................................9 2.2 系统的总体结构 .....................................................................................9 第3章 系统的实现 ........................................................................................... 10 3.1 超声波测距子系统 ............................................................................... 10 3.1.1 超声波传感器的应用和发展 ..................................................... 10 3.1.2 测距原理 .................................................................................... 11 3.1.3 .系统结构及工作原理 ................................................................ 12 3.1.4 硬件设计 .................................................................................... 12 3.1.5 软件设计 .................................................................................... 13 3.1.6 控制系统的可靠性设计............................................................. 14 3.2 温度检测子系统 ................................................................................... 15 3.2.1 温度传感器 ................................................................................ 15 3.2.2 系统的硬件结构图 .................................................................... 17 3.2.3 系统的软件实现 ........................................................................ 18 3.3 酒精含量检测子系统 ........................................................................... 18 3.3.1 气敏传感器 ................................................................................ 18 3.3.2 系统原理图 ................................................................................ 21 3.3.3 电路结构及工作原理 ................................................................ 21 3.3.4 工作过程 .................................................................................... 22 IV 本科生毕业设计(论文) 第4章 系统的抗干扰措施 ................................................................................ 23 4.1 干扰的来源及分析 ............................................................................... 23 4.2 硬件抗干扰措施 ................................................................................... 24 4.2.1 元器件的抗干扰设计 ................................................................ 24 4.2.2 接插件的选择应用 .................................................................... 25 4.2.3 印制电路板抗干扰技术............................................................. 25 4.2.4 信号线敷设 ................................................................................ 26 第5章 结论 ....................................................................................................... 28 参考文献 ............................................................................................................. 29 致 谢 .................................................................................................................. 31 附 录 .................................................................................................................. 32 V 本科生毕业设计(论文) 第1章 绪 论 1.1 问题的提出及选题意义 自从1886年1月29日卡尔?本茨发明了人类第一辆汽车,至今世界汽车工业经过了近120年的发展,当代汽车已经非常成熟和普遍了。汽车已经渗透于国防建设、国民经济以及人类生活的各个领域之中,成为人类生存必不可少的、最主要的交通工具,为人类生存和社会的发展与进步起到了至关重要的作用。 随着人类社会的不断发展与进步,汽车的普及和应用将更加普遍。随之带来的道路交通安全问题也已成为世界性的大问题。据联合国世界卫生组织最新一期的《世界灾难报告》报道:目前,全球每年有超过130万人死于因汽车引起的道路交通事故,伤残人数更是高达3000多万,即平均约每25s左右就有1人因道路交通事故而丧生,约每秒就有1人因道路交通事故而受伤或致残。道路交通事故仅位于心脑血管疾病、呼吸系统疾病和恶性肿瘤之后,已经成为威胁人类生命的第4大杀手。全球每年因道路交通事故造成的直接经济损失高达5800多亿美元,其中发展中国家损失超过1200亿美元,是发展中国家每年接受援助额的2倍多。因此,汽车的安全性能对人类生命和财产安全的影响是不言而喻的。 在世界汽车工业120年的发展史中,汽车安全技术始终是商家们优先考虑的问题,他们一直在不懈努力,不断推陈出新,使汽车安全技术的研究和汽车安全新装备的应用随着汽车工业的发展发生了日新月异的变化,从最初的保险杠、减振系统、乘员系绊系统、安全气囊到汽车碰撞实验、车轮防抱死制动系统(ABS)、驱动防滑系统(ASR),再到无视差无盲点安全后视镜、儿童限动系统、行驶巡航系统等的研究,汽车的安全性能正日臻完善。特别是近几年,随着现代科学技术的迅猛发展和人类生活水平的快速提高,人民对当代汽车的安全性能、舒适性能提出了更高的要求,机电一体化技术、微电子技术、信息处理技术、自动化智能化技术等越来越多的先进技术、先进装备在汽车上得到广泛应用,使当代汽车安全技术和安全性能又有了飞跃性的发展,有些新技术和新装备更是令人耳目一新。 汽车的保护体现在汽车使用过程中的一些提高安全性的措施以及日常保养和维护。集成的主、被动安全系统能实现更强的安全性能,最大程度地保护车辆、乘员乃至行人的安全,其价值远远超过了各自独立、互不相干的防护系统,汽车安全系统的集成化是一股势不可挡的趋势。 随着社会的发展,汽车的拥有量越来越多,它给人们的工作和生活带来了非 1 本科生毕业设计(论文) 常大的便利,但在使用中也给人们带来了自身安全和本身安全相关的很多的问题。例如在北方冬季的寒冷和南方夏季的炎热,都存在热车和冷车的问题。北方的冬季和南方夏季气温变化较大,不论是高温还是低温不但对汽车的寿命有影响,也给人员的身心健康带来了极大的威胁。另外,由于交通方面的不确定因素较多,对驾驶员的人身安全存在极大威胁。因此,对汽车保护的研究是直接关系到人们身心健康的大事,有广泛的社会效益和长远的经济效益。本课题拟在综合运用多学科知识方面作一些有益的探索。 1.2 国内外现有系统的发展状况 1.2.1 国内状况 国内的研究主要集中在被动安全技术方面。 被动安全技术是指在车辆发生交通安全事故后,通过车内的保护系统(如吸震装置、联动锁紧装置及其他附属装置等)来有效地保护驾乘人员,尽量减少损伤的程度,包括对车上乘员和车下行人的保护。目前,使用最广泛的主要有乘员系绊系统(安全带)和碰撞吸震系统(各种安全气囊)。先进的乘员系绊系统和安全气囊技术,在车辆发生事故时对乘员的保护是至关重要的,能有效地避免或减轻事故对驾乘人员的损伤。另外,高强度防撞车身的研究以及新材料、新工艺、新技术的大量应用,使汽车大批量使用轻量化材料更加可行。减轻质量不仅对提高安全性有重要意义,还具有潜在的环保效益。传统的被动安全技术只能对车内乘员起到一定的保护作用,而新兴的汽车将更加注重人、车与环境的融合,因此对行人的保护也成为当今汽车设计者研究的课题之一。 目前已广泛采用的汽车主动安全技术主要安全带、安全气囊、高强度车身、自助求救系统等。 1.2.2 国外状况 与国内相比,国外的优势在于二方面,一方面是在被动安全技术的研究方面已经很成熟,并且已经广泛应用到当今的汽车生产中;另一方面优势在于他们已经制定了很多汽车工业的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,虽然这些标准各有各的特点,但是他们对更好地提高汽车的安全性能起着非常重要的作用。 自1980年起,众多国际知名汽车公司开始积极致力于汽车网络技术的研究及应用。汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题,使车身布线(趋于)更规范化、标准化,降低了成本,增强了稳定性。迄今为止,已有Bosch的CAN、SAE的J1850、ISO的VAN、Philips的D2B和LIN协会的LIN等多种网络标准。 2 本科生毕业设计(论文) 根据“汽车理论”和“汽车设计”的概念,所谓主动安全技术就是在汽车的设计和制造时,对汽车的内、外部结构进行合理有效的设计,采用更先进的技术和装备,主动预防、避免或减少汽车在行驶过程中发生事故,以提高汽车的主动安全性能。俗话说:防患于未然。通过提高汽车的主动安全技术和安全性能,可以最有效地减少道路交通事故的发生,从而可以从根本上降低道路交通事故对人类生命及财产安全造成的危害,因此,汽车主动安全技术是当今汽车研发的重点研究领域。 1.2.3 嵌入式系统简介 1.嵌入式系统的定义 嵌入式系统是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可剪裁,从而能够适概述应实际应用系统中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成,用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。嵌入式系统的概念出现在20世纪70年代。当时,以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性的特点,引起了控制专业人士的兴趣,要求将微型机嵌入到一个对象体系中,并配置各种外围接口电路(如ADC、DAC、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等)来实现对对象体系的智能化控制。因此,嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去,这是理解嵌入式系统的基本出发点。 2.嵌入式系统的特点 嵌入式系统的特点是由定义中的三个基本要素衍生出来的,即“嵌入性”、“专用性”、“计算机系统”。与“嵌入性”的相关特点:由于是嵌入到对象系统中,必须满足对象系统的环境要求,如物理环境(小型)、电气/气氛环境(可靠)、成本(价廉)等要求。与“专用性”的相关特点:软、硬件的裁剪性;满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点:嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应,这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路[8]。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种已有上千种之多。其中,我们最为熟悉的是8051和68H结构的产品。嵌入式系统的处理器可以分为两大类:一类是采用通用计算机的CPU为处理器,如X86系列;另一类为微控制器和DSP,微控制器具有单片化、体积小、功耗低、可靠性高、芯片上的外设资源丰富等特点,成为嵌入式系统的主流器件。 3.嵌入式系统的种类与发展 3 本科生毕业设计(论文) 按照上述嵌入式系统的定义,只要满足定义中三要素的计算机系统,都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级(工控机)、板级(单板、模块)、芯片级(MCU、SoC)。 嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,然而,微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求,因此,嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。在探索单片机的发展道路时,有两种模式[11],即“Σ模式”与“创新模式”。“Σ模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式,它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后,集成在一个芯片上,构成单片微型计算机;“创新模式”则完全按嵌入式应用要求设计全新的,满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统(单片微型计算机)。MCS-51是在MCS-48探索基础上,进行全面完善的嵌入式系统。历史证明,“创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路,MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。 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(Single Chip Microcomputer)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。“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机大庆石油学院硕士研究生学位论文完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。 (2)MCU即微控制器(Micro Controller Unit)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。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。 (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。 4 本科生毕业设计(论文) 1.3 论文的主要工作 嵌入式技术是21世纪最有生命力的新技术之一,目前己广泛应用于社会生活的方方面面。现在,嵌入式产品己经在很多领域得到广泛的使用,如国防、工业控制、通信、办公自动化和消费电子领域等。 本论文主要研究嵌入式系统在提高汽车安全方面的应用,主要进行超声波测距、酒精含量检测、温度检测以及密码保护几个模块的设计,从硬件的选材到电路的设计以及软件的实现都经过了精心的设计。并对这些模块在仿真器上运行、测试。 设计并实现了超声波测距子系统,用于近距离障碍物的检测。能够控制超声波传感器发射并接收超声波信号,对采集到的数据进行分析,得出障碍物的距离,并与系统设定的临界距离进行比较,在一定的情况下给出报警信息。 设计并实现了气体中酒精含量检测系统,检测驾驶员呼吸酒精含量,如果超标,启动保护系统切断汽车供油,供电。包括传感器和单片机控制部分。实现信号采集、传感器加热控制、串口通信等多个接口电路。 设计并实现了温度检测子系统,主要完成驾驶室环境温度的检测,根据采集到的温度信息,和事先设定好的温度的上下限,控制相应的调节温度的开关,实现驾驶室内温度的控制。 设计并实现了汽车的防盗电子密码锁,他由一系列按键和密码比较电路组成,可以进行密码设定,密码比较以及开关锁控制,当用户输入错误的密码时,使汽车的发动机无法启动,实现汽车的防盗功能。依据软件工程化的思想,设计并编制系统所需的软件,使其能够完成数据采集、数据处理、反馈处理结果。单片机部分软件采用单片机语言C51编写,可支持脱机工作和联机工作两种模式。 1.4 关键问题及创新 由于本系统中包含很多的信号采集系统,这些信号的采集是通过传感器及控制芯片完成的,所有的这些硬件都属于电子产品,容易受外界因素(温度、湿度、电信号等)的干扰,这些干扰将直接影响系统的信号采集的真实性,因此如何解决抗干扰问题,提高系统的测量精度和使用的可靠性成为本系统的一个重点要解决的问题。 在超声波测距子系统中,环境温度直接影响系统的测量结果,为了提高系统的测量精度,本系统在设计时从两方面入手进行考虑,一是在系统工作的同时采集当前环境的温度,将这个值应用到距离的换算公式当中,即采取温度补偿的办 5 本科生毕业设计(论文) 法。虽然采用温度补偿可以提高系统的精度,但前提是系统所采集到的温度是准确的,实际上在温度的采集过程中误差也是存在的,因此系统从另一方面进行考虑,即将BP神经网络应用到距离的测量当中,以减少温度对测量结果的影响。但由于嵌入式系统中的存储器容量相对较小,所以在实现时先是在PC机上对采集的数据进行训练,最后得到一个经验公式,将这个公式应用到系统的实际测量中,效果比以往的测量系统要好。 6 本科生毕业设计(论文) 第2章 系统的整体设计 2.1 系统的整体设计思想 本系统的主要目的是要设计并实现一个集超声波测距、温度检测、酒精含量检测、密码保护于一体的多功能的汽车保护仪。根据系统的特点将其划分为多个小的模块,每一个小的模块在功能上都是一个相对独立的系统,在设计时每个模块单独进行设计。同时为了实现各模块之前的数据通信,采用汽车总线标准里比较流行的CAN总线将各个模块连接起来,实现了对各个模块的统一管理和信息的共享。每个模块都有自己的微处理单元,用于对传感器进行控制。同时,系统将采集的信息通过总线传至中央处理单元,经过加工处理,完成信息的显示以及报警等功能。根据以上设计思想,确定多功能汽车保护仪的系统的硬件设计。 2.1.1 硬件方面 1.单片机控制单元 对于单片机控制单元部分来说,选择合适的器件构建系统是非常必要的。随着MCS-5系列单片机性能价格比的提高和品种的增加,使它的使用范围不断扩大,甚至已经可作为一个普通器件嵌入到各种工业测控系统和民用电器之中。因此,在确定设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 时,单片机选用了MCS-51系列的80C51作为系统的控制芯片一。MCS-51是由INTEL公司推出的高档8位单片机系列产品。该产品包括8031/8051/8751和8032/8052以及相应的CMOS工艺芯片,还包括以80C51为代表的新一代单片机和Philips,AMD,ATMEL等公司的多种兼容产品。表2-1列出了MCS-51的数据存储器(RAM)和程序内存(ROM)容量。 在MCS-51内部,都有4个8位的并行I/O端口和一个可全双工通信的串行I/O端口。并行I/O端口既可按照字节访问,也可按位访问。串行I/O端口可通过软件编程设定4种工作方式[14]。它的程序存储空间与数据存储空间相互独立,均可寻址64KB外部数据存储器空间。对于程序内存,不同芯片的内部存储器容量不同,可寻址的外部程序内存也不同,但最大可寻址的内外总空间认为64KB。进行外部内存扩展时,采用分组技术,可使外部程序内存和数据存储器的容量都超过64KB。 7 本科生毕业设计(论文) 表2-1 数据存储器和内存容量 2.CAN总线控制芯片 本系统的CAN总线控制芯片采用SJA1000,通过单片机初始化后,SJA1000就可独立工作,通过检测总线上的电压信号,及内部特殊的寄存器内容,控制器就完成数据的打包、解包、错误的鉴定等一系列功能,下面简要介绍CAN控制器SJA1000。SJA1000是由PHILIPS公司研制的,主要用于自动控制和通信工业用的8位高性能微控制器,它是PHILIPS上一代控制器PCA82C200的替代品,其基本特征有扩展的接收缓冲器64字节先进先出、支持CAN2.0A和CAN2.0B 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 、支持11位和29位标识码、通信速率可达1Mbps、通信距离最高可达10公里、24MHz时钟频率、可编程的CAN输出驱动器配置。 根据CAN协议,SAJ1000可分别支持CAN2.0A和CAN2.0B两种模式,本系统使用的是PALICAN模式(CAN2.0B)通常也被称作扩展模式。 SJA1000之所以能完成复杂的电路数据流错误检验,主要归功于其内部大量分工合作的寄存器。这些寄存器主要包括模式寄存器、状态寄存器、中断寄存器、中断使能寄存器、总线时序寄存器、输出控制寄存器、总裁丢失捕捉寄存器、错误代码捕捉寄存器、错误报警限额寄存器、发送错误计数器、接收错误计数器、时钟分频寄存器以及接收缓冲器、发送缓冲器等寄存器,由于这些寄存器的存在,SJA1000控制器通常被看作外部RAM来访问。 3.开发器、仿真头、编程器 开发器选择南京伟福公司生产的E600/L,仿真头采用伟福公司生产的Pod8952控制器采用广州周立功公司生产的Expert PRO-I。 8 本科生毕业设计(论文) 2.1.2 软件方面 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,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。用过汇编语言后再使用C来开发,体会更加深刻。Keil C51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。另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 2.2 系统的总体结构 系统的总体结构如图2.1所示。 系统的四个独立的模块完成数据的采集和处理,他们之间通过CAN总线进行相互之间的数据通信,以实现数据的共享。上位机可以发出控制指令控制CAN总线的数据的收发,在整个系统中起总控作用。 图2.1 系统的总体结构 9 本科生毕业设计(论文) 第3章 系统的实现 3.1 超声波测距子系统 障碍物判别系统是从机器人的环境探测系统发展出来的。逐渐应用到其他领域,其中很多应用在车辆上,作为障碍物防撞判别系统。环境探测系统的探测方式很多,用到的传感器类型也较多,超声波测距传感器只是其中的一类。 超声测距是一种非接触式的检测方式[17]。与其它方法相比,如电磁的或光学的方法,它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距,由于空气中波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来,具有很高的分辨力,因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。 论文在选题时曾经把测距系统分为车前测距和车后测距两部分,车前测距系统主要用于判断在低速行驶时汽车前方有无障碍物,给出预警信息,可以是声音提示也可以指示灯提示。车后测距部分主要用于倒车保护,当驾驶员在泊车的时候判断车身后方的障碍物,根据障碍物的距离实时给出数字显示的信息。由于这两部分测距在原理上是一样的,只是传感器安装的位置不同,因此在设计过程中将这两部分统一为测距子系统。 3.1.1 超声波传感器的应用和发展 众所周知,超声波测距技术由来已久,已在一些领域得到应用。例如利用超声波技术的自动测距照相机、建筑上使用的手持式墙面测距仪。这些仪器的组成是较为简单的,通常由超声波测距传感器(分为收、发分体式和一体式)和电子元器件组成。由于这样的仪器功能不强,现在已逐渐淡出人们的生产生活中。 近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器(单片机)的出现,使超声波测距传感器的功能得到了提升。有了微处理器不仅使测距的精度大为提高,而且为超声波测距技术的应用开辟更大的空间。人们首先设计出了基于单片机的超声波测距系统,这样的系统如雨后春笋般层出不穷,国内外的许多科研单位、厂家研制生产了这样的测距仪。但有些场合,只装备单个传感器系统已不能满足人们的需要了,于是就有了多个传感器组成的列阵。支持这类系统的技术是 10 本科生毕业设计(论文) 近年来从军事上发展的多传感器信息融合技术、数字信号处理技术、人工神经网络等高新技术。国内的科研单位也在进行这方面的科研工作。例如:北京中科院自动化研究所的研制基于DSP的多超声波测距数据采集处理系统;中国矿业大学信息工程院将多超声波传感器列阵应用于矿井下的机器人;国防科技大学自控系设计用于自主车绕障的超声传感器线阵。而这些系统大多是为自主移动机器人而开发的。另外,在国外改进超声波传感器的工作也有所进展,在美国已经有人采用光纤传感器来收集超声波传感器列阵的庞大信息。大庆石油学院硕士研究生学位论文 超声波发生器主要包括两大类,一是用电气方式产生超声波,包括压电型、磁致伸缩型和电动型;另一类是用机械方式产生,包括加尔统笛、液哨和气流旋笛。目前较为常用的是压电型超声波发生器。 3.1.2 测距原理 测距原理如图3.1所示。首先超声波传感器向空气中发射声脉冲,声波遇到被测物体反射回来,若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲之间的时间差Δt,利用s= ?VΔt,即可算得传感器与反射点间的距离s。测量距离d=s?-h?,2,若s>>h时,则d?s,本系统采用收发同体传感器,故h=0,所以d=s=?VΔt常温常压下,空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为v=Rrt,μ式中μ为气体摩尔质量、r为气体的比热比、R为气体常数、T为热力学温度。对于一定的气体r、μ为定值。由公式可知,声速与热力学温度的平方根成正比。温度越高声速越大,温度越低声速越小。0?时,空气中声速的实验值为331.45 m/s,空气中声速表达式为v=331.45×,,θ,273.16,?273.16,,由实验分析得距离计算公式为s=331.45Nv,ƒ,式中N为计数个数、f为参考频率、θ为摄氏温度、s为距离. 图3.1 测距原理 11 本科生毕业设计(论文) 3.1.3 .系统结构及工作原理 由AT89C51单片机编程送出40kHz频率的方波信号至信号处理器,信号处理器通过两级放大,再经过超声波传感器将信号发射出去[21],该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时,超声波传感器将接收到的回波,通过信号处理的检波放大、积分整形及一系列常见电路的处理,送至单片机处理。显示器的声音告警频率、发光二极管方位指示及障碍物距超声波探头的距离显示均由单片机控制。总的工作原理如图3.2所示。 图3.2总的工作原理 3.1.4 硬件设计 超声波测距仪的硬件电路如图3.3所示。 AT89C2051通过外部引脚P1.6输出脉冲宽度为250μs,载波为40kHz的10个脉冲脉冲群,以推挽形式加到变压器的初级,经升压变换推动超声波换能器发射出去。在发的同时,P1.7输出一个高电平启动,给电容C4充电。发射结束时高电平翻转为低电平C4开始对R2、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。超声波接收换能器将接收的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大,这是一个高增益、低噪声放大器;在对放后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。发射时P1.7输出的电平可以抑比较器的翻转,这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检。 12 本科生毕业设计(论文) 图3.3 硬件电路 我们把超声波发射传感器的电源用可编程序控制器(PLC)继电器来控制,打开继器就使发射传感器工作,开始发射超声波信号。发射延时一段时间,为了产生一段时间超声波信号,然后停止,以免干扰后续的超声波信号。超声波接收传感器通过传感器接电路与可编程序控制器(PLC)的信号输入口相联,每一个信号输入口就是一个信号采通道。打开这些采集通道就意味着,让PLC开始收集超声波回波信号了。我们初始设置些采集通道处于低电平状态。当收到回波信号后,会变为高电平,发生跳变。然后利用断程序来处理。 中断程序采用输入捕捉中断。当外部事件和信号发生变化时,在指定的输入捕捉引上发生一个指定的跳变沿。PLC中的定时计数器捕捉到特定的跳变沿后,把运行计数器前的值输入到可编程序控制器PLC,并产生捕捉中断,利用该中断可方便的记录回波信的时间计数值。声光报警电路是采用发光二极管和扬声器来对所设置的报警距离实施报警,以向驾员提出警示。键盘和显示电路。显示电路是用来对所测得的结果进行实时显示,键盘电路是用来最大测距、最小测距以及有关参数进行设置。 3.1.5 软件设计 由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很近,当发射超声波时,接收传感器会到很强的干扰信号。为防止系统的误测,在软件上采用延迟接收技术,以 13 本科生毕业设计(论文) 此提高系统的干扰能力。当起始键按下,即发送发射超声波的指令,控制系统开始执行程序,完成对度的采集、发送、接收超声波的时间间隔的测量;最后通过数值处理程序计算出被测距离送显示器显示。本系统软件采用模块化设计,由系统初始化模块、数据采集模块、数据理模块、数据显示模块组成。主程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图3.4所示。 图3.4 主程序流程 3.1.6 控制系统的可靠性设计 1(硬件方面采取了以下抗干扰措施: (1)输入/输出通道采用光耦隔离干扰信号。 (2)采用了合理的接地措施,以防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰力。 (3)采用了输入/输出驱动法和降低输入阻抗法,以削弱或抑制反射波的干 扰。 (4)在硬件电路中,采用了滤波电路和退耦电路,以削弱或抑制瞬变噪声的干扰。 14 本科生毕业设计(论文) (5)利用了TL7705构成电源监视电路,使单片机系统在掉电时能自动保护现场数据 (6)在设计和制作电路板时,采取了相应的抗干扰措施。 2(软件方面采取了以下抗干扰措施: (1)由于干扰而使运行程序发生混乱,导致程序乱飞或陷入死循环时,采取了使程纳入正规的措施,如软件冗余、软件陷阱等。 (2)采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的干扰信号。输入信号的干扰是叠在有效电平信号上的一系列离散尖脉冲,作用时间很短,当控制系统存在输入干扰,又能用硬件加以有效抑制时,采用了输入口信号重复检测的方法,达到“去伪存真”的目的 (3)采用了输出口数据刷新方法。 (4)本报警器硬件电路中,使用了8155芯片,工作模式或控制字可能因噪声干扰原因受到破坏,使系统输入/输出状态发生混乱,在设计中,对有关功能重新设定一次,保接口的可靠工作。 3.2 温度检测子系统 3.2.1 温度传感器 现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)、和息处理(计算机技术),他们在信息系统分别起到了“感官”、“神经”、和“大脑”的作用因此,传感器属于信息技术的前沿尖端产品,其主要作用就如同人体的五官。温度传感在工农业生产、科学研究和生活领域获得了广泛的应用,其数量居各种传感器之首。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向飞发展。 温度传感器的发展大致历经了以下三个阶段:传统的分立式传感器(含敏感元件);系统的实现拟集成温度传感器/控制器;智能温度传感器(即数字温度传感器。 在本系统中,我们采用了美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力能温度传感器。 目前,在DALLAS公司生产的智能温度传感器中,以DS1624的分辨率力最高,可0.03125?。该芯片内部有EPROM存储器。它采用二线串行接口进行数据传输。根据封形式的不同,分成DS1624,DS1624S两种规格。DS1624可广泛用于精密数字温度计、密测温系统及温度步长式晶体振荡器中。 1.DS1624的性能特点 15 本科生毕业设计(论文) (1)高分辨力。当测量范围是-55?,+125?时,分辨力高达0.03125? (2)输出的温度值是以2字节传输的13位数据。 3)高精度。在0,,70?范围内测温误差不超过?0.5?,典型值为?0.2?。 ( (4)数据转换时间的典型值200ms,最长时间不超过500ms。 (5)片内256字节的E2PROM存储器,可用来存储用户的短信息(例如存储晶振率的温度补偿系数)。 (6)采用二线即I2C总线)串行接口:SDA(即I/O),SCL(即CLK)。I/O线为漏开路输出。在标准模式下,时钟频率为100KHz;选择快速模式时为400KHz。 (7)芯片内有3个地址输入端(A0,A2),主机最多可选择8片DS1624。 (8)采用+3,+5V单电源,电源电压的允许范围是+2.97,+5.5V。进行温度转换时工作电流为1mA,只进行通信时的工作电流降至0.1mA。片内E2PROM的写入电流为4m待机电流仅为3μA。 2.DS1624的工作原理 首先由内部的低温度系数振荡器产生稳定的频率f0。高温度系数振荡器相当于习转换器,能将被测温度,转换成频率信号f,并用来决定计数门的开启时间。当计数门启时,DS1624就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲f0进行计数。每次测量前,首先将?所对应的计数分别置入减法计数器、温度寄存器中。在计数门关闭之前若计数器己减零,温度计数器中的计数值就增加。然后计数器以斜率累加器的状态置入新的数值,再时钟计数,然后减至零,温度寄存器的值又增加0.03125?只要计数门仍未关闭,就重复上述过程,直至温度寄存器中的值达到被测温度值。这里,斜率累加器能对振荡器的非性予以补偿,提高温度测量准确度。 上述计算过程在DS1624的内部完成,分辨力为0.03125?。通过READTEMPERATU命令,可以读取13为二进制补码形式来表示的数据。 3.DS1624的命令集 (1)开始温度转换[EEH] 该命令启动温度转换,无需读数据,在一次转换模式下,该命令启动转换,DS1624成转换时保持空闲,在连续转换方式下,该命令启动DS1624进行连续的温度转换。 (2)温度转换结束命令[22H] 该命令停止温度转换,无需更多数据,在连续运行方式下,该命令停止DS1624的度转换,并保持空闲,直到DS1624得到新的温度转换开始命令。 (3)读温度命令[AAH] 该命令读出最近一次温度转换的结果,随后DS1624将两个字节补码表示的 16 本科生毕业设计(论文) 温度值出。最高位为符号位,最低三位不同。 (4)访问配置寄存器[ACH] 若R/W=0,该命令写入配置寄存器之后,MCU送出一个字节,用以确定DS1624的作方式;若R/W=1,DS1624送出当前状态用来通知MCU转换是否完成。 5)访问存储器[17H] ( 该命令用来访问DS1624内部集成的256B的E2存储器,下一字节数据为被访问的储器的地址,即可进行E2存储器的读写操作,读写时和其他的IC协议的E2存储器相同。 3.2.2 系统的硬件结构图 DS1624没有专门的温度控制功能,用户可以将温度控制信息,如温度上限,温度下限保存在E2存储器中。工作时将DS1624设为连续工作方式,MCU不停读取温度值,并温度值和E2存储器中的温度控制参数比较,用以驱动报警、加热或其他执行机构。还以将PID等参数存于E2存储器中,通过先进的算法实现闭环控制。系统的硬件结构图如图3.5所示。 图3.5 硬件结构 17 本科生毕业设计(论文) 3.2.3 系统的软件实现 DS1624启动温度转换、访问配置寄存器、读取温度值的流程图如图3.6所示。 图3.6 DS1624启动温度转换、访问配置寄存器、读取温度值的流程图 3.3 酒精含量检测子系统 近年来,随着交通事业的发展,人民生活的提高,私家车的占有率直线上升,各式各样的汽车已进入千家万户,成为人们的代步工具和运输工具。与此同时,违反交通规则,酒后驾车已不是什么新鲜事,据交通部门不完全统计,每年因酒后驾车而造成的人身伤亡事故数以万计,由此造成的经济损失更是难以计算。为了尽量避免酒后驾车造成人身财产的损失,提高驾车安全性,设计并实现了气体中的酒精含量检测系统,将其安装在方向盘的一定位置上,当检测出驾驶员呼出的气体中酒精含量超标,则熄灭发动机,从根本上杜绝酒后驾车的出现。 3.3.1 气敏传感器 1(气敏传感器基本理论 18 本科生毕业设计(论文) 现代生活中排放的气体日益增多,其中许多是易燃、易爆的气体,例如,氢气、煤矿瓦斯、天然气、液化石油气等,其中很多是对于人体有害的气体。为了保护人类赖以生存的自然环境,防止不幸事故的发生,需要对各种有毒有害气体进行有效的监控。 气敏传感器就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件,它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的变化,就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警等等。 2(半导体气敏传感器 半导体型气敏传感器对被测气体有较高的灵敏度,制作简单,价格便宜,响应速度快,成为当前电子鼻中应用最广的气敏元件。但它选择性差,元件参数较分散,工作过程中必须加热,且易中毒。半导体气敏传感器的工作原理与结构如下: (1)工作原理 半导体气敏传感器大多使用氧化锡SnO2材料,氧化锡被加热后,空气中的氧就会从氧化锡半导体晶粒的施主能级中夺走电子,而在晶粒表面上吸附着负电子,使表面电位增高,从而阻碍导电电子的移动,所以,气敏传感器在空气中为恒定的电阻值。当气敏传感器处于某种还原性气体环境中,还原性气体与半导体表面吸附着的氧发生氧化反应,由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化,就会引起传感器的电阻值发生变化。对于还原性气体,电阻值减小,对于氧化性气体,则电阻值增大。氧化锡是烧结性难的材料,因此,有很高的热稳定性。而且这种传感器仅在半导体表面层产生可逆氧化还原反应,半导体内部化学结构不变,因此,长期使用也可获得较高的稳定性。 (2)结构 由于氧化锡烧结体的形状不同,气敏传感器的结构也不同。任一种结构的传感器的内部都设有加热器。敏感元件的基座使用树脂或陶瓷材料,开口部分采用不锈钢金属网覆盖,具有防暴性。 3(气敏传感器特性系统的实现由于SnO2气敏传感器是目前较成熟,应用最广泛的气敏元件,以该元件为例说明气敏传感器的特性与参数。 (1)灵敏度特性 气敏传感器在一定工作条件下,接触某一种气体,其电阻值R、随气体浓度变化的特性程之为灵敏度特性,用K表示。 K=RS/R0 式中R0为气敏传感器在正常空气条件下(洁净空气中)的电阻值;RS为气敏传感器在一定浓度的检测气体中的电阻值。 19 本科生毕业设计(论文) 器件灵敏度特性虽各有差异,但它们都遵循共同规律,即器件电阻与检测气体浓度大都具有如下关系: logRS=mlogC+n 式中,m代表器件相对于气体浓度变化的敏感性,又称气体分离能,对于可燃气体,m为1/2~1/3,n与检测气体、器件材料有关,并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。 (2)初期稳定特性 气敏传感器一定时间不通电放置后,再通电工作,电阻值达到稳定值所需要的时间,定义为初期稳定时间。SnO2气敏传感器在不通电状态存放一段时间后,再通电时器件并不能立即投入正常工作。其电阻值在洁净空气中会急剧下降,达到极小后开始上升,经过一段时间达到稳定值。 一般情况下,不通电时间越长,初期稳定时间也越长,当不通电存放时间达到15天左右时,初期稳定时间一般需要5分钟以上。初期稳定时间还与器件种类、存放环境及通电功耗有关。 (3)初期恢复时间 SnO2气敏传感器长时间不通电存放,无论在洁净空气中,还是在气体中,都将出现高阻现象,即器件电阻比初始稳态值要高,一般高20%左右。通电开始达一定时间后,器件电阻才恢复到初始值并稳定下来。一般把通电开始到器件恢复至初始稳定值的时间,称为初期恢复时间。器件初期恢复时间,随器件种类、表面温度等不同而异。直热式气敏传感器初期恢复时间较长,如YHS-1气敏传感器可达30天;旁热式气敏传感器较短,如YHS-2约为7天。一般地说,在空气中不通电放置一周时间以内,不产生高阻化现象,也不存在初期恢复时间。如放置达到6个月,初期恢复时间达到最大值。 (4)加热特性 SnO2气敏传感器需要在加热状态下工作,加热温度直接影响器件的性能。温度越高,反应越快,气体吸附和脱附越快,所以响应时间和恢复时间就越快。根据这一特性,可以选择器件的工作条件,使其在最佳加热电压下工作。 (5)长期工作稳定性 烧结型SnO2气敏传感器具有较长的工作寿命,实际使用和试验表明,无论是旁热式还是直热式器件,都具有寿命长的特点。实验表明,烧结型气敏传感器可以连续长期工作多年。 (6)温湿度特性 SnO2气敏传感器易受环境温湿度影响。由于气敏传感器于环境温湿度有一定的依赖关系,所以,在使用气敏传感器时,为了提高仪器和设备的精度和可靠 20 本科生毕业设计(论文) 性,在电路中要加温湿补偿。为了确保SnO2气敏传感器长期稳定可靠地工作,制备好的SnO2气敏传感器通常都要进行各种性能试验。如连续240小时通电老化实验,环境气氛试验和机械应力试验等。 3.3.2 系统原理图 酒精检测原理图如图3.7所示。它由酒精传感器、放大器、比较器、报警控制电路、直流电源五大部分组成。 图3.7 究竟检测原理 3.3.3 电路结构及工作原理 酒精检测电路原理图如图3.8所示。 图3.8 酒精检测电路原理 1、酒精传感器的作用是把酒精浓度的变化变为电信号的变化即酒精传感器输 21 本科生毕业设计(论文) 出一个与酒精浓度成正比的电信号。 2、集成运算放大器A1、电阻R1、R2、R3、组成反相比例放大器,其电压 ,集成运算放大器A2与电阻R4、R5、R6组成第二级反相放大倍数等于-R2/R1 比例放大器,其电压放大倍数等于-R5/R4,两级反相比例放大器共放大5000倍以上。 3、集成运算放大器A3与R7、R8、Rw等组成电压比较器,放大器A2的输出加到电压比较器A3的同相输入端。R9、电压加在A3的反相输入端,当同相输入端电位U+大于反相输入端电压U-时,电压比较器输出高电平,反之,当同相输入端电位U+小于反相输入端电位U-时,电压比较器输出低电平。发光二极管D1(红灯)和电阻R10组成灯光报警指示电路,红灯亮表示酒精浓度超过报警限。R11和三极管V1及蜂鸣器组成酒精浓度超限声报警电路,当酒精浓度超限时发出报警声。反相器和发光二极管D2、电阻R12组成酒精浓度未超限指示电路。当酒精浓度未超限时,发光二极管D2(绿灯)亮,表示酒精浓度未超限。 4、报警限的调节:把酒精传感器置于含有酒精的标准气样中,这时电压比较器的同相输入端加的是标准气样转换后又放大过的电信号,因为标准气样含有的酒精浓度恒定,所以这时同相输入端电位U+也是定值,然后调节电位器Rw即调节U-(反相输入端的电位值),使电压比较器同相输入端电位U+与反相输入端电位U-进行比较,当电位器向某一方向缓慢旋转时,刚好使指示灯D1亮,D2不亮;而稍微向相反方向旋转时,原来不亮的灯D2亮了,原来亮的灯D1不亮了,这时报警限就算调好了。 3.3.4 工作过程 把酒精监测仪的探头放在适当的位置,如果驾驶员没有饮酒,酒精传感器输出的电信号很小(几乎为零),经两级放大器放大后的电信号仍然很小,使电压比较器的同相输入端电位U+小于反相输入端电位U-,电压比较器A3输出低电平,D1灯不亮,而反相器输出高电平,D2灯亮,表示驾驶员没有饮酒,若驾驶员酒后驾车,其呼出的气流中酒精的含量一般大于或等于标准气样酒精含量,使传感器输出的电信号较大,经两级放大器放大后使电压比较器同相输入端电位U+大于反相输入端电位U-,使电压比较器输出高电平,D1红灯亮,而反相器输出低电平,D2绿灯不亮,表示驾驶员饮过酒。 22 本科生毕业设计(论文) 第4章 系统的抗干扰措施 单片机控制系统体积小,价格低,功能灵活,因此己经获得了广泛的应用。但其工作环境大都在工业生产现场或机械设备之中,同强电联系较多,条件恶劣,干扰源多。因此,进行抗干扰设计是保证嵌入式系统稳定可靠工作的必要技术。 4.1 干扰的来源及分析 单片机控制系统都工作在一定的环境条件下,这个环境中,必然存在着自然因素或人为因素产生的电磁能量,这些能量通过一定的途径进入单片机控制系统或测量控制通道,产生了系统正常工作所不需要的信号,影响了单片机的正常工作。同时,单片机控制系统内部也会产生影响正常工作的信号,我们把这些影响正常工作的信号称为噪声,又称为干扰。在单片机控制系统中,出现了干扰,就会影响指令的正常执行,造成控制事故或控制失灵。在测量控制通道中产生了干扰,会使测量产生误差,计数器受到干扰,就会乱记数,造成记数不准,电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。 环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的。干扰对系统的作用可以分为三个部位: 第一个部位是输入系统,它使模拟信号失真,数字信号出错。单片机控制系统根据这种信息做出的反应必然是错误的。 第二个部位是输出系统,使各输出信号混乱,不能正常反应微机系统的真实输出量,从而导致一系列严重后果。如果是检测系统,其输出的信息不可靠,人们据此做出的决策也必然出差错。如果是控制系统,其输出将控制一批执行机构,使其做出不正确的动作,引起事故。 第三个部位是微机控制系统的内核,使三总线上的数字信号混乱,从而引起错误操作。CPU若得到错误的数据信息,将使运算操作失真,导致结果出错,并将这个错误一直传递下去,形成一系列的错误:若得到错误的地址信息,将引起程序计数器PC错误,程序运行离开正常轨道,导致程序失控,会使后续程序出错,或者造成死循环,使程序瘫痪。干扰问题对任何一个嵌入式系统来说都是不可避免的,因此必须采取相应的措施解决干扰问题,将干扰对系统的影响减少到最低,提高整个系统的平均无故障运行时间,实现系统的可靠、稳定工作。根据以上要求,本系统从硬件和软件两方面来实现系统的抗干扰。 23 本科生毕业设计(论文) 4.2 硬件抗干扰措施 4.2.1 元器件的抗干扰设计 本系统中采用了大量的半导体元器件,因此,半导体分立器件的选择使用及抗干扰设计就尤为重要。 当前,市场上可选购的元器件种类繁多,其进货渠道也是多种多样。在我们将这些元器件使用到系统之前,按严格要求,首先要对元器件进行测试。在测试之前,通常要对元器件进行功率老化实验,并测试其功能指标是否符合标称值。一般情况下,元器件在出厂前都进行了测试。通常我们不用再进行测试,而直接将元器件用于电路中进行通电运行检验,在检验中发现问题,直接替换不合格的芯片或器件。按一般经验,如果芯片在通电到一个月左右而不产生损坏,就可以认为比较稳定了。在购买时最好到正规的大公司或商店购买元器件。一般都保证元器件本身质量的可靠。 在设计中,我们考虑到实际中可能产生的干扰,采取了以下措施: 1、降额使用 在设计时,有意识的降低施加在元器件上的工作应力,提高元器件的可靠性,从而延长其使用寿命。在本系统中,我们所选择的半导体器件都考虑到这一点,选择的元器件都有一定的裕度。 2、防静电 在设计时,我们做了以下考虑: (1)不使用的输入端根据要求接地; (2)作为线路板输入接口的电路,在其输入端加瞬变电压抑制二极管,并对地接电阻器; (3)由电阻器电容器组成震荡器的电路,为防止电容器存储的电荷产生的电压使有关输入端的电压短时高于电源电压,在该输入端串联限流电阻; (4)防寄生耦合。寄生耦合可能导致数字电路误码和模拟电路自激,因此,在本系统我们在线路板的适当位置安装去祸电容,以减少电路引出端处的电源输出阻抗。 3、防过热 温度是影响半导体元器件寿命的一个重要因素。防过热的目的就是在于把半导体分立器件的结温控制在允许的范围内。在本系统中充分考虑到这点,使半导体集成电路远离热源。对于功率半导体分立器件安装在散热器上,并增加了散热装置,以保证电路在正常的环境中工作,提高其可靠性。 4、容差设计。 24 本科生毕业设计(论文) 在设计时,适当放宽半导体的参数允许的变化范围。 4.2.2 接插件的选择应用 单片机控制系统通常可以由几块印制电路板组成,各板之间以及各板与基准电源之间经常选用接插件联系。在接插件的插针之间也易造成干扰,这些干扰与插件插针之间的距离以及插针与地线的距离都有关系。在设计选用时要注意以下几个问题。 1、合理设计接插件。电源接插件与信号接插件要尽量远离些,主要信号的接插件外面最好带有屏蔽。 2、插头座上要增加接地指针数。在安排插针信号时,用一部分插针作为接地针,均匀分布于各插针之间,起到隔离的作用,以减少针间信号互相干扰。 3、信号针尽量分散配置,以增大彼此间的距离。 4、设计时考虑信号的翻转时差,把不同时刻转的针放在一起。同时翻转的指针尽量离开,因信号同时翻转会使干扰叠加。 4.2.3 印制电路板抗干扰技术 印制电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体,但决不是器件、线路的简单密集,布线和布局好坏对可靠性影响很大[39]。 、印制电路总体布局原则。 1 (l)印制电路板大小要适中。板面过大,印制线路太长,阻抗增加,抗干扰能力差,成本偏高;板子太小,板间相互连线增加,散热不好,易增加干扰环境。 (2)印制板元件布局时相关元件尽量靠近。如晶振、时钟发生器及CPU时钟输入端相互靠近,大电流电路要远离主板,或另做一块板子。 (3)考虑电路板在机箱内的位置,发热大的元器件放置在易通风散热的位置。 (4)电源线和地线与数据线传输方向一致,有助于增强抗干扰能力。接地线可环绕印制一周安排,尽量就近接地。 (5)地线尽量加宽,数字的和模拟的要尽量分开,根据实际情况考虑一点或多点接地。 (6)配置必要的去耦电容。在印刷电路板的各个关键部位配置必要的去耦电容,以滤掉干扰信号。 2、旁路与去耦技术 旁路和去祸能防止能量从一个回路转移到另一个回路。在本系统中,我们主要考虑了三个回路区域:电源层、地线层、元器件和内部电源的连接。 实现去耦是保证在电路中和电源层有一个低阻抗的电源,由于去耦电容在高 25 本科生毕业设计(论文) 频时阻抗越来越小,在自谐振荡频率以上,高频噪声可以有效地从信号通路中消除,与此同时,低系统的抗干扰措施频的射频能量相对不受影响,特别对减少峰值电流波动在电路中的传播很有用。旁路能消除一些有害的射频噪声。 一个电容器是由一个LCR通路组成(L是与导线长度有关的电感,C是导线电阻,R是电容),在频率过高或过低时,串联谐振回路具有频率选择作用,因此选择合适的LCR可以确定通过或抑制一定的频率信号,从而保证信号的可靠性。在选择电容或电容组合时,必须要综合考虑谐振、PCB的布局、导线电感和电源层的存在等问题。 3、隔离技术 隔离技术主要有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等。光电隔离采用“光 的信号传输方式,具有较高的电气隔离和抗干扰能力;继电器的线圈和一电一光” 触点之间没有电气上的联系,可避免强电和弱电信号之间的直接接触,实现抗干扰隔离。另外在布线上也要注意不同传输线的隔离,要注意将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线。 由于控制信号是从CPU传来弱电信号,来驱动大功率的强电驱动设备,因此,考虑到先用一级光电隔离,将弱电信号转变为光信号,然后通过继电器产生一个驱动信号来控制大功率的驱动设备,以此来实现控制的可靠性和系统的稳定性。 4、接地 接地是提高电子设备电磁兼容的重要手段之一,正确的接地既能抑制干扰的影响,又能抑制设备向外发生干扰。 接地包括数字、模拟、单点接地以及多点接地等。良好的接地系统对系统抑制电磁干扰比较经济。在本系统中,由于设备的频率比较高,所以我们采用了多点接地。 多点接地方式可以将射频电流从电路板地转移到机箱地,从而使PCB电源层中的接地阻抗减至最小。同时,低阻抗也减小了焊锡面的电感特性。在高频电路中,元件的接地线应尽可能短些,一般要小于信号上升沿速度频率的十分之一波长。这是因为接地迹线长度大约以380~435nH/mm比例增加线路电感,当然,还取决于接地线的宽度和离底板的厚度。当电路板地和机箱地的分布电容形成谐振电路时,就会产生共振。通过最小化接地线感抗和减小迹线中产生的高频电流,信号的质量会大大提高,这也能极大提高对射频的抑制能力。 4.2.4 信号线敷设 信号线在敷设的时候要注意以下几个问题: 1、信号线要远离干扰源,诸如一些大容量的电气设备,尤其是大电感设备, 26 本科生毕业设计(论文) 如变压器电动机等。同时也应注意远离不带屏蔽的大电流电源线。 2、信号线在穿入钢管或金属蛇皮管时,管皮要牢固接地。对于相互容易干扰的信号线不要用同一根管子,最好单独穿管。 3、信号线要分层敷设。在微机测控系统中一般有四类导线:低电平导线,干扰线,信号线和电源线。如果将它们敷设在一起,将会产生很大的干扰。所以最好将其分层敷设。各种导线放置在导线架上时,应按信号线,低压线,AC线和DC线电源线,高压电源线的顺序,从上到下放置。 、对于同一电缆沟内的信号线和电源线,应用金属隔板分开,并使金属板接4 地:若不加隔板,则应将信号线和电源线距离至少15cm。的距离;若间距不够,则应将金属线和电源线外部加屏蔽层。 27 本科生毕业设计(论文) 第5章 结论 论文以“嵌入式系统”为背景,设计并实现了基于80C51单片机的嵌入式系统硬件平台,在此基础上实现汽车保护各模块的开发。论文分析了系统设计需求,提出了以Keil C51和80C51单片机为核心的软硬件解决方案,设计实现了超声波测距子系统、温度检测子系统、驾驶室内的空气中酒精含量检测子系统以及数字电子密码锁这四个模块。最后,论文阐述了如何解决系统的干扰问题,来提高系统的可靠性和稳定性。 本系统中,各个模块从功能上是独立的,但各个模块内部的数据是可以统一进行管理的,因此采用CAN总线将这些数据有效的整合在一起,实现统一的管理和中央控制是本系统今后的发展方向。 嵌入式系统设计技术为工程应用提供了灵活的解决方案,采用微处理器还是SOC(System On Chip)设计,以及选用何种嵌入式操作系统实现应用中定制的功能,需要综合硬件成本、软件开发时间和实现的性能等多方面因素。 综上所述,本系统在其他嵌入式微处理器(如POWER PC系列)上的移植,以及采用FPGA的片上设计方面,可以作进一步的研究。 28 本科生毕业设计(论文) 参考文献 [1]刘栋,林大全,郭祚达.汽车安全现状与智能化仿真假人[J].中国测试技 术,2003,(6). 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[44]李连华,.基于FPGA的电子密码锁设计[J].中国科技信息,2006,(1). 30 本科生毕业设计(论文) 致 谢 本论文是在张丽平老师的悉心指导下完成的,从选题到论文的完成,无不凝聚着老师的心血和辛劳。尤其是在最后的二十多天时间里,张老师在我的毕业论文撰写的最难的阶段,在我几乎放弃的时候给了我很大的帮助。在此,我表示对他衷心的感谢。 最后,我还要感谢课题组的其他老师和同学在论文撰写和资料查找上给予的帮助。 31 本科生毕业设计(论文) 附 录 软件抗干扰措施 1软件滤波 由于日常生活和实验现场的环境比较比较复杂,干扰源较多,为了减少对采样数据干扰,提高系统的可靠性和稳定性,要对采集数据进行滤波[42]。采用软件滤波,克服了模拟滤波器的不足,具有以下优点: (1)不需要增加硬件设备,可以多个输入通道“共用”一个滤波程序。 (2)软件滤波不需要硬件设备,因而可靠性高、稳定性好,各回路之间不存在阻抗匹配等问题。大庆石油学院硕士研究生学位论文 (3)可以通过改写数字滤波程序,实现不同的滤波方法或改变滤波参数,这比改变模拟滤波器的硬件要灵活方便。 本系统采用的软件滤波方法是算术平均值滤波法。平均值滤波法是对信号采集N次,取N次测量的平均值作为某时刻的输出。 2软件消除键抖动 每一个按键就是一个机械开关,当键按下时,开关闭合,当键松开,开关断开。但是由于机械开关的撞击作用,开关的动片会产生抖动,抖动时间约5~10ms。本系统采用软件消抖的方法,在第一次检测到按键按下时,执行10ms的延时子程序。为避免检测到干扰信,延时子程序执行完毕后,再检测此按键,如果仍为按下状态,便确认此键已被按下,执行相应的子程序。这样便消除了键抖动的影响。 3设置软件陷阱 由于系统干扰可能破坏程序指针PC,PC一旦失控,使程序乱飞,可能进入非程序区,造成系统运行一系列的错误。设置软件陷阱可防止程序乱飞。软件设置陷阱的具体做法是在ROM或RAM中,每隔一些指令(十几条即可),就把连续几个单元设置成空操作,即陷阱。当失控的程序掉进陷阱,也就是连续执行几个空操作后,程序自动恢复正常,继续执行后面的程序。也可以在程序芯片没有被程序指令字节使用的部分全部设置成空操作指令代码,最后使用跳转指令,一般跳到程序开头,一旦程序飞出到非程序区,执行空操作之后,最后跳回到程序初始化,重新执行程序;或隔一段使用一条跳转到程序开头的指令。 4看门狗电路 利用设置软件陷阱的办法虽然在一定程度上解决了程序飞出失控问题,但在 32 本科生毕业设计(论文) 程序执行过程中若进入死循环,无法撞到陷阱,就会使程序长时间运行不下去。因此,设置陷阱的办法不能有效的解决死循环问题。设置程序监控器(看门狗电路)可比较有效的解决死循环问题。程序监视器有的采用软件解决,大部分都是采用软硬件相结合的的办法。 (1)利用单片机内部定时器进行监视 这种方式是在程序一开始就启动定时器工作,在主程序中增设定时器赋值指令,使该定时器维持在非溢出工作状态。定时时间要稍大于程序一次循环的执行时间,程序正常循环执行一次给定时器送一次初值,使其不能溢出。但若程序失控,定时器则计满溢出中断,在中断服务程序自动复位,又进入了初始状态。 (2)利用单稳触发器构成程序监视器 利用单稳触发器构成程序监视器的电路很多,其基本原理是,利用软件经常访问单稳电路,一旦程序有问题,CPU不能照常访问,单稳电路则产生翻转脉冲使单片机复位,程序重新开始执行。 33
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