20xx毕业设计--基于单片机的智能车辆车载加速度采集系统设计

20xx毕业设计--基于单片机的智能车辆车载加速度采集系统设计内容摘要：

或存入磁盘（系统采用个人微机时），供以后使用。 系统软件设计的软件平台可使用VB、VC或Labview作为开发平台，主要在于良好的人机界面、采集模块与计算机通讯总线选择，以及数据分析与处理功能。 根据设计者的实际情况选择。 ２．５　基于单片机的智能车辆车载加速度采集系统设计本单片机数据采集系统包括前向通道（传感器及小信号放大电路即前置放大器）、信号调理电路（滤波）、A/D转换电路、信号处理（单片机）以及与PC机的串行通讯电路，还有稳压电源电路及抗干扰电路。 传感器采用ADI公司的ICP型ADXL105加速度传感器，A/D转换中的ADC采用AD7705/06，单片机采用AT89C51，与PC的通信采用USB或RS232接口电路。 电源模块用LM2576设计一个5V的稳压源，系统抗干扰方面采用CD4060设计硬件看门狗电路。 传感采样电路信号调理电路单片机串行通信接口电路车载计算机电源电路A/D转换 采集系统原理框图在硬件设计基础上，系统软件设计工作有：设计与车载计算机的通讯软件，实现信号的存储、显示与控制信号的输出功能。 ３．采集系统的硬件电路设计在系统分析与总体设计的基础上，本部分对数据采集系统各个部分的硬件电路进行详细设计。 数据采集系统硬件电路的主要模块有：数据采集系统的CPU模块、采集系统前向通道（传感采样及信号调理电路）、系统的A/D采样模块、系统的通讯传输模块、系统显示与数据存储模块。 本部分将对这几个模块分别进行研究和设计。 一个系统硬件的实现，实际就是元器件的选择及这些元器件之间电路的联系。 单片机应用系统中可用的各种元器件种类繁多，功能各异、价格不等，这就为我们在器件功能、特性等方面进行选择提供了较大的自由度。 我们必须对系统的要求、芯片的特性有充分的了解之后，才能选择好所用的元器件。 选择元器件的基本原则是选择那些能满足性能、指标可靠性高的元器件。 系统总电路图见附录及附图。 ３．１　采集系统的CPU模块MCS51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，一直到现在，MCS5l系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，它的基本型产品是8058031和8751。 MCS51单片机应用范围非常广泛，在其单片机系列中，有HMOS和CHM0S两种工艺状态的芯片。 CHMOS是专为低功耗系统设计的芯片类型，集成度高，速度快，功耗低。 一般称为低功耗型单片机。 INTEL的80C31/80C51/80C71是MCS5l系列中的CHMOS结构，MCS51单片机基本型中的8051是在国内有着很大影响的单片机。 美国ATMEL公司所生产的89系列单片机，是和8051兼容、并且内部含有Flash存储器的单片机。 它是一种来源于8051而又优于8051的系列[14]。 在工业、交通、仪器仪表、自动生产过程、航空、运输、汽车、家电等领域都有着极大的应用前景[6]。 原来8051的大量用户都转向采用ATMEL公司的89系列单片机。 ：　ATMEL公司生产的8051系列的部分单片机性能列表ATMEL8051主要特性列表（一）型号/特性AT89C51AT89C52AT89S51AT89S52AT89S53AT87F51AT87F52程序存储器4k flash8k flash4k flash8k flash12k flash4k OTP8k OTP数据存储器128256128256128256工频/MHz332433定时/计数器232323UART通道1A/D转换器WDTYESSPIISPYES工作电压封装形式PDIP，PLCC，TQFPAT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。 AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性： 　 兼容MCS51指令系统 4k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 可编程UARL通道 两个16位可编程定时/计数器 全静态操作：024MHz 1个串行中断 128x8bit内部RAM 两个外部中断源 共6个中断源 可直接驱动LED 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 　AT89C51引脚图３．２　采集系统的前向通道３．２．１　加速度传感器ADXL1051．ADXLl05简介ADXL105是美国ADI公司(Analog Devices，Inc)生产的单片集成加速度传感器，是一种MEMS加工技术开发的高性能、高准确度的变间隙差动式结构的差容式力平衡加速度传感器，具有噪声低、外形小巧、方向性好、分辨率高、时漂与温漂小，抗震性能强等特点，特别适合在恶劣的工业环境与汽车测试系统中工作[20,21]。 ADXL105内部包含一个多硅表面微处理传感器和BIMOS信号控制电路，故可形成开环加速度测量结构。 单片ADXLl05有下述特点：①分辨率高，达2mg。 ②频率响应范围宽，为DC to 10KHZ。 ③测量范围为177。 5g。 ④可承受1000g的剧烈冲击。 ⑤直流工作电压为+ to +。 ⑥输出灵敏度(可调)：250 to 1500mV/g。 ⑦内置缓冲放大器，可用于输出灵敏度及零加速度输出电平调节。 ⑧可以测量静态加速度(如重力加速度和惯性)，也可以测量动态加速度(如振动和冲击)。 所示。 ADXL105内部功能结构图2．工作原理ADXLl05是—个集成于单片集成电路的加速度测量装置，其内部包含一个多晶硅表面的微处理传感器和BIMOS信号控制电路，形成开环加速度测量系统。 由于加速度的产生使得该结构内部的差动电容器失去平衡，产生一个幅度与加速度成正比的方渡电压输出。 同时采用相位解诃技术校正信号，可以确定出加速度的方向，这样就可以获得完整的加速度信息。 ADXLl05的输出，在默认情况下是250mV/g，这个比例放大系数在有些场合并不适用。 芯片内部内置UCA运放模块，可用来增大这个比例系数。 缓冲放大器同相输入端VNlN接VMID=(VDD/2，VDD=)，调节外接电阻R1和R2的阻值，可改变传感器的输出灵敏度SCALE=(250R2)/Rl(mV/g)。 一旦传感器的输出灵敏度确定下来，缓冲放大器的输出UCAOUT也随之确定下来：UCAOUT=(－AOUT)R2/R1＋ （）从上式中可看出，通过改变ADXLl05外接电阻R1和R2的比例关系可调整灵敏度大小。 若想改变传感器的零点偏置电平，它一端与缓冲放大器的反相端连接，另一端与10k电位器的中抽头连接，电位器的两个固定端分别接VDD和COM端,那么UCAOUT的表达式修改如下：UCAOUT=(－AOUT)R2/Rl＋(－Vr)R2/R3＋ （）调节10K电位器，即可对零点进行修正。 )使用放大器UCA改变ADXLl05灵敏度 b)使用放大器UCA改变ADXLl05灵敏度及零点偏置电平３．２．２　信号调理电路（带宽设定和滤波）传感器ADXL105芯片直接输出的信号存在偏移量和一些高频干扰，因此在外围电路中增加滤波器和减法器去除杂波就显得非常必要。 带宽的选择将决定噪声的基值和测量精度。 在ADXL105的测量噪声中，白高斯噪声（white Gaussian noise）存在于所有的频率范围内，可以通过简单地减小带宽来降低噪声的幅值。 ADXL105典型的噪声公式可表示为：噪声（rms）= （）其中：单极性滤波器Ｋ＝（）　　　双极性滤波器Ｋ＝（）由此可见，一味的增大带宽将导致较大的噪声。 低通滤波器因此若给定带宽为100Hz,ADXL105的典型噪声值为：对单极性滤波器，噪声（rms）=＝9mg rms对双极性滤波器，噪声（rms）=＝ rms通常考虑最多的是噪声峰值，噪声的峰峰值只能通过统计学的方法得到。 噪声的峰峰值能够最好的估计测量方法的不确定性。 峰峰值噪声估计３．３　A/D转换选择及与单片机的接口电路AD7705/06是AD公司推出的16位ΣΔ型串行输出的A/D转换器，用于测量低频模拟信号。 这种器件具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点，适合于工业测控、仪表测量等领域。 AD7705/06内部功能结构图３．３．１　AD7705/06的特点AD7705/06利用ΣΔ转换技术实现了16位无丢失代码性能。 该器件可以接收直接来自传感器的低电平输入信号，然后产生串行的数字输出。 AD7705/~~。 AD7705是双通道全差分模拟输入，而AD7706是3通道伪差分模拟输入，二者都有一个差分基准输入REFIN(+)和REFIN()，差分输入的共模范围是GND~VDD。 为确保器件能够准确无误的工作，必须使REFIN(+)大于REFIN()。 当电源电压为5V、这两种器件都可将输入信号范围为0~20mA或0~，还可以处理20mV~。 当电源电压为3V、可处理0~10mV或0~，它的双极性输入信号范围是10mV~。 AD7705/06是用于智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想产品，其串行接口可配置为三线接口。 增益值、信号极性以及更新速率的选择，可用串行输入口由软件来配置。 该器件还包括自校准和系统校准选项，以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。 ３．３．２　AD7705/06的片内寄存器正确地应用AD7705/06就要对其片内寄存器有充分的了解。 AD7705/06包括6个(用户）可通过串行口访问的片内寄存器。 第1个寄存器是通信寄存器，它管理通道选择，决定下一个操作是读操作还是写操作，以及下一次读或写哪一个寄存器，所有与器件的通信必须从写通信寄存器开始。 上电或复位后，器件等待在通信寄存器上进行一次写操作。 第2个寄存器是设置寄存器，决定校准模式、增益设置、单/双极性输入以及缓冲模式。 第3个寄存器是时钟寄存器，包括滤波器选择位和时钟控制。 第4个寄存器是数据寄存器，器件输出的数据从这个寄存器读出。 第5个寄存器是零标度校准寄存器，AD7705/06包含几组独立的零标度校准寄存器，每个零标度校准寄存器负责一个输入通道，它们都是24位读/写寄存器。 地6个寄存器是满标度校准寄存器，AD7705/06包含几组独立的满标度校准寄存器，每个满标度校准寄存器负责一个输入通道，它们都是24位读/写寄存器。 ３．３．３　AD7705/06的输入采样率AD7705/06的调制器的采样频率维持在fCLKIN/128（，fCLKIN = ），而与增益选择无关。 但是，大于1的增益是通过在每个调制器周期中多重输入采样以及基准电容与输入电容之比的倍数，两者组合得到的。 作为多重采样的结果，输入采样率随选定的增益而变化（）。 在缓冲模式下，输入端在接到输入采样电容之前就已经得到缓冲；非缓冲模式下，模拟输入端直接连到采样电容器，有效输入阻抗是，为输入采样电容器，fs是输入采样率。 输入采样率与增益的关系增益输入采样率1248128fCLKIN/64（@fCLKIN=）2fCLKIN/64（@fCLKIN=）4fCLKIN/64（@fCLKIN=）8fCLKIN/64（@fCLKIN=）３．３．４　单极性/双极性输入无论是单极性还是双击性电压，AD7705/06的模拟输入端都能接受。 双击性输入并不表示器件能够处理模拟输入端的负电压，因为模拟输入电压不能小于10mV，以确保器件的正常。 输入通道是全差分的。 因此，对于AD7705，AIN(+)输入电压以各自的AIN()为基准；对于AD7706，加到模拟通道的电压以COMMON为基准。 例如，若AIN1()=,单极输入，增益为2，VREF=，那么，AIN1(+)~；若AIN1()=，AD7705配制成双极性输入，增益为2，VREF=，那么，AIN1(+)~；（)。 选择单极性输入还是双极性输入是由设置寄存器的位来决定的。 无论是在单极性还是双极性状态下工作，都不改变任何输入信号的状态，它只改变输出数据的代码和转换函数上的较准点。 ３．３．５　AD7705/06的接口时序（读周期时序图）如前所述，AD7705/06的编程功能用片内寄存器的设置来控制，对这些寄存器的读/写操作通过器件的串行接口来完成。 AD7705/06的串行接口保含5个信号：、SCLK、DIN、DOUT和。 DIN线用来向片内寄存器传送数据，而DOUT线用来访问寄存器里的数据。 SCLK是串行时钟输入，所有的数据传输都和SCLK信号有关。 线作为状态信号，以提示数据什么时候已准备好从寄存器读数据。 输出寄存器中有新的数据时，变为低电平。 是片选信号，用来选择器件[5]。 （写周期时序图） ３．３．６　AD7706与单片机的接口电路，其中AD780提供+。 AD7706的输出信号直接接到AT89C51的RXD（）端，而AT89C51的TXD()端则为AD7706提供时钟信号，可见在这样的连接方式下，A/D转换器的时钟是由AT89C51的TXD引脚提供的。 单片机利用串行口与AD7706进行通信，将串行口设定为工作方式0，即同步移位寄存器方式。 此外。 这样，在多芯片系统中。