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汽车实验台电路控制系统 说明书word版本(有完整代码+电路图+PCB图)
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2023-03-15
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随着我国汽车产业的迅猛发展,汽车的拥有量急剧增加,最新统计显示我国汽车保有量已超过5300万辆,汽车进入家庭也已成为一种时尚。21世纪对汽车市场人才的需求将越来越大,特别是对掌握汽车新技术的应用维修人才的需要更为迫切,教育部、劳动和社会保障部等六部委联合公布的《紧缺人才报告》显示,目前国内汽车维修人才的需求量至少存在80万的缺口,汽车维修技术人员已成为我国四大紧缺的应用型人才之一。汽车维修技术人员的培养特别强调实践动手能力,而这就必须依靠充足的实践教学设备的支持,但是现有汽车电控类教学设施发展相对滞后,功能单一,更不具备多媒体功能,已无法满足现代汽车人才培养的要求,为解决这种矛盾,急需增加一批技术含量高,与生产结合紧密的新技术设备。我校作为职业院校的领头羊,在汽车维修专业的建设上同样处于领先地位,利用我系的教学资源,开发研制的汽车类教学设备更具有代表性、更能体现出汽车的先进技术、更能贴近的实际使用需求。
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1 引言
随着我国汽车产业的迅猛发展,汽车的拥有量急剧增加,最新统计显示我国汽
车保有量已超过 5300 万辆,汽车进入家庭也已成为一种时尚。21 世纪对汽车市场人
才的需求将越来越大,特别是对掌握汽车新技术的应用维修人才的需要更为迫切,教
育部、劳动和社会保障部等六部委联合公布的《紧缺人才报告》显示,目前国内汽车
维修人才的需求量至少存在 80 万的缺口,汽车维修技术人员已成为我国四大紧缺的
应用型人才之一。汽车维修技术人员的培养特别强调实践动手能力,而这就必须依靠
充足的实践教学设备的支持,但是现有汽车电控类教学设施发展相对滞后,功能单一,
更不具备多媒体功能,已无法满足现代汽车人才培养的要求,为解决这种矛盾,急需
增加一批技术含量高,与生产结合紧密的新技术设备。我校作为职业院校的领头羊,
在汽车维修专业的建设上同样处于领先地位,利用我系的教学资源,开发研制的汽车
类教学设备更具有代表性、更能体现出汽车的先进技术、更能贴近的实际使用需求。
图 1-1 系统框图
21 世纪对汽车维修从业人员无论在数量上还是质量上都提出了更高的要求,随
着汽车电子技术在汽车维修中比重日益增大,开发出集电控发动机故障设置与排除、
工作原理演示、实物动画演示、检测与分析、解码器、考核系统、微机控制教学研究
系统等功能于一体的综合性多媒体实物动态教学研究实验台,对于提高汽车维修技术
人员在汽车新技术领域的技能,培养符合汽车新技术条件下的应用型人才。
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2 Atmega16L 单片机
2.1 单片机的概述
ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先进
的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16 的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz,从
而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算
逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存
器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的
数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的
能力,即 RWW),512 字节 EEPROM,1K 字节 SRAM,32 个通用 I/O 口线,32 个通用工
作寄存器,用于边界扫描的 JTAG 接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的
灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行 USART,有起始条件检测器的
通用串行接口,8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装)的 ADC ,具有
片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个 SPI 串行端口,以及六个可以通过软件进行
选择的省电模式。 工作于空闲模式时 CPU 停止工作,而 USART、两线接口、A/D 转换
器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作;ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除
了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作,以降低 ADC 转换时的开关噪声;
Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件
只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异
步定时器继续工作。
本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序
存储器通过 ISP 串行接口,或者通用编程器进行编程,也可以通过运行于 AVR 内核之
中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存
储区(Application Flash Memory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区(Boot
Flash Memory)的程序继续运行,实现了 RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可
编程的 Flash 集成在一个芯片内,ATmega16 成为一个功能强大的单片机,为许多嵌
入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具,包括:C 语言、编译器、宏汇编、
程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。为了获得最高的性能以及并行性,AVR
采用了 Harvard 结构,具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流
水线运行。CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令(在本文称为预取)。这个概念
实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的 FLASH。
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图 2-1 Atmega16L 单片机
2.2 单片机的复位电路
复位是单片机的初始化操作,其作用是使 CPU 中的各个部件都处于一个确定的初
始状态,并从这个状态开始工作。
ATmega16 有 5 个复位源:
1.JTAG AVR 复位:复位寄存器为 1 时 MCU 复位。
2.上电复位:电源电压低于上电复位门限 VPOT 时,MCU 复位。
3.看门狗复位:看门狗使能并且看门狗定时器溢出时复位发生。
4.外部复位:引脚 RESET 上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时 MCU 复位。
5.掉电检测复位:掉电检测功能使能,且电源电压低于掉电检测电压时复位。
ATmega16 单片机 5 个复位源中,最常用的是外部复位和看门狗复位电路。外部
复位电路由外加于 RESET 引脚的低电平产生。当复位低电平持续时间大于最小脉冲宽
度时即触发复位过程,即使此时并没有时钟信号在运行。当外加信号达到复位门限电
压 VTOUT 延时周期开始。延时结束后 MCU 即启动。(见图 2-2)
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图 2-2 外部电路复位时序图
图 2-3 外部电路复位原理图
看门狗定时器由独立的 1 MHZ 片内振荡器驱动,看门狗定时器溢出时将产生持续
时间为 1 个 CK 周期的复位脉冲。在脉冲的下降沿,延时定时器开始对 Tout 记数。这
是 VCC 电平下的典型值。通过设置看门狗定时器的预分频器可以调节看门狗复位的时
间间隔。看门狗复位指令 WDR 用来复位看门狗定时器。此外,禁止看门狗定时器或发
生复位时定时器也被复位。复位时间有 8 个选项。如果没有及时复位定时器,一旦时
间超过复位周期,ATmega16 就复位,并执行复位向量指向的程序。(见图 2-4)
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图 2-4 看门狗复位电路时序图
2.3 单片机的晶振电路
ATmega16 芯片有如下几种通过 Flash 熔丝位进行选择的时钟源。时钟输入到 AVR
时钟发生器,再分配到相应的模块。
表 2—1 熔丝配置模式
器件时钟选项
CKSEL3..0
外部晶体/陶瓷振荡器
1111 – 1010
外部低频晶振
1001
外部 RC 振荡器
1000 – 0101
标定的内部 RC 振荡器
0100 – 0001
外部时钟
0000
晶体振荡电路:XTAL1 与 XTAL2 分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输
出,如图 2-5 所示,这个振荡器可以使用石英晶体,也可以使用陶瓷谐振器。熔丝位
CKOPT 用来选择这两种放大器模式的其中之一。当 CKOPT 被编程时振荡器在输出引脚
产生满幅度的振荡。这种模式适合于噪声环境,以及需要通过 XTAL2 驱动第二个时钟
缓冲器的情况。而且这种模式的频率范围比较宽。当保持 CKOPT 为未编程状态时,振
荡器的输出信号幅度比较小。其优点是大大降低了功耗,但是频率范围比较窄,而且
不能驱动其他时钟缓冲器。对于谐振器,CKOPT 未编程时的最大频率为 8 MHz,CKOPT
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