1、机械设计基础学习情境点亮汽车上的单个信号灯1.1概述单片机(Single Chip Micro Computer)也称为微控制器MCU(Micro Controller Unit)，它是在一块芯片上集成了中央处理器(CPU)、一定容量的存储器(RAM/ROM等)、定时计数器及多种输入/输出(I/O)接口的比较完整的数字处理系统。它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点。因而被广泛应用在工业控制、智能化仪器仪表、通信、家电、汽车等领域中。1）、单片机：在一块硅片上集成了CPU、RAM与ROM、输入/输出端口的数字处理系统。2）、MPU:微型计算机中的核心芯片。3）、MCU:主要
2、用于控制目的的一种专业微处理器。CPU输入设备输出设备软件系统+硬件系统输入接口设备输出接口设备运 算 器控 制 器存 储 器2、单片微型计算机单片机内部结构示意图 C P U 存 储 器定 时 器/计 数 器 中 断 系 统P0-P3TxDRxD TINT并行I/O口串行I/O口机械设计基础v单片机与计算机之异同v 组成组成：v CPU(CPU(进行运算、控制进行运算、控制)RAM()RAM(数据存储器数据存储器)v I/O I/O口口(串口、并口等串口、并口等)ROM()ROM(程序存储器程序存储器)v PC PC机：机：上述部件以芯片形式安装在主板上。上述部件以芯片形式安装在主板上。单片
3、机：上述部件被集成到单芯片中。单片机：上述部件被集成到单芯片中。v 通用通用PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软软/光驱、音箱、打印机、扫描光驱、音箱、打印机、扫描仪仪等外设。等外设。v 单片机则只是一片集成电路。（单片机则只是一片集成电路。（100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。条引脚）。v PC机：机：数据运算、采集、处理、存储、传输；数据运算、采集、处理、存储、传输；v 单片机：控制（或受控于）外设。单片机：控制（或受控于）外设。（或受控于）外设（或受控于）外设.v 通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输；通用计算机擅长于数据运算、
4、采集、处理、存储和传输；v 单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备设备/系统中，使其达到智系统中，使其达到智能化的效果。能化的效果。机械设计基础单片机应用 悬架控制ABS/ASR/VDC控制系统发动机集中控制自动变速器控制系统巡航控制SRS系统自动空调控制机械设计基础机械设计基础计算机由运算器、控制器、存储器、接口、输入设备和计算机由运算器、控制器、存储器、接口、输入设备和输出设备六个部分组成。输出设备六个部分组成。计算机的结构（冯.诺伊曼）接口接口（1）运算器:是计算机的运算部件，用于实现算术和 逻辑运算。（2）控制器:是计算机的指挥控制部件，它控
5、制计算 机各部分自动、协调地工作。运算器 和控制器常合在一起称为中央处理器，简称CPU。（3）存储器:是计算机的记忆部件，用于存放程序和 数据。按功能分为只读和随机存取存储器：）RAM随机存储器，存储的信息可以随时更改）ROM只读存储器，微处理器只能读，不能写，用于存永久的程序和数据，因此又叫程序存储器。程序存储器的类型：PROM可编程程序只读存储器EPROM紫外线擦除的可编程只存储器EEPROM电可擦除的可编程只读存储器Flash ROM闪速存储器串行EEPROMIC接口存储器（）接口一种在微处理器和外围设备之间控制数据流动和数据格式的电路称为接口。简单地说，接口就是连接两个电子设备单元的部
6、件。接口为并行和串行接口两种：）串行接口一次只能传输一位数据。串行接口由接收器、发送器和控制器三部分组成。）并行接口同时可以传输两位或两位以上数据串行和并行接口统称为输入、输出接口。（）输入设备:用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘等。（）输出设备:把计算机数据计算或加工的结果，以用户需要的形式显示或打印出来，如显示器、打印机等。机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机
7、械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础锁存器P0ALEP2RDMCS-51数据OE地址RAMWRWE二、外部数据存储器的扩展原理机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础机械设计基础 机械设计基础 （3）喷油器驱动三极管）喷油器驱动三极管
8、 大功率三极管，驱动喷油器。与大功率三极管，驱动喷油器。与T02、T03以及以及L9101组成喷油控制电路，在组成喷油控制电路，在CPU的控制下完成对喷油器的控制。的控制下完成对喷油器的控制。PIN32脚进脚进入的绝对压力传感器信号进入入的绝对压力传感器信号进入L9101，该信，该信号在号在L9101内部整形放大后送给内部整形放大后送给CPU，CPU再根据冷却液温度、进气温度、节气再根据冷却液温度、进气温度、节气门开度、空调信号等一系列修正信号确定门开度、空调信号等一系列修正信号确定发动机所需要的喷油量。发动机所需要的喷油量。CPU将计算好的将计算好的喷油量转换为电压信号通过喷油量转换为电压信
9、号通过T02、T03控制控制932RP，从而接通喷油器。此环节内若有，从而接通喷油器。此环节内若有一处不正常均会引起不喷油故障。一处不正常均会引起不喷油故障。（4左）是控制空调、油泵、左）是控制空调、油泵、EVAP电磁电磁阀、怠速电机等设备的输入开关。阀、怠速电机等设备的输入开关。（4右）是控制怠速电机、主继电器、故右）是控制怠速电机、主继电器、故障指示灯、空调继电器输出的开关。障指示灯、空调继电器输出的开关。机械设计基础机械设计基础 机械设计基础机械设计基础（8）空调、油泵、报）空调、油泵、报警灯控制警灯控制 空调继电器、燃油泵继空调继电器、燃油泵继电器、报警灯电路的控制电器、报警灯电路的控
10、制模块。该模块损环会引起模块。该模块损环会引起空调、油泵不工作，发动空调、油泵不工作，发动机故障报警灯不点亮等故机故障报警灯不点亮等故障。障。机械设计基础 机械设计基础 机械设计基础 机械设计基础 机械设计基础图1-20 发动机ECU外部接线图机械设计基础机械设计基础1、系统组成图1-21 玛瑞利单点电脑内部电路框图机械设计基础（1）、MC68HC11F1该电脑的CPU使用的是MC68HC11F1。MC68HC11F1是Motorola公司生产的高性能8位单片机，其内部结构见图1-22。机械设计基础图1-22 MC68HC11F1结构框图机械设计基础1)MC68HC11F1主要特征(1)具有M
11、C68HC11 CPU。(2)512B带区域数据保护功能的片内EEPROM。(3)1024B的片内RAM。(4)增强的16位定时器系统：包括3个输入捕获通道、4个输出比较通道、1个附加通道(可选择作为第4或第5输出通道)。(5)实时中断电路。(6)8位脉冲累加器。(7)同步外围设备接口SPI。机械设计基础(8)异步非归零码串行通信接口SCI。(9)两种省电模式：STOP、WAIT。(10)8通道8位A/D转换器。(11)CPU看门狗系统。(12)可达5MHz的总线时钟。(13)两种封装形式：68引脚PLCC封装和80引脚TQFP封装。机械设计基础2)引脚功能该电脑中采用的是68引脚PLCC封装
12、，见图3-4。机械设计基础图3-4 MC68HC11F1 68引脚PLCC封装图机械设计基础274HC24474HC244是带使能端的三态总线驱动器，引脚图见图1-23。在该电脑中，74HC244作为空调、油泵、EVAP电磁阀、怠速马达等设备的状态输入开关，输出端直接与数据总线相连。机械设计基础图3-5 74HC244引脚图机械设计基础374HC27374HC273是带复位端的8路上升沿有效的D触发器，引脚图见图1-24。在该电脑中，74HC273作为怠速马达、主继电器、故障指示灯、空调继电器等驱动信号的输出开关，输入端直接与数据总线相连。427C51227C512是64KB的8位只读存储器，
13、引脚图见图1-25。在该电脑中，27C512用来存储电脑的主程序和各种数据表格。机械设计基础图1-24 74HC273引脚图 机械设计基础 图1-25 27C512引脚图 2 2、工作原理、工作原理）电源接通后，由电源芯扯19170的8脚输出低电位的复位信号送到CPU的复位端（17脚），同时送到74HC273的清零端使其输出清零。）CPU进入启动状态，首先对内部硬件进行复位，设置相应的寄存器，然后开始Bootloader程序，进行程序装载；将M27C512中的主程序读入到内部的RAM中，并通过跳转指令进入程序运状态。3）主程序首先从数据总线D2上输出逻辑“1”（高电位），该信号经74HC273
14、锁存后从6脚输出高电位控制信号，使主继电器接通，将12V电源加到点火线圈及喷油器等外部设备。）然后通过PortE、PortA口读外部传感器信号及转速信号，通过这些信号判断车辆当前运行的工况，并根据当前工况从PortD、PortG口及数据总线（通过74HC273锁存）输出相应的驱动信号，使相应的设备进入运行状态。）然后通过PortA、PortD、PortG及数据总线（经74HC244驱动）读入相应设备的状态信息，根据这些信息对控制信号进行进一步优化和调整。逻辑电路和传感器及执行机构构成了闭环控制系统，通过反馈信号不断优化控制系统，使发动机处于最佳状态。3 3、点火控制电路、点火控制电路）磁感应式
15、传感器工作原理）曲轴位置传感器结构特点3）点火控制电路分析玛瑞利单点电脑的点火控制电路是典型的直接点火系统，该点火系统是由CPU的A口来控制的，电路如图1-30所示。系统复位后主程序将端口配置成定时器口，来自电脑引脚的转速信号(PIN11、PIN28)，经电阻送至芯片9101的第6、7脚。该信号的波形如图1-31所示，每个周期由58个小正弦波和一个大正弦波组成。机械设计基础图1-30 点火电路原理图机械设计基础图1-31 转速信号波形机械设计基础(2)转速信号经L9101内部波形整形后由其10脚输出如图1-31所示的5V脉冲信号，每个周期由58个窄脉冲和1个宽脉冲组成。该信号送到74HC14D
16、的11脚，再经反相器取反后由其10脚送至CPU端口A的35脚(PA7，驱动CPU内部的脉冲累加器)和42脚(PA0，定时器的输入端OC1)，波形如图3-11图所示。机械设计基础图1-32 L9101的10脚输出波形机械设计基础图1-33 74HC14D的10脚输出波形机械设计基础(3)CPU根据OC1收到的脉冲信号对点火时间作出判断：当CPU收到宽脉冲(对应两个缺齿)后开始计数，累计20个连续窄脉冲后判断为1缸或4缸的上止点，累计50个窄脉冲出现后判断为2缸或3缸的上止点，由此CPU计算出1、4缸和2、3缸的基本点火提前角，然后根据发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器等输入
17、信号，以及存储器中的点火提前角修正表对基本点火提前角进行修正以获得精确的点火时间。(4)由CPU的38脚(PA4，OC4)和36脚(PA6，OC2)分别输出1、4缸和2、3缸的点火驱动信号，波形如图1-34所示，每路经过两个三极管驱动后送至点火三极管控制点火线圈进行点火。机械设计基础图1-34 点火驱动信号机械设计基础(5)点火成功后，经运算放大器LM2903构成的电压比较器(2脚为反相端、3脚为同相端)，由1脚产生点火确认信号，如图1-35所示，该信号送至74HC14D的1脚经反相驱动后由其2脚送至CPU的41脚(PA1，IC2)，波形如图1-36所示，CPU通过点火确认信号对点火情况进行监
18、视。机械设计基础图1-35 LM2903的1脚输出点火确认信号波形机械设计基础图1-36 74HC14D的2脚输出波形机械设计基础电脑点火电路正常工作的四个要素：(1)有正常的转速信号送至CPU系统。(2)CPU系统能够进行正常的信息处理并输出相应的点火驱动信号。(3)执行机构(点火及驱动电路)能正常工作。(4)点火反馈信号能正常送到CPU系统。机械设计基础4.喷油电路分析1电路原理图玛瑞利单点电脑的喷油控制电路主要由CPU的端口G和定时器的OC1(PA5)来完成，电路如图1-37所示。机械设计基础图1-37 喷油控制电路原理图机械设计基础2工作原理CPU首先根据点火频率确定喷油频率(喷油频率
19、为点火频率的一半)，由CPU的37脚输出喷油驱动脉冲信号至喷油模块L9150的5脚，经L9150放大后由其2脚输出到喷油器，这是喷油电路的基本工作原理。在喷油过程中，CPU还要根据A/D转换器送来的各种传感器信号来判断当前的工况，并根据工况信息调整喷油驱动脉冲信号的宽度，从而控制喷油器的喷油量，以满足发动机各种工况的需要。喷油器的喷油量分为基本喷油量和补充喷油量两部分。机械设计基础1)基本喷油量发动机只要一转动就产生发动机转速信号和负荷状况信号，发动机转速信号由转速传感器提供，发动机负荷信号由空气流量传感器或进气压力传感器所测量的进气量而决定。CPU根据这两个信号所决定的喷油量称为基本喷油量。
20、机械设计基础2)补充喷油量电控汽油喷射系统最终的喷油量是由CPU收集各种传感器送来的信号加以计算后决定的，即供油多少是根据实际需要来确定的。在许多工况下，比如在启动或大负荷工况，除基本喷油量外，还需要有额外的喷油。冷却液温度、空气温度、节气门开度等因素都会影响喷油量的多少。机械设计基础CPU的21脚输出使能(片选)信号至L9150的1脚来控制喷油电路的启动和停止；L9150的7、8、9、10脚分别接至CPU的26、25、27、24脚，即PG3：0，用来反馈喷油脉宽的二进制信息，使CPU时刻了解喷油控制是否达到了控制目标，这是个典型的闭环控制系统，通过不断的反馈和控制，最终使喷油量与发动机的实际
21、工况相一致。1.7.216位单片机位单片机MC9S12DP256在汽车控制技术中的应用在汽车控制技术中的应用1、MC9S12DP256的特征MC9S12DP25616位微控制器是基于16位HCS12CPU及0.25m微电子技术的高速、高性能5.0VFLASH存储器产品中的中档芯片。其较高的性能价格比使其非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统。同时其较简单的背景开发模式(BDM)(如图1所示)也会使开发成本进一步降低,同时也使得现场开发与系统升级变得更加方便。MC9S12DP256的主频高达25MHz,同时片上还集成了许多标准模块,包括2个异步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输
22、入捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/O口(其中20个具有外部中断及唤醒功能)、兼容CAN2.0A/B协议的5个CAN模块以及一个内部IC总线模块;片内拥有256kB的FlashEEPROM,12kB的RAM、4kB的EEPROM。图1-36所示是其芯片结构框图。图1-36 MC9S12DP256结构框图2、MC9S12DP256的功能特点MC9S系列单片机主要有三大特点:(1)片内集成256kB的闪速存储器(Flash)。近年来,随着闪速存储器(Flash)在微控制器片内的应用走向成熟,微控制器的开发、应用又迎来了一次新的飞跃。Fl
23、ash是一种非易失性存储介质,读取它的内容同RAM的读取一样方便,而对它的写操作却比EPROM还要快。同时,在系统掉电后,Flash中的内容仍能可靠保持不变。Flash的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。由于Flash可以局部擦除,且写入、擦除次数可达数万次以上,从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。(2)应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性。在以往不使用锁相环的微控制器应用系统中,晶振电路由于其工作频率比较高(通常为几兆赫兹至几十兆赫兹)而成为一个很大的干扰源,这一问题给系统设计、线路板布局带来了很多不便。MC9S12的时钟发生系统中巧妙地使用了锁相环技术,因而可在外接几十千赫的外部
24、晶振情况下,通过软件编程产生几兆的系统时钟,从而降低了对外辐射干扰,提高了系统的稳定性。(3)简单的背景开发模式(BDM)(如图2所示)使得开发成本进一步降低,也使得现场开发和系统升级变得比较方便。此外,虽然拥有16位总线结构,但MC9S12的外部总线可根据不同的系统需求工作在8位和16位两种模式,因而能够极大地适应不同价位的系统需求。3、MC9S12DP256在汽车电子中的应用现以一个典型的汽车电子门控系统为例来说明MC9S12DP256在汽车电子中的应用,图1-38所示为该门控系统示意图,图中中央微控制器选用MC9S12DP256,图中的MC33389A、MC33884、MC33887、M
25、C33486等均为摩托罗拉的智能模拟器件。其中MC33389A可直接将汽车蓄电池电压转换成系统所需要的5V电压,还可以将点火开关信号、车门开关信号及面板开关信号由SPI接入到微控制器以进行唤醒、复位和中断等工作,同时,该器件还具有容错功能的CAN物理层驱动器。此外,它还可以将系统接入到整车网络之中;MC33884的主要作用是用来实时监测面板开关的状态并驱动面板的照明灯;MC33887可用于后视镜位置电机、后视镜折叠电机及门锁电机的驱动(如需要较大电流来驱动车窗玻璃的升降等)。实际上,该功能也可以选用MC33486配合独立的MOS驱动管一起工作;MC33290主要用于对整个系统的诊断。图1-38
26、 汽车电子门控系统示意图1.7.332位单片机位单片机MPC500在汽车控制技术中的应用在汽车控制技术中的应用1、MPC500的特征作为该领域的领头羊,MPC500系列经专门设计,满足了高速行驶汽车所需的严格的工作环境要求。整个产品系列包括无闪存的MPC561和内置1M闪存的MPC566等,以针对多种不同的应用环境。可应用于汽油机管理、直接燃油喷射、电子传动控制等动力传输系统及稳定控制系统和悬挂应用系统。MPC500系列MCU还具有浮点单元和智能时钟等创新功能,能满足控制速度和精度要求。MPC500内包含一个系统集成模组(SIM)、一个时间处理单元(TPU)、一个队列串行接口模组(QSM)、2k静态随机存储器,带有TPU仿真能力(TPURAM)。采用HCMOS技术,可进一步降低产品功耗,同时指令系统包含专用低功耗指令LP2STOP。系统时钟停止状态下,功率消耗最低。2 MPC500在汽车电子控制中的应用MPC500主要应用于新型汽车发动机管理系统中,如GM的P5、P6系列发动机管理系统。图1-39是基于32位MPC500微控制器的发动机管理系统组成方案。图1-39 MPC50032位微控制器的发动机管理系统
