鼓式制动器设计.docx

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鼓式制动器设计

鼓式制动器温度监控系统设计

鼓式制动器温度监控系统设计

摘要：

针对鼓式制动器失效问题设计了一套自动降温控制系统，主要是对制动器的温度控制，系统通过温度传感器测试刹车片实时温度，经过信号转换传给单片机进行分析处理，控制继电器淋水阀喷水降低制动器温度，以提高鼓式制动器的可靠性，保证行车制动安全。

关键词：

鼓式制动器；降温；单片机

序言…………………………………………………………1

第1章课题分析与方案论证……………………………………2

1.1课题任务分析…………………………………………………2

1.2设计方案………………………………………………………2

第2章软件使用介绍…………………………………………………3

2.1Keil软件 …………………………………………………………….3

2.2Proteus仿软真件的介绍 ………………………………………………..3

第3章单片机最小系统………………………………………………...4

3.1STC89C51RC单片机…………………………………………………4

3.2电源电路………………………………………………………8

3.3时钟电路………………………………………………………9

3.4复位电路………………………………………………………9

第4章软件电路………………………………………………………11

4.1程序流程图…………………………………………………………..11

4.2软件程序…………………………………………………………….11

4.3程序编译………………………….………………………………...16

4.2Protuse仿真…………………………………………………………18

第5章硬件电路………………………………………………………21

5.1电阻……………………………………………………………….21

5.2电容器………………………………………………………………21

5.3晶振………………………………………………………………..21

5.41N4148二极管………………………………………………………22

5.5TIP41-NPN型三极管……………………………………………….....23

5.6温度传感器DS18B20……………………………………………….….23

第6章应用系统实现………………………………………………...24

5.1硬件连接………………………………………………………….....24

5.2程序下载………………………………………………………….....25

参考文献…………………………………………………………28

致谢…………………………………………………………29

序言

司机驾车，尤其是在长时间下坡、急转弯的盘山路上行驶时要频繁地使用刹车，这就对刹车片的性能提出了较高的要求，可以这样说：

刹车系统是人身安全的重要保障。

众所周知，现在的刹车系统是利用刹车片之间的磨擦来实现减速的，但磨擦会产生热量，频繁的使用刹车，产生的大量热量不可能及时的散去，因此刹车片和车轮的温度迅速升高。

任何东西都有一个承受极限，当温度升高到一定程度时，汽车的制动效能就会下降。

尤其是鼓式制动器，由于其制动效能的稳定性较差，温度的升高很容易引起制动效能的下降。

因此可能发生刹车失灵的严重后果—直接威胁到车内人员的生命。

为此，我想到给车设计安装一个对车轮及刹车片温度进行实时监控，并能自动采取应对措施的系统来解决这个问题，从而达到提高行车的安全系数的目的。

本说明书共分为六章，第一章课题分析与方案论证；第二章对软件使用进行介绍；第三章对单片机最小系统进行分析；第四章对系统的软件进行了分析；第五章对硬件进行了分析；第六章介绍了应用系统的实现。

第1章课题分析与方案论证

1.1课题任务分析

本课题主要实现鼓式制动器温度监控，当制动器温度达到100℃时，水泵喷水，当温度达到120℃时，水泵大量喷水。

在Protuse仿真时，用电机代替水泵，当温度达到100℃时电机开始转动，当温度达到120℃时，电机快速转动。

本设计将介绍一种基于单片机的温度控制系统。

该系统采用STC89C51单片机为核心，通过STC89C51单片机驱动数字温度传感器DS18B20，从而驱动水泵。

1.2方案论证

1.2.1方案一

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测试温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。

1.2.2方案二

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测量温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。

第2章软件使用介绍

2.1Keil软件 

KeilC51是美国KeilSoftware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语言来开发，体会更加深刻。

KeilC51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KeilC51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。

2.2Proteus仿软真件的介绍 

Proteus是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。

该软件的特点：

（1）全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。

（2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、1 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

（3） 目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、 PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

（4）支持大量的存储器和外围芯片。

总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。

第3章单片机最小系统

3.1STC89C51RC单片机

MCS-51系列单片机常用机型有8051、8751、89C51等，简称51单片机，均使用Intel8051内核，指令系统与引脚完全兼容，仅内片ROM形式有所不同：

分别为PROM、EPROM、EEPROM。

而STC89C51RC单片机是新一代超强抗干扰/高速/低功率的单片机，指令代码完全兼容传统80C51单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。

STC89C51RC具有以下特点：

1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU。

2）工作电压：

5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）。

3）工作频率范围：

0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz.实际工作频率可达48MHz。

4）用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节。

5）片上集成512字节RAM。

6）通用I/O口（27/23个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏；每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。

7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器。

可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。

8）EEPROM功能。

9）看门狗。

10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）。

11）时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器；用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟；常温下内部R/C振荡器频率为：

5.2MHz～6.8MHz；精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是4MHz～8MHz。

12）共2个16位定时器/计数器。

13）外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

14）PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可支持）。

15）ADC,10位精度ADC，共8路。

16）通用异步串行口（UART）。

17）SPI同步通信口，主模式/从模式。

18）工作温度范围：

0-75℃/-40-+85℃。

19）封装：

PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20。

图3-1STC89C51RC单片机

图3-2STC89C51RC单片机引脚图

STC89C51RC有40条引脚，共分为端口线、电源线、控制线三类,现将各引脚分别说明如下：

1.电源线。

Vcc：

+5V电源电压。

Vss：

+5V电源地端。

2.端口I/O（P0、P1、P2、P3）。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表1-1所示：

表1-151单片机P3口引脚的第二功能

引脚

第二功能

P3.0

RXD

（串行输入口）

P3.1

TXD

（串行输出口）

P3.2

/INT0

（外部中断0）

P3.3

/INT1

（外部中断1）

P3.4

T0

（记时器0外部输入）

P3.5

T1

（记时器1外部输入）

P3.6

/WR

（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD

（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

3.控制线。

1）.外接晶体引脚:

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2）.RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

3）.ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

4）./PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

5）./EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

综上所述，51单片机的引脚从名称上反映出功用，并且具有下列特点：

（1）功能多，引脚数少，许多引脚具有第二功能。

（2）对外呈三总线形式：

地址总线：

P0口、P2口合成16位。

数据总线：

P0口8位。

控制总线：

由ALE、/PSEN、RST、/EA、/INT0、T0、T1、/WR、/RD共10个引脚构成。

要让单片机“动起来”的基本前提是具有提供给单片机的电源、时钟和复位电路，这就是“单片机最小系统”。

STC89C51RC单片机最小系统，其中，电源、晶振电路、复位电路的硬件连接是常用的标准电路。

3.2电源电路

题目：

鼓式制动器温度监控系统

要求：

当温度达到100度时，电机开始转动。

当温度达到120度时，电机加速转动。

图3-3鼓式制动器温度监控系统模拟图

本次试验的电源电路采用USB接口的供电方式，以导线接USB+5V口，另一端插面包板左竖列孔。

USB的GND用导线接至右端孔。

元器件在面包板上装好后，将元器件的正极汇集至左竖列孔，元件接地端汇集至右端。

如下图3-4：

图3-4插在电脑上的USB口供电图

3.3时钟电路

MCS-51单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡电路，XTAL1为振荡电路的输入端，XTAL2为振荡电路的输出端。

MCS-51的时钟可以由内部方式或外部方式产生。

内部方式时钟电路利用MCS-51内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡。

定时元件一般采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。

晶体可以在1.2至12MHz之间任选，电容可以在5至30pF之间选择，电容C01，C02的大小，可起频率微调作用。

上述电路可以用示波器观察到XTAL2输出的正弦波。

外部方式的时钟电路，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，但需保证脉冲宽度，通常为频率低于12MHz的方波信号。

图4-5时钟电路-内部（左）外部（右）

3.4复位电路

STC89C51RC复位就是在满足51最小系统其他工作条件下，让RST管脚保持高电平（通常0.7Vcc以上电压）维持至少两个机器时钟，以引导单片机复位，之后RST管脚恢复为低电平。

一般有手动复位和自动上电复位两种。

图4-6两种复位电路

图4-6（a）为上电自动复位电路。

上电瞬间RST/Vpd端的电位与Vcc相同，随着RC电路充电电流的减少，RST/Vpd端的电位逐渐下降。

只要该端保持10ms以上的高电平就能使MCS-51单片机有效地复位。

图4-6（b）为按钮复位电路。

当按下复位按钮时，电源对外接电容充电，是RST/Vpd端为高电平。

复位按钮松开后，电容通过内部下拉电阻放电，逐渐使RST/Vpd端恢复低电平。

而本次实验选用的是上电复位。

第4章软件电路

4.1程序流程图

Y

N

Y

N

Y

N

图4-1程序流程图

4.2软件程序

#include"REG51.H"

#include"INTRINS.H"

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

uchartemp;

uinttemperature=0;

uinttemperature1=0;

sbitDQ=P1^1;

sbitFAN=P1^0;

unsignedintvalue,a,b;

//*************************************

延时函数

*************************************//

voidDelay（uinttime）//大约延时2×time+5us

{

while（time--）;

}

//*************************************

DS18B20初始化函数

*************************************//

voidInit_18B20（void）

{

DQ=1;//初始为高

Delay（10）;//延时15us左右

DQ=0;

Delay（80）;//延时480～960us

DQ=1;

Delay（30）;//延时等待

}

//*************************************

DS18B20读一字节函数

*************************************//

unsignedcharReadOneChar（void）

{

unsignedchari=0;

unsignedchardat=0;

for（i=8;i>0;i--）

{

DQ=0;

dat>>=1;

DQ=1;

if（DQ）dat|=0x80;//从最高位开始读

Delay（15）;

}

return（dat）;

}

//*************************************

DS18B20写一字节函数

*************************************//

voidWriteOneChar（unsignedchardat）

{

unsignedchari=0;

for（i=8;i>0;i--）

{

DQ=0;

DQ=dat&0x01;//从最低位开始写根据时许来写的

Delay（5）;

DQ=1;

dat>>=1;//数据右移一位

}

}

//*************************************

读取温度函数

*************************************//

unsignedintRead_Temperature（void）

{

EA=0;

Init_18B20（）;

WriteOneChar（0xCC）;//发送跳过ROM指令

WriteOneChar（0x44）;//发送存储器命令

Init_18B20（）;

WriteOneChar（0xCC）;//发送跳过ROM指令

WriteOneChar（0xBE）;//读暂寄存器命令

a=ReadOneChar（）;//低八位

b=ReadOneChar（）;//高八位

value=（b<<8）|a;//将低八位，高八位合起来到一个变量中

return（value）;

EA=1;

}

voidInitTimer0（void）

{

TMOD=0x01;//16位定时器模式

TH0=0xD8;

TL0=0xF0;

EA=0;//关掉所有的中断

ET0=1;//T0的中断

TR0=0;//T0不计时

}

//**********************************************************

函数说明：

主函数

**********************************************************//

voidmain（void）

{

InitTimer0（）;

while

（1）//主循环

{

temperature=Read_Temperature（）;

temperature1=temperature&0x0fff;

if（（temperature&0xf000）==0xf000）

{

FAN=0;

EA=0;

TR0=0;

}

else

{

if（temperature1<0x0640）

{FAN=0;EA=0;TR0=0;}

if（（temperature1>=0x0640）&&（temperature1<0x0780））

{EA=1;TR0=1;}

if（0x0780<=temperature1）

{FAN=1;EA=0;TR0=0;}

}

}

}

voidTimer0Interrupt（void）interrupt1

{

TH0=0xD8;

TL0=0xF0;

FAN=~FAN;

}

4.3程序编译

将已经编好的程序复制下来，在KeiluVision3软件中进行编译，打开KeiluVision3，点击工程，然后新建工程。

然后在桌面上新建一个文件夹，打开文件夹，取文件名为“1”。

如图4-2

图4-2新建文件夹

然后选择Atmel-AT89C51，如图4-3所示：

图4-3选择Atmel-AT89C51

然后将编好的程序复制进来进行编译，编译好后进行添加，如图4-4所示：

图4-4编译程序

生成“1.hex”件，如图4-5所示：

图4-5生成hex文件

4.3Protuse仿真

4.3.1Proteus中各元件的元件图

4.3.1.1AT89C51截图，如图4-6：

图4-6单片机AT89C51

4.3.1.2DS18B20截图，如图4-7：

图4-7温度传感器DS18B20

4.3.1.3直流电动机截图，如图4-8：

图4-8直流电动机

4.3.2Proteus仿真电路，如图4-9，4-10，4-11

图4-9仿真图（未运行状态）

图4-10仿真图（温度大于100℃小于120℃）