手剎自動到位檢測裝置及手剎助力裝置設計,手剎自動到位檢測裝置及手剎助力裝置設計,自動,到位,檢測,裝置,助力,設計 目 錄 摘要 關鍵字 1 前言 1.1 研究意義 1.2 手剎的工作原理 1.3 手剎裝置的分類 1.4 課題研究內容（現存手剎安全隱患） 2 系統(tǒng)總體設計方案 2.1 系統(tǒng)功能分析 2.2 系統(tǒng)原理框圖 2.3 控制芯片的選擇 2.4 本章小結 3 手剎到位檢測裝置設計 3.1 檢測原理及電路設計 3.1.1 手剎拉緊到位檢測功能設計 3.1.2 手剎松放到位檢測功能設計 3.2 LED提示功能的設計 3.3 聲音提示功能的設計 3.4 本章小結 4 傳感器部分設計 4.1 傳感器介紹 4.2 測力傳感器 4.2.1 測力傳感器的工作原理 4.2.2 壓力傳感器結構框圖 4.3 傳感器設計選型 4.4 本章小結 5 手剎助力裝置設計 5.1 助力裝置介紹 5.2 手剎助力裝置機械結構設計 5.3助力裝置工作原理 5.4 電機選型設計 5.4.1 剎車電機的特點 5.4.2 電機的選型 5.5 步進電機驅動芯片 5.6 本章小結 6系統(tǒng)軟件的設計 6.1系統(tǒng)軟件主要特色 6.1.1 軟件分層結構 6.1.2 多任務結構 6.2 消息驅動結構 6.3 電機轉動任務的軟件設計 6.4 本章小結 7 結論 致謝 參考文獻  摘要 本設計主要目的在于解決現有技術中存在手剎是否到位無法做出提示，新人會誤以為車輛已處于正常停車狀態(tài)，形成安全隱患的問題，提供一種能夠對手剎自動到位檢測裝置，以及設計一種手剎助力裝置輔助手剎操作，提高手剎操作效率，使手剎操作更方便。 本設計所采用的手剎到位檢測技術方案是：汽車手剎檢測裝置由電源電路供電，包括設置在手剎處的手剎位置傳感器、應力應變傳感器、主控制器，主控制器的輸出端與汽車駐車顯示燈及提醒蜂鳴器連接。當手剎拉上時，剎車卡鉗夾住輪轂產生一定應力，觸發(fā)應力傳感器傳輸至主控制器，輸出控制信號控制汽車顯示燈“紅燈（駐停）”亮，同時發(fā)出“嘀——嘀”長程提示聲，提示剎車已拉上；當手剎釋放時觸發(fā)紅外位置傳感器，傳輸至主控制器，由主控制器輸出控制信號控制汽車顯示燈“綠燈（行駛）”亮，同時發(fā)出“嘀嘀滴”短程提示聲，提示剎車已松開。采用紅外位置傳感器和應力傳感器保證了只有手剎完全到位的時候才會發(fā)出相應提示。 本設計所采用的手剎助力裝置設計方案是：采用按鍵輸入控制信號至主控制器，再采用單片機控制電機技術轉動螺桿，推出制動活塞，使得剎車卡鉗卡死輪轂達到助力剎停駐車的效果。本設計裝置結構簡單，可靠性能好，具有一定的推廣應用價值。 關鍵字：手剎；檢測裝置；助力裝置；壓力傳感器；單片機. 1 前言 1.1 研究意義 剎車系統(tǒng)是汽車中最重要的部件，因為它影響的不僅是汽車的行駛性能，還直接關系到人類的生命安全。 車主在汽車使用過程中往往非常重視行車制動系統(tǒng)的安全性和可靠性，往往忽視了駐車制動系統(tǒng)，也就是我們常說的“手剎”。汽車在使用過程中，手剎的使用頻率非常高，而手剎也并非是“萬能保險”，其安全性和可靠性效能會隨使用次數的增加而不斷下降，也就是說在汽車使用過程中，手剎的安全可靠效能與行車制動系統(tǒng)同樣重要，因為手剎發(fā)生故障或使用不當而引起的事故屢見不鮮[1]。 手剎屬于輔助制動系統(tǒng)，主要借助人力，一般在停車的時候，為了防止車輛自行溜車而設立的。 1.2 手剎的工作原理 手剎的專業(yè)稱呼是輔助制動器，與制動器的原理不同，其是采用鋼絲拉線連接的，在變速箱后，與傳動軸連接的地方有一個制動盤，類似盤式制動器的(當然也有鼓式的)，然后通過鋼索，將拉力傳動到那，從而實現駐車制動。 有的是利用一個液壓輔缸，拉動手剎后，推動車下邊的液壓總缸運動，然后帶動氣閥（之所以這么設計，是為了駕駛室不聽到那些空氣的聲音），氣閥動作之后，制動傳動軸（汽車手剎只剎傳動軸的），當完成制動傳動軸之后，如果是普通的卡車則利用手剎桿的鋼索拉動拉實現長期剎車，如果是比較高檔的卡車，比如沃爾沃的，則使用電控制，上面當你推動手剎的時候，事實上有一個電動拽引機已經啟動，在空氣制動完成之后他就拉近鋼索并且鎖定，當然也有直接拉制動器的。 1.3 手剎裝置的分類 目前，絕大多數轎車和輕型汽車，它們的手剎系統(tǒng)都是作用在后輪上。從工作形式上來劃分，主要有兩種：鼓式制動和盤式制動。而從結構設計上又分為以下四種[2]： l 基于盤式剎車的手剎（圖1a）：對于后輪是盤式剎車的車型來說，手剎拉線直接控制卡鉗來實現輔助制動。 l 基于鼓式剎車的手剎（圖1b）：家用轎車的設計理念是經濟實惠，由于成本的限制，很多車型都是前盤后鼓的剎車形式，這類轎車的手剎是基于后橋的鼓式剎車實現的，拉動手剎時通過拉線控制后輪剎車蹄片實現制動。 l 盤式剎車鼓式手剎：這種手剎裝在后剎車盤中心位置的剎車鼓中，手剎拉線控制蹄片，獨立與盤式剎車控制. l 獨立剎車卡鉗（小眾車型）：這種手剎系統(tǒng)多出現在超跑身上，因為部分車型使用的都是名家生產的多活塞高性能剎車系統(tǒng)，沒有附帶手剎系統(tǒng)，所以會專門設計一個獨立的手剎小卡鉗。當然這類手剎可見率也是非常低的。 從結構上來講，前兩種手剎的制造成本比較低，就是在后橋剎車系統(tǒng)上加裝了一個單獨的拉線來控制制動器，或是鼓式或是盤式，多用于經濟實惠的家用車。 以上的手剎系統(tǒng)，結構略有區(qū)分但作用都是一樣的，就是幫助車輛駐車后的輔助制動。 a b 圖1 盤式手剎（a）和鼓式手剎（b） Fig.1 Disc handbrake (a) and Drum handbrake (b) 從操作方面分為機械手剎和電子手剎兩種。前者通過拉動機械傳動裝置的方式完成手剎操作，而后者采用電子按鍵傳遞信號控制相應執(zhí)行裝置完成手剎操作。其主要區(qū)別僅在于使用方式不同而已，但最后都是要驅動相應執(zhí)行裝置完成動作。 1.4 課題研究內容（現存手剎安全隱患） 對于最常見的機械手剎來說，首先要注意不能每次駐車時都狠狠地拉起來，特別不能拉到頭，因為金屬過度拉伸或者是長時間保持拉伸都會加快形變，導致加速手剎拉線的制動衰退。 在冬季的冰雪天氣行駛時，擋泥板內側會淤積很多積雪，這些積雪可能會覆蓋到手剎拉線上，將其凍住，再次啟動時就很可能因為手剎無法釋放而不能行駛。 中國專利公開號CN2635449U，公告日2004年8月15日，公開了一種汽車駐車制動提醒器，所述的汽車駐車制動提醒器是將車速信號轉換成數字信號的集成運算放大器，集成運算放大器的輸出端和駐車制動信號分別接到單片機的輸入引腳上，單片機的輸出端鏈接有由單片機控制的發(fā)聲裝置。此技術方案也只能實現提醒拉手剎的作用，對于手剎是否到位無法做出提示，新人會誤以為車輛已處于正常停車狀態(tài)，形成安全隱患。 手剎棘爪復位不良問題[3] 。手剎總成出現棘爪卡死、不能復位現象。棘爪通過棘爪鉚釘鉚接在操縱臂“U”型槽內部，分析故障件發(fā)現在“U”槽內棘爪與操縱臂之間無間隙，實測間隙為0mm，用塞尺測棘爪鉚釘大端與操縱臂外部間隙為0.2mm，即棘爪被卡死在操縱臂“U”槽內不能轉動。棘爪通過棘爪鉚釘裝配到操縱臂孔中，當操縱臂U槽壁上的兩個棘爪鉚釘裝配孔同軸度不合格時，棘爪鉚釘端面與操縱臂貼合不好，從而造成間隙。而手剎在制動力的作用下，棘爪鉚釘發(fā)生旋轉，擠壓操縱臂“U”槽開口，慢慢將操縱臂與棘爪內部間隙轉到外部，當操縱臂與棘爪處無間隙時，棘爪則容易被卡死在操縱臂內，不能復位。 本課題的主要內容是設計一款合適的手剎自動到位檢測裝置及手剎助力裝置，幫助解決現存的手剎是否到位無法提醒，及手剎容易變形壽命短等問題，并幫助實現手剎操作更簡易化。 2 系統(tǒng)整體設計方案 2.1 系統(tǒng)功能分析 按照設計要求，手剎自動到位檢測裝置及手剎助力裝置可以分為以下幾個基本功能模塊：手剎到位檢測模塊、傳感器模塊、手剎助力裝置模塊、軟件設計。 有些模塊的功能是由硬件或機械完成，有些模塊的功能由軟、硬件配合完成，有些模塊則是由軟件、硬件、機械三部分共同完成。 將系統(tǒng)拆分成以上的這些基本功能模塊后，再根據各個模塊所要完成的功能分別去設計，也就是按照“逐步求精”的思想去設計本系統(tǒng)，這將使設計工作細化，也有助于制定進度安排[4] 。 2.2 系統(tǒng)原理框圖 本設計所采用的手剎到位檢測技術方案是：汽車手剎檢測裝置由電源電路供電，包括設置在手剎制動處的壓力傳感檢測模塊、紅外位置檢測模塊、主控制器，主控制器的輸出端與汽車駐車顯示燈及提醒蜂鳴器連接。當手剎釋放時觸發(fā)位置傳感器，傳輸至主控制器，由主控制器輸出控制信號控制汽車顯示燈“綠燈（行駛）”亮；當手剎拉上時，剎車卡鉗夾住輪轂產生一定應力，觸發(fā)應力傳感器傳輸至主控制器，輸出控制信號控制汽車顯示燈“紅燈（駐停）”亮，同時發(fā)出“嘀嘀”短程提示聲，提示剎車已拉上。采用應力傳感器保證了只有手剎完全到位的時候才會發(fā)出相應提示。 本設計所采用的手剎助力裝置設計方案是：采用按鍵輸入控制信號至主控制器，再采用單片機控制電機提供轉矩，通過減速機構和傳動機構轉動心軸螺桿，推動或收回制動活塞，使得剎車卡鉗卡死輪轂達到助力剎停和取消制動的效果。 主控單片機 “手剎拉緊”按鍵 “手剎松放”按鍵 步進電機 顯示燈提示 紅外位置檢測模塊 壓力傳感器 圖2 系統(tǒng)原理框圖 Fig.2 System principle block diagram 蜂鳴器提示 制動活塞 系統(tǒng)原理框圖如圖2所示： 2.3 控制芯片的選擇 AT89S52單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。AT89S52單片機的基本結構如圖3所示，其主要性能如下[5] ： 與MCS-51單片機產品兼容 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 三級加密程序存儲器 32個可編程I/O口線 三個16位定時器/計數器 八個中斷源 全雙工UART串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 看門狗定時器 雙數據指針 掉電標識符 時鐘電路 ROM RAM 定時器/計數器 CPU 并行接口 串行接口 中斷系統(tǒng) TXD RXD INT0 INT1 P0~P3 T0 T1 圖3 單片機的基本結構 Fig.3 The basic structure of single chip microcomputer 2.4 本章小結 本章系統(tǒng)的分析了手剎自動到位檢測裝置及手剎助力裝置的功能需求，并相應的針對設計了若干個不同的功能模塊，每個模塊相互之間獨立運作，并選用AT89S52單片機作為控制芯片，減小系統(tǒng)結構的同時能提高響應速率。 3 手剎到位檢測裝置設計 3.1 檢測原理及電路設計 對于手動擋車型，手剎一般布置在副儀表臺上，主要作用是在暫時停車休息或者是長久停車后，對車后輪施加一定的制動力防止車輛溜走的功能?，F有車型，當手剎拉起時會觸發(fā)控制開關，在儀表上顯示駐車制動的信號燈，但這個只是圖像顯示，并沒有手剎是否到位或制動是否緊固等其他方面的提示，當駕駛員從車上下來手剎卻沒拉到位時，如果此時車輛剛好停在小坡上，或是人走后被旁人推動的話，將是非常危險的事情[6] 。所以，對于手動擋車型來說，停車后的手剎安全拉起到位的檢測提醒就顯得非常重要了。 手剎到位檢測功能包括兩部分：一、手剎拉緊到位檢測；二、手剎松放到位檢測。 3.1.1 手剎拉緊到位檢測功能的設計 圖4 手剎拉緊到位檢測電路圖 Fig.4 Detection of hand brake tense in position circuit diagram 當手剎拉上時，剎車卡鉗夾住輪轂將會產生一定應力，采用測力傳感器來控制監(jiān)測手剎是否拉緊，保證了只有手剎完全到位鎖住剎盤的情況才會發(fā)出提示，這樣就大大降低了剎車狀態(tài)誤導駕駛員而發(fā)生意外情況的可能性。應力傳感器將信號傳輸至主控制器，并由單片機輸出控制信號點亮汽車顯示燈“紅燈（駐停）”，同時發(fā)出“嘀嘀”短程提示聲，提示剎車已拉上。 這里測力傳感器的選用將會在后面第四章單獨講解。 3.1.2 手剎松放到位檢測功能的設計 相對于手剎到位檢測設計，手剎松放時也需要到位檢測裝置，以保證手剎功能的完善，對車主能夠直觀了解手剎是否已放松及是否可以行車有重要提示功能。 如圖5所示，在紅外發(fā)射管和接收管之間無遮擋時，電壓比較器輸出低電平；當之間有遮擋時，電壓比較器輸出高電平。當制動活塞頂出時，活塞正好能遮擋住紅外對管，此時電壓比較器輸出一個高電平；當制動活塞收回到指定位置時，輸出低電平，單片機接收到由高電平轉低電平的信號，便發(fā)出指令電機剎停，并且點亮“綠燈（行駛）”。 圖5 紅外對管檢測電路 Fig 5 Infrared to tube detection circuit 3.2 LED提示功能的設計 圖6 LED提示電路圖 Fig.6 LED circuit diagram for reminding 采用一個上拉電阻點亮LED方式，提示當前手剎狀態(tài)，能對駕駛者進行直觀有效的提醒，“紅燈（駐停）”點亮即表示手剎已拉上到位；“綠燈（行駛）”點亮即表示手剎已經松放，車輛處于可以行駛的狀態(tài)。 3.3 聲音提示功能的設計 和狀態(tài)指示燈的設計目的一樣，給手剎到位檢測裝置加入聲音提示功能也是為了更直觀地顯示各種狀態(tài)。在手剎拉緊到位后，蜂鳴器將“嘀——嘀”長響兩聲，及時的提示駕駛員已經完成駐停任務；在手剎松放到位后，蜂鳴器將“嘀嘀滴”短程響三聲，及時的提示駕駛員已經完成手剎已松放，可以行駛了。該功能很有必要，因為單純唯一的LED燈顯示，在駕駛者忙亂中還是容易被忘記觀察，忽視了手剎狀態(tài)盲目停車或啟動同樣起不到安全防護的作用。加入了聲音提示功能后，手剎狀態(tài)有沒有變更狀態(tài)完成相應的指令，便很容易就能知道了。本設計中所采用的蜂鳴器使用很簡便，只需給其正負端加上5V左右的電壓就能夠發(fā)出聲音，在其內部已經含有一個振蕩電路[6] 。工作電流大約10mA，因此可以用P0口的某一位直接驅動。 圖7 蜂鳴器聲音提示電路圖 Fig.7 Circuit diagram of Buzzer sound reminding 聲音提示功能被設計成一個單獨的任務，原因是為了能讓蜂鳴器響若干聲，而同時單片機又能做其他的事情。其他模塊通過beep(n)函數設置靜態(tài)變量n_beep，告訴聲音提示模塊需要響n聲，大約50毫秒響一聲后自動會將n_beep減去1，一直減到0后不再發(fā)聲。 3.4 本章小結 本章介紹了手剎到位檢測裝置，包括拉緊到位檢測和放松到位檢測。本設計采用了壓力傳感器來檢測拉緊到位，確保剎車卡鉗不會出現只接觸到輪轂而沒實際作用摩擦力的“虛剎”現象。采用紅外位置檢測電路檢測松放到位，可以確保剎車卡鉗確實離開輪轂，在行駛過程中不會出現不必要的磨損，延遲剎車片的壽命。 而作為檢測手剎到位最重要的部分——傳感器，其選型和使用是有一定的原則和意義的，下一章將要介紹傳感器的選型設計。 4 傳感器部分設計 4.1 傳感器介紹 傳感器是能感受規(guī)定的被測量、并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成(GB766-87)。 目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的器件或裝置。獲得傳感器信號的兩種方法：直接獲得電信號的變化（開關傳感器）；將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）[7] 。 傳感器在非電量電測系統(tǒng)中的作用： 1）敏感作用：感受并拾取被測對象的信號。 2）變換作用：被測信號轉換成易于檢測和處理的電信號。 4.2 測力傳感器 4.2.1 測力傳感器的工作原理 測力傳感器原理：有一個或多個能在受力后產生的彈性體，和能感應這個形變量的電阻應變片組成的點錢電路，以及能把電阻應變片固定粘貼在彈性體上并能傳導應變量的粘合劑和保護電子電路密封膠等三大部分組成測力傳感器。在受力作用后，粘貼在彈性題的應變片隨之產生形變引起電阻變化，電阻變化使組成的電橋失去平衡輸出一個與外力成線性正比變化的電量信號，從而實現由非電量到電量的轉變。 力學傳感器的種類繁多，根據被測力學的不同，力傳感器可分為：電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性[9] 。 4.2.2 壓力傳感器結構框圖 放大器 相敏檢波器 濾波器 指示或記錄器 電源 振蕩器 1 2 3 4 5 6 圖8 壓力傳感器結構框圖 Fig.8 Pressure sensor structure diagram 壓阻式壓力傳感器主要由電橋，振蕩器，放大器，相敏檢波器，濾波器，指示或記錄器，電源等部分構成。 其中，各處產生的波形為： 1-供橋電源波形（載波） 2-被測信號波形（調制波） 3-電橋輸出波形（已調波） 4-放大后波形 5-相敏檢波器解調后波形 6-經濾波器后波形 (1) 電橋：多采用惠斯登電橋，通常采用比較高頻的正弦波供橋，以便使用窄頻帶的交流放大器對已調幅波進行放大。 (2) 放大器：其作用是將電橋輸出的微弱信號進行放大，以便得到足夠功率去推動指示儀表或記錄器。 (3) 振蕩器：作用在于產生一個頻率。振幅穩(wěn)定，而波形良好的正弦交流電壓，可作為電橋的電源和相敏檢波器的參考電壓。 (4) 相敏檢波器：經放大后的波形仍為調幅波，必須用檢波器將它還原（解調）為被檢測應變信號的波形。 (5) 濾波器：由相敏檢波器輸出的被檢測應變波形中仍殘留有載波信號，必須濾掉，方能得到被檢測應變信號的正確波形。 (6) 指示儀器或記錄器：顯示和記錄信號。本設計中采用單片機AT89S52將采集的信號被存入EEPROM中。 (7) 電源：是保證傳感器中放大器、振蕩器等單元電路正常工作所需的能量供給器。一般由整流器，濾波器和電子穩(wěn)壓器等部分組成。 4.3 傳感器設計選型 壓力傳感器是一種將壓力變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的計量器具，而且其輸出信號與壓力變量之間有一給定的連續(xù)函數關系。主要用于工業(yè)過程壓力參數的測量和控制[10] 。選用方案如下： 　　1、確認測量壓力的類型。壓力類型主要有表壓、絕壓、差壓等；表壓是指以大氣壓力為基準，小于或大于大氣壓力的壓力；絕壓是指以絕對壓力零位為基準，高于絕對壓力零位的壓力；差壓是指兩個壓力之間的差值。本設計中為表壓。 2、確認待測壓力范圍。一般情況下，按實際測量壓力為壓力傳感器測量范圍的80%選型。一般剎車或緊急剎車，以目前轎車施加的力量來計算約為20～40公斤，日系車較輕，歐美系較重。換算成牛頓力大約在196~392N之間。故測力范圍應該在245~490N之間。 3、確認系統(tǒng)的最大過載。系統(tǒng)的最大過載應小于壓力傳感器的過載保護極限，否則會影響產品的使用壽命甚至損壞產品。美國精量壓力傳感器都有2倍測量范圍的過載保護。 圖9 PLD204M?型壓力傳感器及其尺寸分布 Fig.9 PLD204M?Pressure sensor diagram and its size distribution 4、確認準確度等級。壓力傳感器的測量誤差按準確度等級進行劃分，不同的準確度對應不同的基本誤差限；實際應用中，根據測量誤差的控制要求并本著適用經濟的原則進行選型。 根據工作溫度、測力介質和接觸材質的兼容性，綜合考慮后選用PLD204M?型號測力傳感器，其量程完全能滿足使用需要，且經濟實用。 4.4 本章小結 本章詳細介紹了壓力傳感器的選型過程，對滿足系統(tǒng)的精準性有非常重要的意義。 一般情況下，按實際測量壓力為壓力傳感器測量范圍的80%選型。一般剎車或緊急剎車，以目前轎車施加的力量來計算約為20～40公斤，日系車較輕，歐美系較重。換算成牛頓力大約在196~392N之間。故測力范圍應該在245~490N之間。根據工作溫度、測力介質和接觸材質的兼容性，綜合考慮后選用PLD204M?型號測力傳感器，其量程完全能滿足使用需要，且經濟實用。 5 手剎助力裝置設計 5.1 助力裝置介紹 設計助力裝置的目的是減小人工操作的復雜性，減少手拉手剎制動時的拉力。傳統(tǒng)手剎裝置需使用人工拉動鋼索，推動制動卡鉗直接提供制動力，這種方式需要駕駛員有一定的腕力才能辦到，使用十分不便。因而現在不少汽車制造商都在尋求一種更簡單實用的結構設計來改良車輛剎車系統(tǒng)，以獲得更好的用戶體驗[11] 。 5.2 手剎助力裝置機械結構設計 手剎助力裝置機械結構主要由電機、傳動皮帶、減速機構、心軸螺桿（內含壓力傳感器）、制動活塞幾個部分組成。 其中電機提供轉動力矩，通過傳動皮帶和減速機構作用在心軸螺桿上，推動制動活塞伸出，剎車盤抵住制動盤從而提供制動力，其中心軸螺桿內含有壓力傳感器。 整體結構設計示意圖如下： 圖10 手剎助力裝置整體結構示意圖 Fig.10 Hand brake booster device structure diagram 5.3 助力裝置工作原理 拉動手剎駐停功能：當撥動手剎按鍵至“手剎拉緊”位置時，控制中心輸出信號控制電機正向轉動，通過減速機構和傳動機構驅動心軸螺桿推出制動活塞，活塞抵住制動盤進行制動鎖死，當剎車盤制動力達到一定值時，壓力傳感器反饋信號回控制中心，控制中心發(fā)出指令停止電機制動，制動完成。 放松手剎行走功能：當撥動手剎按鍵至“手剎松放”位置時，控制中心輸出信號控制電機反向轉動，通過減速機構和傳動機構驅動心軸螺桿收回制動活塞，但活塞收回一段距離后，紅外位置傳感器檢測到信號反饋回控制中心，控制中心發(fā)出指令停止電機制動，手剎松放動作完成。 5.4 電機選型設計 5.4.1 剎車電機的特點 剎車電機有較高精度的定位要求。作為剎車電機應該具備：剎車迅速，定位準確，安全可靠，剎車系統(tǒng)可互換使用，結構要簡單，更換維修簡便等特點。很多工廠需要剎車電機來控制電機慣性，達到要求的準確定位，來實現機械的自動工作。剎車電機用途非常廣泛，機械設備各個領域都能見到其身影。如各種機床、印刷機械、鍛壓機、運輸機械、包裝機械、食品機械、建筑機械、木工機械等要求快速停止、準確定位、往復運轉、防止滑行的各種機械中作主軸傳動和輔助傳動[12]。 剎車電機分為：直流剎車電機，交流剎車電機。直流剎車電機需要安裝整流器，整流后的電壓為99V，170V或90－108V，直流剎車電機因為要經過整流電壓，最快剎車時間在0.6秒左右。交流剎車電機因為直接380V電壓，不需整流，剎車時間可以在0.2秒內完成。直流剎車電機結構簡單，造價便宜，發(fā)熱比較快容易燒毀電機。交流剎車電機結構復雜，造價比較高，剎車效果明顯，經久耐用，是自動化控制比較理想的動力。 但由于本設計考慮到電機要經常改變速度還要頻繁正反轉還要中途急停還要停得比較準確，因此本設計中選擇采用步進電機。 5.4.2 電機的選型 選擇電機需要進行以下計算： （1）計算齒輪的減速比 根據所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下: i=(φ*S)/(360*Δ) (1) 式中φ---步進電機的步距角（o/脈沖），取1.8° S---絲桿螺距（mm)，取15mm Δ---(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （2） 式中Jt---折算至電機軸上的慣量(Kg·cm·s2) J1、J2 ---齒輪慣量(Kg·cm·s2) Js ----絲桿慣量(Kg·cm·s2) W---工作臺重量（N） S---絲桿螺距（cm） （3）計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf （3） Ma=（Jm+Jt)*n/T×1.02×102 （4） 式中Ma---電機啟動加速力矩（N·m) Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg·cm·s2) n---電機所需達到的轉速（r/min） T---電機升速時間（s） Mf=(u*W*s)/(2π*ηi)×102 （5） Mf---導軌摩擦折算至電機的轉矩（N·m) u---摩擦系數，取0.05 η---傳遞效率 （4）負載起動頻率估算。負載參數無法精確確定,則可按下式進行估算 fq=1/2fq0 （6） 式中fq---帶載起動頻率（Hz） fq0---空載起動頻率 （5）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（5）和式（6）計算， 電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2 ～0.4)Mmax. 最后通過數據計算暫時選擇相電流:6A；轉矩8 N*m；轉動慣量：9700 g*cm2；步距角為0.9/1.8°的110BYG250B-0602步進電機，其減速比為19:1. 5.5 步進電機驅動芯片 本設計中已經選好的步進電機，體積小、性能好、使用方便，并且有專門的驅動芯片KA2821D。驅動芯片引腳如圖11所示，脈沖的輸入、輸出信號具體時序如圖12所示。當控制信號的周期為40Hz左右時，步進電機工作在最佳狀態(tài)。 圖11 步進電機芯片驅動電機電路圖 Fig.11 Stepping Motor chip drive motor circuit diagram A ā B B A-CH in B-CH in 圖12 步進電機控制時序 Fig.12 Stepping motor control timing 5.6 本章小結 本章主要介紹了手剎助力裝置的設計，采用了電機提供轉動力矩，通過傳動皮帶和減速機構作用在心軸螺桿上，推動制動活塞伸出，剎車盤抵住制動盤從而提供制動力，其中心軸螺桿內含有壓力傳感器。采用電機作為手剎助力裝置能滿足較高精度的定位要求。 6 系統(tǒng)軟件的設計 6.1 系統(tǒng)軟件主要特色 軟件在一個智能系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的作用，軟件設計的好壞直接關系著整個系統(tǒng)的性能。目前已經有很多種嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，如：Linux、RTX51及UC/OS等，可以更有效的利用系統(tǒng)的各種資源，簡化編程，縮短開發(fā)周期。鑒于本系統(tǒng)采用AT89S52單片機為控制器，本身的各種資源都很有限，引入一個操作系統(tǒng)代價太大，所以考慮直接來優(yōu)化系統(tǒng)的軟件結構，同樣可以達到“多任務”、“實時”等要求[13]。 6.1.1 軟件分層結構 為了便于編程，將邏輯控制層和具體的硬件相分離開是很有必要的。硬件驅動層的軟件負責直接操作硬件，并且給上層的軟件提供一定的接口，這樣有助于上層的軟件實現更復雜的功能，并且系統(tǒng)的硬件有所改動時也只需改動相應的驅動模塊即可。 邏輯控制層 硬件驅動層 硬件設備 置、取全局變量 圖16 軟件分層結構示意圖 Fig 16 Software layered structure schematic drawing 操作硬件 本系統(tǒng)中的手剎拉緊檢測模塊、手剎松放檢測模塊、顯示提醒模塊、電機助力模塊都做成了一些獨立的模塊，并且給外部提供了一些接口函數，來實現對這些硬件或機械部件的高級操作。 分層結構如圖16所示： 軟件的分層結構是很多系統(tǒng)中普遍采用的一種軟件結構，比如TCP/IP協(xié)議就是一種典型的分層結構。WINDOWS、LINUX等系統(tǒng)中也幾乎把所有的系統(tǒng)硬件進行了抽象，這樣上層的軟件就不必關心硬件的細節(jié)，可以調用相應的模塊提供的服務即可，這樣可把更多的精力放在高級功能的實現上[18]。 6.1.2 多任務結構 為了充分利用單片機的CPU，內存等資源，本系統(tǒng)中引入了多任務的軟件結構，即從宏觀上來看單片機同時在做多件事情。分析一般的多任務系統(tǒng)的軟件結構，系統(tǒng)的核心是任務調度器，在適當的時候任務調度器將保存當前任務的現場，并且恢復將要運行的任務的現場，并讓其投入運行。簡單的說，一般的多任務系統(tǒng)是任務調度器循環(huán)的調用各個需要執(zhí)行的任務，進而可以更有效的利用系統(tǒng)的各種資源。從這里得到啟發(fā)，可以用定時器每隔一定的時間中斷一次，在中斷處理函數中依次調用一次各個任務所對應的函數，并且各個函數都能在一個較短的時間內返回，這樣在某段時間內，各個任務所對應的函數都能夠被執(zhí)行到，就好像多個任務同時運行了。還有一點需要說明，就是各個任務是由一些函數和一些靜態(tài)變量組成。函數由定時器中斷處理函數定期的調用一次，并且有個前提就是這個函數能夠在較短的時間內返回，否則其他任務將不能及時的被調用到，也就達不到“實時”這一要求。靜態(tài)變量保存該任務的各種狀態(tài)，并且其他模塊和該任務進行通信也是通過置取這些靜態(tài)變量來實現的[14] 。 本系統(tǒng)中軟件的多任務結構如圖17所示： 系統(tǒng)復位 初始化 主任務設計成無限循環(huán)結構 定時器0中斷處理函數 任務1 任務2 任務3 任務n 圖17 多任務結構示意圖 Fig 17 Multitasking structure schematic drawing 可以說定時器中斷處理函數就是本設計中多任務的核心，即任務調度器。以下是定時器0中斷處理函數的程序清單[8]： ///////////////////////////////////////////////////// //定時器0中斷處理函數 //每4毫秒中斷一次 //產生時鐘節(jié)拍 //負責維護一個系統(tǒng)時間變量和任務調度 ///////////////////////////////////////////////////// #define TIME_OVERLOAD 3960 //定時器計數初值 //記錄時間的結構的定義 typedef struct { uchar t_ms; //毫秒數0-99 uchar t_100ms; //100毫秒數0-9 uchar t_sec; //秒數0-59 uchar t_min; //分鐘數，0-255 }TIME; TIME time; //記錄系統(tǒng)時間的全局變量 void timer0(void) interrupt 1 { //重裝定時器0的計數初值[10] TH0=(65536-TIME_OVERLOAD)/256; TL0=(65536-TIME_OVERLOAD)%256; //維護系統(tǒng)時間 time.t_ms+=4; if(time.t_ms>99) { time.t_ms=0; if(++time.t_100ms>9) { time.t_100ms=0; if(++time.t_sec>59) { time.t_sec=0; time.t_min++; } } } //大約每50毫秒調用一次蜂鳴器任務 //并且只有在需要發(fā)聲時才調用 //n_beep全局變量表示需要發(fā)出幾聲 if((n_beep)&&(!(time.t_ms%52)))beep2(); //每4毫秒調用一次顯示任務 led_disp(); //每4毫秒調用一次壓力傳感器數據 measure sensor(); //每16毫秒調用一次步進電機驅動程序 if(!(time.t_ms&0x0f))dianji(); } 以上的這段程序代碼就是實現了任務的調度，和一般的多任務系統(tǒng)相比較有幾點不同： （1）任務之間的切換是通過函數的調用與返回實現的，當以上的這幾個任務全調用一次之后將進入主任務執(zhí)行，主任務即main()函數所對應的任務。 （2）相應的任務上、下文的保存與恢復也不是由任務調度器實現的，而是由C語言編譯器在函數調用時自動保存與恢復了主任務的上、下文；其他的任務不用保存上、下文，每次進入執(zhí)行都是從相應函數的第一行開始，寄存器值也不用保存。 總之，采用以上這種軟件結構，也可以實現多個任務并發(fā)運行，在timer0()函數中可以加進更多的任務，只要各個任務都能在一個較段的時間內執(zhí)行一次并返回到timer0()函數中就可以。此外，關于RAM的分配是在編譯的時候完成的，各個任務一般要用一些全局的靜態(tài)變量來標識自身狀態(tài)。 在控制單片機上有以下幾個任務： （1）主任務：main()開始的任務，很多功能都要在該任務中完成； （2）蜂鳴器發(fā)聲任務：beep2(),全局變量n_beep表示需要發(fā)出幾個“嘀”聲； （3）LED顯示任務：led_disp()， LED發(fā)光二極管顯示任務； （4）壓力傳感器讀取數據任務：measure sensor()，實現了讀取壓力數據的監(jiān)測任務； （5）紅外檢測任務：red infrared()，實現檢測制動活塞位置的任務； （5）電機制動任務：dianji()，控制步進電機讓制動活塞轉到指定的角度； 6.2 消息驅動結構 考慮到系統(tǒng)中無論操作者按下哪一個按鍵，這些事件都有一個共同點，就是系統(tǒng)要對這些事件做出相應的處理或采取相應的措施。所以為了簡化編程，讓這些事件在主任務中能得到統(tǒng)一的處理，可以給這些事件編上號，然后由一個消息搜集模塊去等待各種消息。一旦某個事件發(fā)生，該模塊馬上給主任務返回該事件的編號，即消息值，讓主任務按照消息值分類去處理消息。 在消息搜集模塊的頭文件中定義了如下若干個消息： //消息的結構為： 高三位，消息分類碼，可以加快消息處理的速度； 低五位，消息值。 #define NULL 0 //按鍵消息的定義 #define MSG_K_STOP 0x01 //“手剎駐?！卑存I消息 #define MSG_K_RUN 0x02 //“松剎行走”按鍵消息 extern uchar getmsg(void); extern uchar imgetch(void); 消息搜集模塊對外提供了兩個接口函數：getmsg()函數一直等待到有消息時返回消息值；imgetch()函數立即返回按鍵值，這是為了某些地方使用上的靈活而設置的。 有了這個消息搜集模塊后，主任務執(zhí)行的大部分時間就會停留在getmsg()函數內等待消息，當有按鍵命令時返回消息值，主任務對其進行相應的處理。 主任務處理消息可以設計成如下結構： while(1) //消息循環(huán) { switch(getmsg()) //消息分類處理 { case MSG_K_STOP: //“手剎駐?！卑存I消息處理 … break; case MSG_K_RUN: //“松剎行走”按鍵消息處理 … break; case … } } 6.3 電機轉動任務的軟件設計 電機轉動設計成一個單獨的任務，由定時器0中斷處理函數每16毫秒調用一次。其他模塊可以調用函數setdegree()設置需要轉到的角度，然后由轉向任務負責轉到所指定的角度，在轉向期間，單片機可以做其他的事情；其他模塊還可以調用getnowdegree()取得當前轉到的角度。 按鍵輸入電信號 單片機控制系統(tǒng) 步進電機驅動芯片 電機驅動絲桿轉動 制動活塞轉到預定位置 是否達到預定位置？ Y N 圖18 電機制動控制流程圖 Fig 18 Motor control flow chart 6.4 本章小結 本章中介紹了系統(tǒng)軟件部分的設計思路和程序框架。軟件是一個智能系統(tǒng)的靈魂，軟件設計的好壞直接決定著系統(tǒng)智能化的程度和系統(tǒng)功能的完善程度。 有一些功能用硬件可以實現，用軟件也同樣可以實現，只是所花費的代價有所不同，往往用軟件來實現更為靈活一點。 一個系統(tǒng)追求的目標應該是用盡可能簡單的軟件和硬件實現盡可能多、盡可能完善可靠的功能。 7 結論 本設計基本完成了題目要求的各項功能，包括解決現有技術中存在手剎是否到位無法做出提示，新人會誤以為車輛已處于正常停車狀態(tài)，形成安全隱患的問題；提供一種能夠對手剎自動到位檢測裝置，以及設計一種手剎助力裝置輔助手剎操作，提高手剎操作效率，使手剎操作更方便。 采用單片機控制硬件電路結構，以及軟件上的多任務結構可以使系統(tǒng)同時去做多件事情，提高了CPU的利用率和系統(tǒng)的靈活性。本設計所采用的手剎到位檢測技術方案是：汽車手剎檢測裝置由電源電路供電，包括設置在手剎處的手剎位置傳感器、應力應變傳感器、主控制器，主控制器的輸出端與汽車駐車顯示燈及提醒蜂鳴器連接。當手剎拉上時，剎車卡鉗夾住輪轂產生一定應力，觸發(fā)應力應變傳感器傳輸信號至主控制器，輸出控制信號控制汽車顯示燈“紅燈（駐停）”亮，同時發(fā)出“嘀——嘀”長程提示聲，提示剎車已拉上；當手剎釋放時觸發(fā)紅外位置傳感器，傳輸至主控制器，由主控制器輸出控制信號控制汽車顯示燈“綠燈（行駛）”亮，同時發(fā)出“嘀嘀滴”短程提示聲，提示剎車已松開。采用紅外位置傳感器和應力傳感器保證了只有手剎完全到位的時候才會發(fā)出相應提示。 本設計所采用的手剎助力裝置設計方案是：采用按鍵輸入控制信號至主控制器，再采用單片機控制電機技術轉動螺桿，推出制動活塞，使得剎車卡鉗卡死輪轂達到助力剎停駐車的效果。本設計裝置結構簡單，可靠性能好，具有一定的推廣應用價值。 參考文獻 [1] 趙娟.手剎操縱機構大總成失效與溜車現象探析[J].企業(yè)科技與發(fā)展.2010:51-53； [2] 黃俊平.機動車坡道駐車制動效能檢驗的現狀與探新[J].價值工程.2011:52-54； [3] 吳長英.汽車手剎的日常使用與維護技術要點探討[J].中國新技術新產品.2013； [4] 馮繼超, 黃建平, 張艷麗.汽車手剎拉鎖效率測試裝置的設計[J]. 機電工程技術.2008(37):53-56； [5] 閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1998：348-352； [6] 龐麗萍.操作系統(tǒng)原理[M].武漢：華中理工大學出版社，1988：34-77； [7] 謝紅.模擬電子技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001：150-162，220-236，268-276； [8] 張燕賓.變頻調速應用實踐.北京.機械工業(yè)出版社，2002； [9] 付家才.單片機控制工程實踐技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004； [10] 丁偉雄，楊定安，宋曉光.步進電機的控制原理及其單片機控制實現[J]； [12] 剎車電機概述,電機網．[引用日期2013-05-19]． [13] Xiao-Dan Pan and Qiang Sui, A Novel Configuration of Temperature Compensation in Rectangular Waveguide Resonant Cavities[J],PIERS Proceedings, Beijing, China, March, 27, 2009:318-323； [14] 求是科技，《8051系列單片機C程序設計完全手冊》，人民郵電出版社，2006；  致 謝 本設計能夠順利完成，還承蒙XXX老師以及身邊的很多同學的指導和幫助?；厥走@期間來閱讀文獻、收集資料、學習應用軟件、構思方案、在設計過程中，XXX老師給予了悉心的指導，最重要的是給了我解決問題的思路和方法，本論文是在XXX的指導下修改完成。在此，我要對老師的細心幫助和指導表示由衷的感謝。在這段時間里，我從XXXX身上學到的不僅是許多的專業(yè)知識，更感受到他工作中的兢兢業(yè)業(yè)，生活中的平易近人。此外，他嚴謹的治學態(tài)度和忘我的工作精神更值得我去學習。在此，我對XXXX老師表示最真摯的感謝！ 感謝評閱老師百忙之中抽出時間對本論文進行了評閱！ 另外，我要對提供了大量資料和幫助的同學表示感謝，尤其是對XXXX和XXXX同學表示感謝，你們給了我莫大的靈感和鼓舞，才讓我得以成功完成整個畢業(yè)設計。 附錄 附錄1：單片機控制電機正反轉程序 附錄2：系統(tǒng)PCB板電路圖 附錄3：系統(tǒng)硬件電路總圖  附錄1 單片機控制電機正反轉程序 *************電機正轉***************** 　　JB 00H,LOOP0 　　JB 01H,LOOP1 　　JB 02H,LOOP2 　　JB 03H,LOOP3 　　JB 04H,LOOP4 　　JB 05H,LOOP5 　　JB 06H,LOOP6 　　JB 07H,LOOP7 　　LOOP0: MOV P1,#0D0H 　　MOV 20H,#02H 　　MOV 21H,#40H 　　AJMP QUIT 　　LOOP1: MOV P1,#090H 　　MOV 20H,#04H 　　MOV 21H,#20H 　　AJMP QUIT 　　LOOP2: MOV P1,#0B0H 　　MOV 20H,#08H 　　MOV 21H,#10H 　　AJMP QUIT 　　LOOP3: MOV P1,#030H 　　MOV 20H,#10H 　　MOV 21H,#08H 　　AJMP QUIT 　　LOOP4: MOV P1 ,#070H 　　MOV 20H,#20H 　　MOV 21H,#04H 　　AJMP QUIT 　　LOOP5: MOV P1,#060H 　　MOV 20H,#40H 　　MOV 21H,#02H 　　AJMP QUIT 　　LOOP6: MOV P1,#0E0H 　　MOV 20H,#80H 　　MOV 21H,#01H 　　AJMP QUIT 　　LOOP7: MOV P1,#0C0H 　　MOV 20H,#01H 　　MOV 21H,#80H 　　AJMP QUIT 　　;***************電機反轉***************** 　　FAN: JB 08H,LOOQ0 　　JB 09H,LOOQ1 　　JB 0AH,LOOQ2 　　JB 0BH,LOOQ3 　　JB 0CH,LOOQ4 　　JB 0DH,LOOQ5 　　JB 0EH,LOOQ6 　　JB 0FH,LOOQ7 　　LOOQ0: MOV P1,#0A0H 　　MOV 21H,#02H 　　MOV 20H,#40H 　　AJMP QUIT 　　LOOQ1: MOV P1,#0E0H 　　MOV 21H,#04H 　　MOV 20H,#20H 　　AJMP QUIT 　　LOOQ2: MOV P1,#0C0H 　　MOV 21H,#08H 　　MOV 20H,#10H 　　AJMP QUIT 　　LOOQ3: MOV P1,#0D0H 　　MOV 21H,#10H 　　MOV 20H,#08H 　　AJMP QUIT 　　LOOQ4: MOV P1,#050H 　　MOV 21H,#20H 　　MOV 20H,#04H 　　AJMP QUIT 　　LOOQ5: MOV P1,#070H 　　MOV 21H,#40H 　　MOV 20H,#02H 　　AJMP QUIT 　　LOOQ6: MOV P1,#030H 　　MOV 21H,#80H 　　MOV 20H,#01H 　　AJMP QUIT 　　LOOQ7: MOV P1,#0B0H 　　MOV 21H,#01H 　　MOV 20H,#80H 　　QUIT: RETI 　　END 附錄2