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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 汽車防抱死制動系統(tǒng)是提高車輛制動性能和行車安全的重要裝置 主要功能是在 汽車制動時(shí)防止車輪因抱死而使車輛失去方向 從而提高車輛行駛的安全性 隨著電 子技術(shù)的發(fā)展 ABS 的性能也不斷得到提高和完善 同時(shí)要求汽車使用與維修人員 盡快掌握現(xiàn)代汽車新技術(shù) 開發(fā) 研制 ABS 實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備 用于模擬汽車實(shí)際工作 狀況 并動態(tài)顯示 ABS 油路 電路及二者關(guān)聯(lián)工作狀況 實(shí)時(shí)測量電子元件工作參 數(shù) 智能模擬故障與檢測 有助于盡快掌握 ABS 的結(jié)構(gòu)和原理 性能檢測 故障診 斷與維修等方面的知識 本文對 ABS 教學(xué)儀器控制系統(tǒng)以及軟件和機(jī)械部分進(jìn)行了設(shè) 計(jì) 本設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了對 ABS 元件識別 原理實(shí)驗(yàn) 故障設(shè)置 而且實(shí)現(xiàn)了電路和 油路關(guān)聯(lián)演示 滑移率的演示以及車輪輪速的同步顯示 關(guān)鍵詞 ABS 教學(xué)儀器 油路 電路 診斷 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) II Abstract Anti lock braking system is safety devices that can improve vehicle braking performance and the safety of driving Its main function is prevent the wheels to be locked which made the auto lose the direction when braking It can improve the driving safety With the development of electronic technology Anti lock braking system has been improved and perfected Meanwhile vehicle using and maintenance personnel to master the modern automobile along with the new technologies as soon as possible Study on Anti lock braking system control technology Anti lock braking system developed experimental test equipment to simulate actual working conditions of vehicles and dynamic display ABS asphalt circuit and the two related working conditions and real time measurement of electronic components parameters what s more intelligent fault detection which are good for grasping the ABS structure and principle quickly It is helpful for performance testing and fault diagnosis The maintenance of knowledge was referred to This paper finished the design of the ABS electronic control panel system including the software and the mechanical parts The Instructional Instruments control System not only achieved the recognition of ABS components the experiment of principle the fault setup but also achieved the realization of asphalt circuit and the associated display display of the slip ratio and wheel speed synchronous show It is used for the experimental teaching and researching It is for the maintenance of enterprise units also Key words ABS Instructional Instruments Control Pipeline Circuit Diagn 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 1 1 引言 汽車防抱死制動系統(tǒng) Anti Lock Braking System 簡稱 ABS 是現(xiàn)代汽車制動系 的關(guān)鍵部件之一 在汽車制動過程中 該系統(tǒng)能防止車輪完全抱死 提高汽車在制動 過程中的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力 縮短制動距離 1 它是由車輪輪速傳感器 電 子控制單元 ECU 或 ABS 電腦 和制動壓力調(diào)節(jié)器等部分組成 傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)在 緊急制動和濕路面上制動時(shí)往往會使車輪發(fā)生抱死現(xiàn)象 制動時(shí)車輪抱死不僅會造成 車輪輪胎局部的嚴(yán)重磨損 而且前輪抱死會使車喪失轉(zhuǎn)向能力 后輪抱死易使車喪失 方向穩(wěn)定性 尤其在潮濕 泥濘 冰雪等低附著系數(shù)路面或高速時(shí)制動 一旦車輪抱 死 汽車就會發(fā)生測滑 甩尾或方向失控 造成交通事故 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)表明 我國有 10 25 以上的交通事故與轎車制動過程中的車輪抱死有關(guān) 2 ABS 裝置主要通過控 制制動輪的瞬時(shí)角加速度和減速度將車輪的滑移率控制在 20 左右 保證輪胎與地面 間有較大的縱向附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù) 從而有效地提高了汽車制動的方向穩(wěn)定性 方向操縱性 并縮短了制動距離 汽車防抱死制動系統(tǒng)教學(xué)控制儀器是適應(yīng)汽車新技術(shù)迅速發(fā)展的要求而發(fā)展起來 的 它用于模擬汽車實(shí)際工作狀況 動態(tài)顯示 ABS 油路 電路及二者關(guān)聯(lián)工作情況 實(shí)時(shí)測量電子元件工作參數(shù) 智能模擬故障與檢測 有助于學(xué)習(xí)人員盡快掌握 ABS 的 結(jié)構(gòu)原理 性能檢測 故障診斷與維修等方面知識 是國內(nèi)具有相關(guān)汽車專業(yè)實(shí)驗(yàn)室 急需且必備的設(shè)備 1 2 ABS 概述 汽車防抱死制動系統(tǒng) Anti Lock Braking System 簡稱 ABS 是在傳統(tǒng)的制動系 統(tǒng)基礎(chǔ)上采用電子控制技術(shù)防止車輪抱死的機(jī)電一體化系統(tǒng) 它由輪速傳感器 電子 控制單元 ECU 制動壓力調(diào)節(jié)器等基本組成 3 傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)在緊急制動和濕 路面上制動時(shí)往往會使車輪發(fā)生抱死現(xiàn)象 根據(jù)汽車?yán)碚摵蛯?shí)驗(yàn)可知 汽車地面制動 力受車輪和地面附著力的制約 制動時(shí)車輪抱死不僅會造成車輪輪胎局部的嚴(yán)重磨損 而且前輪抱死會使車喪失轉(zhuǎn)向能力 后輪抱死易使車喪失方向穩(wěn)定性 尤其在潮濕 泥濘 冰雪等低附著系數(shù)路面或高速時(shí)制動 一旦車輪抱死 汽車就會發(fā)生測滑 甩 尾或方向失控 造成交通事故 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)表明 這類事故占交通事故的 10 ABS 裝置主要通過控制制動輪的瞬時(shí)角加速度和減速度將車輪的滑移率 s 控制在 20 左右 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 保證輪胎與地面間有較大的縱向附著系數(shù)和側(cè)向附著系數(shù) 從而有效地提高了汽車制 動的方向穩(wěn)定性 方向操縱性 并縮短了制動距離 1 3 ABS 教學(xué)控制儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 1 3 1 國外 ABS 教學(xué)控制儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì) 50 年代初期到現(xiàn)在 儀器的發(fā)展取得了重大的突破 數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn) 使各種數(shù)字儀器得以問世 把模擬儀器的精度 分辨力與測量速度提高了幾個量級 為實(shí)現(xiàn)測試自動化打下了良好的基礎(chǔ) 計(jì)算機(jī)的引入 測量技術(shù)又一次取得了進(jìn)展 使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化 從個別電量的測量轉(zhuǎn)變成測量整個系統(tǒng)的參數(shù) 從單 純的接收 顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂?分析 處理 計(jì)算與顯示輸出 從用單個儀器進(jìn)行測量 轉(zhuǎn)變成用測量系統(tǒng)進(jìn)行測量 特別是微處理器被用到儀器中 儀器前面板開始朝鍵盤 化方向發(fā)展 過去電壓 電流等量程或功能的滑動開關(guān) 通 斷開關(guān)鍵已經(jīng)消失 測 量系統(tǒng)的主要模式 是采用機(jī)柜形式 全部通過 IEEE 488 總線送到一個控制器上 測試時(shí) 可用計(jì)算機(jī)語言程序來高速測試 不同于傳統(tǒng)獨(dú)立儀器模式的個人儀器已經(jīng) 得到了發(fā)展 這個進(jìn)展的主要標(biāo)志是儀器儀表智能化程度的提高 4 目前模擬控制儀 器的發(fā)展突出表現(xiàn)在以下幾個方面 1 新技術(shù)的應(yīng)用 目前普遍采用 EDA 電子設(shè)計(jì)自動化 CAM 計(jì)算機(jī)輔助制造 CAT 計(jì)算 機(jī)輔助測試 DSP 數(shù)字信號處理 ASIC 專用集成電路 及 SMT 表面貼裝技 術(shù) 等 2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化 在重視高檔儀器開發(fā)的同時(shí) 注重高新技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn) 注重系統(tǒng)集成 不僅著眼于單機(jī) 更注重系統(tǒng) 產(chǎn)品軟化 隨著各類儀器裝上了 CPU 實(shí)現(xiàn)了數(shù)字 化后 軟件上投入了巨大的人力 財(cái)力 今后的儀器歸納成一個簡單的公式 儀器 AD DA CPU 軟件 AD 芯片將模擬信號變成數(shù)字信號 再經(jīng)過軟件處理變換后用 DA 輸出 3 產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則發(fā)生了變化 從技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動 從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為 恰到好處 開發(fā)一項(xiàng)成功產(chǎn) 品的準(zhǔn)則是 用戶有明確的需求 能用最短的開發(fā)時(shí)間投放市場 功能與性能要恰到 好處 產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則的另一變化是收縮方向 集中優(yōu)勢 4 生產(chǎn)技術(shù)注重專業(yè)生產(chǎn) 不再是大而全 生產(chǎn)過程采用自動測試系統(tǒng) 目前多以 GP IB 儀器組建自動測試系統(tǒng) 生產(chǎn)線 上一個個大的測試柜 快速地進(jìn)行自動測試 統(tǒng)計(jì) 分析 打印出結(jié)果 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 目前 ABS 教學(xué)控制儀器的發(fā)展正按著這個方向進(jìn)行 多采用 OBD II 接口 可通 過檢測儀器的進(jìn)行讀取故障碼 清除故障 并通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控 下面就介紹 一家國外的一些產(chǎn)品 美國 SPX 公司是設(shè)計(jì) 制造和銷售汽車專用檢測設(shè)備和工具的大型跨國集團(tuán)公 司 公司創(chuàng)建于 1911 年 被美國幸福雜志憑為全球 500 家大公司之一 目前 SPX 下設(shè)的子公司或代表機(jī)構(gòu)已遍及世界各地 其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于通用 福特 克萊斯勒 日產(chǎn) 豐田 紳寶等世界著名汽車制造廠及維修站 并成為他們的指定供貨商 如 ABS 防抱死制動系統(tǒng)教學(xué)演示臺的特點(diǎn)如下 1 實(shí)驗(yàn)臺選用大眾 ABS 防抱死制動系統(tǒng) 2 在機(jī)柜面板上刻制了系統(tǒng)電路圖和系統(tǒng)油路圖 裝有制動分泵油壓表 3 用 LED 指示燈顯示 ABS 系統(tǒng)工作過程的油路變化和閥體工作狀態(tài) 有利 于直觀教學(xué) 4 實(shí)驗(yàn)臺可根據(jù)客戶要求選擇手動或遙控設(shè)置系統(tǒng)故障 5 實(shí)驗(yàn)臺采用本公司自主開發(fā)的單片機(jī)控制 除能夠?qū)崿F(xiàn)原車常規(guī)檢測實(shí)驗(yàn) 項(xiàng)目外 還可以采用手動和自動模式 通過 LED 指示燈及儀表 形象生動的分步演 示 ABS 系統(tǒng)油路 電路和閥體的工作過程 6 臺架裝有四個萬向腳輪 可輕松移動 7 外設(shè)車輛 ECU 檢測端口 便于檢測 ECU 端子數(shù)據(jù) 1 3 2 國內(nèi) ABS 教學(xué)控制儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著 ABS 的逐步發(fā)展 國內(nèi) ABS 教學(xué)儀器的發(fā)展也是十分迅速 通過引進(jìn)和吸 收國外的先進(jìn)技術(shù) 目前我國已有上百家這樣的生產(chǎn)廠家 這些廠家的產(chǎn)品都是按照 汽車標(biāo)準(zhǔn)件安裝而成 教師可在實(shí)驗(yàn)臺上任何部件制造故障 由學(xué)生自行排除 到演 練的目的 下面就介紹三個具有代表性的廠以及它們的產(chǎn)品 1 濟(jì)南恒信教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司 濟(jì)南恒信教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司是專門從事高 低檔轎車各個部位教學(xué)設(shè)備的軟 硬件開發(fā)公司 其公司生產(chǎn)的汽車教具廣泛吸收國內(nèi)外同行的經(jīng)驗(yàn) 并在此基礎(chǔ)上研 究開發(fā)出更專業(yè) 更實(shí)用的系列汽車實(shí)訓(xùn)教具 以實(shí)物模擬為主 結(jié)合相關(guān)的原理 直觀的描述汽車的結(jié)構(gòu)和工作原理 可以根據(jù)學(xué)校的實(shí)際需要定制各種汽車教學(xué)的軟 件及硬件 是高等學(xué)府及職業(yè)培訓(xùn)中心和學(xué)校汽車工程專業(yè)的首選教具 其中 ABS 防抱死剎車系統(tǒng)就是一個典型的代表 實(shí)驗(yàn)臺選用大眾系列 MK20 I 型四傳感器三通 道 ABS 原車結(jié)構(gòu)臺架式布置 展板式面板 個性化操作平臺 設(shè)工況指示燈 急 停開關(guān) 調(diào)速電機(jī)作驅(qū)動 萬向自鎖腳輪臺架 便于移動教學(xué) 具有實(shí)物展示功能 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 據(jù)有 ABS 系統(tǒng)各工況動態(tài)演示及實(shí)驗(yàn)功能 1 實(shí)驗(yàn)臺采用時(shí)代超人原車配件 可模擬動態(tài)行駛時(shí)不同車速的工作過程 2 具體制動情況可通過指示燈顯示執(zhí)行元件的工 作狀態(tài) 通過油壓表顯示實(shí) 際油壓的變化情況 3 計(jì)算機(jī)端子采用外接式 可方便的檢測各傳感器的工作電壓 4 OBD II 接口 可通過檢測儀器進(jìn)行讀取故障碼 清除故障碼等實(shí)際工作 配備隱蔽故障模擬裝置 便于學(xué)生考試 選配配置及功能 1 PC 電腦 彩噴打印機(jī) RS232 數(shù)據(jù)接口及數(shù)據(jù)線 2 原廠解碼器功能 讀數(shù)據(jù)流 讀解碼操作 3 動態(tài)剎車曲線顯示 對比 保存 打印功能 4 多媒體教學(xué)功能 示波器功能 5 遠(yuǎn)程智能故障設(shè)置考核功能 2 天津市萬豪汽車檢測設(shè)備有限公司 天津市萬豪汽車檢測設(shè)備有限公司是一家集技術(shù)研發(fā) 市場運(yùn)作 生產(chǎn)銷售和技 術(shù)培訓(xùn)為一體的股份制企業(yè) 公司始終堅(jiān)持科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力 以科技為先導(dǎo) 不斷的引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù) 不斷的創(chuàng)新 其中在 ABS 油路和電路模擬控制儀器方 面研究也很專業(yè) 如 ABS 防抱死系統(tǒng)主要性能及特點(diǎn) 1 主缸油壓及分缸油壓實(shí)時(shí)顯示 2 電磁閥工作狀態(tài)通過 LED 燈顯示 3 外接式電腦檢測端子 便于檢測電壓及波形 4 原車線路及油路顯示 5 調(diào)頻變速電機(jī)可調(diào)整不同車速 6 自動斷電裝置 避免電機(jī)反 7 故障燈直觀顯示 8 通過診斷座可檢測 ABS 故障 并可清除 3 上海碩博科教設(shè)備有限公司 上海碩博公司是專業(yè)從事教學(xué)設(shè)備生產(chǎn)經(jīng)營的綜合性企業(yè) 公司主要產(chǎn)品類型包 括 理 化 生實(shí)驗(yàn)室成套設(shè)備 多媒體綜合教學(xué)系統(tǒng) 多媒體語言教學(xué)系統(tǒng) 機(jī)電 實(shí)驗(yàn)室 電子實(shí)驗(yàn)室 制冷家電 財(cái)會模擬實(shí)驗(yàn)室 醫(yī)學(xué)教學(xué)模型 多媒體電腦輔助 學(xué)習(xí)系統(tǒng)先進(jìn)科學(xué)的教研設(shè)備系統(tǒng) 碩博公司具有雄厚的技術(shù)力量 先進(jìn)的生產(chǎn)工藝 精湛的檢測手段和完善的質(zhì)保體系 產(chǎn)品具有操作簡單 優(yōu)質(zhì)耐用 性能穩(wěn)定 外觀 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 精美 價(jià)格合理等特點(diǎn) 該公司引進(jìn)國外先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備 先后推出具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的電工 電子 數(shù)電 模電 微機(jī)接口及應(yīng)用 電動機(jī) 電氣控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備系列 電工 機(jī)床電氣考核實(shí) 驗(yàn)裝置 工業(yè)自動化 變頻設(shè)備調(diào)速 PLC 可編程單片機(jī) EPROM 實(shí)驗(yàn)裝置 智能 考核 DVD 家用電器多功能綜合實(shí)驗(yàn)室 中央空調(diào) 制冷制熱實(shí)驗(yàn)室 透明液壓 氣 動 PLC 控制實(shí)驗(yàn)臺 教學(xué)演示電梯 機(jī)電一體化數(shù)控編程實(shí)驗(yàn)室 模擬數(shù)控車床銑 床模型 模具 機(jī)械系列陳列柜 機(jī)械教學(xué)模型 工程制圖 財(cái)會實(shí)驗(yàn)室 汽車駕駛 模擬器 透明汽車教學(xué)模型 程控示教板 電路實(shí)驗(yàn)臺 電子樁考儀 數(shù)字多媒體語 言實(shí)驗(yàn)室 物理 化學(xué) 生物等實(shí)驗(yàn)室 大中專 職校 技校 職業(yè)學(xué)校配套教學(xué)儀 器 教學(xué)模型 教學(xué)掛圖 如 ABS 教學(xué)儀器的特點(diǎn) 1 電動程序控制電路 2 教學(xué)儀器的板面一側(cè)都有屏幕顯示 3 板面機(jī)械部分采用半立體彩色有機(jī)玻璃用模具一次成型鑄成 4 可自動控制每個儀器工作原理的演示 彩燈逐點(diǎn)閃爍顯示各系統(tǒng)的油路 電路工作原理 可快慢調(diào)節(jié) 1 4 研究的目的和意義 隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和高速公路的不斷修建 汽車的行駛安全性越來越為人 們所重視 為了全面滿足制動過程中汽車對制動的要求 使制動器制動力分配更趨合 理 ABS 系統(tǒng)逐漸成為現(xiàn)代轎車的標(biāo)準(zhǔn)配備裝置 特 別 是 電子控制技術(shù)的發(fā)展 要 求更多的人了解并掌握現(xiàn)代汽車新技術(shù) 本設(shè)計(jì)研究汽車制動防抱死系統(tǒng) ABS 控 制技術(shù)和實(shí)驗(yàn)測試技術(shù) 用于模擬汽車工作狀況 并動態(tài)顯示 ABS 油路 電路及二 者關(guān)聯(lián)工作狀況 實(shí)時(shí)測量電子元件工作參數(shù) 智能模擬故障與檢測 有助于盡快掌 握 ABS 的結(jié)構(gòu)和原理 性能檢測 故障診斷與維修等方面的知識 是國內(nèi)具有相關(guān) 汽車專業(yè)實(shí)驗(yàn)室急需且必備的設(shè)備 非常適用于教學(xué)部門 研究單位及維修企業(yè)等使 用 1 5 本設(shè)計(jì)研究主要內(nèi)容 眾所周知 ABS 的原車測試具有成本高 實(shí)驗(yàn)周期長 實(shí)驗(yàn)精度底 不易觀察 等缺點(diǎn) 鑒于此 迫切期望建立一種室內(nèi)模擬動態(tài)汽車性能檢測的試驗(yàn)臺 由于設(shè)計(jì) 這種實(shí)驗(yàn)臺的工作量特別大 在短期內(nèi)很難完成 為了更好的完成這個設(shè)計(jì) 把此工 作分成兩部分 一部分是實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)物裝置的設(shè)計(jì) 一部分是為了展示試驗(yàn)臺工作情 況的模擬控制裝置的設(shè)計(jì) ABS 教學(xué)控制儀器的設(shè)計(jì)便屬于第二部分 它不具有實(shí) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 驗(yàn)臺工作時(shí)的零部件 但通過 LED 燈 油壓表 顯示器能清晰的反應(yīng) ABS 制動試驗(yàn) 臺真實(shí)的工作情況 也是本設(shè)計(jì)的意義所在 1 總體技術(shù)方案確定 根據(jù)汽車防抱死制動系統(tǒng)教學(xué)控制儀器的功能要求 確定總體技術(shù)方案 2 硬件部分的設(shè)計(jì) 選擇與匹配 對單片機(jī) 譯碼器 顯示器 電源等元件 根據(jù)系統(tǒng)要求 以及目前上述各種元件的技術(shù)狀況 性能特點(diǎn) 性價(jià)比等 結(jié)合調(diào)研 情況以及相關(guān)參考資料進(jìn)行對比分析 確定采用的元件的具體型號 并給出相應(yīng)的接 口電路 相互之間進(jìn)行合理匹配 同時(shí)給出以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)電路原理圖 從而為各元件之間建立必要的聯(lián)系 3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試 軟件部分配合硬件控制系統(tǒng)電路 共同完成教學(xué) 儀器的工作 而軟件功能是通過分程序模塊來實(shí)現(xiàn)的 主要包括初始化模塊 顯示模 塊等 同時(shí)進(jìn)行程序的調(diào)試工作 以對編寫的程序進(jìn)行運(yùn)行檢查 驗(yàn)證運(yùn)行邏輯 運(yùn) 行流程等 4 進(jìn)行 ABS 教學(xué)控制儀器的可行性驗(yàn)證 通過試驗(yàn)觀察儀器的工作狀況 根 據(jù)具體情況對理論模型進(jìn)行修改 以提高其數(shù)據(jù)的精度 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 2 章 總體方案 2 1 設(shè)計(jì)思想 ABS 教學(xué)控制儀器設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的 不僅涉及到機(jī)械 電子 材料 而且涉 及到單片機(jī)的編程 為了完成 ABS 教學(xué)儀器設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)更多的功能 將按照以下幾 步去做 1 控制面板的尺寸設(shè)計(jì)合理 2 油路和電路的設(shè)計(jì)要有創(chuàng)新并布置合理 3 故障的設(shè)置及診斷要全面 4 滑移率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 LED 選擇要準(zhǔn)確 設(shè)計(jì)要合理 最后確定設(shè)計(jì)思路為 首先選用了凱迪拉克 SLS 賽威的原車電路和油路作為參 考對象 為了使設(shè)計(jì)更加直觀 將面板大體按照實(shí)物位置設(shè)置 這樣有助于學(xué)習(xí)和了 解原車的油路和電路 其次 通過選用了 LED 燈來適時(shí)反應(yīng)車輪轉(zhuǎn)速工作情況 再 次 用顯示器來顯示滑移率的變化 以及設(shè)計(jì)了很多插孔和開關(guān) 以便故障的設(shè)置和 診斷 把油路和電路以及顯示器合理的布置在控制面板上 并在板后以真實(shí)的線連接 這樣既能真實(shí)的反應(yīng)其工作原理 又美觀大方 本設(shè)計(jì)結(jié)合國內(nèi)外控制面板的特點(diǎn) 設(shè)計(jì)的其具有操作簡便 性能可靠 外觀精美 價(jià)格便宜等特點(diǎn) 2 2 實(shí)現(xiàn)功能和創(chuàng)新點(diǎn) 1 實(shí)現(xiàn)功能 1 能進(jìn)行 ABS 元件識別 2 能進(jìn)行 ABS 工作原理實(shí)驗(yàn) 3 能進(jìn)行故障設(shè)置 4 能進(jìn)行 ABS 故障診斷實(shí)驗(yàn) 5 能同步顯示滑移率和車輪轉(zhuǎn)速 2 創(chuàng)新點(diǎn) 1 控制面板的合理布置 能反應(yīng)油路 電路二者關(guān)聯(lián)工作狀態(tài) 2 數(shù)字模塊顯示器適時(shí)顯示工作狀況及滑移率 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 3 LED 燈顯示車輪轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài) 4 故障模擬與實(shí)時(shí)檢測 2 3 總體布置 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇 3 通道 4 傳感器布置方式 兩前輪獨(dú)立控制 兩后輪一同控制 總體布置如圖 2 2 所示 1 ABS ECU 2 儲液泵 3 液壓泵 4 制動主缸及踏板 5 指示燈 6 LED 7 車輪傳感器 8 顯示器 9 進(jìn)油閥 10 控制開關(guān) 11 出油閥 圖 2 2 總體布置圖 2 4 ABS 教學(xué)儀器組成及工作原理 ABS 教學(xué)控制儀器主要由 ECU 車輪輪速傳感器 顯示器 制動主缸 液壓泵 LED 出油閥和進(jìn)油閥等組成 當(dāng) ABS 控制系統(tǒng)工作時(shí) 模擬控制面板上就同步顯示其工作過程 其工作原理 如下 當(dāng)接通開關(guān)電路 ECU 收到工況信息 LED 將隨機(jī)顯示出此過程的輪速 并 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 將信號傳回 ECU 經(jīng)過 ECU 處理調(diào)出此工況二極管閃爍的程序 使二極管按此程序 閃爍 與此同時(shí) ECU 將信號傳到電動機(jī) 控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié) 踏 板 制動鉗 出油閥 進(jìn)油閥等機(jī)械部分的運(yùn)動 2 5 本章小結(jié) 本章研究并確定了汽車防抱死制動系統(tǒng)教學(xué)儀器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和它實(shí)現(xiàn)的功 能以及創(chuàng)新點(diǎn) 同時(shí)設(shè)計(jì)總體布置圖 及其組成和工作原理 這為以后油路 電路設(shè) 計(jì)提供重要參考 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 第 3 章 電路和油路設(shè)計(jì) 3 1 電路設(shè)計(jì) 3 1 1 設(shè)計(jì)方案 在設(shè)計(jì)中 MK20 型 ABS 防抱死制動系統(tǒng)的原車電路如圖 3 1 所示 圖 3 1 凱迪拉克 SLS 賽威 ABS 電路圖 和原車電路圖相比 本設(shè)計(jì)中的電路圖有所創(chuàng)新 如圖 3 2 所示 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 3 2 ABS 教學(xué)儀器電路圖 輪速傳感器的位置改放下邊 和輪缸放在一塊 而 ABS 液壓控制單元也放低了 一些 這樣有利于油路和電路的連接 以及整個板面的布置 在各傳感器 電機(jī) 液 壓泵等線路中放入了 LED 燈 當(dāng)電源接通時(shí) 也就是傳感器等元件工作時(shí) LED 燈 就會亮 這就有利于我們觀看 ABS 電路的工作情況 本設(shè)計(jì)在每條線路中還設(shè)置了 一個插孔和一個開關(guān) 這有助于我們設(shè)置故障 通過故障分析 診斷使我們學(xué)習(xí)更方 便 有效 3 1 2 電路的組成及工作原理 電路主要由電子控制單元 ECU 輪速傳感器 電磁閥和一些測試端子及控制 開關(guān)組成 其中 電子控制單元 ECU 是最主要的 本設(shè)計(jì)采用的電子控制單元 J104 由以下幾個基本電路組成 車速傳感器 的輸入放大電路 運(yùn)算電路 電磁閥控制電路 穩(wěn)壓電源 電源監(jiān)控電路 故障反饋電路和繼電器驅(qū)動電路 ECU 是 ABS 系統(tǒng)的控制中心 其工作原理如下圖 3 3 所示 電控單元的基本輸 入信號是四個輪上傳感器送來的輪速信號 電控單元連續(xù)地檢測來自全部四個車輪傳 感器傳來的脈沖電信號 并將它們處理 轉(zhuǎn)換成和輪速成正比的數(shù)值 一旦判斷出車 輪將要抱死 它立刻就進(jìn)入防抱死控制狀態(tài) 向液壓調(diào)節(jié)器輸出幅值為 12V 的脈沖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 控制電壓 以控制分泵 輪缸 上油路的通 斷 分泵上油壓的變化就調(diào)節(jié)了輪上的 制動力 使車輪不會因一直有較大的制動力而讓車輪完全抱死 如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障或 受到暫時(shí)的干擾 電控單元會自動關(guān)閉 ABS 系統(tǒng) 讓普通制動系統(tǒng)繼續(xù)工作 圖 3 3 電子控制單元工作原理圖 3 1 3 模擬電路工作過程 當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)轉(zhuǎn)到 ON 位置時(shí) 也就是電路中有電時(shí) 電子控制單元就開始進(jìn)行 自我檢測 在車輪轉(zhuǎn)動時(shí) 所有的電氣連接部位都會不斷地受到監(jiān)測 如果發(fā)現(xiàn)任何 不良情況 就停止 ABS 的功能 并讓 ABS 警告燈亮起 輪速傳感器把接收到的脈沖 信號不斷地輸送到電子控制單元 ECU 經(jīng) ECU 處理后再把信號輸送到液壓控制單 元 此時(shí) 如果電路中有電即各部件都正常工作時(shí) 控制面板上 LED 燈都會亮 與 其同時(shí) 顯示器顯示滑移率 如果電路短路或者斷路時(shí) LED 燈就不亮 說明電路中 有故障出現(xiàn) 可用萬用表檢測端子 3 2 油路設(shè)計(jì) 3 2 1 設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)的油路是基于電路基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的 本設(shè)計(jì)采用二極管逐點(diǎn)顯示油路過程 ABS 油路演示過程 從制動總泵出來 油道和電磁閥相連 液壓油通過電磁閥 活塞從主缸進(jìn)入輪缸 當(dāng)減壓時(shí) 液壓油又從輪缸出來 通過常閉電磁閥流到儲液器 并通過液壓泵壓回主缸 如此循環(huán) 當(dāng) ABS 起作用的時(shí)候 用發(fā)光二極管顯示液壓制動控制系統(tǒng)各個進(jìn)油閥 出油 閥的工作狀態(tài) 如表 3 6 所示 表 3 6 油路指示燈顯示各個電磁閥的狀態(tài) 序號 狀態(tài) 進(jìn)油閥 常開 出油閥 常閉 1 升壓 斷電 斷電 2 保壓 通電 斷電 3 降壓 通電 通電 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 3 2 2 油路的組成及工作原理 油路主要由制動總泵 真空助力器 液壓控制單元 回液泵 儲液器 電磁閥 輪缸踏板組成 在電教板中還包括二極管 單片機(jī) 譯碼器等 這些元件在前面已經(jīng) 詳細(xì)的介紹過 在普通制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)下 制動壓力通過常開的輸入電磁閥到制動泵 如果 系統(tǒng)進(jìn)入防抱死制動狀態(tài) ABS 電控單元發(fā)出指令 使輸入 輸出電磁閥適時(shí)打開 和關(guān)閉 讓制動分泵的壓力快速變化 增壓或減壓 防止車輪在制動時(shí)被完全抱死 ABS 電控單元控制速度很高 它可在防抱死制動過程中打開 關(guān)閉相應(yīng)的輸入 輸 出電磁閥 3 2 3 模擬油路工作過程 本設(shè)計(jì)中油路的工作過程可分為四個階段 5 1 常規(guī)制動階段 在常規(guī)制動階段 ABS 并不介入制動壓力控制 調(diào)壓電磁閥總成中的各進(jìn)液電 磁閥均不通電而處于開啟狀態(tài) 各出液電磁閥均不通電而處于關(guān)閉狀態(tài) 電動泵也不 通電運(yùn)轉(zhuǎn) 制動主缸至各制動輪缸的制動管路均處于封閉狀態(tài) 各制動輪缸的壓力將 隨制動主缸的輸出壓力而變化 此時(shí)的制動過程與一般制動系統(tǒng)的制動過程完全相同 本儀器在常規(guī)制動階段 ABS 不介入制動壓力控制 出油閥處于關(guān)閉狀態(tài) 進(jìn) 油閥處于開啟狀態(tài) 制動主缸至各制動輪缸的制動管路均處于封閉狀態(tài) 此過程用發(fā) 光二極管動態(tài)顯示出來 2 制動壓力保持階段 在制動過程中 電子控制單元根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器輸入的車輪轉(zhuǎn)速信號判定有車 輪抱死時(shí) ABS 就進(jìn)入防抱死制動壓力調(diào)節(jié)過程 例如 電子控制單元發(fā)現(xiàn)右前輪 趨于抱死時(shí) 電子控制單元就使控制右前輪制動壓力的進(jìn)液電磁閥通電 使右前輪液 電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài) 制動主缸輸出的制動液不再進(jìn)入右前制動輪缸 此時(shí) 右前出 液電磁閥仍未通電而處于關(guān)閉狀態(tài) 右前制動輪缸中的制動液也不會流出 右前制動 輪缸的制動壓力就保持一定 而其它未抱死車輪的制動壓力仍會隨制動主缸輸出壓力 的增大而增大 本儀器在壓力保持階段過程如下 電子控制單元根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速判定有車輪抱死時(shí) ABS 就進(jìn)入防抱死制動壓力調(diào)節(jié)過程 例如 電子控制單元發(fā)現(xiàn)左前輪趨于抱死時(shí) 電子控制單元使控制左前輪制動壓力的進(jìn)油閥關(guān)閉 此時(shí) 左前輪出油閥仍處于關(guān)閉 狀態(tài) 左前制動輪缸的制動壓力就保持一定 而其它未抱死車輪的制動壓力仍會隨制 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 動主缸輸出壓力的增大而增大 此過程用發(fā)光二極管動態(tài)顯示出來 3 制動壓力減小階段 如果在右前制動輪缸的制動壓力保持一定時(shí) 電子控制單元判定右前輪仍趨于抱 死 電子控制單元又使右前出液電磁閥也轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài) 右前制動輪缸中的部分制動 液就會經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的出液電磁閥流回儲液器 使右前制動輪缸的制動壓力迅速 減小 右前輪的抱死趨勢將開始消除 本儀器在制動壓力減少階段過程如下 如果在左前制動輪缸的制動壓力保持一定 時(shí) 電子控制單元判定左前輪仍趨于抱死 電子控制單元又使左前輪出油閥也轉(zhuǎn)入開 啟狀態(tài) 左前制動輪缸中的部分制動液就會經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的出油閥流回儲液器 使左前制動輪缸的制動壓力迅速減小 左前輪的抱死趨勢將開始消除 此過程用發(fā)光 二極管動態(tài)顯示出來 4 制動壓力增大階段 隨著右前制動輪缸制動壓力的減小 右前輪會在汽車慣性力的作用下逐漸加速 當(dāng)電子控制單元根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器輸入的信號判斷右前輪的抱死趨勢已經(jīng)完全消除 時(shí) 電子控制單元就使右前進(jìn)液電磁閥和出液電磁閥都斷電 使進(jìn)液電磁閥轉(zhuǎn)入開啟 狀態(tài) 使出液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài) 同時(shí)也使用電動泵通電運(yùn)轉(zhuǎn) 向制動輪缸泵送制 動液 由制動主缸輸出的制動液和電動泵泵送的制動液都經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的右前進(jìn) 液電磁閥進(jìn)入右前制動輪缸 使右前制動輪缸的壓力迅速增大 右前輪又開始減速轉(zhuǎn) 動 本儀器制動壓力增大過程如下 隨著左前制動輪缸制動壓力的減小 左前輪會逐 漸加速 當(dāng)電子控制單元根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速輸入的信號判斷左前輪的抱死趨勢已經(jīng)完全消 除時(shí) 電子控制單元就使左前輪進(jìn)油閥和出油閥都斷電 使進(jìn)油閥轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài) 使 出油閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài) 同時(shí)也使用電動泵通電運(yùn)轉(zhuǎn) 向制動輪缸泵送制動液 由制動 主缸輸出的制動液和電動泵泵送的制動液都經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的左前進(jìn)液電磁閥進(jìn)入 右前制動輪缸 使左前制動輪缸的壓力迅速增大 左前輪又開始減速轉(zhuǎn)動 此過程用 發(fā)光二極管動態(tài)顯示出來 3 3 本章小結(jié) 本章實(shí)現(xiàn)了 ABS 電路和油路的設(shè)計(jì)過程 通過和原車電路的對比 可清楚的看 到本設(shè)計(jì)中電路布置的合理性 并能反應(yīng) ABS 試驗(yàn)臺的工作情況 而油路中通過增 壓 保壓 減壓和常規(guī)制動四個階段來體現(xiàn)油路的工作過程 通過二者的設(shè)計(jì)使油路 和電路緊密的結(jié)合起來了 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 第 4 章 ABS 教學(xué)儀器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 1 控制系統(tǒng)組成及原理 本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)組成圖如圖 4 1 所示 汽車防抱死制動電子控制示教系統(tǒng) 實(shí)時(shí)監(jiān)控與檢測 模擬仿真 硬件與教學(xué)系統(tǒng) ABS 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控 檢測 輪速傳感器運(yùn)行監(jiān)控 檢測 警告燈運(yùn)行監(jiān)控 檢測 ABS 執(zhí)行器運(yùn)行監(jiān)控 檢測 ABS 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真 ABS 執(zhí)行器運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真 ABS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真 ABS 硬件系統(tǒng)示教板 ABS 故障診斷系統(tǒng) 圖 4 1 ABS 教學(xué)儀器控制系統(tǒng)組成圖 控制系統(tǒng)原理如圖 4 2 所示 開關(guān)量 微處理器 電動機(jī) LED 二極管 顯示器 圖 4 2 ABS 教學(xué)儀器控制系統(tǒng)原理圖 通過開關(guān)量輸入信號 把相應(yīng)開關(guān)量輸入到微處理器內(nèi)部 經(jīng)過微處理器內(nèi)部運(yùn) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 算調(diào)用相關(guān)的子程序來實(shí)現(xiàn)各開關(guān)量的控制 從而實(shí)現(xiàn)控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn) LED 動態(tài)顯示輪速和二極管點(diǎn)亮順序以及滑移率在顯示器上的顯示 4 2ABS 電路硬件設(shè)計(jì) ABS 電路硬件包括單片機(jī) 譯碼器 二極管 LED 電動機(jī) 顯示器 控制開 關(guān) 電源 4 2 1 單片機(jī)的選擇 當(dāng)今單片機(jī)品種繁多 產(chǎn)品性能各異 首先要理解兩個概念 集中指令集 CISC 和精簡指令集 RISC 采用 CISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分時(shí)復(fù)用 它的指令豐富 功能較強(qiáng) 但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行 速度受限 價(jià)格也高 采用 RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分離 這種結(jié)構(gòu)的單片機(jī)取指令包含更多的 處理信息 執(zhí)行效率更高 速度也更快 同時(shí) 這種單片機(jī)指令多為單字節(jié) 程序存 儲器的空間利用率大大提高 有利于實(shí)現(xiàn)超小型化設(shè)計(jì) 一般來說 對于控制方式較簡單的家電 可以采用 RISC 型單片機(jī) 對于控制關(guān) 系較復(fù)雜的場合 如通信產(chǎn)品 工業(yè)控制系統(tǒng) 應(yīng)采用 CISC 單片機(jī) 所以 根據(jù)功 能需要和性價(jià)比以及匹配關(guān)系 在這里選擇 CISC 型的單片機(jī) 它主要包括 Intel 系列 Motorola 系列 Atmel 系列的 AT89 系列等 除此之外 在實(shí)際應(yīng)用中還可根據(jù)如下原則來選擇單片機(jī) 6 1 了解單片機(jī)對應(yīng)用系統(tǒng)的適用性 所謂對應(yīng)用系統(tǒng)的適用性 就是能否用 一個單片機(jī)對系統(tǒng)的控制 或需要增加幾個附加的集成電路才能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制 從這一方面應(yīng)主要考慮以下問題 單片機(jī)是否含有所需的 I O 端口數(shù)目 單片機(jī)是否含有所需的外圍端口部件 單片機(jī)的 CPU 是否有合適的吞吐量 單片機(jī)的極限性能是否滿足要求 2 了解單片機(jī)的可購買性 從這一方面應(yīng)主要考慮以下問題 單片機(jī)是否可直接購買到 單片機(jī)是否有足夠的供應(yīng)量 單片機(jī)是否仍在生產(chǎn)之中 單片機(jī)是否在改進(jìn)之中 3 了解單片機(jī)的可開發(fā)性 從這一方面應(yīng)主要考慮以下問題 編譯軟件 程序?qū)懭牍ぞ?黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 調(diào)試工具 技術(shù)支持 語言體系與熟悉程度 根據(jù)上面的要求對單片機(jī)進(jìn)行選擇 就可選擇出最適用于應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī) 從 而保證應(yīng)用系統(tǒng)最高的可靠性 最優(yōu)的價(jià)格性能比 最長的使用壽命和最好的升級換 代性 所以這里初選 89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片 1 89C51 單片機(jī)的基本組成 圖 4 3 所示為 89C51 帶閃存 Flash ROM 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖 6 振蕩器和時(shí)序 OSC 程序存儲器 4KB FlashROM 80C51 CPU 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 256 字節(jié) RAM SFR 2 16 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 可編程全雙工 串行口 可編程 I O 64KB 總線擴(kuò)展 控制器內(nèi)中斷 圖 4 3 89C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 在一小塊芯片上 集成了一個微型計(jì)算機(jī)的各個組成部分 即 89C51 單片機(jī)芯 片內(nèi)包括 1 一個 8 位的 80C51 微處理器 CPU 2 片內(nèi) 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM SFR 用以存放可以讀 寫的數(shù)據(jù) 如運(yùn)算 的中間結(jié)果 最終結(jié)果以及顯示的數(shù)據(jù)等 3 片內(nèi) 4KB 程序存儲器 Flash ROM 用以存放程序 一些原始數(shù)據(jù)和表格 4 4 個 8 位并行 I O 端口 P0 P3 每個端口既可以用作輸入 也可以用作輸出 外中斷 控制 P0 P2 P1 P3 串行通信 外部事件記數(shù)輸入 地址數(shù)據(jù) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 5 兩個 16 位的定時(shí)器 記數(shù)器 每個定時(shí)器 記數(shù)器都可以設(shè)置成記數(shù)或定時(shí) 的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制 6 具有 5 個中斷源 兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng) 7 一個全雙工 UART 通用異步接收發(fā)送器 的串行 I O 口 用于實(shí)現(xiàn)單片 機(jī)之間或單片機(jī)與 PC 機(jī)之間的串行通信 8 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路 但石英晶體和微調(diào)電容需要外接 最高允許 振蕩頻率為 24MHZ 9 89C51 單片機(jī)具有節(jié)電工作方式 即休閑方式及掉電方式 以上各個部分通過片內(nèi) 8 位數(shù)據(jù)總線 DBUS 相連接 另外 89C51 是用靜態(tài)邏 輯來設(shè)計(jì)的 其工作頻率可下降到 0HZ 并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式 空 閑方式和掉電方式 在空閑方式中 CPU 停止工作 而 RAM 定時(shí)器 記數(shù)器 并行 口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作 此時(shí)的電流可降到大約為正常工作方式的 15 在掉電方 式中 片內(nèi)振蕩器停止工作 由于時(shí)鐘被 凍結(jié) 使一切功能都暫停 故只保存片內(nèi) RAM 中的內(nèi)容 直到下一次硬件復(fù)位為止 這種方式下的電流可降到 15 以下 A 最小可降到 0 6 以下 A 89C51 是一種低功耗 低電壓 高性能的 8 位單片機(jī) 它采用了 CMOS 工藝和高 密度非易失性存儲器 NURAM 技術(shù) 而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS 51 兼 容 片內(nèi)的 Flash ROM 允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來 編程 因此 89C51 是一種功能強(qiáng) 靈活性高 且價(jià)格合理的單片機(jī) 可方便地應(yīng)用 在各種控制領(lǐng)域 單片機(jī)是典型的嵌入式系統(tǒng) 從體系結(jié)構(gòu)到指令系統(tǒng)都是按照嵌入式應(yīng)用特點(diǎn)專 門設(shè)計(jì)的 能最好地滿足面對控制對象 應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入 現(xiàn)場的可靠運(yùn)行以及非 凡的控制品質(zhì)要求 因此 單片機(jī)是發(fā)展最快 品種最多 數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng) 89C51 的單片機(jī)具有兼容的低功耗 高性能 8 位的特點(diǎn) 特別是其內(nèi)部增加的閃 速可電改寫的存儲器 Flash ROM 給單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用帶來了很大的方便 因?yàn)?89C51 是 80C51 373 和 2732 的總和 且芯片的價(jià)格非常便宜 因此 近年來得到 了極其廣泛的應(yīng)用 根據(jù)以上原因本文采用了 89C51 單片機(jī) 2 外圍電路的設(shè)計(jì) 1 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)工作時(shí) 是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍地 進(jìn)行的 這個脈沖是單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的 單片機(jī)的時(shí)序就是 CPU 在 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號的時(shí)間順序 為了保證各部件間的同步工作 單片機(jī)內(nèi)部電 路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作 要給 CPU 提供時(shí)序需要相關(guān)的硬件電路 即振蕩器和時(shí)鐘電路 89C51 系列單 片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器 用于構(gòu)成振蕩器 但要形成時(shí)鐘 外部還需要附 加電路 89C51 的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種 內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式 在該控制系 統(tǒng)中 采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式 內(nèi)部時(shí)鐘方式 是利用芯片內(nèi)部的振蕩器 然后在引腳 XTAL1 和 XTAL2 兩端 跨接晶體或陶瓷諧振器 就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器 其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí) 鐘電路 外接晶振時(shí) C 1 和 C2 值通常選擇為 30pF 左右 外接陶瓷諧振器時(shí) C1 和 C2 約為 47pF C 1 和 C2 對頻率有微調(diào)作用 晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 0MHZ24MHZ 33HZ 之間選擇 為了減少寄生電容 更好地保證晶振器穩(wěn)定可靠地工 作 振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近 內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)計(jì)電路如圖 4 4 所 示 圖 4 4 時(shí)鐘電路 2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作 單片機(jī)在啟動運(yùn)行時(shí) 都 需要先復(fù)位 它的作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài) 并 從這個狀態(tài)開始工作 例如復(fù)位后 PC 初始化為 0 于是單片機(jī)自動從 0 單元開始 執(zhí)行程序 因而復(fù)位是一個很重要的操作方式 單片機(jī)本身一般是不能自動進(jìn)行復(fù)位 的 在熱啟動時(shí)本身帶有看門狗復(fù)位電路的單片機(jī)除外 必須配合相應(yīng)的外部電路 才能實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)的整個復(fù)位電路包括芯片內(nèi) 外兩部分 外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號通過復(fù) 位引腳 RET 進(jìn)入片內(nèi)一個斯密特觸發(fā)器 抑制噪聲作用 再與片內(nèi)復(fù)位電路連接 復(fù)位電路每個機(jī)器周期對斯密特觸發(fā)器的輸出采樣一次 當(dāng) RST 引腳端保持兩個機(jī) 器周期 24 個時(shí)鐘周期 以上的高電平時(shí) 89C51 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài) 單片機(jī)的外部復(fù)位電路有上電自動復(fù)位和按健手動復(fù)位兩種 上電復(fù)位利用電容器充電來實(shí)現(xiàn) 上電瞬間 RC 電路充電 RST 引腳端出現(xiàn)正 脈沖 只要 RST 引腳端保持 10ms 以上高電平 就能使單片機(jī)有效地復(fù)位 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 按鍵手動復(fù)位又分為 按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位 按鍵電平復(fù)位 相當(dāng)于恢 復(fù)鍵后復(fù)位端通過電阻與 VCC 電源接通 按鍵脈沖復(fù)位 利用 RC 微分電路產(chǎn)生正脈 沖 在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中 有些外圍芯片也需要復(fù)位 如果這些復(fù)位端的復(fù)位電平要 求與單片機(jī)的復(fù)位要求一致 則可以與之連接 復(fù)位電路關(guān)系到一個系統(tǒng)能否可靠地工作 對要求不是很高的場合 由阻 容元 件和門電路組成的復(fù)位電路是一種廉價(jià)而簡單的選擇 一般均能良好的工作 而對于 應(yīng)用現(xiàn)場干擾大 電壓波動大的工作環(huán)境 常常要求系統(tǒng)在任何異常情況下都能自動 復(fù)位回復(fù)工作 這樣的系統(tǒng)選用專用復(fù)位監(jiān)控芯片作為系統(tǒng)的復(fù)位產(chǎn)生器是比較理想 的 考慮到教學(xué)的環(huán)境現(xiàn)場干擾比較小 最終確定的外部復(fù)位電路如圖 4 5 所示 圖 4 5 復(fù)位電路 在不復(fù)位狀態(tài)下 1 是高電平 2 輸出低電平給單片機(jī)芯片的 RST 單片機(jī)工作 當(dāng)按鍵按下 S1 1 成為低電平 并由電阻 電容和門電路保證 1 為低電平的持續(xù)時(shí)間 至少 10ms 2 輸出高電平 RET 實(shí)現(xiàn)復(fù)位 4 2 2 譯碼器的選擇 1 譯碼器的分類 實(shí)現(xiàn)譯碼器功能的組合邏輯電路稱為譯碼器 它的輸入是二進(jìn)制的代碼 輸出是 一組高低電平信號 每輸入一組不同的代碼 只有一個輸出端呈現(xiàn)有效信號 譯碼器一般通過接收芯片以后 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平信號序列 還需要解調(diào) 有效信息 他是包含有效的 0 1 信息的同步信號 不可以被單片機(jī)直接識別 譯碼器是將一種數(shù)碼轉(zhuǎn)換為另一種數(shù)碼的電路 譯碼期分為變量譯碼器 譯制譯 碼器及顯示譯碼器三類 1 變量譯碼器 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 變量譯碼器的輸出表示輸入變量的狀態(tài) 常用的 3 8 線譯碼器 TTL 電路型號有 74S138 74LS138 等 CMOS 電路型號是 74HC138 兩者的功能及引腳完全一樣 常見的 4 16 線譯碼器 TTL 型號是 74154 74S154 和 74LS154 等 CMOS 電路 是 74HC154 兩者功能與引腳圖也完全一樣 2 碼制變換譯碼器 碼制變換譯碼器是將一種代碼變換為另一種代碼的電路 例如 74LS42 其輸入 是由 4 位二進(jìn)制代碼表示的十進(jìn)制數(shù) BCD 碼 有 10 條輸出線表示十進(jìn)制數(shù) 0 9 稱之為 4 10 線譯碼器 3 顯示譯碼器 由于 LED 顯示器有共陽極和共陰極兩種結(jié)構(gòu) 故所對應(yīng)的顯示譯碼器也不同 使用共陽數(shù)碼管時(shí) 公共陽極接電源電壓 七個陰極 a g 由相應(yīng)的 BCD 七段譯碼器 的輸出來驅(qū)動 對共陰極數(shù)碼管來說 則為共陰極接地 相應(yīng)的 BCD 七段譯碼器的 輸出驅(qū)動 a g 各陽極 若數(shù)碼管為共陰 則選用輸出為高電平有效的顯示譯碼器 若數(shù)碼管為共陽 則選用輸出為低電平有效的顯示譯碼器 驅(qū)動共陰數(shù)碼管的 BCD 七段的譯碼器有 7448 74LS48 等 該功能 CMOS 電路 為 CD4511 及 MC14513 等 驅(qū)動共陽數(shù)碼管的顯示譯碼器有 7447 74LS47 和 74LS247 等 常見的顯示器有白熾燈 輝光數(shù)碼管 熒光數(shù)碼管 發(fā)光二極管 LED 和液晶 顯示器 LCD 等 目前用的較多的是發(fā)光二極管和液晶顯示器 本文采用了發(fā)光二 極管 LED 字型以七段顯示器為常見 有共陽極式與共陰極式接法 共陽極接法的器 件如 LA 5011 LA 5021 LA 5031 等 共陰極接法 LED 型號只是將 LA 換成了 LC 其他部分及意義完全一樣 2 譯碼器的選擇 在數(shù)字儀表 計(jì)算機(jī)和其他數(shù)字系統(tǒng)中 常常要把測量數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果用十進(jìn)制 數(shù)顯示出來 這就要用顯示譯碼器 它能夠把 8421 二 十進(jìn)制代碼譯成能用顯示器 顯示出的十進(jìn)制數(shù) CPU 與存儲器連接時(shí) 特別是在擴(kuò)展存儲容量的場合下 存儲器地址選擇是一 個重要的問題 確定地址分配后 又有一個選擇存儲芯片的片選信號的產(chǎn)生問題 CPU 要實(shí)現(xiàn)對存儲單元的訪問 首先要選擇存儲芯片 即進(jìn)行片選 然后再從 選中的芯片中依地址碼選擇出相應(yīng)的存儲單元 以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取 這稱為字選 片 內(nèi)的字選是由 CPU 送出的 N 條低位地址線完成的 地址線直接接到所有存儲芯片的 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 地址輸入端 而片選信號則是通過高位地址得到的 實(shí)現(xiàn)片選的方法可分為三種 既 線選法 全譯碼法和部分譯碼法 1 線選法 線選法就是用除片內(nèi)尋址外的高位地址直接 或經(jīng)反相器 分別接至各個存儲芯 片的片選端 當(dāng)某地址線信號為 0 時(shí) 就選中與之對應(yīng)的存儲芯片 這些片選地址 線每次尋址時(shí)只能有一位有效 不允許同時(shí)有多位有效 這樣才能保證每次只選中一 個芯片 或組 線選法的優(yōu)點(diǎn)是不需要地址譯碼器 線路簡單 選擇芯片不需外加邏輯電路 但 僅適用于連接存儲芯片較少的場合 同時(shí) 線選法不能充分利用系統(tǒng)的存儲器空間 且把地址空間分成了相互隔離的區(qū)域 給編程帶來了一定的困難 2 全譯碼法 全譯碼法是指將地址總線中除片內(nèi)地址以外的全部高位地址接到譯碼器的輸入端 參與譯碼采用全譯碼法 每個存儲單元的地址都是唯一的 不存在地址重疊 但譯碼 電路較復(fù)雜 連線也較多 全譯碼法可以提供對全部存儲空間的尋址能力 當(dāng)存儲器 容量小于可尋址的存儲空間時(shí) 可從譯碼器輸出線中選出連續(xù)的幾根作為片選控制 多余的令其空閑 以便需要時(shí)擴(kuò)充 3 部分譯碼法 部分譯碼法是將高位地址線中的一部分 而不是全部 進(jìn)行譯碼 產(chǎn)生片選信號 該 方法常用于不需要全部地址空間的尋址能力 但采用線選法地址線又不夠用的情況 采用部分譯碼法時(shí) 由于未參加譯碼的高位地址與存儲器地址無關(guān) 因此存在地址重疊 問題 當(dāng)選用不同的高位地址線進(jìn)行部分譯碼時(shí) 其譯碼對應(yīng)的地址空間不同 例如 CPU 地址總線為 16 位 存儲器由 4 片容量為 8KB 的芯片構(gòu)成時(shí) 采用部分譯碼法尋址 32KB 7 4 2 3 二極管的功能原理及接口電路 1 二極管的功能原理 發(fā)光二極管簡稱 LED 采用砷化鎵 鎵鋁砷 和磷化鎵等材料制成 其內(nèi)部結(jié) 構(gòu)為一個 PN 結(jié) 具有單向?qū)щ娦?發(fā)光二極管 LED 是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的 PN 結(jié)二極管 其發(fā)光機(jī) 理是當(dāng)在 PN 結(jié)兩端注入正向電流時(shí) 注入的非平衡載流子 電子 空穴對 在擴(kuò)散 過程中復(fù)合發(fā)光 這種發(fā)射過程主要對應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過程 按光輸出的位置不同 發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型 我們最常用的 LED 是 InGaAsP InP 雙異質(zhì) 結(jié)邊發(fā)光二極管 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用 PN 結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來解釋 制作半導(dǎo)體發(fā)光二 極管的材料是重?fù)诫s的 熱平衡狀態(tài)下的 N 區(qū)有很多遷移率很高的電子 P 區(qū)有較多 的遷移率較低的空穴 由于 PN 結(jié)阻擋層的限制 在常態(tài)下 二者不能發(fā)生自然復(fù)合 而當(dāng)給 PN 結(jié)加以正向電壓時(shí) 溝區(qū)導(dǎo)帶中的電子則可逃過 PN 結(jié)的勢壘進(jìn)入到 P 區(qū) 一側(cè) 于是在 PN 結(jié)附近稍偏于 P 區(qū)一邊的地方 處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時(shí) 便產(chǎn)生發(fā)光復(fù)合 這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射 發(fā)光二極管具有可靠性較高 室溫下連續(xù)工作時(shí)間長 光功率 電流線性度好等 顯著優(yōu)點(diǎn) 而且由于此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟 所以其價(jià)格非常便宜 因此在一 些簡易的光纖傳感器的設(shè)計(jì)中 如果 LED 能夠勝任 選用它作為光源即可大大降低 整個傳感器的成本 然而 LED 的發(fā)光機(jī)理決定了它存在著很多的不足 如輸出功率 小 發(fā)射角大 譜線寬 響應(yīng)速度低等 因此 在一些需要功率高 調(diào)制速率快 單 色性好的光源的傳感器設(shè)計(jì)中 就不得不以提高成本為代價(jià) 選用其它更高性能的光 源 由于不同材料的禁帶寬度不同 所以由不同材料制成的發(fā)光二極管可發(fā)出不同波 長的光 另外 有些材料由于組分和摻雜不同 例如 有的具有很復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu) 相應(yīng)的還有間接躍遷輻射等 因此有各種各樣的發(fā)光二極管 管的選擇常用的發(fā)光二極管應(yīng)用電路有四種 即直流驅(qū)動電路 交流驅(qū)動電路 脈沖驅(qū)動電路 變色發(fā)光驅(qū)動電路 使用 LED 作指示電路時(shí) 應(yīng)該串接限流電阻 該電阻的阻值大小應(yīng)根據(jù)不同的 使用電壓和 LED 所需工作電流來選擇 2 二極管與單片機(jī)接口電路 二極管與單片機(jī)接口電路如圖 4 6 所示 圖 4 6 二極管與單片機(jī)接口電路 由于單片機(jī)接口不夠 所以需要擴(kuò)充口 在單片機(jī)與二極管中間由譯碼器 74LS154 連接 單片機(jī)在接到信號并發(fā)出命令傳到譯碼器 經(jīng)過限流電阻 R 傳到發(fā) 光二極管 令它發(fā)光 74LS154 功能及引腳在下節(jié)會具體介紹 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 4 2 4LED 數(shù)碼管的選擇 LED 電子顯示屏以其顯示清晰 更新方便等特點(diǎn) 近幾年在車站 機(jī)場 公共 汽車 火車 證券交易系統(tǒng)及生產(chǎn)車間等處廣泛使用 LED 顯示通常要占用單片機(jī) 的并行口 往往在控制系統(tǒng)中有一定的局限性 為此 采用 89C51 單片機(jī)串行口和 I O 擴(kuò)展并行口 設(shè)計(jì)了一個 4 位 LED 顯示驅(qū)動電路 通過對串行口動態(tài)掃描 把要 顯示的數(shù)據(jù)從單片機(jī)的串行口送到 LED 顯示器的字段和字位 從而實(shí)現(xiàn)用單片機(jī)最 少的外部資源達(dá)到最佳的顯示效果 7 段 LED 數(shù)碼管 是在一定形狀的絕緣材料上 利用單只 LED 組合排列成 8 字 型的數(shù)碼管 分別引出它們的電極 點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)劃來顯示出 0 9 的數(shù)字 LED 數(shù)碼管根據(jù) LED 的接法不同 分為共陰和共陽兩類 共陰和共陽的發(fā)光原 理是一樣的 只是它們的電源極性不同而已 將多只 LED 的陰極連在一起即為共陰 式 而將多只 LED 的陽極連在一起即為共陽式 以共陰式為例 如把陰極接地 在 相應(yīng)段的陽極接上正電壓 該段即會發(fā)光 當(dāng)然 LED 的電流通常較小 一般均需 在回路中接上限流電阻 當(dāng) LED 顯示位數(shù)較多時(shí) 為了簡化電路 降低成本 將所有位的字段線對應(yīng)并 聯(lián) 由一個 8 位 I O 口控制 而字位的選擇由另外的 I O 口線控制 這樣 用 2 個 8 位 I O 口能控制 8 位 LED 顯示器 本設(shè)計(jì)就是根據(jù)此原理實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示的 根據(jù)部 分譯碼法 選擇了 74LS154 譯碼器 74LS164 譯碼器 74LS244 譯碼器 74LS138 譯 碼器 1 74LS154 的功能引腳 74LS154 為 4 16 線全譯碼器 其引腳如圖 3 7 所示 ABCD 地址輸入端 輸出 端 G1G2 低電平有效的選通輸入端 圖 4 7 74LS154 引腳 2 74LS164 的功能引腳 采用 8 位串入并出的移位寄存器 74LS164 芯片擴(kuò)展一個并行口 74LS164 的輸 入信號來自單片機(jī)的串行口線 TX 和 RX 74LS164 的并行輸出信號送 LED 顯示器的 黑龍