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SY-025-BY-6 畢業(yè)設計指導教師評分表 學生姓名 楊 斌 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程B04-15班 指導教師姓名 付百學 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是√否 題目名稱 MK20-Ⅱ型ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與生產(chǎn)、科研、實驗室建設等實際的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內(nèi)容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數(shù)據(jù)運算與處理能力）；外文應用能力 20 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經(jīng)濟分析能力） 10 6 插圖（圖紙）質量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 8 科學素養(yǎng)、學習態(tài)度、紀律表現(xiàn)；畢業(yè)論文進度 10 得 分 X= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　 　 　 　 　 　　 指導教師簽字： 年 月 日 SY-025-BY-7 畢業(yè)論文評閱人評分表 學生 姓名 楊斌 專業(yè) 班級 車輛工程B04-15班 指導教 師姓名 付百學 職稱 教授 題目 MK20-Ⅱ型ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 15 2 題目工作量；選題的理論意義或實際價值 10 3 查閱文獻資料能力；綜合運用知識能力 20 4 研究方案的設計能力；研究方法和手段的運用能力；外文應用能力 25 5 文題相符程度；寫作水平 15 6 寫作規(guī)范性；篇幅；成果的理論或實際價值；創(chuàng)新性 15 得 分 Y= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　 　 　 　 　 　 　 　　 　 　 　 　 　 評閱人簽字： 年 月 日 SY-025-BY-8 畢業(yè)論文答辯評分表 學生 姓名 楊斌 專業(yè) 班級 車輛工程 B04-15班 指導 教師 付百學 職 稱 教授 題目 MK20-Ⅱ型ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計 答辯 時間 月 日 時 答辯組 成員姓名 出席 人數(shù) 序號 評 審 指 標 滿 分 得 分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況，題目難易度、工作量、理論意義或價值 10 2 研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力、綜合運用知識的能力、應用文獻資料和外文的能力 20 3 論文撰寫水平、文題相符程度、寫作規(guī)范化程度、篇幅、成果的理論或實際價值、創(chuàng)新性 15 4 畢業(yè)論文答辯準備情況 5 5 畢業(yè)論文自述情況 20 6 畢業(yè)論文答辯回答問題情況 30 總 分 Z= 答辯過程記錄、評語： 　 　 　 　 　 　 　 　 　 答辯組長簽字： 年 月 日 SY-025-BY-9 畢業(yè)設計（論文）成績評定表 學生姓名 楊斌 性別 男 系部 汽車工程系 專業(yè) 車輛工程 班級 B04-15班 設計（論文）題目 MK20-Ⅱ型ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計 指導教師姓名 職稱 指導教師 評分（X） 評閱教師姓名 職稱 評閱教師 評分（Y） 答辯組組長 職稱 答辯組 評分（Z） 畢業(yè)設計（論文）成績 百分制 五級分制 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 注：1、指導教師、評閱教師、答辯組評分按百分制填寫，畢業(yè)設計（論文）成績百分制=0.3X+0.2Y+0.5Z 2、評語中應當包括學生畢業(yè)設計（論文）選題質量、能力水平、設計（論文）水平、設計（論文）撰寫質量、學生在畢業(yè)設計（論文）實施或寫作過程中的學習態(tài)度及學生答辯情況等內(nèi)容的評價。 本科學生畢業(yè)設計 MK20-Ⅱ型ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級： 車輛工程B04-15班 學生姓名： 楊 斌 指導教師： 付百學 職 稱： 教 授 黑 龍 江 工 程 學 院 二○○八年六月 SY-025-BY-3 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 楊 斌 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 B04-15班 指導教師姓名 付百學 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是√否 題目名稱 MK20-Ⅱ型ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計 一、課題研究現(xiàn)狀,選題的目的、依據(jù)和意義 1、研究現(xiàn)狀 針對電噴、電控自動變速器、ABS、SRS等電子控制裝置在汽車上的迅速普及使用，而國內(nèi)外尚沒有更合適的實驗與教學設備，國內(nèi)部分高校、研究部門及教具生產(chǎn)廠已開始進行相關技術研究，目前部分產(chǎn)品已面世，但在價格、性能、精度、測試范圍等方面還存在諸多問題，尚在不斷的改進與完善之中。 2、選題的目的、依據(jù)和意義 隨著汽車電子控制技術的迅速發(fā)展，汽車電噴、ABS、SRS等逐漸成為現(xiàn)代轎車的標準配備裝置，同時要求汽車使用與維修人員盡快掌握現(xiàn)代汽車新技術。適應汽車新技術迅速發(fā)展的要求，研究汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）控制技術，開發(fā)、研制ABS電教板，用于模擬汽車實際工作狀況，動態(tài)顯示ABS油路、電路及二者關聯(lián)工作狀況，實時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的結構原理、性能檢測、故障診斷與維修等方面知識，是國內(nèi)具有相關汽車專業(yè)實驗室急需且必備的設備?？蔀樘岣咂嚪辣乐苿酉到y(tǒng)的性能提供依據(jù)；為汽車檢測、使用與維修提供保證；為研制多功能、低成本的汽車防抱死系統(tǒng)試驗儀器奠定基礎。 二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1、研究的基本內(nèi)容 （1） 介紹MK20-Ⅱ型ABS的結構特點、控制原理； （2） 進行MK20-Ⅱ型ABS教學儀器的總體設計； （3） 進行MK20-Ⅱ型ABS教學儀器功能設計，包括ABS油電路工作原理、故障診斷等。 2、擬解決的主要問題 ABS油路工作原理演示、電路工作原理演示、油路和電路關聯(lián)演示、ABS故障設置與診斷。 三、技術路線（研究方法） 先進行深入細致的理論研究，再確定可行性方案，進行測試系統(tǒng)設計，包括硬件的設計與選擇、軟件的設計、系統(tǒng)控制電路的設計等。 四、設計（論文）進度安排 （1）調(diào)研、資料收集、完成開題報告 第4周（3月24日～3月30日） （2）方案設計與分析、整理 第5周（3月31日～4月6日） （3）結構設計、計算與分析 第6、7周（4月7日～4月20日） （4）完成繪圖工作 第8～10周（4月21日～5月11日） （5）說明書撰寫 第11、12周（5月12日～5月25日） （6）校對、完善和打印 第13、14周（5月26日～6月8日） （7）畢業(yè)設計審核、修改 第15、16周（6月9日～6月22日） （8）畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月23日～6月 29日） 五、參考文獻 [1] 周志立,徐斌,衛(wèi)堯.汽車ABS原理與結構[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.4：3-15. [2] 劉紹輝.ABS制動時的車速計算[J].華南理工大學學報,2002：24-28. [3] 覃國周.現(xiàn)代汽車教學實驗臺的研究[J].汽車電器,2004：32-40. [4] 趙奇平.汽車摩托車ABS性能實驗臺開發(fā)[J].武漢理工大學學報,2002：21-28. [5] 楊梁.具有ABS的汽車制動性能實驗模擬系統(tǒng)[J].上海汽車,2003：24-30. [6] 陳在蜂.汽車防抱死制動系統(tǒng)輪速傳感器信號處理[J].汽車工程,2000：35-41. [7] 曲金玉,崔振民.汽車電器與電子控制技術[M].北京：北京大學出版社,2006.8：218-226. [8] 肖永清,楊忠敏.汽車制動系統(tǒng)的使用與維修[M].北京：中國電力出版社,2004：3-8. [9] 馬明星. 汽車防抱死系統(tǒng)的理論分析與試驗研究[M].鎮(zhèn)江：江蘇大學,2001. [10] 舒華.桑塔納2000Gsi型車MK20-1型ABS結構研究[J].汽車電器,2003年. [11] ABS components,Technical Training Journal[J].2005:33～35. [12] 李朝青．單片機原理及接口技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2005． [13] 孫仁云，付百學.汽車電器與電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.1． [14] DanHolt.Brake-by-wire.Service Tech Magazine,January 2002. [15] Liu Zhao-du,Lu Jiang,Shi Kai-bin.Integrated ABS/ASR/ACC System for the car.Journal of BeiJing Institute of Technology,BeiJing,Sept.Vol.10,2001. [16] 李春成 , 曹永林. ABS系統(tǒng)故障診斷四法[J]. 汽車運用 , 2003,(01) ． 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 尊敬的評委老師：你們好！ 我叫楊斌，是04級15班，我的畢業(yè)論文題目是《MK2-2型ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計》。本論文是在付百學老師的悉心指點下完成的。在這里我向我的導師表示感謝，同時還要由衷的感謝紀峻嶺老師和楊兆老師，在設計的寫作過程中，我針對設計的問題向兩位老師請教，并得到細心的指導。最后，向今天不辭辛苦參加我論文答辯的各位老師表示由衷的感謝，并對四年來讓教育、培養(yǎng)過我的老師表示深深的敬意。 下面我將對我的學位設計的基本內(nèi)容做一個簡要的陳述： 首先，我選擇這個課題的原因：當今科技高速發(fā)展，汽車以成為社會的一個重要部分，所以對于汽車的安全性也越來越受到人們的重視，ABS系統(tǒng)也成為汽車重要安全組成部分。從英國人霍納摩爾在1920年研制發(fā)明并申請專利，ABS已經(jīng)發(fā)展了將近一個世紀，技術不斷更新，汽車防抱死制動系統(tǒng)教學控制儀器是適應汽車新技術迅速發(fā)展的要求而發(fā)展起來的，它用于模擬汽車實際工作狀況，動態(tài)顯示ABS油路、電路及二者關聯(lián)工作情況，實時測量電子元件工作參數(shù)，智能模擬故障與檢測，有助于學習人員盡快掌握ABS的結構原理、性能檢測、故障診斷與維修等方面知識，是國內(nèi)具有相關汽車專業(yè)實驗室急需且必備的設備。 下面我分幾部分對我的設計做大致的說明： 1.我選擇的車型藍本是凱迪拉克賽威汽車的電路圖， 2. 最后一點，想說說設計存在的一些不足。 第一，搜集第一手材料的問題；雖然學習習慣研究是老話題，但由于今年來研究熱點的轉移，國內(nèi)學者對其研究較少，資料收集比較困難，再加上本人理論層次不夠。因此，在寫作的過程中，出現(xiàn)大段引用原文的現(xiàn)象，獨創(chuàng)性評論較少，今后我將繼續(xù)努力。 第二，對學習習慣的價值，特別是實踐價值研究不夠，培養(yǎng)策略可操作性不強。論文對這些問題沒有深入展開探討，與導師期望達到的水平仍有較大的差距。 雖然自己翻閱了許多資料、進行了不懈努力，使這篇文章既是大學對教育問題的所思、所學在這一問題上的運用和總結；也成為進一步改造自身主觀認識的起點。 但由于水平有限、時間性倉促，其中觀點尚不成熟、不系統(tǒng)之處，敬請各位專家、導師批評指正。 謝謝大家！ 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目　　錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 ABS概述 1 1.3 ABS教學控制儀器研究現(xiàn)狀 2 1.3.1 國外ABS教學控制儀器的研究現(xiàn)狀 2 1.3.2 國內(nèi)ABS教學控制儀器的研究現(xiàn)狀 3 1.4 研究的目的和意義 5 1.5 本設計研究主要內(nèi)容 5 第2章 總體技術方案設計 7 2.1 設計思想 7 2.2 實現(xiàn)功能和創(chuàng)新點 7 2.3 總體布置 8 2.4 ABS教學儀器組成及工作原理 8 2.5 本章小結 9 第3章 電路油路系統(tǒng)設計 10 3.1 電路設計 10 3.1.1 設計方案 10 3.1.2 電路的組成及工作原理 11 3.1.3 模擬電路工作過程 12 3.2 ABS油路設計 12 3.2.1 設計方案 12 3.2.2 油路的組成及工作原理 13 3.2.3 模擬油路工作過程 13 3.3 本章小結 14 第4章 ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計 15 4.1 控制系統(tǒng)組成及原理 15 4.2 ABS電路硬件設計 16 4.2.1 單片機的選擇 16 4.2.2 譯碼器的選擇 20 4.2.3 二極管的功能原理及接口電路 22 4.2.4 LED數(shù)碼管的選擇 23 4.2.5 電動機的選擇及接口電路 26 4.2.6 顯示器的選擇及接口電路 29 4.2.7 控制開關的設計及接口電路 31 4.2.8 電源的選擇及其電路 32 4.3 本章小結 33 第5章 滑移率演示系統(tǒng)設計 34 5.1 輪速信號采集電路 34 5.2 傳感器的選擇 34 5.3 滑移率的定義 36 5.4 滑移率的設計 36 5.5 本章小結 37 第6章 故障診斷功能的設計與實現(xiàn) 38 6.1 ABS教學控制系統(tǒng)典型故障 38 6.2 故障設置與模擬 39 6.3 ABS教學儀器控制系統(tǒng)電路的診斷 39 6.4 控制系統(tǒng)電路的設計 40 6.5 本章小結 40 第7章 軟件系統(tǒng)的設計與調(diào)試 41 7.1 開發(fā)環(huán)境的選擇 41 7.2 編程語言的選擇 41 7.3 軟件系統(tǒng)的功能結構 42 7.3.1 程序模塊化的優(yōu)點及劃分原則 42 7.3.2 編程技巧 43 7.4 軟件系統(tǒng)的主程序 43 7.5 軟件程序運行和調(diào)試 46 7.5.1 調(diào)試過程 46 7.5.2 調(diào)試中出現(xiàn)的問題 46 7.5.3 部分軟件程序 47 7.6 本章小結 49 結論 50 參考文獻 51 致謝 52 The Graduation Design for Bachelor's Degree Design of the MK20-ⅡAutomobile Antilock Brake Instructional Instruments Control System Candidate：Yang Bin Specialty： Vehicle Engineering Class： B04-15 Supervisor：Professor. Fu Baixue Heilongjiang Institute of Technology 2008-06·Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 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。隨著電子技術的發(fā)展，ABS的性能也不斷得到提高和完善，同時要求汽車使用與維修人員盡快掌握現(xiàn)代汽車新技術。開發(fā)、研制ABS實驗測試設備，用于模擬汽車實際工作狀況，并動態(tài)顯示ABS油路、電路及二者關聯(lián)工作狀況，實時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的結構和原理、性能檢測、故障診斷與維修等方面的知識。本文對ABS教學儀器控制系統(tǒng)以及軟件和機械部分進行了設計，本設計不僅實現(xiàn)了對ABS元件識別、原理實驗、故障設置，而且實現(xiàn)了電路和油路關聯(lián)演示、滑移率的演示以及車輪輪速的同步顯示。 關鍵詞：ABS；教學儀器；油路；電路；診斷 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 II 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 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往往會使車輪發(fā)生抱死現(xiàn)象，制動時車輪抱死不僅會造成車輪輪胎局部的嚴重磨損，而且前輪抱死會使車喪失轉向能力，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[2]。ABS裝置主要通過控制制動輪的瞬時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)教學控制儀器是適應汽車新技術迅速發(fā)展的要求而發(fā)展起來的，它用于模擬汽車實際工作狀況，動態(tài)顯示ABS油路、電路及二者關聯(lián)工作情況，實時測量電子元件工作參數(shù)，智能模擬故障與檢測，有助于學習人員盡快掌握ABS的結構原理、性能檢測、故障診斷與維修等方面知識，是國內(nèi)具有相關汽車專業(yè)實驗室急需且必備的設備。 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)基礎上采用電子控制技術防止車輪抱死的機電一體化系統(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往往會使車輪發(fā)生抱死現(xiàn)象。根據(jù)汽車理論和實驗可知，汽車地面制動力受車輪和地面附著力的制約。制動時車輪抱死不僅會造成車輪輪胎局部的嚴重磨損，而且前輪抱死會使車喪失轉向能力，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角加速度和減速度將車輪的滑移率s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教學控制儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 國外ABS教學控制儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 從20世紀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，為實現(xiàn)測試自動化打下了良好的基礎，計算機的引入，測量技術又一次取得了進展，使儀器的功能發(fā)生了質的變化，從個別電量的測量轉變成測量整個系統(tǒng)的參數(shù)，從單純的接收、顯示轉變?yōu)榭刂?、分析、處理、計算與顯示輸出，從用單個儀器進行測量轉變成用測量系統(tǒng)進行測量。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，通、斷開關鍵已經(jīng)消失。測量系統(tǒng)的主要模式，是采用機柜形式，全部通過IEEE-488總線送到一個控制器上。測試時，可用計算機語言程序來高速測試。不同于傳統(tǒng)獨立儀器模式的個人儀器已經(jīng)得到了發(fā)展，這個進展的主要標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、新技術的應用 目前普遍采用EDA（電子設計自動化）、CAM（計算機輔助制造）、CAT（計算機輔助測試）、DSP（數(shù)字信號處理）、ASIC（專用集成電路）及SMT（表面貼裝技術）等。 2、產(chǎn)品結構變化 在重視高檔儀器開發(fā)的同時，注重高新技術產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化，隨著各類儀器裝上了CPU，實現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人力、財力，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)準則發(fā)生了變化 從技術驅動轉為市場驅動，從一味追求高精尖轉為“恰到好處”。開發(fā)一項成功產(chǎn)品的準則是，用戶有明確的需求；能用最短的開發(fā)時間投放市場；功能與性能要恰到好處；產(chǎn)品開發(fā)準則的另一變化是收縮方向，集中優(yōu)勢。 4、生產(chǎn)技術注重專業(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，快速地進行自動測試、統(tǒng)計、分析、打印出結果。 目前ABS教學控制儀器的發(fā)展正按著這個方向進行。多采用OBD-II接口，可通過檢測儀器的進行讀取故障碼、清除故障，并通過計算機實現(xiàn)遠程操控。下面就介紹一家國外的一些產(chǎn)品。 美國SPX公司是設計、制造和銷售汽車專用檢測設備和工具的大型跨國集團公司，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下設的子公司或代表機構已遍及世界各地，其產(chǎn)品廣泛應用于通用，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)教學演示臺的特點如下： （1）實驗臺選用大眾ABS防抱死制動系統(tǒng)； （2）在機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； （4）實驗臺可根據(jù)客戶要求選擇手動或遙控設置系統(tǒng)故障； （5）實驗臺采用本公司自主開發(fā)的單片機控制，除能夠實現(xiàn)原車常規(guī)檢測實驗項目外，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教學儀器的發(fā)展也是十分迅速。通過引進和吸收國外的先進技術，目前我國已有上百家這樣的生產(chǎn)廠家。這些廠家的產(chǎn)品都是按照汽車標準件安裝而成，教師可在實驗臺上任何部件制造故障，由學生自行排除，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、濟南恒信教學實驗設備有限公司 濟南恒信教學實驗設備有限公司是專門從事高、低檔轎車各個部位教學設備的軟硬件開發(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，并在此基礎上研究開發(fā)出更專業(yè)、更實用的系列汽車實訓教具，以實物模擬為主，結合相關的原理，直觀的描述汽車的結構和工作原理，可以根據(jù)學校的實際需要定制各種汽車教學的軟件及硬件，是高等學府及職業(yè)培訓中心和學校汽車工程專業(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。實驗臺選用大眾系列MK20-I型四傳感器三通道ABS，原車結構臺架式布置，展板式面板、個性化操作平臺，設工況指示燈、急停開關，調(diào)速電機作驅動，萬向自鎖腳輪臺架，便于移動教學。具有實物展示功能，據(jù)有ABS系統(tǒng)各工況動態(tài)演示及實驗功能。 （1）實驗臺采用時代超人原車配件，可模擬動態(tài)行駛時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)，通過油壓表顯示實際油壓的變化情況； （3）計算機端子采用外接式，可方便的檢測各傳感器的工作電壓； （4）OBD-II接口，可通過檢測儀器進行讀取故障碼、清除故障碼等實際工作。配備隱蔽故障模擬裝置，便于學生考試。 選配配置及功能 （1）PC電腦，彩噴打印機、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）多媒體教學功能、示波器功能； （5）遠程智能故障設置考核功能。 2、天津市萬豪汽車檢測設備有限公司 天津市萬豪汽車檢測設備有限公司是一家集技術研發(fā)、市場運作、生產(chǎn)銷售和技術培訓為一體的股份制企業(yè)。公司始終堅持科學技術是第一生產(chǎn)力，以科技為先導，不斷的引進國外的先進技術，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 （1）主缸油壓及分缸油壓實時顯示； （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)頻變速電機可調(diào)整不同車速； （6）自動斷電裝置，避免電機反； （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、上海碩博科教設備有限公司 上海碩博公司是專業(yè)從事教學設備生產(chǎn)經(jīng)營的綜合性企業(yè)。公司主要產(chǎn)品類型包括：理、化、生實驗室成套設備、多媒體綜合教學系統(tǒng)、多媒體語言教學系統(tǒng)、機電實驗室、電子實驗室、制冷家電、財會模擬實驗室、醫(yī)學教學模型、多媒體電腦輔助學習系統(tǒng)先進科學的教研設備系統(tǒng)。碩博公司具有雄厚的技術力量、先進的生產(chǎn)工藝、精湛的檢測手段和完善的質保體系。產(chǎn)品具有操作簡單、優(yōu)質耐用、性能穩(wěn)定、外觀精美、價格合理等特點。 該公司引進國外先進生產(chǎn)設備，先后推出具有國內(nèi)領先水平的電工、電子、數(shù)電、模電、微機接口及應用、電動機、電氣控制實驗室設備系列、電工、機床電氣考核實驗裝置；工業(yè)自動化、變頻設備調(diào)速、PLC可編程單片機、EPROM實驗裝置；智能考核DVD家用電器多功能綜合實驗室、中央空調(diào)、制冷制熱實驗室；透明液壓、氣動PLC控制實驗臺、教學演示電梯；機電一體化數(shù)控編程實驗室、模擬數(shù)控車床銑床模型；模具、機械系列陳列柜、機械教學模型；工程制圖、財會實驗室；汽車駕駛模擬器、透明汽車教學模型、程控示教板、電路實驗臺、電子樁考儀；數(shù)字多媒體語言實驗室、物理、化學、生物等實驗室；大中專、職校、技校、職業(yè)學校配套教學儀器、教學模型、教學掛圖。如ABS教學儀器的特點： （1）電動程序控制電路； （2）教學儀器的板面一側都有屏幕顯示； （3）板面機械部分采用半立體彩色有機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)代轎車的標準配備裝置。特別是電子控制技術的發(fā)展，要求更多的人了解并掌握現(xiàn)代汽車新技術。本設計研究汽車制動防抱死系統(tǒng)（ABS）控制技術和實驗測試技術，用于模擬汽車工作狀況，并動態(tài)顯示ABS油路、電路及二者關聯(lián)工作狀況，實時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的結構和原理、性能檢測、故障診斷與維修等方面的知識，是國內(nèi)具有相關汽車專業(yè)實驗室急需且必備的設備。非常適用于教學部門、研究單位及維修企業(yè)等使用。 1.5本設計研究主要內(nèi)容 眾所周知，ABS 的原車測試具有成本高、實驗周期長、實驗精度底、不易觀察等缺點。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臺。由于設計這種實驗臺的工作量特別大，在短期內(nèi)很難完成，為了更好的完成這個設計，把此工作分成兩部分。一部分是實驗臺的實物裝置的設計，一部分是為了展示試驗臺工作情況的模擬控制裝置的設計。ABS教學控制儀器的設計便屬于第二部分，它不具有實驗臺工作時的零部件，但通過LED燈、油壓表、顯示器能清晰的反應ABS制動試驗臺真實的工作情況，也是本設計的意義所在。 （1）總體技術方案確定。根據(jù)汽車防抱死制動系統(tǒng)教學控制儀器的功能要求，確定總體技術方案。 （2）硬件部分的設計、選擇與匹配。對單片機、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狀況、性能特點、性價比等，結合調(diào)研情況以及相關參考資料進行對比分析，確定采用的元件的具體型號，并給出相應的接口電路，相互之間進行合理匹配。同時給出以單片機為核心的控制系統(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)的設計與調(diào)試。軟件部分配合硬件控制系統(tǒng)電路，共同完成教學儀器的工作，而軟件功能是通過分程序模塊來實現(xiàn)的，主要包括初始化模塊、顯示模塊等。同時進行程序的調(diào)試工作，以對編寫的程序進行運行檢查，驗證運行邏輯、運行流程等。 （4）進行ABS教學控制儀器的可行性驗證。通過試驗觀察儀器的工作狀況，根據(jù)具體情況對理論模型進行修改，以提高其數(shù)據(jù)的精度。 第 2 章 總體方案 2.1設計思想 ABS教學控制儀器設計是比較復雜的，不僅涉及到機械、電子、材料，而且涉及到單片機的編程。為了完成ABS教學儀器設計，實現(xiàn)更多的功能，將按照以下幾步去做： （1）控制面板的尺寸設計合理； （2）油路和電路的設計要有創(chuàng)新并布置合理； （3）故障的設置及診斷要全面； （4）滑移率控制系統(tǒng)設計； （5）LED選擇要準確，設計要合理。 最后確定設計思路為：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，為了使設計更加直觀，將面板大體按照實物位置設置。這樣有助于學習和了解原車的油路和電路。其次，通過選用了LED燈來適時反應車輪轉速工作情況。再次，用顯示器來顯示滑移率的變化，以及設計了很多插孔和開關，以便故障的設置和診斷。把油路和電路以及顯示器合理的布置在控制面板上。并在板后以真實的線連接，這樣既能真實的反應其工作原理，又美觀大方。本設計結合國內(nèi)外控制面板的特點，設計的其具有操作簡便、性能可靠、外觀精美、價格便宜等特點。 2.2實現(xiàn)功能和創(chuàng)新點 1、實現(xiàn)功能 （1）能進行ABS元件識別； （2）能進行ABS工作原理實驗； （3）能進行故障設置； （4）能進行ABS故障診斷實驗； （5）能同步顯示滑移率和車輪轉速。 2、創(chuàng)新點 （1）控制面板的合理布置，能反應油路、電路二者關聯(lián)工作狀態(tài)； （2）數(shù)字模塊顯示器適時顯示工作狀況及滑移率； （3）LED燈顯示車輪轉速的工作狀態(tài)； （4）故障模擬與實時檢測。 2.3總體布置 根據(jù)設計要求選擇3通道4傳感器布置方式，兩前輪獨立控制，兩后輪一同控制?？傮w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-進油閥；10-控制開關；11-出油閥 圖2.2　總體布置圖 2.4 ABS教學儀器組成及工作原理 ABS教學控制儀器主要由ECU、車輪輪速傳感器、顯示器、制動主缸、液壓泵、LED、出油閥和進油閥等組成。 當ABS控制系統(tǒng)工作時，模擬控制面板上就同步顯示其工作過程。其工作原理如下：當接通開關電路，ECU收到工況信息，LED將隨機顯示出此過程的輪速，并將信號傳回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，ECU將信號傳到電動機，控制電動機的轉速和正反轉來調(diào)節(jié)，踏板、制動鉗、出油閥、進油閥等機械部分的運動。 2.5本章小結 本章研究并確定了汽車防抱死制動系統(tǒng)教學儀器控制系統(tǒng)設計思想和它實現(xiàn)的功能以及創(chuàng)新點，同時設計總體布置圖，及其組成和工作原理，這為以后油路、電路設計提供重要參考。 第 3 章 電路和油路設計 3.1電路設計 3.1.1 設計方案 在設計中，MK20-Ⅱ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，本設計中的電路圖有所創(chuàng)新，如圖3.2所示。 圖3.2 ABS教學儀器電路圖 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、液壓泵等線路中放入了LED燈，當電源接通時（也就是傳感器等元件工作時）LED燈就會亮，這就有利于我們觀看ABS電路的工作情況。本設計在每條線路中還設置了一個插孔和一個開關，這有助于我們設置故障，通過故障分析、診斷使我們學習更方便、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組成。其中，電子控制單元（ECU）是最主要的。 本設計采用的電子控制單元（J104）由以下幾個基本電路組成：①車速傳感器的輸入放大電路。②運算電路。③電磁閥控制電路。④穩(wěn)壓電源、電源監(jiān)控電路、故障反饋電路和繼電器驅動電路。 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)故障或受到暫時的干擾，電控單元會自動關閉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 當點火開關轉到ON位置時（也就是電路中有電時），電子控制單元就開始進行自我檢測。在車輪轉動時，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，如果電路中有電即各部件都正常工作時，控制面板上LED燈都會亮。與其同時，顯示器顯示滑移率。如果電路短路或者斷路時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 油路設計 3.2.1設計方案 本設計的油路是基于電路基礎上設計的，本設計采用二極管逐點顯示油路過程。 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入輪缸。當減壓時，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ABS起作用的時候，用發(fā)光二極管顯示液壓制動控制系統(tǒng)各個進油閥、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 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、譯碼器等，這些元件在前面已經(jīng)詳細的介紹過。 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、輸出電磁閥適時打開和關閉，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，關閉相應的輸入、輸出電磁閥。 3.2.3模擬油路工作過程 本設計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閉狀態(tài)，電動泵也不通電運轉，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，出油閥處于關閉狀態(tài)，進油閥處于開啟狀態(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)車輪轉速傳感器輸入的車輪轉速信號判定有車輪抱死時，ABS就進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，電子控制單元就使控制右前輪制動壓力的進液電磁閥通電，使右前輪液電磁閥轉入關閉狀態(tài)，制動主缸輸出的制動液不再進入右前制動輪缸。此時，右前出液電磁閥仍未通電而處于關閉狀態(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)車輪轉速判定有車輪抱死時，ABS就進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，電子控制單元使控制左前輪制動壓力的進油閥關閉。此時，左前輪出油閥仍處于關閉狀態(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，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，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，當電子控制單元根據(jù)車輪轉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，電子控制單元就使右前進液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進液電磁閥轉入開啟狀態(tài)，使出液電磁閥轉入關閉狀態(tài)，同時也使用電動泵通電運轉，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)的右前進液電磁閥進入右前制動輪缸，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，當電子控制單元根據(jù)車輪轉速輸入的信號判斷左前輪的抱死趨勢已經(jīng)完全消除時，電子控制單元就使左前輪進油閥和出油閥都斷電，使進油閥轉入開啟狀態(tài)，使出油閥轉入關閉狀態(tài)，同時也使用電動泵通電運轉，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)的左前進液電磁閥進入右前制動輪缸，使左前制動輪缸的壓力迅速增大，左前輪又開始減速轉動。此過程用發(fā)光二極管動態(tài)顯示出來。 3.3 本章小結 本章實現(xiàn)了ABS電路和油路的設計過程。通過和原車電路的對比，可清楚的看到本設計中電路布置的合理性，并能反應ABS試驗臺的工作情況。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。通過二者的設計使油路和電路緊密的結合起來了。 第4章 ABS教學儀器控制系統(tǒng)設計 4.1控制系統(tǒng)組成及原理 本設計控制系統(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) 實時監(jiān)控與檢測 模擬仿真 硬件與教學系統(tǒng) ABS系統(tǒng)運行監(jiān)控、檢測 輪速傳感器運行監(jiān)控、檢測 警告燈運行監(jiān)控、檢測 ABS執(zhí)行器運行監(jiān)控、檢測 ABS系統(tǒng)運行實時仿真 ABS執(zhí)行器運行實時仿真 ABS系統(tǒng)實時仿真 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。 開關量 微處理器 電動機 LED 二極管 顯示器 圖4.2　ABS教學儀器控制系統(tǒng)原理圖 通過開關量輸入信號，把相應開關量輸入到微處理器內(nèi)部，經(jīng)過微處理器內(nèi)部運算調(diào)用相關的子程序來實現(xiàn)各開關量的控制。從而實現(xiàn)控制電動機的正反轉、LED動態(tài)顯示輪速和二極管點亮順序以及滑移率在顯示器上的顯示。 4.2ABS電路硬件設計 ABS電路硬件包括單片機、譯碼器、二極管、LED、電動機、顯示器、控制開關、電源。 4.2.1單片機的選擇 當今單片機品種繁多，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結構的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分時復用，它的指令豐富，功能較強，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時進行，速度受限，價格也高。采用RISC結構的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分離，這種結構的單片機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，這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化設計。 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；對于控制關系較復雜的場合，如通信產(chǎn)品，工業(yè)控制系統(tǒng)，應采用CISC單片機。所以，根據(jù)功能需要和性價比以及匹配關系，在這里選擇CISC型的單片機，它主要包括Intel系列、Motorola系列、Atmel系列的AT89系列等。 除此之外，在實際應用中還可根據(jù)如下原則來選擇單片機[6]： （1）了解單片機對應用系統(tǒng)的適用性。所謂對應用系統(tǒng)的適用性，就是能否用一個單片機對系統(tǒng)的控制，或需要增加幾個附加的集成電路才能實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。從這一方面應主要考慮以下問題： ①單片機是否含有所需的I/O端口數(shù)目； ②單片機是否含有所需的外圍端口部件； ③單片機的CPU是否有合適的吞吐量； ④單片機的極限性能是否滿足要求。 （2）了解單片機的可購買性。從這一方面應主要考慮以下問題： ①單片機是否可直接購買到； ②單片機是否有足夠的供應量； ③單片機是否仍在生產(chǎn)之中； ④單片機是否在改進之中。 （3）了解單片機的可開發(fā)性。從這一方面應主要考慮以下問題： ①編譯軟件； ②程序寫入工具； ③調(diào)試工具； ④技術支持； ⑤語言體系與熟悉程度。 根據(jù)上面的要求對單片機進行選擇，就可選擇出最適用于應用系統(tǒng)的單片機，從而保證應用系統(tǒng)最高的可靠性、最優(yōu)的價格性能比、最長的使用壽命和最好的升級換代性。所以這里初選89C51單片機作為系統(tǒng)的控制芯片。 1、 89C51單片機的基本組成 圖4.3所示為89C51帶閃存（Flash ROM）單片機的基本結構框圖[6]。 外部事件記數(shù)輸入 P0 P2 P1 P3 控制 串行通信 振蕩器和時序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位定時器 /計數(shù)器 可編程全雙工 串行口 可編程I/O 64KB總線擴展控制器 內(nèi)中斷 外中斷 地址數(shù)據(jù) 圖4.3　89C51單片機結構框圖 在一小塊芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分，即89C51單片機芯片內(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)，如運算的中間結果、最終結果以及顯示的數(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； （5）兩個16位的定時器/記數(shù)器，每個定時器/記數(shù)器都可以設置成記數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機控制； （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，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與PC機之間的串行通信； （8）片內(nèi)振蕩器和時鐘產(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)邏輯來設計的，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、定時器/記數(shù)器、并行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。此時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，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復位為止。這種方式下的電流可降到15以下，最小可降到0.6以下。 89C51是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機。它采用了CMOS工藝和高密度非易失性存儲器（NURAM）技術，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、靈活性高，且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領域。 單片機是典型的嵌入式系統(tǒng)，從體系結構到指令系統(tǒng)都是按照嵌入式應用特點專門設計的 ，能最好地滿足面對控制對象、應用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場的可靠運行以及非凡的控制品質要求。因此，單片機是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。 89C51的單片機具有兼容的低功耗、高性能8位的特點，特別是其內(nèi)部增加的閃速可電改寫的存儲器Flash ROM給單片機的開發(fā)及應用帶來了很大的方便。因為89C51是80C51，373和2732的總和，且芯片的價格非常便宜，因此，近年來得到了極其廣泛的應用。根據(jù)以上原因本文采用了89C51單片機。 2、 外圍電路的設計 （1）時鐘電路的設計。計算機工作時，是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍地進行的，這個脈沖是單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機的時序就是CPU在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件間的同步工作，單片機內(nèi)部電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。 要給CPU提供時序需要相關的硬件電路，即振蕩器和時鐘電路。89C51系列單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器，但要形成時鐘，外部還需要附加電路。89C51的時鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。在該控制系統(tǒng)中，采用了內(nèi)部時鐘方式。 內(nèi)部時鐘方式，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)部時鐘電路。外接晶振時，C1和C2值通常選擇為30pF左右：外接陶瓷諧振器時C1和C2約為47pF。C1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，振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近。內(nèi)部時鐘設計電路如圖4.4所示。 圖4.4　時鐘電路 （2）復位電路的設計。復位是單片機的初始化操作，單片機在啟動運行時，都需要先復位，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。例如復位后，PC初始化為0，于是單片機自動從0單元開始執(zhí)行程序。因而復位是一個很重要的操作方式。單片機本身一般是不能自動進行復位的（在熱啟動時本身帶有看門狗復位電路的單片機除外），必須配合相應的外部電路才能實現(xiàn)。 單片機的整個復位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分，外部電路產(chǎn)生的復位信號通過復位引腳RET進入片內(nèi)一個斯密特觸發(fā)器（抑制噪聲作用）再與片內(nèi)復位電路連接。復位電路每個機器周期對斯密特觸發(fā)器的輸出采樣一次。當RST引腳端保持兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平時，89C51進入復位狀態(tài)。 單片機的外部復位電路有上電自動復位和按健手動復位兩種。 上電復位利用電容器充電來實現(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，就能使單片機有效地復位。 按鍵手動復位又分為：按鍵電平復位和按鍵脈沖復位。按鍵電平復位，相當于恢復鍵后復位端通過電阻與VCC電源接通；按鍵脈沖復位，利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖。 在實際的應用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復位，如果這些復位端的復位電平要求與單片機的復位要求一致，則可以與之連接。 復位電路關系到一個系統(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位電路是一種廉價而簡單的選擇，一般均能良好的工作。而對于應用現(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位回復工作，這樣的系統(tǒng)選用專用復位監(jiān)控芯片作為系統(tǒng)的復位產(chǎn)生器是比較理想的。考慮到教學的環(huán)境現(xiàn)場干擾比較小，最終確定的外部復位電路如圖4.5所示。 圖4.5　復位電路 在不復位狀態(tài)下，1是高電平，2輸出低電平給單片機芯片的RST，單片機工作。當按鍵按下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)時間至少10ms，2輸出高電平RET，實現(xiàn)復位。 4.2.2譯碼器的選擇 1、譯碼器的分類 實現(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，轉換為標準的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，不可以被單片機直接識別。 譯碼器是將一種數(shù)碼轉換為另一種數(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 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位二進制代碼表示的十進制數(shù)（BCD碼），有10條輸出線表示十進制數(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構，故所對應的顯示譯碼器也不同，使用共陽數(shù)碼管時，公共陽極接電源電壓，七個陰極a～g由相應的BCD-七段譯碼器的輸出來驅動。對共陰極數(shù)碼管來說，則為共陰極接地，相應的BCD-七段譯碼器的輸出驅動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、計算機和其他數(shù)字系統(tǒng)中，常常要把測量數(shù)據(jù)和運算結果用十進制數(shù)顯示出來。這就要用顯示譯碼器，它能夠把“8421”二-十進制代碼譯成能用顯示器顯示出的十進制數(shù)。 CPU與存儲器連接時，特別是在擴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要實現(xiàn)對存儲單元的訪問，首先要選擇存儲芯片，即進行片選；然后再從選中的芯片中依地址碼選擇出相應的存儲單元，以進行數(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地址輸入端，而片選信號則是通過高位地址得到的。實現(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，當某地址線信號為“0”時，就選中與之對應的存儲芯片。這些片選地址線每次尋址時只能有一位有效，不允許同時有多位有效，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，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。當存儲器容量小于可尋址的存儲空間時，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，以便需要時擴充。 （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,由于未參加譯碼的高位地址與存儲器地址無關,因此存在地址重疊問題。當選用不同的高位地址線進行部分譯碼時,其譯碼對應的地址空間不同。例如CPU地址總線為16位,存儲器由4片容量為8KB的芯片構成時,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)部結構為一個PN結，具有單向導電性。 發(fā)光二極管（LED）是用半導體材料制作的正向偏置的PN結二極管。其發(fā)光機理是當在PN結兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電子－空穴對）在擴散過程中復合發(fā)光，這種發(fā)射過程主要對應光的自發(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雙異質結邊發(fā)光二極管。 發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用PN結的能帶結構來解釋。制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，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結阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復合。而當給PN結加以正向電壓時，溝區(qū)導帶中的電子則可逃過PN結的勢壘進入到P區(qū)一側。于是在PN結附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時，便產(chǎn)生發(fā)光復合。這種發(fā)光復合所發(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)工作時間長、光功率－電流線性度好等顯著優(yōu)點，而且由于此項技術已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，所以其價格非常便宜。因此在一些簡易的光纖傳感器的設計中，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計中，就不得不以提高成本為代價，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，有的具有很復雜的能帶結構，相應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)光二極管應用電路有四種，即直流驅動電路、交流驅動電路、脈沖驅動電路、變色發(fā)光驅動電路。 使用LED作指示電路時，應該串接限流電阻，該電阻的阻值大小應根據(jù)不同的使用電壓和LED所需工作電流來選擇。 2、 二極管與單片機接口電路 二極管與單片機接口電路如圖4.6所示。 圖4.6　二極管與單片機接口電路 由于單片機接口不夠，所以需要擴充口，在單片機與二極管中間由譯碼器74LS154連接。單片機在接到信號并發(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。 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，近幾年在車站、機場、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單片機串行口和I/O擴展并行口，設計了一個4位LED顯示驅動電路，通過對串行口動態(tài)掃描，把要顯示的數(shù)據(jù)從單片機的串行口送到LED顯示器的字段和字位，從而實現(xiàn)用單片機最少的外部資源達到最佳的顯示效果。 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，點亮相應的點劃來顯示出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，在相應段的陽極接上正電壓，該段即會發(fā)光。當然，LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。 當LED顯示位數(shù)較多時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的字段線對應并聯(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。本設計就是根據(jù)此原理實現(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芯片擴展一個并行口，74LS164的輸入信號來自單片機的串行口線TX和RX，74LS164的并行輸出信號送LED顯示器的字段碼。74LS164引腳如圖4.8所示。其中A1、A2為串行數(shù)據(jù)輸入線，QA～Q11為并行數(shù)據(jù)輸出線。 3、74LS138的功能引腳 74LS138引腳如圖4.9所示，其中A、B、C為譯碼信號輸入線，Y0-Y7為譯碼信號輸出線。 74LS138是“3-8”譯碼器，具有3個選擇輸入端，可組合成8種輸入狀態(tài)。8個輸入端，每個輸出端分別對應8種輸入狀態(tài)中的1種，0電平有效。換句話講，對應每種輸入狀態(tài)，僅允許1個輸出端為0電平，其余全為1。3個使能端E3、E2和E1的狀態(tài)如表4.2所示。 圖4.8　74LS164引腳 圖4.9　74LS138引腳 表4.2　74LS138真值表 輸入 輸出 使能 選擇 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 E3 E2 E1 C B A 1 0 0