汽车侧滑测量系统的设计可编辑优质文档.docx
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汽车侧滑测量系统的设计可编辑优质文档
汽车侧滑测量系统的设计
摘要
实践证明,汽车的侧滑会造成滚动阻力增加、行驶稳定性变差、轮胎磨损加剧、运行油耗增多和转向沉重等问题,影响了汽车的使用性和经济性,所以必须对汽车的侧滑进行定期检测。
本文介绍了一种汽车侧滑测量系统的硬件及软件的设计方法,该系统由输入系统、输出系统和80C51单片机系统构成。
测量系统把传感器传来的频率信号转换成对应的侧滑量,显示在液晶显示器上。
如果测量超过上限,自动发出报警声提示。
测量系统通过串行口可把测量的结果发送到上位机。
本文主要完成汽车侧滑测量系统的硬件设计及软件设计。
在硬件方面,详细介绍了位移检测电路,液晶显示电路,报警电路等等。
在软件方面,介绍了主程序的流程图及各部分电路的编程方法。
本设计具有结构简单,实用性强,可靠性高,不易损坏等特点,适用于大部分汽车侧滑的测量,可以满足大部分生产厂家的要求。
关键词:
上位机,下位机,单片机,显示器
Designofthesideslipsmeasurementsystemofautomobile
Abstract
Thepracticeprovesthattheautomobilesideslipscansharplyincreasetherollingresistance,makethedrivingstabilitybecomebadly,acceleratethetireabrasion,wastemuchmoreandmoreoilandturnaroundheavily,affecthandlingpropertyandeconomicalefficiencyoftheautomobile.Sotheautomobilesideslipsmustbecheckedupforafixedinterval.Thisarticleintroduceshardwareandsoftwaresystemofautomobilesideslips,principleofautomobilesideslipsandothersprincipalfactors.Thesideslipssystemofautomobileisconstitutedbyinputsystem,theoutputsystemand80C51microcontrollerunit.Themeasurementsystemacceptsthesignalofthissensorandthenconvertsthesignaltothesideslipsvalue,whichisdisplayedontheliquid-crystaldisplayatlast.Ifthevalueofsideslipsgoesbeyond,theannunciatorcansendoutwarningtoneautomatically.Thesystemofmeasurementcanalsosendthemeasuringresulttouppercomputerbyserialport.Thisarticlemainlycompleteshardwareandthesoftwaredesignofmeasuresystemoftheautomobilesideslips.Inthehardwareaspect,itintroducescircuitofdetection,circuitofliquidcrystaldisplay,warningcircuitandsoon.Inthesoftwareaspect,itcurtlyintroducesflowchartofmainprogramandtheprogrammingmethodofallportsofcircuit.
Thisdesignhassuchcharacters,itissuitforthesimple,thehighreliability,noteasytodamageandsoon.Automobilessideslipsystemandsatisfythemajorityofautobilemanufacturertherequest.
Keyword:
Uppercomputer、Lowercomputer、MicrocontrollerUnit、Display
1绪论
1.1汽车侧滑测量系统的设计前景
汽车维修检测设备的发展趋势可以说是日新月异。
尤其是汽车侧滑测量系统对汽车检测是一个很重要的环节,其发展前景也是可想而知,其主要的原因有两个:
其一,作为人类运载主要工具的汽车保有量将随着社会的进步与人们生活水平的提高而大幅度增加,尤其在我国汽车进入家庭的条件下,需要更多的适合现代汽车技术要求和社会经济承受能力的汽车维修检测设备;其二,随着汽车数量的增加,国家和社会将会对汽车维修检测提出更高的要求,以保证人民生命财产的安全和节约能源消耗和维护人类社会环境的生态平衡。
专家预计,2021年我国汽车拥有量将从目前的不足2000万辆上升到5000万辆以上,汽车产量也将从现在的200万辆提高到500万辆以上。
全国现有各类维修企业几十万多家,政府将随着汽车数量的增加,对人民生命财产的负责,将对维修检测设备提出更高的要求,更高的标准。
由此可以看出,汽车侧滑测量系统的发展前景是极其广阔的,无法限量的。
1.2影响汽车侧滑的因素
汽车侧滑有四轮侧滑、前轮侧滑和后轮侧滑三种情况。
四轮侧滑较少出现;前轮侧滑缓解了车辆转向角速度,路面较宽时危险性不大,其离心力因前轮侧滑而减小,所以一般能自行制止、减缓乃至消失;但后轮侧滑特别是转弯时侧滑危险性极大,因它会加大转向角速度,导致越滑越烈,如“抱死拖带”,路面越滑,制动时间越长,侧滑也就越严重,其离心力(惯性翻侧力矩)也因侧滑而加大,当大于车辆重力的稳定力矩时就会翻车。
由多方面可知,一般情况下,影响汽车前轮侧滑量的因素有以下几点:
(1)当车轮外倾角一定时,改变前束值就会导致侧向力及侧滑量成正比的变化。
因此当侧滑量超标时,一般情况下调整前束值就能使侧滑量合格。
但也有特殊情况,当汽车前部因碰撞变形时,会导致左右轴距不相等或使前轮定位角发生较大的变化,这时会出现这样的现象:
当汽车侧滑不合格时,驾驶员感觉转向盘还能掌握;当采用调整前束的方法使侧滑合格以后,反而觉得汽车的转向盘掌握不了,汽车无法正常行驶。
遇到这种情况,应首先测量前束值,看是否在原厂规定的范围内,如超出原厂规定的范围较多,应将其调回原厂规定的范围内,再检查左右两侧轴距是否一致、前轮定位的其它3个参数是否符合要求。
侧滑不合格时,不能一味地用改变前束的办法来调整。
(2)汽车轮毂轴承间隙过大,左右松紧度不一致;转向节主销与衬套磨损,或转向节臂松动;左右轮胎气压不等,花纹不一致;轮胎磨损甚至严重偏磨;直拉杆球头松旷,左右悬架性能不稳等,前后轴不平行等都会影响侧滑量。
在检验侧滑量以前,应首先消除这些因素。
当检验车辆的侧滑不合格时,应注意在这些方面查找原因。
(3)汽车通过侧滑板时的速度,规定为3
~4
,一般人快步行走的速度可达到6
。
3
~4
的速度相当于一般人中速行走的速度。
在检验侧滑时,有的操作人员不自觉地将车速开快了,由于冲击的作用,滑板产生的侧滑量会显著增加。
(4)轮胎气压不符合规定,轮胎上有水、油或花纹中嵌有小石子等都会影响轮胎与滑板之间的作用力,也就影响侧滑量。
1.3国内外关于汽车侧滑测量系统研究的状况及相关成果
随着现代电子技术,特别是大规模集成电路和微处理机技术、自动控制技术和高精度传感器技术的发展,微机控制的调节装置在汽车上的应用已经越来越广泛。
汽车电脑化已成为发展的主流。
随着汽车各系统的改变,相应的出现了汽车检测诊断、控制自动化、数据采集处理自动化、检测结果直接打印等功能的现代综合性能检测技术与设备。
国外对前轮定位检测、诊断技术的研究较早,50年代就研制出了相应的检测诊断设备,如美国、原西德、荷兰、日本、丹麦等,发展至今其电脑化程度已经达到相当高的水平。
就汽车的侧滑检测而言,国外90年代最先进的产品有日本弥荣工业株式会社生产的SST系列侧滑台、万岁株式会社WG系列侧滑台、西德实力公司的侧滑台、百斯巴特系列侧滑台等产品。
我国在这方面的研究起步较晚,从60年代开始引进这类设备到自行研制开发经历了20多年的时间,而至今能普及使用的、精度较高的同类国产设备不是很多。
与发达国家相比,仍处于落后状态。
目前,国内检测车轮侧滑的设备一般为单板式或双板式的侧滑试验台,我国生产的较先进的同类产品有交通部成都汽车保修机械厂生产的CH-10系列侧滑台和肇庆车辆检测设备厂生产的CH-10000系列侧滑台等。
检验设备的种类很多,但是大同小异。
归纳起来可以将其分为两类,一类是静态检测设备,另一类是动态检测设备。
静态检测设备有拉线式车轮定位仪、红外光束CCD传感器式车轮定位仪和电脑激光式车轮检测仪等。
拉线式车轮定位仪,在检测车轮定位时,需要检查的角度较小,读数又不够方便,目前基本己被淘汰,而改用红外光束CCD传感器式车轮定位仪。
红外光束CCD传感器式定位仪的读数很方便,目前在国内应用比较普遍。
近年来,有一种用激光测量、电脑处理的电子检测仪进入了市场。
它在电脑中事先输入了各种车型的车轮定位参数。
检测时,可输入汽车品牌及型号,它的检测系统就可将车轮定位的数据与被测车辆的车轮定位参数直接显示在电脑屏幕上,并计算发生偏移的数值。
在调整时,可一边调整,一边观察参数对比情况,使用非常精确和方便,现已成为汽车维修行业进行车轮定位的主流设备。
动态检测仪的种类有滚筒式侧滑试验台和滑板式侧滑试验台。
滚筒式侧滑试验台有单滚筒、双滚筒和三滚筒之分。
是利用滚筒代替移动路面,被测车轮在滚筒上滚动。
当车轮存在侧滑力时,将对滚筒产生轴向推力,根据该推力的大小及方向,诊断出车轮定位的状况。
滑板式侧滑试验台分为单板式和双板式两种,是较为常见和常用的一种车轮定位检测设备。
它按汽车左、右车轮分别设置两块滑板,滑板通过滚动体可以在下板上横向移动,但不能纵向移动。
检测时,汽车缓慢的直线驶过滑板,如汽车转向轮的车轮外倾角与前轮前束配合得当,车轮的轨迹在汽车行驶时为一条直线。
但如果配合不适当,车轮滚动时必然向某一侧偏斜。
由于左、右车轮都是安装在车轮上或是在悬挂上而受到限制和约束,车轮将会在地面上产生横向滑移,车轮将带动上滑板一起在下滑板上移动。
移动量将会在仪表上显示出来,以供检测人员进行分析。
该移动量即为我们所说的侧滑量,目前我国绝大多数汽车安全性能检测站都配有滑板式侧滑试验台。
1.4本设计的相关内容
本设计主要完成的是对汽车侧滑量的测量。
汽车静止在一定角度的斜坡上开始自动下滑,当滑行一段时间到一定距离时汽车停止,汽车会在横向方向上有一定的侧滑距离,当这个距离大于标准的距离时,说明汽车是不符合要求的,反之,汽车是合格的。
测量汽车侧滑系统由输入电路、输出电路和80C51单片机系统构成。
侧滑系统把传感器传来的位移信号经光耦合器隔离及三级管后,输入到CD4013为核心的同步单元电路中与单片机相连,通过单片机输出后,数据显示在LCD上,如果显示时侧滑量超限,报警电路将自动发出报警提示,测量系统通过串行口把测量的结果发送到上位机。
2系统的硬件设计
2.1总体框图及简介
2.1.1系统的总体设计
图2.1设计总体框图
根据汽车侧滑的过程及参数,设计了这一套汽车侧滑测量系统,系统在硬件方面主要由串口通信电路、传感器输入电路、报警电路、LCD液晶显示输出电路和80C51单片机系统构成。
各部分电路的简要说明:
1、串口通信电路:
利用芯片MAX485实现上位机与下位机之间的通讯。
2、传感器输入电路:
将频率信号转换成电脉冲送入单片机。
3、报警电路:
当液晶显示超出范围时给出一定的提示。
4、LCD液晶显示电路:
把数据显示出来,看的更方便,更直观。
5、单片机:
这一部分是系统的核心,配合相应的软件可完成现场标定、实际测量、显示驱动、向上位机传送测量结果等功能。
2.1.2系统的基本工作过程
侧滑系统由光栅位移传感器构成输入电路,由传感器送来的频率信号,经光耦合器隔离及三级管放大后,输入到以CD4013为核心的同步单元电路。
CD4013的复位端R由80C51的P1.5控制,只有当P1.5为低电平,并且在输入信号的上升沿到来时,74HC08才允许第2脚的信号输出到第3脚,把传感器的信号送给80C51的T0端,同时80C51的INT1引脚也得到低电平,开启80C51的T1,当T0计数到预设数字时,发出中断,由P1.5输出高电平,关闭传感器的输入信号,停止T1计时,T1的记时值就是相应的脉冲宽度时间。
单片机把输入的数据经过处理,将光栅传感器输入的频率信号转换成为对应的侧滑量,最后由液晶显示器直观的显示出数据,如果侧滑量超限,报警电路会自动发出报警提示,并且还可以通过MAX485串口通讯电路把测量的结果发送到上位机上,用软件编程来完成计算机控制整个系统的功能。
2.2MAX485芯片简介及其特点
RS-232是广泛应用的串口通信标准,但因其推出较早,在现代网络通信中已暴露出数据传输速度慢、传输距离短、接口处各信号间容易产生干扰等明显的缺点。
鉴于RS-232的这些缺点,EIA于1977年制定了新标准RS-499,RS-423/422(全双工)是RS-499的子集,RS-485(半双工)则是RS-422的变型。
RS-485是一种多发送器的电路标准,它扩展了RS-422的性能,允许双绞线上一个发送器驱动32个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器,RS-485最大传输距离为1200
,最大传送速率可达10
。
因此,RS-485在远程通信和多机总线系统中具有很大的吸引力。
MAXIM公司生产的MAX48X/49X系列收发器芯片,适合于RS-422/RS-485通信标准,在实际设计中得到了广泛应用。
本设计采用MAX485收发器芯片完成RS-485标准接口通信。
MAX485芯片主要有以下特点:
单+5
电源供电;
低功耗;
工作电流120
~500
;
驱动过载保护;
通信传输线上可挂32个收发器组成半双工通信电路;
共模输入电压范围:
-7
~+12
。
2.2.1单片机与MAX485标准远距离通讯介绍
图2.2单片机与MAX485标准远距离通讯原理框图
单片机与MAX485标准远距离通信工作原理为:
单片机将收集到的数据以TTL电平的数据信号送入到MAX485(Ⅰ)中,而MAX485(Ⅰ)将TTL电平的数据转换成差模信号送出。
经MAX485传输线送到MAX485(Ⅱ)中,MAX485(Ⅱ)将差模信号转换成电平信号输出。
并通过电平转换到微机的串行口COM中,在微机显示器中显示出数据来。
同理,微机发出指令并通过串行口COM输出一串电平信号指令,经电平转换后到MAX485(Ⅱ)中。
MAX485(Ⅱ)将输入的电平信号转换成差模信号输出并通过MAX485传输线送到MAX485(Ⅰ)中,经MAX485(Ⅰ)将差模信号转换成TTL电平的数据信号送到单片机中,由单片机去完成各种控制指令,这样就完成了单片机与微机串口的通信任务。
MAX485芯片原理图及通信原理
图2.3MAX485芯片原理图
由于MAX485通讯是一种半双工通讯,发送和接收共用同一物理信道。
在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。
因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕,并且没有其它单机发出应答信号的情况下,才能应答。
半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。
如果在时序上配合不好,就会发生总线冲突,使整个系统的通讯瘫痪,无法正常工作。
MAX485芯片的发送和接收功能转换是由芯片的
,DE端控制的。
=1,DE=1时,MAX485处于发送状态;
=0,DE=0时,MAX485处于接收状态。
一般使用单片机的一根口线连接
,DE端,在这里选用P1.4。
在上电复位时,由于硬件电路稳定需要一定的时间,并且单片机各端口复位后处于高电平状态,这样就会使总线上各个分机处于发送状态,加上上电时各电路的不稳定,可能向总线发送信息。
因此,如果用一根口线作发送和接收控制信号,应该将口线反向后接入MAX485的控制端,使上电时MAX485处于接收状态。
在全双工通讯过程中,发送和接收信号分别在不同的物理链路上传输,发送端始终为发送端,接收端始终为接收端,不存在发送、接收控制信号切换问题。
在RS-485半双工通讯中,由于MAX485的发送和接收都由同一器件完成,并且发送和接收使用同一物理链路,必须对控制信号进行切换。
控制信号何时为高电平,何时为低电平,一般以单片机的TXC(发送完成标记),RXC(接收完成标记)信号作参考。
发送时,检测TXC是否建立起来,当TXC为高电平后关闭发送功能转为接收功能;接收时,检测RXC是否建立起来,当RXC为高电平后,接收完毕,又可以转为发送。
单片机在串行口发送数据时,只要将8位数据位传送完毕,TXC标志即建立,但此时应发送的第九位数据位(若发送地址帧时)和停止位尚未发出。
如果在关闭发送控制,势必会造成发送的帧数据不完整。
如果单片机多机通讯采用较高的波特率,几条操作指令的延时就可能超过2位(或1位)数据的发送时间,问题或许不会出现。
但是如果采用较低的波特率,如9600,发送一位数据需104
左右,单靠几条操作指令的延时远远不够,问题就明显地暴露出来。
接收数据时也同样如此,单片机在接收完8个数据位后就建立起RXC信号,但此时还未接收到第九位数据位(若接收地址帧时)和停止位。
所以,接收端必须延时大于2位数据位的时间(1位数据位时间=1波特率),再作应答,否则会发生总线冲突。
为了保证发送和接收信号的完整和正确,避免总线上信号的碰撞,对总线的使用权必须进行分配才能避免竞争,连接到总线上的单机,其发送控制信号在时间上要完全隔离。
2.3传感器的组成及其分类
1、传感器的组成:
一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成,有时还需要加辅助电源,如图2.4所示:
图2.4传感器的组成
(1)敏感元件:
在完成非电量到电量的转换时,并非所有的非电量都能直接变换为电量,而是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量,然后再变换成电量。
(2)转换元件:
将采集到的非电量直接转换为电量的器件称为转换器件。
(3)测量电路:
将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用信号的电路称为测量电路。
2、光栅传感器分类:
光栅传感器的种类很多,—般常用的分类方法大致有:
光栅按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅;光栅按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅,等等。
2.3.1传感器的选择及原理图
以微处理器为核心构成的测量系统,在选传感器的时候除了考虑精度和响应速度外,还应考虑传感器输出的信号与处理器接口是否简单容易。
一般情况下应避免A/D转换环节,以简化电路结构。
因此,应优先选择光栅传感器、磁栅传感器或者谐振式传感器,根据该系统的使用环境、测量精度和测量范围,也可选择光栅型位移传感器。
根据资料和本设计的需要,选择的是光栅位移传感器。
光栅传感器的原理图如图2.5所示:
在本设计中位移光栅型传感器选择的是FAGOR公司生产的SV-2000BA型直线光栅位移传感器,它可以完成将位移信号转化成为电脉冲的操作,其转化的精度为20
,即每隔20
输出一个电脉冲,在本设计中采用记录该脉冲的个数的方法求出汽车侧滑的位移。
在图2.5中为了防止测量信号对单片机进行干扰,影响单片机工作,所以选择了光电耦合器。
当光栅位移传感器输出高电平时,发光二极管发光,则光敏三极管产生光电流,即在VT2的b端得正向电压,使VT2饱和导通,则VT2的集电极是低电平。
当光栅位移传感器输出低电平时,发光二极管不发光,光敏三极管截止,则VT2的集电极输出高电平。
图2.5光栅位移传感器输入电路图
2.3.2光栅位移传感器原理
图2.6光栅位移传感器原理图
传感器电路如图2.6所示,由传感器送来的位移信号,当该脉冲信号为高电平时,经光电耦合器隔离后,输入到以CD4013为核心的同步单元电路。
在未进行测量的P1.5输出高电平使D触发器CD4031复位,即Q端输出低电平,
端输出高电平。
在这里选用光电耦合器是为了防止测量信号对单片机进行干扰,影响单片机工作,当位移传感器输出高电平时,光电耦合器中的发光二极管发光,此时光敏三极管产生电流,使三极管VT2饱和导通,三极管集电极为低电平,相反,当位移传感器输出低电平时,光电耦合器中的发光二极管不发光,此时光敏三极管中没有电流,三极管VT2反相截止。
使CD4013的复位端R由80C51的P1.5控制,只有当P1.5为低电平,并且在输入信号的上升沿到来时,74HC08才允许第2脚的信号输出到第3脚,把传感器的信号送给80C51的T0端,同时80C51的INT0引脚的下降沿发出外部中断,在中断服务程序中开启80C51的T1,当T0计数到10的时候发出中断,由P1.5输出高电平,关闭传感器的输入信号,停止T1计时,T1的记时值就是10个脉冲宽度时间。
2.48051单片机的简介
本设计中应用的是美国的Intel公司1980年推出的MCS—51系列之一的80C51单片机,它采用的是Intel公司可靠的CHMOS工艺制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的CHMOS产品,它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。
80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
此外,80C51还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断口系统维持其功能。
根据上面的考虑和设计中的需求,选用了80C51单片机。
2.4.1程序存储器2764
图2.7程序存储器实际电路图
单片机8051片内有程序存储器,但通常是不够用的,因此必须扩展程序存储器用以存放程序,当系统程序运行过程中需要存放的数据较多时,片内的128字节RAM通常是不够用的,也需要扩充一部分数据存储器。
8051单片机扩展主要是地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)和CPU的连接。
DB:
数据总线直接接P0口,即D0~D7。
CB:
控制总线在8051单片机中,这类线的数量不多,这类线就其中某一根而言是单向的,可能是单片机送出的控制信号,也可能是外部送到单片机的控制信号,但就总体而言,则是双向的,因为控制总线里面是有几根是送出的,有几根是接收的。
ALE:
地址锁存信号,接74LS373的一端当它高电平时输出低8位地址,在它的下降沿地址锁存。
PSEN:
程序存储器读取信号,PSEN接程序存储器的允许输出端
,当PSEN低电平,即
低电平,被选中单元内的数据通过数据线读入CPU。
程序存储器的片选线CE必须低电平才可工作,本系统内只有一片程序存储器,可直接接地。
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