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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是提高車輛制動(dòng)性能和行車安全的重要裝置，主要功能是在汽車制動(dòng)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(dòng)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(shí)。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(shí)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
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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第 1 章 緒 論
1.1 引言
汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Anti-Lock Braking System簡稱ABS）是現(xiàn)代汽車制動(dòng)系的關(guān)鍵部件之一，在汽車制動(dòng)過程中，該系統(tǒng)能防止車輪完全抱死，提高汽車在制動(dòng)過程中的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力，縮短制動(dòng)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(dòng)壓力調(diào)節(jié)器等部分組成。傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)在緊急制動(dòng)和濕路面上制動(dòng)時(shí)往往會(huì)使車輪發(fā)生抱死現(xiàn)象，制動(dòng)時(shí)車輪抱死不僅會(huì)造成車輪輪胎局部的嚴(yán)重磨損，而且前輪抱死會(huì)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(dòng)，一旦車輪抱死，汽車就會(huì)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(dòng)過程中的車輪抱死有關(guān)[2]。ABS裝置主要通過控制制動(dòng)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(dòng)的方向穩(wěn)定性，方向操縱性，并縮短了制動(dòng)距離。
汽車防抱死制動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(dòng)系統(tǒng)（Anti-Lock Braking System簡稱ABS）是在傳統(tǒng)的制動(dòng)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(dòng)壓力調(diào)節(jié)器等基本組成[3]。傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)在緊急制動(dòng)和濕路面上制動(dòng)時(shí)往往會(huì)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(dòng)力受車輪和地面附著力的制約。制動(dòng)時(shí)車輪抱死不僅會(huì)造成車輪輪胎局部的嚴(yán)重磨損，而且前輪抱死會(huì)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(dòng)，一旦車輪抱死，汽車就會(huì)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(dòng)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，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(dòng)的方向穩(wěn)定性，方向操縱性，并縮短了制動(dòng)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(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)測試自動(dòng)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(gè)別電量的測量轉(zhuǎn)變成測量整個(gè)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、?jì)算與顯示輸出，從用單個(gè)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(dòng)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(gè)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(gè)人儀器已經(jīng)得到了發(fā)展，這個(gè)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(gè)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(dòng)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(hào)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(gè)簡單的公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，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(dòng)轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動(dòng)，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(dòng)測試系統(tǒng)。目前多以GP-IB儀器組建自動(dòng)測試系統(tǒng)，生產(chǎn)線上一個(gè)個(gè)大的測試柜，快速地進(jìn)行自動(dòng)測試、統(tǒng)計(jì)、分析、打印出結(jié)果。
目前ABS教學(xué)控制儀器的發(fā)展正按著這個(gè)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(dòng)系統(tǒng)教學(xué)演示臺(tái)的特點(diǎn)如下：
（1）實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用大眾ABS防抱死制動(dòng)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(dòng)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(tái)可根據(jù)客戶要求選擇手動(dòng)或遙控設(shè)置系統(tǒng)故障；
（5）實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(dòng)和自動(dòng)模式，通過LED指示燈及儀表，形象生動(dòng)的分步演示ABS系統(tǒng)油路、電路和閥體的工作過程；
（6）臺(tái)架裝有四個(gè)萬向腳輪，可輕松移動(dòng)；
（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(tái)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(gè)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(gè)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(gè)典型的代表。實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用大眾系列MK20-I型四傳感器三通道ABS，原車結(jié)構(gòu)臺(tái)架式布置，展板式面板、個(gè)性化操作平臺(tái)，設(shè)工況指示燈、急停開關(guān)，調(diào)速電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，萬向自鎖腳輪臺(tái)架，便于移動(dòng)教學(xué)。具有實(shí)物展示功能，據(jù)有ABS系統(tǒng)各工況動(dòng)態(tài)演示及實(shí)驗(yàn)功能。
（1）實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用時(shí)代超人原車配件，可模擬動(dòng)態(tài)行駛時(shí)不同車速的工作過程 ；
（2）具體制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)PLC控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)、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(huì)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(tái)、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(dòng)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(dòng)控制每個(gè)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(dòng)過程中汽車對制動(dòng)的要求，使制動(dòng)器制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(dòng)態(tài)汽車性能檢測的試驗(yàn)臺(tái)。由于設(shè)計(jì)這種實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(gè)設(shè)計(jì)，把此工作分成兩部分。一部分是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物裝置的設(shè)計(jì)，一部分是為了展示試驗(yàn)臺(tái)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)驗(yàn)臺(tái)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(dòng)試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)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(hào)，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。
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(shí)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；
（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?？傮w布置如圖2.2所示。
1-ABS ECU；2-儲(chǔ)液泵；3-液壓泵；4-制動(dòng)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(dòng)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，并將信號(hào)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(hào)傳到電動(dòng)機(jī)，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)，踏板、制動(dòng)鉗、出油閥、進(jìn)油閥等機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)。
2.5本章小結(jié)
本章研究并確定了汽車防抱死制動(dòng)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。
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-Ⅱ型ABS防抱死制動(dòng)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。
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(gè)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(huì)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(gè)插孔和一個(gè)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(gè)基本電路組成：①車速傳感器的輸入放大電路。②運(yùn)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(qū)動(dòng)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(hào)是四個(gè)輪上傳感器送來的輪速信號(hào)，電控單元連續(xù)地檢測來自全部四個(gè)車輪傳感器傳來的脈沖電信號(hào)，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(dòng)力，使車輪不會(huì)因一直有較大的制動(dòng)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(huì)自動(dòng)關(guān)閉ABS系統(tǒng)，讓普通制動(dòng)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(dòng)時(shí)，所有的電氣連接部位都會(huì)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(hào)不斷地輸送到電子控制單元（ECU），經(jīng)ECU處理后再把信號(hào)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(huì)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(dòng)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(chǔ)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(dòng)控制系統(tǒng)各個(gè)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(gè)電磁閥的狀態(tài)
序號(hào)
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
3.2.2 油路的組成及工作原理
油路主要由制動(dòng)總泵、真空助力器、液壓控制單元（回液泵、儲(chǔ)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(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)下，制動(dòng)壓力通過常開的輸入電磁閥到制動(dòng)泵。如果系統(tǒng)進(jìn)入防抱死制動(dòng)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(dòng)分泵的壓力快速變化（增壓或減壓），防止車輪在制動(dòng)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(dòng)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(gè)階段[5]。
1、常規(guī)制動(dòng)階段
在常規(guī)制動(dòng)階段，ABS并不介入制動(dòng)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(dòng)泵也不通電運(yùn)轉(zhuǎn)，制動(dòng)主缸至各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)管路均處于封閉狀態(tài)，各制動(dòng)輪缸的壓力將隨制動(dòng)主缸的輸出壓力而變化。此時(shí)的制動(dòng)過程與一般制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過程完全相同。
本儀器在常規(guī)制動(dòng)階段，ABS不介入制動(dòng)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(dòng)主缸至各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)管路均處于封閉狀態(tài)。此過程用發(fā)光二極管動(dòng)態(tài)顯示出來。
2、制動(dòng)壓力保持階段
在制動(dòng)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(hào)判定有車輪抱死時(shí)，ABS就進(jìn)入防抱死制動(dòng)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(dòng)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(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液不再進(jìn)入右前制動(dòng)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(dòng)輪缸中的制動(dòng)液也不會(huì)流出，右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力就保持一定，而其它未抱死車輪的制動(dòng)壓力仍會(huì)隨制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力就保持一定，而其它未抱死車輪的制動(dòng)壓力仍會(huì)隨制動(dòng)主缸輸出壓力的增大而增大。此過程用發(fā)光二極管動(dòng)態(tài)顯示出來。
3、制動(dòng)壓力減小階段
如果在右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)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(dòng)輪缸中的部分制動(dòng)液就會(huì)經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的出液電磁閥流回儲(chǔ)液器，使右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)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(dòng)壓力減少階段過程如下，如果在左前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)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(dòng)輪缸中的部分制動(dòng)液就會(huì)經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的出油閥流回儲(chǔ)液器，使左前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)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(dòng)態(tài)顯示出來。
4、制動(dòng)壓力增大階段
隨著右前制動(dòng)輪缸制動(dòng)壓力的減小，右前輪會(huì)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(hào)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(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸泵送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵泵送的制動(dòng)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(dòng)輪缸，使右前制動(dòng)輪缸的壓力迅速增大，右前輪又開始減速轉(zhuǎn)動(dòng)。
本儀器制動(dòng)壓力增大過程如下，隨著左前制動(dòng)輪缸制動(dòng)壓力的減小，左前輪會(huì)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(hào)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(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸泵送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵泵送的制動(dòng)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(dòng)輪缸，使左前制動(dòng)輪缸的壓力迅速增大，左前輪又開始減速轉(zhuǎn)動(dòng)。此過程用發(fā)光二極管動(dòng)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(tái)的工作情況。而油路中通過增壓、保壓、減壓和常規(guī)制動(dòng)四個(gè)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。
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(dòng)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(dòng)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(hào)，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)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(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、LED動(dòng)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(dòng)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(gè)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(chǔ)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(gè)單片機(jī)對系統(tǒng)的控制，或需要增加幾個(gè)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：
①單片機(jī)是否含有所需的I/O端口數(shù)目；
②單片機(jī)是否含有所需的外圍端口部件；
③單片機(jī)的CPU是否有合適的吞吐量；
④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：
①單片機(jī)是否可直接購買到；
②單片機(jī)是否有足夠的供應(yīng)量；
③單片機(jī)是否仍在生產(chǎn)之中；
④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：
①編譯軟件；
②程序?qū)懭牍ぞ撸?
③調(diào)試工具；
④技術(shù)支持；
⑤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(jí)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]。
外部事件記數(shù)輸入
P0 P2 P1 P3
控制
串行通信
振蕩器和時(shí)序OSC
程序存儲(chǔ)器4KB FlashROM
80C51
CPU
數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 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
外中斷
地址數(shù)據(jù)
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(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，即89C51單片機(jī)芯片內(nèi)包括：
（1）一個(gè)8位的80C51微處理器（CPU）；
（2）片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器Flash ROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；
（4）4個(gè)8位并行I/O端口P0-P3，每個(gè)端口既可以用作輸入，也可以用作輸出；
（5）兩個(gè)16位的定時(shí)器/記數(shù)器，每個(gè)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(gè)中斷源、兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)；
（7）一個(gè)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(gè)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，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(jī)。它采用了CMOS工藝和高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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)?9C51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(gè)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在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)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(hào)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(gè)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)，C1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。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(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(dòng)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(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)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(dòng)從0單元開始執(zhí)行程序。因而復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。單片機(jī)本身一般是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的（在熱啟動(dòng)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(gè)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(hào)通過復(fù)位引腳RET進(jìn)入片內(nèi)一個(gè)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(gè)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(gè)機(jī)器周期（24個(gè)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(dòng)復(fù)位和按健手動(dòng)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。
按鍵手動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)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?？紤]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(hào)，每輸入一組不同的代碼，只有一個(gè)輸出端呈現(xiàn)有效信號(hào)。
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(hào)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(hào)，不可以被單片機(jī)直接識(shí)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
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(hào)有74S138、74LS138等，CMOS電路型號(hào)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(hào)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(gè)陰極a～g由相應(yīng)的BCD-七段譯碼器的輸出來驅(qū)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(chǔ)器連接時(shí)，特別是在擴(kuò)展存儲(chǔ)容量的場合下，存儲(chǔ)器地址選擇是一個(gè)重要的問題。確定地址分配后，又有一個(gè)選擇存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)的產(chǎn)生問題。
CPU要實(shí)現(xiàn)對存儲(chǔ)單元的訪問，首先要選擇存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)芯片的地址輸入端，而片選信號(hào)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(gè)存儲(chǔ)芯片的片選端，當(dāng)某地址線信號(hào)為“0”時(shí)，就選中與之對應(yīng)的存儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)空間的尋址能力。當(dāng)存儲(chǔ)器容量小于可尋址的存儲(chǔ)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(hào)。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(chǔ)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(chǔ)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(gè)PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦浴?
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。
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(gè)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(dòng)電路、交流驅(qū)動(dòng)電路、脈沖驅(qū)動(dòng)電路、變色發(fā)光驅(qū)動(dòng)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(hào)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(huì)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(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(gè)4位LED顯示驅(qū)動(dòng)電路，通過對串行口動(dòng)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(huì)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(gè)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(gè)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(dòng)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(gè)并行口，74LS164的輸入信號(hào)來自單片機(jī)的串行口線TX和RX，74LS164的并行輸出信號(hào)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(hào)輸入線，Y0-Y7為譯碼信號(hào)輸出線。
74LS138是“3-8”譯碼器，具有3個(gè)選擇輸入端，可組合成8種輸入狀態(tài)。8個(gè)輸入端，每個(gè)輸出端分別對應(yīng)8種輸入狀態(tài)中的1種，0電平有效。換句話講，對應(yīng)每種輸入狀態(tài)，僅允許1個(gè)輸出端為0電平，其余全為1。3個(gè)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