基于单片机技术的汽车限速器设计

基于单片机技术的汽车限速器设计内容摘要：

，两者的控制方式也有所不同。 驱动步进电机常采用 H 桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。 电平的高低控制步进电机转动的方向，脉冲个数控制电机转动的角度，即发出一个脉 冲信号，步进电机就转动一个步进角，脉冲频率控制电机转速，转速与脉冲频率成正比。 因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电机精确定位与调速。 控制直流电机采用脉冲宽度调制（ PWM）技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等。 控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。 电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。 当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大； 反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。 ECU 对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶员系统有故障。 同时电磁离合器被分离，节气门不再受电机控制。 节气门在回位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置，使车辆慢速开到维修地点。 节气门控制系统原理如图 42 所示： 10 图 42 电子节气门控制系统原理图 该限速器工作的原理 分析组成汽车电子油门系统的几个环节后，在节气门电子控制单元与节气门电机这两个环节之间插入限速控制是最易实现的，因此本文的限速控制设计方案就在这两 个环节之间实现。 插入限速器的电子油门系统模型如图 43 所示，图中线框所示的部分即是所设计 的限速器主控部分。 加 速 踏 板 位置 传 感 器电 子 控 制 单 元 （ E C U ）加 速 踏 板步 进 电 机节 气 门机 构节 气门 位置 传感 器发 动机 转速 传感 器车 速传 感器霍 尔 传感 器M C S — 5 1 单 片 机按 键 操 作M A X 7 2 1 9 驱 动 芯 片节 气 门 开 度喷 油 量报 警 灯L E D 数 码 管车速表蜂 鸣 器继 电 器车 速蜂 鸣 器 驱动 电 路其 他相 关传 感器 图 43 插入限速器的电子节气门系统模型 11 由上图可以看出限速器可通过键盘、 LED 数码管显示等人机界面预置速度上限值 Vm，其中限速器开关为继电器，其中常闭开关是控制电子节气门系统工作的，常开开关是当超速后控制限速器工作的。 限速器所需要的速度信号由霍尔传感器提供，当霍尔传感器采集到的速度信号通过计算处理，即得出一个速度值 Vx,同时将 Vx 与预置的速度上限值 Vm 比较，如果计算所得的速度值 VxVm，则没 有在超速状态，限速器不工作，系统不会产生报警信号。 此时，霍尔传感器的电信号 Ux 直接提供给单片机，即限速器输出信号 Uy=Ux。 如果计算所得的速度值 Vx≥ Vm，处于超速状态，则限速器恒定输出预置的速度上限值 Vm 所对应的电信号 Um，限速器输出信号 Uy 大于最大速度电压信号 Um，即 Uy≥ Um,并传递给单片机，此时图中声光报警电路开始工作，这时报警灯不断闪烁蜂鸣器发出语音信号，而且，继电器的常开开关闭合，常闭开关断开，在开关闭合的同时限速器就给节气门电机输入脉冲信号，来控制电机的转动量从而控制节气门的开度，同时，发动 机控制单元也给喷油器信号控制发动机的喷油量，此时的电子节气门系统的工作将由限速器系统代替它工作，实现自动限速功能。 当速度降下来后，霍尔传感器将采集到的 VxVm 的速度电压信号传给单片机，此时，单片机切断继电器线圈的电源，这时继电器的常开开关断开，常闭开关闭合，这样，又恢复到发动机电子节气门系统的工作状态。 如图 44 所示为超速时速度控制状态曲线图。 假设实际行驶速度 Vx 由 0 开始逐渐增大，在未达到设置的最大速度 Vm 时，最大速度 Vy 曲线和 Vx 曲线几乎完全重合。 当 VxVm 时， Vy 的值不随着 Vx 的增大而增大，保持等 于 Vm 不变。 当 Vx 下降， VxVm 时，并在 Vm 附近波动，但未降至 Vmx，此种情况下，系统控制时的速度 Vy 仍保持 Vm 不变，同时起到了优化油门控制的作用，当Vx 下降到 VxVmx 时， Vy 曲线和 Vx 曲线完全重合。 12 图 44 超速时速度控制状态曲线图 当此车再次超速的话，限速器系统还是按照设定的程序循环的工作，这样就实现了车速的自动控制作用。 对于插入限速器后的电子节气门系统，驾驶员可以根据需要选择是否需要限速功能。 当驾驶员选择了限速功能后，在不超速情况下，与原有的发动机电子节气门系统工作方式是相同的 ,最大程度 地保证了原有系统的完整性。 在设计中，限速器系统中继电器的常闭开关是一直闭合的 ,使限速器在不能正常工作的情况下，能保证发动机电子节气门系统仍能正常工作，从而，保证系统工作的可靠性。 同样限速器系统也有故障自诊断功能，单片机对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，也就是系统报警指示灯，而且，系统语音报警器也及时提示驾驶员系统有故障。 如果在系统还未进行超速状态限速的情况下，限速器系统不参与限速工作；如果是在进行超速限速的工作状态时，系统语音提示让驾驶员直接关掉限速器系统的电源，此时就恢复到了正常 状态，否则，无法再次加速。 如果在行驶途中系统出现了故障的 5 秒内，而且，驾驶员没直接关掉电源，系统就启动自我保护程序主动切断系统电源。 13 5 汽车限速器的硬件设计 单片机的选择 单片机就是指在一块硅片上集成了构成计算机的基本要素，即把中央处理器CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、定时器 /及 I/O 接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 一块芯片就相当于一台计算机，称为单晶片计算机。 如图 51 为单片机内部结构图： 系 统 时 钟R O MR A M定 时 器 / 计 数 器串 行 I / O 接 口并 行 I / O 接 口中 央 处 理 器 ( C P U )内 部总 线T X DR X DT外 部 定 时元 件复 位中 断电 源 图 51 单片机内部结构图 而对于现在的 MCS51 系列单片机，因它功能丰富、价格低廉和开发方便等一系列优点，迅速得到广泛的应用，成为当之无愧的主流机型。 这一系列的单片机又把众多不同型号归纳为三个子系列：基本系列，增强系列， CMOS 基本系列。 根据方案论证以及实际限制条件，设计采用 51 系列的 AT89C52 作为主控芯片， AT89C52 是 51 系列单片机的一个型号，它是 ATMEL 公司生产的。 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存 储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52 单片机实物图 如图 52 所示： 14 图 52 AT89C52 单片机实物图 AT89C52 有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外部中断口， 3 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2个读写口线， AT89C52 可以按照常规方法进行编程 ,但不可以在线 编程 (S 系列的才支持在线编程 )。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 AT89C52 兼容 MCS51 指令系统： 8k 可反复擦写 (1000 次） Flash ROM 3 个 16 位可编程定时 /计数器中断 软件设置睡眠和唤醒功能 可编程 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 2 个串行中断、 3 级加密位 2 个外部中断源、 2 个读写中断口线 共 6 个中断源、 32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM、时钟频率 024MHz AT89C52 “ P”为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器，采用工业标准的 C51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。 功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥 控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。 15 主要管脚有： XTAL1（ 19 脚）和 XTAL2（ 18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 VCC（ 40 脚）和 VSS（ 20 脚）为供电端口，分别接 +5V 电源的正负端。 P0～ P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中， P0 端口（ 32~39 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连接， 13 脚定义为 IR 输入端， 10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口， 分别连接 N1 的 SDAS（ 18 脚）和 SCLS（ 19 脚）端口，12 脚、 27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 如图 53 为 AT89C52 引脚图： 图 53 AT89C52 引脚图 共阴极 LED 显示驱动器 MAX7219 芯片 MAX7219芯片为 MAXIM公司推出的 一种高集成化的串行输入 /输出的共阴极 LED 显示驱动器。 是用一个芯片实现以往用软件完成的动态显示电路扫描工作的器件。 每片可控制显示 8 个七段 LED 数码管、条形图或 64 个发光二极管，控制字简单，可与各种微机接口。 为 24 引脚芯片，除与显示器连接外，与微机串行口为 3 线连接，芯片外部电路仅为一限制峰值段电流的电阻，线路简单，极大地方便了对显示器件的控制。 该芯片控制的 显示位数多，控制字少，可对全部或个别显示位的数据进行更新。 而且 MAX7219 内部设有扫描电路，除了更新显 16 示数据时从单片机接收数据外，平时独立工作，极大地节省了 MCU 有限的运行时间和程序资源。 并可方便地进行多个芯片的级联，扩展显示容量。 MAX7219 芯片上包括 BCD 译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的 8 8 静态 RAM 以及数个工作寄存器。 通过指令设置这些工作寄存器，可以使 MAX7219 进入不同的工作状。 解码方式寄存器可设置各位数码管为解码显示方式，或非解码的数据位与显示段直接对应的显 示方式。 亮度寄存器用于与外部电阻配合控制数码管的显示亮度。 扫描限制寄存器控制显示的位数。 停机寄存器控制，显示器为停机或正常工作状态，停机状态下描振荡器停止工作，消隐所有显示位。 显示测试寄存器设置器件为正常工作或测试状态。 空操作寄存器用于多个 MAX7219 级连。 器件上电后所有控制寄存器复位。 解码方式寄存器的值为非解码方式，亮度寄存器的值设置为最小，扫描寄存器设置为仅显示 1 位，停机寄存器处于停机状态，显示消隐。 因此 MAX7219 必须经过初始化后才可正常工作。 MAX7219 的时序图（ DIN CLK LOAD 原理 ）如图 54所示： 图 54 MAX7219 工作时序图 这个图很简单 反映了 DIN， CLK 和 LOAD 的工作时序 ，就是告诉大家三个端口是怎么合作传送数据的。 其中， DIN 是串行数据输入端， CLK 和 LOAD 实际上是充当了组织者。 针对单片 MAX7219 数据传送的过程：首先，在 CLK 的下降沿，无效，在CLK 的上升沿，第一位二进制数据被移入内部移位寄存器，然后 CLK 再出现下降沿，无效，然后 CLK 再出现上升沿，第二位二进制数据被移入内部移位寄存器，就这样工作十六个周期，完成十六个二进制（前八个是地址，后八个是数据） 17 的 传送，这当中 LOAD 一直是低电平，当完成十六个二进制的传送后。 把 LOAD置成高电平，产生上升沿，把这 16 位串行数据锁存到数据或控制寄存器中完成装载。 然后再把 LOAD 还原为低。 重复开始的动作，就这样周而复之„„ 硬件设计 限速器根据用户的指令或在某些状态下，需要实现限速器工作模式、报警器工作模式、速度自动控制模式、恢复模式和关闭模式的功能。 因此， 硬件设计该系统硬件主要包括以下五大模块：单片机主控模块、按键模块、显示模块、声光报警模块和节气门电机控制模块等。 其中 AT89C52 单片机主要完成外围硬件的控制 以及一些。