【正文】 汽車(chē)節(jié)能裝置控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文1 緒論1．1課題的來(lái)源 總所周知，當(dāng)今社會(huì)可再生能源日趨枯竭，按目前的石油資源的開(kāi)采速度和消費(fèi)量計(jì)算，再過(guò)30年到50年全球石油資源就將耗盡。從節(jié)約資源、資源再生以及環(huán)境保護(hù)與改善出發(fā)，能源的有效利用有很重要的意義，目前科學(xué)家大量使用科學(xué)技術(shù)技術(shù)來(lái)節(jié)省能源和有效利用現(xiàn)有地球資源：采用輕型鋁合余材料、減輕汽車(chē)的重量、降低汽車(chē)行駛阻力、降低燃油消耗、采用電子噴射和電子控制系統(tǒng)，從而提高了能源的利用率和汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性能和動(dòng)力性能。 該課考慮的是能源的有效利用。在城市的公交車(chē)運(yùn)輸中，由于公交車(chē)經(jīng)常?？寇?chē)站、躲避行人、以及遇到紅燈等因素，因而汽車(chē)經(jīng)常制動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，此時(shí)汽車(chē)的動(dòng)能通過(guò)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦而最終轉(zhuǎn)換為熱能，而這部分熱能最終會(huì)損失掉，也即汽車(chē)動(dòng)能損耗掉了。正是基于這種現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提出的，怎么樣把這部分能量?jī)?chǔ)起來(lái)?該課題做了這樣一個(gè)設(shè)計(jì)。能量?jī)?chǔ)存有多種方法，該課題采用的儲(chǔ)能方法是：在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，把汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)氣桶中的高壓氣體的勢(shì)能，以便在汽車(chē)下次啟動(dòng)時(shí)候有效利用。1．2課題的研究?jī)?nèi)容 因?yàn)槌鞘泄卉?chē)行駛的特點(diǎn)是啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁。當(dāng)公交車(chē)具有了一定的速度時(shí)就具有了一定的動(dòng)能，然而目前的制動(dòng)方法一般是經(jīng)摩擦生熱使公交車(chē)減速或停車(chē)。這不僅造成極大的能源浪費(fèi)，而且摩擦件的消耗也很大。該課題在公交車(chē)上加裝一種裝置，該裝置主要由3～4個(gè)空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣桶、電磁閥、電磁離合器以及單片機(jī)控制電路等組成的機(jī)電一體化集成系統(tǒng)。在單片機(jī)a的控制下，將汽車(chē)巨的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成高壓氣體的勢(shì)能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)減速或停車(chē)，同時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)將汽車(chē)巨大的動(dòng)能保存起來(lái)，當(dāng)汽車(chē)需要再加速時(shí)，用儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣桶中的高壓氣體勢(shì)能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)從而實(shí)現(xiàn)了公交車(chē)能量回收再利用節(jié)能的效果。 眾所周知，汽車(chē)在啟動(dòng)或加速時(shí)耗能非常大，這個(gè)時(shí)候燃油燃燒效果不好，利用率低，而且噪音很大。我想當(dāng)汽車(chē)加裝了本課題設(shè)計(jì)的汽車(chē)節(jié)能裝置后，在汽車(chē)加速或重新啟動(dòng)的時(shí)候，利用存儲(chǔ)的高壓氣驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，此時(shí)不需要燃燒燃料，這樣的話，對(duì)于降低車(chē)尾氣對(duì)環(huán)境的污染、減小環(huán)境噪聲有十分明顯的效果，說(shuō)明該裝置同時(shí)還是一個(gè)、環(huán)保裝置。該設(shè)計(jì)該裝置需要滿足以下條件：(1)該裝置存儲(chǔ)能量的大小有比較寬的范圍；(2)該裝置不能影響原車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)，操作中不給駕駛員增加額外負(fù)擔(dān)；(3)該裝置操作過(guò)程中不能給乘客增加乘車(chē)的不舒服感；(4)該裝置實(shí)用，便于安裝、維修；(5)該裝置價(jià)格合理，使用者能有較大的經(jīng)濟(jì)效益。 本課題設(shè)計(jì)的汽車(chē)節(jié)能裝置主要由三部分組成：檢測(cè)部分、控制部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。檢測(cè)部分包括曲軸位置傳感器、速度傳感器、集成壓力傳感器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括雙向可控電磁閥、電磁離合器?？刂撇糠种饕葾T89C51及其外圍芯片構(gòu)成。該裝置功能實(shí)際上是將制動(dòng)時(shí)本應(yīng)由摩擦來(lái)消耗掉的汽車(chē)動(dòng)能改由氣體的勢(shì)能來(lái)消耗，汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)可借助儲(chǔ)氣桶內(nèi)氣體儲(chǔ)存的高壓內(nèi)能來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)速度到達(dá)一定值(如20km／h)時(shí)，再改由汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。在描述該裝置的制動(dòng)及啟動(dòng)過(guò)程之前，簡(jiǎn)單了解原理圖： 該裝置主要由電磁離合器、壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣桶三部分組成，其中DCL—A為電磁離合器，DCFA為壓縮機(jī)吸氣閥，DCF～B為儲(chǔ)氣桶進(jìn)氣閥，DCFC為儲(chǔ)氣桶出氣閥，ZYF—A，ZYF—B，ZYF—C為儲(chǔ)氣桶內(nèi)部的三個(gè)自由閥。標(biāo)號(hào)為DCF的表示是可控的電磁閥，它在沒(méi)有加電的情況下仍是自由閥，ZYF表示自由閥。將儲(chǔ)氣桶分成4個(gè)小桶的目的是為了儲(chǔ)氣和放氣過(guò)程中筒內(nèi)壓強(qiáng)的變化梯度盡量小些，由于ZYF—A，ZYF—B，ZYF—C只有在一定的壓差下才能打開(kāi)，也就是說(shuō)兩小桶之間的壓差只在很小的范圍內(nèi)變化，這樣就很巧妙的解決了單桶儲(chǔ)氣、供氣帶來(lái)筒內(nèi)壓強(qiáng)變化過(guò)大的問(wèn)題，從而使制動(dòng)及啟動(dòng)過(guò)程的動(dòng)作盡量平緩，減少因加速和減速給乘客帶來(lái)的不舒適感。1． 當(dāng)接收到制動(dòng)信號(hào)時(shí)，在正式進(jìn)入到制動(dòng)狀態(tài)前，應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)初始化。實(shí)際上，制動(dòng)過(guò)程實(shí)際是就是一個(gè)普通壓縮機(jī)的工作過(guò)程，所以首先應(yīng)該將DCF—A，DCF—B斷電，使之工作在自由閥狀態(tài)，DCF—C在制動(dòng)過(guò)程中始終應(yīng)該吸合防止高壓氣體從輸出端排出。待完成以上工作后DCL—A電磁離合器方通電吸合，進(jìn)入到制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)過(guò)程中控制系統(tǒng)監(jiān)視是否有啟動(dòng)信號(hào)及監(jiān)視儲(chǔ)氣桶內(nèi)壓強(qiáng)值是否超過(guò)儲(chǔ)氣桶的儲(chǔ)氣壓強(qiáng)上限。如有啟動(dòng)信號(hào)則轉(zhuǎn)入到啟動(dòng)方式，如超過(guò)壓強(qiáng)上限則系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)轉(zhuǎn)入到其它的制動(dòng)方式。工作狀態(tài)一切正常時(shí)，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)附近，DCF—B在內(nèi)外壓差作用的情況下打開(kāi)，活塞運(yùn)動(dòng)到回程階段時(shí)，壓差不足以打開(kāi)DCF—B，此時(shí)DCF—B閉合?；钊\(yùn)動(dòng)到一定位置后腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，DCF—A打開(kāi)，氣體重新充滿腔內(nèi)，壓縮機(jī)繼續(xù)重復(fù)壓縮過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)速度傳感器進(jìn)A．N檢測(cè)到汽車(chē)的速度為零時(shí)，DCLA電磁離合器釋放。1．3．2啟動(dòng)過(guò)程介紹 在啟動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)氣筒將內(nèi)部的高壓氣體的勢(shì)能重新轉(zhuǎn)換為汽車(chē)的動(dòng)能。此時(shí)壓縮機(jī)的作用如同發(fā)動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)的過(guò)程比制動(dòng)的過(guò)程稍微要復(fù)雜些。初始化時(shí)首先通過(guò)DCF—C開(kāi)啟一段時(shí)間來(lái)給汽車(chē)一個(gè)啟動(dòng)力矩。在執(zhí)行啟動(dòng)程序的過(guò)程中，如果檢測(cè)到儲(chǔ)氣筒內(nèi)的壓強(qiáng)值低于設(shè)定值，則汽車(chē)轉(zhuǎn)入到其它的啟動(dòng)方式，檢測(cè)到制動(dòng)信號(hào)則進(jìn)入到制動(dòng)模式。給出啟動(dòng)力矩后當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，曲軸位置傳感器給出下止點(diǎn)信號(hào)，控制部分使DCF—A通電，使其進(jìn)入到電磁閥工作狀態(tài)。開(kāi)啟DCF—A的目的是使腔內(nèi)壓強(qiáng)同外界保持一致，減少運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)的阻力，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，DCF—A斷電工作在自由閥狀態(tài)，與此同時(shí)，DCF—C放出儲(chǔ)氣桶內(nèi)的高壓氣體并持續(xù)一段時(shí)間(此時(shí)間為何值時(shí)啟動(dòng)效率最大由實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。當(dāng)活塞再次運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)又重復(fù)上述過(guò)程。在加速過(guò)程中，系統(tǒng)不斷的檢測(cè)以中斷形式進(jìn)入的速度，壓力信號(hào)。速度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，或桶內(nèi)壓強(qiáng)過(guò)小時(shí)則轉(zhuǎn)入正常的啟動(dòng)方式，并給出警告信號(hào)。1．4課題的預(yù)期結(jié)果 本課題介紹的汽車(chē)節(jié)能裝置具有一定的特點(diǎn)，該裝置中的電磁閥和電磁離合器的動(dòng)作不僅要依賴機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且要依賴控制電路的控制。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)工作可靠的、抗干擾性能強(qiáng)的控制器是本課題的一個(gè)主要任務(wù)。針對(duì)汽車(chē)節(jié)能裝置的工作原理，本人設(shè)計(jì)的控制器由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊等組成。控制器的數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)采集壓力數(shù)據(jù)、汽車(chē)速度數(shù)據(jù)、油門(mén)踏板位置數(shù)據(jù)和制動(dòng)踏板位置數(shù)據(jù)?？刂颇K控制壓縮機(jī)電磁閥和電磁離合器的切合。數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，它把復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)處理。1．5本章小結(jié) 本章講述了課題的來(lái)源和背景、課題的主要研究?jī)?nèi)容以及汽車(chē)節(jié)能裝置的工作原理（）。最后講述了汽車(chē)節(jié)能裝置控制器的總體設(shè)計(jì)，包括汽車(chē)啟動(dòng)以及制動(dòng)。2 汽車(chē)節(jié)能裝置控制器硬件設(shè)計(jì)2．1總體設(shè)計(jì)2．1．1總體方案 根據(jù)汽車(chē)節(jié)能裝置系統(tǒng)的要求，同時(shí)考慮到成本的原因。我們?cè)撚?jì)控制器的總體方案以模塊化為標(biāo)準(zhǔn)，可分為為以下幾大模塊。1)控制模塊 因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求系統(tǒng)能隨車(chē)采集信號(hào)，所以該設(shè)計(jì)的主控制模塊應(yīng)當(dāng)是以單片機(jī)為核心的一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)。同時(shí)由于MCS一5l系列單片機(jī)具有擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用ATMEL的AT89C51單片機(jī)。該型號(hào)單片機(jī)內(nèi)部集成了4K8的電可擦除flash memory程序存儲(chǔ)器，并且采用CMOS工藝，功耗低，非常適合嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合。外部擴(kuò)展32KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，即可滿足數(shù)據(jù)容量要求。為了適合系統(tǒng)的便攜性要求，必須設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)電路；同時(shí)在設(shè)計(jì)中考慮系統(tǒng)的功耗問(wèn)題，以適應(yīng)電池供電的狀況。單片機(jī)對(duì)所采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，從而通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出來(lái)控制壓縮機(jī)的電磁閥門(mén)和電磁離合器的動(dòng)作。2)數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊在整個(gè)系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)對(duì)模擬信號(hào)的采樣。在該模塊中，核心是模擬信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換。由于系統(tǒng)需要采集汽車(chē)的儲(chǔ)氣桶內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)、制動(dòng)踏板的位置數(shù)據(jù)、車(chē)速、離合器切合位置和油門(mén)踏板的數(shù)據(jù)，我們系統(tǒng)中采用A13C0809芯片，此芯片具有8個(gè)數(shù)據(jù)輸入通道，因此可以支持多路數(shù)據(jù)采集通道，保證性能的可靠性。3)數(shù)據(jù)通信接口 由于單片機(jī)組成的系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力相對(duì)較弱，同時(shí)為了對(duì)采集的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析處理，該裝置設(shè)計(jì)了與上位機(jī)通信的通信接口模塊，采用RS232串行通信。因?yàn)榭紤]到所設(shè)計(jì)的電路板在今后更有通用性，由于USB接口即插即用方便快捷，快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)USB通信模塊。4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 該汽車(chē)節(jié)能裝置控制器需采集大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，89C51白帶的256字節(jié)的RAM是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須擴(kuò)展一片外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。因此，此系統(tǒng)硬件電路中需要擴(kuò)展一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，外擴(kuò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都采用靜念數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。5)看門(mén)狗電路 單片機(jī)受到干擾后，單片機(jī)的程序可能彈飛到一個(gè)l臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)，這個(gè)時(shí)候單片機(jī)必須進(jìn)行復(fù)位。一般的Rc復(fù)位電路往往不能保證單片機(jī)安全可靠的運(yùn)行，看門(mén)狗電路就是監(jiān)視微處理器是否正常工作，如果單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作不正常，程序跑飛，看門(mén)狗電路的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)復(fù)位秒沖，使得電路復(fù)位。2．1．2系統(tǒng)框架的確定按照上述系統(tǒng)方案得到的系統(tǒng)框架如圖2．1所示。 整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是，數(shù)據(jù)采集電路采集制動(dòng)踏板的位置、油門(mén)踏板的位置信號(hào)、空氣壓縮機(jī)的壓力、離合器位置等模擬信號(hào)，而89C51把這些信號(hào)通過(guò)串行通信接口送入到上位機(jī)進(jìn)行處理，上位機(jī)把處理的結(jié)果通過(guò)串行通信接口輸入到單片機(jī)中單片機(jī)根據(jù)這些處理數(shù)據(jù)來(lái)控制壓氣機(jī)電磁閥門(mén)、離合器的動(dòng)作，因?yàn)閁SB接口通信的快速、即插即用等優(yōu)點(diǎn)，因而擴(kuò)展了USB接口通信，把USB接口通信是作為電路的擴(kuò)展部分。并且考慮到數(shù)據(jù)傳輸速度的問(wèn)題，系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，在今后的實(shí)際試驗(yàn)中，USB接口通信可能成為一個(gè)必要的通信方式。2．2單片機(jī)的選型 參照2．1系統(tǒng)組成框圖。單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，因此單片機(jī)的選型很重要。在單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，Intel公司扮演了重要角色。它由70年代的MCS一48系列發(fā)展到80年代的MCS一5l系列，80年代后期的MCS一96／98系列，使單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和完善。無(wú)論是哪一種位數(shù)的單片機(jī)，也無(wú)論哪一系列的單片機(jī)，都為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用系統(tǒng)的研制、智能控制器的研究等創(chuàng)造了極其有力的硬件環(huán)境。町以說(shuō)，由于世界各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)4位、8位、16位、32位通用型單片機(jī)以及衍生出的五花f3的系列及型號(hào)，使單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已達(dá)到了無(wú)7L不入的地步。就國(guó)內(nèi)116年應(yīng)用實(shí)踐而富，單片機(jī)使用量最大的是8位單片，應(yīng)用范圍最廣的也是8位單片機(jī)。目前世界各生產(chǎn)單片機(jī)的公司多在努力提高時(shí)鐘頻率，以提高CPU速度：大片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量。在結(jié)構(gòu)上細(xì)致化、智能化、密切化，哈爾濱I程人學(xué)碩：l學(xué)位論文增加片內(nèi)功能，盡量減少外部接168。芯片，提供與主機(jī)的接口，降低單片機(jī)的功耗，提高寬電源的適應(yīng)能力，增加高噪聲容限。面向應(yīng)用對(duì)象的多功能多品種的增強(qiáng)型單片機(jī)將大大增加。在單片機(jī)的選型上，考慮單片機(jī)本身的性能以及課題開(kāi)發(fā)周期短的特性點(diǎn)，本課題采用較為熟悉的MCS一51系列的單片機(jī)，以偉福仿真器作為開(kāi)發(fā)工具。2．3控制模塊硬件設(shè)計(jì) AT89C5l單片機(jī)是屬于MCS一51系列的單片機(jī)，它是一種帶4KB快閃可編程／可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM)的低功耗，高性能的8位CMOS微控制器。采用高密度，非易失性存儲(chǔ)器制造技術(shù)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS一51指令集和輸出引腳兼容。由于將多功能8位CPU和快閃存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活，高性能且價(jià)廉的方案。1)特點(diǎn)：●與MCS一51微控制器產(chǎn)品系列兼容?！?KB可編程快閃存儲(chǔ)器(Flash Memory)?！翊鎯?chǔ)器可循環(huán)寫(xiě)入／擦除1000次?！駭?shù)據(jù)保留時(shí)間：10年?！袢o態(tài)工作：0Hz一16MHz?！?28．8位內(nèi)部RAM?！?2條可編程I／o線?！駜蓚€(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器?！?個(gè)中斷源和兩個(gè)優(yōu)先級(jí)?！窨删幊倘p工串行通信通道。●低功耗的閑置和掉電模式。2)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的分配： AT89C51單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)單元共有256個(gè)，低128B(00H一7FH)是真TF的RAM區(qū)，高128B(80H—FFH)為特殊功能寄存器(SFR)區(qū)。在低128B9區(qū)中，OOH一1FH地址為四組工作寄存器區(qū)。其余的存儲(chǔ)空間是這樣分配的。20H一2FH地址單元中，可用位地址尋址方式訪問(wèn)各位，這些地址單元主要用來(lái)存放各種程序運(yùn)行標(biāo)志，在本系統(tǒng)中，用作油門(mén)踏板啟動(dòng)的標(biāo)志、制動(dòng)踏板制動(dòng)的標(biāo)志、中斷程序執(zhí)行的標(biāo)志。30H一59H地址單元，主要用來(lái)存放一些程序數(shù)據(jù)；在本系統(tǒng)中，主要用來(lái)臨時(shí)存放儲(chǔ)氣桶中壓力數(shù)據(jù)、汽車(chē)速度數(shù)據(jù)、油門(mén)踏板數(shù)據(jù)、制動(dòng)踏板數(shù)據(jù)；60H一7FH地址單元，是用來(lái)作為堆棧使用。3)片外存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口電路的地址分配：●片外擴(kuò)張數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址范圍：0000H一7FFFH；●第一片8255可編程并行I／O接口片選地址：9000H一9FFFH；●第二片