【正文】 汽車節(jié)能裝置控制器設計畢業(yè)論文1 緒論1．1課題的來源 總所周知，當今社會可再生能源日趨枯竭，按目前的石油資源的開采速度和消費量計算，再過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)境保護與改善出發(fā)，能源的有效利用有很重要的意義，目前科學家大量使用科學技術技術來節(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、減輕汽車的重量、降低汽車行駛阻力、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的經(jīng)濟性能和動力性能。 該課考慮的是能源的有效利用。在城市的公交車運輸中，由于公交車經(jīng)常?？寇囌?、躲避行人、以及遇到紅燈等因素，因而汽車經(jīng)常制動。當汽車進行制動時，駕駛員踩下制動踏板，此時汽車的動能通過制動機構的摩擦而最終轉換為熱能，而這部分熱能最終會損失掉，也即汽車動能損耗掉了。正是基于這種現(xiàn)實問題提出的，怎么樣把這部分能量儲起來?該課題做了這樣一個設計。能量儲存有多種方法，該課題采用的儲能方法是：在汽車制動時，把汽車的動能轉換為儲氣桶中的高壓氣體的勢能，以便在汽車下次啟動時候有效利用。1．2課題的研究內容 因為城市公交車行駛的特點是啟動、制動頻繁。當公交車具有了一定的速度時就具有了一定的動能，然而目前的制動方法一般是經(jīng)摩擦生熱使公交車減速或停車。這不僅造成極大的能源浪費，而且摩擦件的消耗也很大。該課題在公交車上加裝一種裝置，該裝置主要由3～4個空氣壓縮機、儲氣桶、電磁閥、電磁離合器以及單片機控制電路等組成的機電一體化集成系統(tǒng)。在單片機a的控制下，將汽車巨的動能轉化成高壓氣體的勢能實現(xiàn)汽車減速或停車，同時自動實現(xiàn)將汽車巨大的動能保存起來，當汽車需要再加速時，用儲存在儲氣桶中的高壓氣體勢能驅動汽車從而實現(xiàn)了公交車能量回收再利用節(jié)能的效果。 眾所周知，汽車在啟動或加速時耗能非常大，這個時候燃油燃燒效果不好，利用率低，而且噪音很大。我想當汽車加裝了本課題設計的汽車節(jié)能裝置后，在汽車加速或重新啟動的時候，利用存儲的高壓氣驅動汽車，此時不需要燃燒燃料，這樣的話，對于降低車尾氣對環(huán)境的污染、減小環(huán)境噪聲有十分明顯的效果，說明該裝置同時還是一個、環(huán)保裝置。該設計該裝置需要滿足以下條件：(1)該裝置存儲能量的大小有比較寬的范圍；(2)該裝置不能影響原車的制動系統(tǒng)，操作中不給駕駛員增加額外負擔；(3)該裝置操作過程中不能給乘客增加乘車的不舒服感；(4)該裝置實用，便于安裝、維修；(5)該裝置價格合理，使用者能有較大的經(jīng)濟效益。 本課題設計的汽車節(jié)能裝置主要由三部分組成：檢測部分、控制部分、執(zhí)行機構。檢測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)行機構包括雙向可控電磁閥、電磁離合器?？刂撇糠种饕葾T89C51及其外圍芯片構成。該裝置功能實際上是將制動時本應由摩擦來消耗掉的汽車動能改由氣體的勢能來消耗，汽車啟動時可借助儲氣桶內氣體儲存的高壓內能來進行啟動。當汽車速度到達一定值(如20km／h)時，再改由汽車發(fā)動機來驅動汽車。在描述該裝置的制動及啟動過程之前，簡單了解原理圖： 該裝置主要由電磁離合器、壓縮機和儲氣桶三部分組成，其中DCL—A為電磁離合器，DCFA為壓縮機吸氣閥，DCF～B為儲氣桶進氣閥，DCFC為儲氣桶出氣閥，ZYF—A，ZYF—B，ZYF—C為儲氣桶內部的三個自由閥。標號為DCF的表示是可控的電磁閥，它在沒有加電的情況下仍是自由閥，ZYF表示自由閥。將儲氣桶分成4個小桶的目的是為了儲氣和放氣過程中筒內壓強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，也就是說兩小桶之間的壓差只在很小的范圍內變化，這樣就很巧妙的解決了單桶儲氣、供氣帶來筒內壓強變化過大的問題，從而使制動及啟動過程的動作盡量平緩，減少因加速和減速給乘客帶來的不舒適感。1． 當接收到制動信號時，在正式進入到制動狀態(tài)前，應該對系統(tǒng)進行制動初始化。實際上，制動過程實際是就是一個普通壓縮機的工作過程，所以首先應該將DCF—A，DCF—B斷電，使之工作在自由閥狀態(tài)，DCF—C在制動過程中始終應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，進入到制動狀態(tài)。制動過程中控制系統(tǒng)監(jiān)視是否有啟動信號及監(jiān)視儲氣桶內壓強值是否超過儲氣桶的儲氣壓強上限。如有啟動信號則轉入到啟動方式，如超過壓強上限則系統(tǒng)報警，同時轉入到其它的制動方式。工作狀態(tài)一切正常時，當活塞運動到上止點附近，DCF—B在內外壓差作用的情況下打開，活塞運動到回程階段時，壓差不足以打開DCF—B，此時DCF—B閉合?；钊\動到一定位置后腔內產生負壓，DCF—A打開，氣體重新充滿腔內，壓縮機繼續(xù)重復壓縮過程。當系統(tǒng)通過速度傳感器進A．N檢測到汽車的速度為零時，DCLA電磁離合器釋放。1．3．2啟動過程介紹 在啟動過程中儲氣筒將內部的高壓氣體的勢能重新轉換為汽車的動能。此時壓縮機的作用如同發(fā)動機，啟動的過程比制動的過程稍微要復雜些。初始化時首先通過DCF—C開啟一段時間來給汽車一個啟動力矩。在執(zhí)行啟動程序的過程中，如果檢測到儲氣筒內的壓強值低于設定值，則汽車轉入到其它的啟動方式，檢測到制動信號則進入到制動模式。給出啟動力矩后當活塞運動到下止點時，曲軸位置傳感器給出下止點信號，控制部分使DCF—A通電，使其進入到電磁閥工作狀態(tài)。開啟DCF—A的目的是使腔內壓強同外界保持一致，減少運動到上止點的阻力，提高系統(tǒng)的運行效率。當活塞運動到上止點時，DCF—A斷電工作在自由閥狀態(tài)，與此同時，DCF—C放出儲氣桶內的高壓氣體并持續(xù)一段時間(此時間為何值時啟動效率最大由實驗測得)。當活塞再次運動到下止點時又重復上述過程。在加速過程中，系統(tǒng)不斷的檢測以中斷形式進入的速度，壓力信號。速度到達設定值時，或桶內壓強過小時則轉入正常的啟動方式，并給出警告信號。1．4課題的預期結果 本課題介紹的汽車節(jié)能裝置具有一定的特點，該裝置中的電磁閥和電磁離合器的動作不僅要依賴機械傳動機構，而且要依賴控制電路的控制。因此，需要設計一個工作可靠的、抗干擾性能強的控制器是本課題的一個主要任務。針對汽車節(jié)能裝置的工作原理，本人設計的控制器由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊等組成?？刂破鞯臄?shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)采集壓力數(shù)據(jù)、汽車速度數(shù)據(jù)、油門踏板位置數(shù)據(jù)和制動踏板位置數(shù)據(jù)。控制模塊控制壓縮機電磁閥和電磁離合器的切合。數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)與上位機通信，它把復雜的數(shù)據(jù)傳輸至上位機處理。1．5本章小結 本章講述了課題的來源和背景、課題的主要研究內容以及汽車節(jié)能裝置的工作原理（）。最后講述了汽車節(jié)能裝置控制器的總體設計，包括汽車啟動以及制動。2 汽車節(jié)能裝置控制器硬件設計2．1總體設計2．1．1總體方案 根據(jù)汽車節(jié)能裝置系統(tǒng)的要求，同時考慮到成本的原因。我們該計控制器的總體方案以模塊化為標準，可分為為以下幾大模塊。1)控制模塊 因為設計要求系統(tǒng)能隨車采集信號，所以該設計的主控制模塊應當是以單片機為核心的一個單片機最小系統(tǒng)。同時由于MCS一5l系列單片機具有擴展性強等特點，本系統(tǒng)采用ATMEL的AT89C51單片機。該型號單片機內部集成了4K8的電可擦除flash memory程序存儲器，并且采用CMOS工藝，功耗低，非常適合嵌入式應用場合。外部擴展32KB的數(shù)據(jù)存儲器，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，必須設計數(shù)據(jù)的掉電保護電路；同時在設計中考慮系統(tǒng)的功耗問題，以適應電池供電的狀況。單片機對所采集到的模擬信號進行處理，從而通過開關量輸出來控制壓縮機的電磁閥門和電磁離合器的動作。2)數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊在整個系統(tǒng)中主要負責對模擬信號的采樣。在該模塊中，核心是模擬信號的A／D轉換。由于系統(tǒng)需要采集汽車的儲氣桶內的壓力數(shù)據(jù)、制動踏板的位置數(shù)據(jù)、車速、離合器切合位置和油門踏板的數(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 由于單片機組成的系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力相對較弱，同時為了對采集的數(shù)據(jù)作進一步分析處理，該裝置設計了與上位機通信的通信接口模塊，采用RS232串行通信。因為考慮到所設計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，所以設計了一個USB通信模塊。4)數(shù)據(jù)存儲模塊 該汽車節(jié)能裝置控制器需采集大量實時數(shù)據(jù)，89C51白帶的256字節(jié)的RAM是遠遠不夠的，必須擴展一片外部數(shù)據(jù)存儲器。因此，此系統(tǒng)硬件電路中需要擴展一個數(shù)據(jù)存儲器，常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)存儲器(SRAM)和動態(tài)存儲器(DRAM)。在單片機應用系統(tǒng)中，外擴的數(shù)據(jù)存儲器都采用靜念數(shù)據(jù)存儲器。5)看門狗電路 單片機受到干擾后，單片機的程序可能彈飛到一個l臨時構成的死循環(huán)中時，這個時候單片機必須進行復位。一般的Rc復位電路往往不能保證單片機安全可靠的運行，看門狗電路就是監(jiān)視微處理器是否正常工作，如果單片機應用系統(tǒng)工作不正常，程序跑飛，看門狗電路的輸出端就會輸出一個復位秒沖，使得電路復位。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。 整個系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是，數(shù)據(jù)采集電路采集制動踏板的位置、油門踏板的位置信號、空氣壓縮機的壓力、離合器位置等模擬信號，而89C51把這些信號通過串行通信接口送入到上位機進行處理，上位機把處理的結果通過串行通信接口輸入到單片機中單片機根據(jù)這些處理數(shù)據(jù)來控制壓氣機電磁閥門、離合器的動作，因為USB接口通信的快速、即插即用等優(yōu)點，因而擴展了USB接口通信，把USB接口通信是作為電路的擴展部分。并且考慮到數(shù)據(jù)傳輸速度的問題，系統(tǒng)要求實時性高的特點，在今后的實際試驗中，USB接口通信可能成為一個必要的通信方式。2．2單片機的選型 參照2．1系統(tǒng)組成框圖。單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，因此單片機的選型很重要。在單片機的發(fā)展過程中，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，使單片機技術日趨成熟和完善。無論是哪一種位數(shù)的單片機，也無論哪一系列的單片機，都為新產品的開發(fā)、應用系統(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，由于世界各生產廠家生產4位、8位、16位、32位通用型單片機以及衍生出的五花f3的系列及型號，使單片機技術的應用已達到了無7L不入的地步。就國內116年應用實踐而富，單片機使用量最大的是8位單片，應用范圍最廣的也是8位單片機。目前世界各生產單片機的公司多在努力提高時鐘頻率，以提高CPU速度：大片內程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量。在結構上細致化、智能化、密切化，哈爾濱I程人學碩：l學位論文增加片內功能，盡量減少外部接168。芯片，提供與主機的接口，降低單片機的功耗，提高寬電源的適應能力，增加高噪聲容限。面向應用對象的多功能多品種的增強型單片機將大大增加。在單片機的選型上，考慮單片機本身的性能以及課題開發(fā)周期短的特性點，本課題采用較為熟悉的MCS一51系列的單片機，以偉福仿真器作為開發(fā)工具。2．3控制模塊硬件設計 AT89C5l單片機是屬于MCS一51系列的單片機，它是一種帶4KB快閃可編程／可擦除只讀存儲器(FPEROM)的低功耗，高性能的8位CMOS微控制器。采用高密度，非易失性存儲器制造技術，與工業(yè)標準的MCS一51指令集和輸出引腳兼容。由于將多功能8位CPU和快閃存儲器組合在單個芯片中，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活，高性能且價廉的方案。1)特點：●與MCS一51微控制器產品系列兼容。●4KB可編程快閃存儲器(Flash Memory)?！翊鎯ζ骺裳h(huán)寫入／擦除1000次。●數(shù)據(jù)保留時間：10年?！袢o態(tài)工作：0Hz一16MHz?！?28．8位內部RAM?！?2條可編程I／o線?！駜蓚€16位定時器／計數(shù)器?！?個中斷源和兩個優(yōu)先級?！窨删幊倘p工串行通信通道?！竦凸牡拈e置和掉電模式。2)片內數(shù)據(jù)存儲器的分配： AT89C51單片機片內數(shù)據(jù)存儲器(RAM)單元共有256個，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各位，這些地址單元主要用來存放各種程序運行標志，在本系統(tǒng)中，用作油門踏板啟動的標志、制動踏板制動的標志、中斷程序執(zhí)行的標志。30H一59H地址單元，主要用來存放一些程序數(shù)據(jù)；在本系統(tǒng)中，主要用來臨時存放儲氣桶中壓力數(shù)據(jù)、汽車速度數(shù)據(jù)、油門踏板數(shù)據(jù)、制動踏板數(shù)據(jù)；60H一7FH地址單元，是用來作為堆棧使用。3)片外存儲器擴展和接口電路的地址分配：●片外擴張數(shù)據(jù)存儲器地址范圍：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