【文章內(nèi)容簡介】 ，兩者的控制方式也有所不同。驅(qū)動步進電機常采用 H 橋電路結(jié)構(gòu)，控制單元通過發(fā)出的脈沖個數(shù)、頻率和方向控制電平對步進電機進行控制。電平的高低控制步進電機轉(zhuǎn)動的方向，脈沖個數(shù)控制電機轉(zhuǎn)動的角度，即發(fā)出一個脈 沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個步進角，脈沖頻率控制電機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，通過對上述三個參數(shù)的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)電機精確定位與調(diào)速。 控制直流電機采用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）技術(shù)，其特點是頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等。控制單元通過調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號的占空比來控制直流電機轉(zhuǎn)角的大小，電機方向則是由和節(jié)氣門相連的復(fù)位彈簧控制的。電機輸出轉(zhuǎn)矩和脈寬調(diào)制信號的占空比成正比。當占空比一定，電機輸出轉(zhuǎn)矩與回位彈簧阻力矩保持平衡時，節(jié)氣門開度不變；當占空比增大時，電機驅(qū)動力矩克服回位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開度增大； 反之，當占空比減小時，電機輸出轉(zhuǎn)矩和節(jié)氣門開度也隨之減小。 ECU 對系統(tǒng)的功能進行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)故障，將點亮系統(tǒng)故障指示燈，提示駕駛員系統(tǒng)有故障。同時電磁離合器被分離，節(jié)氣門不再受電機控制。節(jié)氣門在回位彈簧的作用下返回到一個小開度的位置，使車輛慢速開到維修地點。節(jié)氣門控制系統(tǒng)原理如圖 42 所示： 10 圖 42 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)原理圖 該限速器工作的原理 分析組成汽車電子油門系統(tǒng)的幾個環(huán)節(jié)后，在節(jié)氣門電子控制單元與節(jié)氣門電機這兩個環(huán)節(jié)之間插入限速控制是最易實現(xiàn)的，因此本文的限速控制設(shè)計方案就在這兩 個環(huán)節(jié)之間實現(xiàn)。插入限速器的電子油門系統(tǒng)模型如圖 43 所示，圖中線框所示的部分即是所設(shè)計 的限速器主控部分。 加 速 踏 板 位置 傳 感 器電 子 控 制 單 元 （ E C U ）加 速 踏 板步 進 電 機節(jié) 氣 門機 構(gòu)節(jié) 氣門 位置 傳感 器發(fā) 動機 轉(zhuǎn)速 傳感 器車 速傳 感器霍 爾 傳感 器M C S — 5 1 單 片 機按 鍵 操 作M A X 7 2 1 9 驅(qū) 動 芯 片節(jié) 氣 門 開 度噴 油 量報 警 燈L E D 數(shù) 碼 管車速表蜂 鳴 器繼 電 器車 速蜂 鳴 器 驅(qū)動 電 路其 他相 關(guān)傳 感器 圖 43 插入限速器的電子節(jié)氣門系統(tǒng)模型 11 由上圖可以看出限速器可通過鍵盤、 LED 數(shù)碼管顯示等人機界面預(yù)置速度上限值 Vm，其中限速器開關(guān)為繼電器，其中常閉開關(guān)是控制電子節(jié)氣門系統(tǒng)工作的，常開開關(guān)是當超速后控制限速器工作的。 限速器所需要的速度信號由霍爾傳感器提供，當霍爾傳感器采集到的速度信號通過計算處理，即得出一個速度值 Vx,同時將 Vx 與預(yù)置的速度上限值 Vm 比較，如果計算所得的速度值 VxVm，則沒 有在超速狀態(tài)，限速器不工作，系統(tǒng)不會產(chǎn)生報警信號。此時，霍爾傳感器的電信號 Ux 直接提供給單片機，即限速器輸出信號 Uy=Ux。 如果計算所得的速度值 Vx≥ Vm，處于超速狀態(tài)，則限速器恒定輸出預(yù)置的速度上限值 Vm 所對應(yīng)的電信號 Um，限速器輸出信號 Uy 大于最大速度電壓信號 Um，即 Uy≥ Um,并傳遞給單片機，此時圖中聲光報警電路開始工作，這時報警燈不斷閃爍蜂鳴器發(fā)出語音信號，而且，繼電器的常開開關(guān)閉合，常閉開關(guān)斷開，在開關(guān)閉合的同時限速器就給節(jié)氣門電機輸入脈沖信號，來控制電機的轉(zhuǎn)動量從而控制節(jié)氣門的開度，同時，發(fā)動 機控制單元也給噴油器信號控制發(fā)動機的噴油量，此時的電子節(jié)氣門系統(tǒng)的工作將由限速器系統(tǒng)代替它工作，實現(xiàn)自動限速功能。當速度降下來后，霍爾傳感器將采集到的 VxVm 的速度電壓信號傳給單片機，此時，單片機切斷繼電器線圈的電源，這時繼電器的常開開關(guān)斷開，常閉開關(guān)閉合，這樣，又恢復(fù)到發(fā)動機電子節(jié)氣門系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 如圖 44 所示為超速時速度控制狀態(tài)曲線圖。假設(shè)實際行駛速度 Vx 由 0 開始逐漸增大，在未達到設(shè)置的最大速度 Vm 時，最大速度 Vy 曲線和 Vx 曲線幾乎完全重合。當 VxVm 時， Vy 的值不隨著 Vx 的增大而增大，保持等 于 Vm 不變。當 Vx 下降， VxVm 時，并在 Vm 附近波動，但未降至 Vmx，此種情況下，系統(tǒng)控制時的速度 Vy 仍保持 Vm 不變，同時起到了優(yōu)化油門控制的作用，當Vx 下降到 VxVmx 時， Vy 曲線和 Vx 曲線完全重合。 12 圖 44 超速時速度控制狀態(tài)曲線圖 當此車再次超速的話，限速器系統(tǒng)還是按照設(shè)定的程序循環(huán)的工作，這樣就實現(xiàn)了車速的自動控制作用。對于插入限速器后的電子節(jié)氣門系統(tǒng)，駕駛員可以根據(jù)需要選擇是否需要限速功能。當駕駛員選擇了限速功能后，在不超速情況下，與原有的發(fā)動機電子節(jié)氣門系統(tǒng)工作方式是相同的 ,最大程度 地保證了原有系統(tǒng)的完整性。在設(shè)計中，限速器系統(tǒng)中繼電器的常閉開關(guān)是一直閉合的 ,使限速器在不能正常工作的情況下，能保證發(fā)動機電子節(jié)氣門系統(tǒng)仍能正常工作，從而，保證系統(tǒng)工作的可靠性。 同樣限速器系統(tǒng)也有故障自診斷功能，單片機對系統(tǒng)的功能進行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)故障，將點亮系統(tǒng)故障指示燈，也就是系統(tǒng)報警指示燈，而且，系統(tǒng)語音報警器也及時提示駕駛員系統(tǒng)有故障。如果在系統(tǒng)還未進行超速狀態(tài)限速的情況下，限速器系統(tǒng)不參與限速工作；如果是在進行超速限速的工作狀態(tài)時，系統(tǒng)語音提示讓駕駛員直接關(guān)掉限速器系統(tǒng)的電源，此時就恢復(fù)到了正常 狀態(tài)，否則，無法再次加速。如果在行駛途中系統(tǒng)出現(xiàn)了故障的 5 秒內(nèi)，而且，駕駛員沒直接關(guān)掉電源，系統(tǒng)就啟動自我保護程序主動切斷系統(tǒng)電源。 13 5 汽車限速器的硬件設(shè)計 單片機的選擇 單片機就是指在一塊硅片上集成了構(gòu)成計算機的基本要素，即把中央處理器CPU、隨機存取存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、定時器 /及 I/O 接口電路等主要計算機部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。一塊芯片就相當于一臺計算機，稱為單晶片計算機。如圖 51 為單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 系 統(tǒng) 時 鐘R O MR A M定 時 器 / 計 數(shù) 器串 行 I / O 接 口并 行 I / O 接 口中 央 處 理 器 ( C P U )內(nèi) 部總 線T X DR X DT外 部 定 時元 件復(fù) 位中 斷電 源 圖 51 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 而對于現(xiàn)在的 MCS51 系列單片機，因它功能豐富、價格低廉和開發(fā)方便等一系列優(yōu)點，迅速得到廣泛的應(yīng)用，成為當之無愧的主流機型。這一系列的單片機又把眾多不同型號歸納為三個子系列：基本系列，增強系列， CMOS 基本系列。 根據(jù)方案論證以及實際限制條件，設(shè)計采用 51 系列的 AT89C52 作為主控芯片， AT89C52 是 51 系列單片機的一個型號，它是 ATMEL 公司生產(chǎn)的。AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存 儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52 單片機實物圖 如圖 52 所示： 14 圖 52 AT89C52 單片機實物圖 AT89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外部中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口， 2個讀寫口線， AT89C52 可以按照常規(guī)方法進行編程 ,但不可以在線 編程 (S 系列的才支持在線編程 )。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52 兼容 MCS51 指令系統(tǒng)： 8k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） Flash ROM 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 可編程 UART 串行通道 低功耗空閑和掉電模式 2 個串行中斷、 3 級加密位 2 個外部中斷源、 2 個讀寫中斷口線 共 6 個中斷源、 32 個雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM、時鐘頻率 024MHz AT89C52 “ P”為 40 腳雙列直插封裝的 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主 IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙 控信號 IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。 15 主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負端。 P0～ P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中， P0 端口（ 32~39 腳）被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應(yīng)功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11 腳定義為 I2C 總線控制端口， 分別連接 N1 的 SDAS（ 18 腳）和 SCLS（ 19 腳）端口，12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板 CPU 的相應(yīng)功能端，用于當前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。如圖 53 為 AT89C52 引腳圖： 圖 53 AT89C52 引腳圖 共陰極 LED 顯示驅(qū)動器 MAX7219 芯片 MAX7219芯片為 MAXIM公司推出的 一種高集成化的串行輸入 /輸出的共陰極 LED 顯示驅(qū)動器。 是用一個芯片實現(xiàn)以往用軟件完成的動態(tài)顯示電路掃描工作的器件。每片可控制顯示 8 個七段 LED 數(shù)碼管、條形圖或 64 個發(fā)光二極管，控制字簡單，可與各種微機接口。為 24 引腳芯片，除與顯示器連接外，與微機串行口為 3 線連接，芯片外部電路僅為一限制峰值段電流的電阻，線路簡單，極大地方便了對顯示器件的控制。該芯片控制的 顯示位數(shù)多，控制字少，可對全部或個別顯示位的數(shù)據(jù)進行更新。而且 MAX7219 內(nèi)部設(shè)有掃描電路，除了更新顯 16 示數(shù)據(jù)時從單片機接收數(shù)據(jù)外，平時獨立工作，極大地節(jié)省了 MCU 有限的運行時間和程序資源。 并可方便地進行多個芯片的級聯(lián)，擴展顯示容量。 MAX7219 芯片上包括 BCD 譯碼器、多位掃描電路、段驅(qū)動器、位驅(qū)動器和用于存放每個數(shù)據(jù)位的 8 8 靜態(tài) RAM 以及數(shù)個工作寄存器。通過指令設(shè)置這些工作寄存器，可以使 MAX7219 進入不同的工作狀。 解碼方式寄存器可設(shè)置各位數(shù)碼管為解碼顯示方式，或非解碼的數(shù)據(jù)位與顯示段直接對應(yīng)的顯 示方式。亮度寄存器用于與外部電阻配合控制數(shù)碼管的顯示亮度。掃描限制寄存器控制顯示的位數(shù)。停機寄存器控制，顯示器為停機或正常工作狀態(tài)，停機狀態(tài)下描振蕩器停止工作，消隱所有顯示位。顯示測試寄存器設(shè)置器件為正常工作或測試狀態(tài)。空操作寄存器用于多個 MAX7219 級連。器件上電后所有控制寄存器復(fù)位。解碼方式寄存器的值為非解碼方式，亮度寄存器的值設(shè)置為最小，掃描寄存器設(shè)置為僅顯示 1 位，停機寄存器處于停機狀態(tài)，顯示消隱。因此 MAX7219 必須經(jīng)過初始化后才可正常工作。 MAX7219 的時序圖（ DIN CLK LOAD 原理 ）如圖 54所示： 圖 54 MAX7219 工作時序圖 這個圖很簡單 反映了 DIN， CLK 和 LOAD 的工作時序 ，就是告訴大家三個端口是怎么合作傳送數(shù)據(jù)的。其中， DIN 是串行數(shù)據(jù)輸入端， CLK 和 LOAD 實際上是充當了組織者。 針對單片 MAX7219 數(shù)據(jù)傳送的過程：首先，在 CLK 的下降沿，無效，在CLK 的上升沿，第一位二進制數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部移位寄存器，然后 CLK 再出現(xiàn)下降沿，無效，然后 CLK 再出現(xiàn)上升沿，第二位二進制數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部移位寄存器，就這樣工作十六個周期，完成十六個二進制（前八個是地址，后八個是數(shù)據(jù)） 17 的 傳送，這當中 LOAD 一直是低電平，當完成十六個二進制的傳送后。把 LOAD置成高電平，產(chǎn)生上升沿，把這 16 位串行數(shù)據(jù)鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中完成裝載。然后再把 LOAD 還原為低。重復(fù)開始的動作，就這樣周而復(fù)之?? 硬件設(shè)計 限速器根據(jù)用戶的指令或在某些狀態(tài)下，需要實現(xiàn)限速器工作模式、報警器工作模式、速度自動控制模式、恢復(fù)模式和關(guān)閉模式的功能。因此， 硬件設(shè)計該系統(tǒng)硬件主要包括以下五大模塊：單片機主控模塊、按鍵模塊、顯示模塊、聲光報警模塊和節(jié)氣門電機控制模塊等。其中 AT89C52 單片機主要完成外圍硬件的控制 以及一些