MK20-Ⅱ型ABS教学仪器控制系统设计.doc

摘 要汽车防抱死制动系统是提高车辆制动性能和行车安全的重要装置，主要功能是在汽车制动时防止车轮因抱死而使车辆失去方向，从而提高车辆行驶的安全性。随着电子技术的发展，ABS的性能也不断得到提高和完善，同时要求汽车使用与维修人员尽快掌握现代汽车新技术。开发、研制ABS实验测试设备，用于模拟汽车实际工作状况，并动态显示ABS油路、电路及二者关联工作状况，实时测量电子元件工作参数，智能模拟故障与检测，有助于尽快掌握ABS的结构和原理、性能检测、故障诊断与维修等方面的知识。本文对ABS教学仪器控制系统以及软件和机械部分进行了设计，本设计不仅实现了对ABS元件识别、原理实验、故障设置，而且实现了电路和油路关联演示、滑移率的演示以及车轮轮速的同步显示。关键词：ABS；教学仪器；油路；电路；诊断AbstractAnti-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 whats 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; DiagnII黑龙江工程学院本科生毕业设计第 1 章 绪 论1.1 引言汽车防抱死制动系统（Anti-Lock Braking System简称ABS）是现代汽车制动系的关键部件之一，在汽车制动过程中，该系统能防止车轮完全抱死，提高汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力，缩短制动距离1。它是由车轮轮速传感器、电子控制单元（ECU或ABS电脑）和制动压力调节器等部分组成。传统的制动系统在紧急制动和湿路面上制动时往往会使车轮发生抱死现象，制动时车轮抱死不仅会造成车轮轮胎局部的严重磨损，而且前轮抱死会使车丧失转向能力，后轮抱死易使车丧失方向稳定性。尤其在潮湿、泥泞、冰雪等低附着系数路面或高速时制动，一旦车轮抱死，汽车就会发生测滑、甩尾或方向失控，造成交通事故。据资料统计表明，我国有10%25%以上的交通事故与轿车制动过程中的车轮抱死有关2。ABS装置主要通过控制制动轮的瞬时角加速度和减速度将车轮的滑移率控制在20%左右，保证轮胎与地面间有较大的纵向附着系数和侧向附着系数，从而有效地提高了汽车制动的方向稳定性，方向操纵性，并缩短了制动距离。汽车防抱死制动系统教学控制仪器是适应汽车新技术迅速发展的要求而发展起来的，它用于模拟汽车实际工作状况，动态显示ABS油路、电路及二者关联工作情况，实时测量电子元件工作参数，智能模拟故障与检测，有助于学习人员尽快掌握ABS的结构原理、性能检测、故障诊断与维修等方面知识，是国内具有相关汽车专业实验室急需且必备的设备。1.2 ABS概述汽车防抱死制动系统（Anti-Lock Braking System简称ABS）是在传统的制动系统基础上采用电子控制技术防止车轮抱死的机电一体化系统。它由轮速传感器、电子控制单元（ECU）、制动压力调节器等基本组成3。传统的制动系统在紧急制动和湿路面上制动时往往会使车轮发生抱死现象。根据汽车理论和实验可知，汽车地面制动力受车轮和地面附着力的制约。制动时车轮抱死不仅会造成车轮轮胎局部的严重磨损，而且前轮抱死会使车丧失转向能力，后轮抱死易使车丧失方向稳定性。尤其在潮湿、泥泞、冰雪等低附着系数路面或高速时制动，一旦车轮抱死，汽车就会发生测滑、甩尾或方向失控，造成交通事故。据资料统计表明，这类事故占交通事故的10%。ABS装置主要通过控制制动轮的瞬时角加速度和减速度将车轮的滑移率s控制在20%左右，保证轮胎与地面间有较大的纵向附着系数和侧向附着系数，从而有效地提高了汽车制动的方向稳定性，方向操纵性，并缩短了制动距离。1.3 ABS教学控制仪器的发展现状1.3.1 国外ABS教学控制仪器的发展现状从20世纪50年代初期到现在，仪器的发展取得了重大的突破。数字技术的出现使各种数字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础，计算机的引入，测量技术又一次取得了进展，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成测量整个系统的参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。特别是微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，过去电压、电流等量程或功能的滑动开关，通、断开关键已经消失。测量系统的主要模式，是采用机柜形式，全部通过IEEE-488总线送到一个控制器上。测试时，可用计算机语言程序来高速测试。不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展，这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高4。目前模拟控制仪器的发展突出表现在以下几个方面：1、新技术的应用目前普遍采用EDA（电子设计自动化）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）、DSP（数字信号处理）、ASIC（专用集成电路）及SMT（表面贴装技术）等。2、产品结构变化在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术产品的开发与生产。注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软化，随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力，今后的仪器归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。3、产品开发准则发生了变化从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为“恰到好处”。开发一项成功产品的准则是，用户有明确的需求；能用最短的开发时间投放市场；功能与性能要恰到好处；产品开发准则的另一变化是收缩方向，集中优势。4、生产技术注重专业生产，不再是大而全生产过程采用自动测试系统。目前多以GP-IB仪器组建自动测试系统，生产线上一个个大的测试柜，快速地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。目前ABS教学控制仪器的发展正按着这个方向进行。多采用OBD-II接口，可通过检测仪器的进行读取故障码、清除故障，并通过计算机实现远程操控。下面就介绍一家国外的一些产品。美国SPX公司是设计、制造和销售汽车专用检测设备和工具的大型跨国集团公司，公司创建于1911年，被美国幸福杂志凭为全球500家大公司之一。目前，SPX下设的子公司或代表机构已遍及世界各地，其产品广泛应用于通用，福特、克莱斯勒、日产、丰田、绅宝等世界著名汽车制造厂及维修站，并成为他们的指定供货商。如ABS防抱死制动系统教学演示台的特点如下：（1）实验台选用大众ABS防抱死制动系统；（2）在机柜面板上刻制了系统电路图和系统油路图，装有制动分泵油压表；（3）用LED指示灯显示ABS系统工作过程的油路变化和阀体工作状态，有利于直观教学；（4）实验台可根据客户要求选择手动或遥控设置系统故障；（5）实验台采用本公司自主开发的单片机控制，除能够实现原车常规检测实验项目外，还可以采用手动和自动模式，通过LED指示灯及仪表，形象生动的分步演示ABS系统油路、电路和阀体的工作过程；（6）台架装有四个万向脚轮，可轻松移动；（7）外设车辆ECU检测端口，便于检测ECU端子数据。1.3.2 国内ABS教学控制仪器的发展现状随着ABS的逐步发展，国内ABS教学仪器的发展也是十分迅速。通过引进和吸收国外的先进技术，目前我国已有上百家这样的生产厂家。这些厂家的产品都是按照汽车标准件安装而成，教师可在实验台上任何部件制造故障，由学生自行排除，到演练的目的。下面就介绍三个具有代表性的厂以及它们的产品：1、济南恒信教学实验设备有限公司济南恒信教学实验设备有限公司是专门从事高、低档轿车各个部位教学设备的软硬件开发公司。其公司生产的汽车教具广泛吸收国内外同行的经验，并在此基础上研究开发出更专业、更实用的系列汽车实训教具，以实物模拟为主，结合相关的原理，直观的描述汽车的结构和工作原理，可以根据学校的实际需要定制各种汽车教学的软件及硬件，是高等学府及职业培训中心和学校汽车工程专业的首选教具。其中，ABS防抱死刹车系统就是一个典型的代表。实验台选用大众系列MK20-I型四传感器三通道ABS，原车结构台架式布置，展板式面板、个性化操作平台，设工况指示灯、急停开关，调速电机作驱动，万向自锁脚轮台架，便于移动教学。具有实物展示功能，据有ABS系统各工况动态演示及实验功能。（1）实验台采用时代超人原车配件，可模拟动态行驶时不同车速的工作过程 ； （2）具体制动情况可通过指示灯显示执行元件的工作状态，通过油压表显示实际油压的变化情况； （3）计算机端子采用外接式，可方便的检测各传感器的工作电压； （4）OBD-II接口，可通过检测仪器进行读取故障码、清除故障码等实际工作。配备隐蔽故障模拟装置，便于学生考试。选配配置及功能（1）PC电脑，彩喷打印机、RS232数据接口及数据线；（2）原厂解码器功能，读数据流、读解码操作；（3）动态刹车曲线显示、对比、保存、打印功能；（4）多媒体教学功能、示波器功能；（5）远程智能故障设置考核功能。2、天津市万豪汽车检测设备有限公司天津市万豪汽车检测设备有限公司是一家集技术研发、市场运作、生产销售和技术培训为一体的股份制企业。公司始终坚持科学技术是第一生产力，以科技为先导，不断的引进国外的先进技术，不断的创新。其中在ABS油路和电路模拟控制仪器方面研究也很专业。如ABS防抱死系统主要性能及特点（1）主缸油压及分缸油压实时显示；（2）电磁阀工作状态通过LED灯显示；（3）外接式电脑检测端子，便于检测电压及波形；（4）原车线路及油路显示；（5）调频变速电机可调整不同车速；（6）自动断电装置，避免电机反；（7）故障灯直观显示 ；（8）通过诊断座可检测ABS故障，并可清除。3、上海硕博科教设备有限公司上海硕博公司是专业从事教学设备生产经营的综合性企业。公司主要产品类型包括：理、化、生实验室成套设备、多媒体综合教学系统、多媒体语言教学系统、机电实验室、电子实验室、制冷家电、财会模拟实验室、医学教学模型、多媒体电脑辅助学习系统先进科学的教研设备系统。硕博公司具有雄厚的技术力量、先进的生产工艺、精湛的检测手段和完善的质保体系。产品具有操作简单、优质耐用、性能稳定、外观精美、价格合理等特点。该公司引进国外先进生产设备，先后推出具有国内领先水平的电工、电子、数电、模电、微机接口及应用、电动机、电气控制实验室设备系列、电工、机床电气考核实验装置；工业自动化、变频设备调速、PLC可编程单片机、EPROM实验装置；智能考核DVD家用电器多功能综合实验室、中央空调、制冷制热实验室；透明液压、气动PLC控制实验台、教学演示电梯；机电一体化数控编程实验室、模拟数控车床铣床模型；模具、机械系列陈列柜、机械教学模型；工程制图、财会实验室；汽车驾驶模拟器、透明汽车教学模型、程控示教板、电路实验台、电子桩考仪；数字多媒体语言实验室、物理、化学、生物等实验室；大中专、职校、技校、职业学校配套教学仪器、教学模型、教学挂图。如ABS教学仪器的特点：（1）电动程序控制电路；（2）教学仪器的板面一侧都有屏幕显示；（3）板面机械部分采用半立体彩色有机玻璃用模具一次成型铸成；（4）可自动控制每个仪器工作原理的演示，彩灯逐点闪烁显示各系统的油路、电路工作原理，可快慢调节。1.4 研究的目的和意义随着汽车工业的迅猛发展和高速公路的不断修建，汽车的行驶安全性越来越为人们所重视。为了全面满足制动过程中汽车对制动的要求，使制动器制动力分配更趋合理，ABS系统逐渐成为现代轿车的标准配备装置。特别是电子控制技术的发展，要求更多的人了解并掌握现代汽车新技术。本设计研究汽车制动防抱死系统（ABS）控制技术和实验测试技术，用于模拟汽车工作状况，并动态显示ABS油路、电路及二者关联工作状况，实时测量电子元件工作参数，智能模拟故障与检测，有助于尽快掌握ABS的结构和原理、性能检测、故障诊断与维修等方面的知识，是国内具有相关汽车专业实验室急需且必备的设备。非常适用于教学部门、研究单位及维修企业等使用。1.5本设计研究主要内容众所周知，ABS 的原车测试具有成本高、实验周期长、实验精度底、不易观察等缺点。鉴于此，迫切期望建立一种室内模拟动态汽车性能检测的试验台。由于设计这种实验台的工作量特别大，在短期内很难完成，为了更好的完成这个设计，把此工作分成两部分。一部分是实验台的实物装置的设计，一部分是为了展示试验台工作情况的模拟控制装置的设计。ABS教学控制仪器的设计便属于第二部分，它不具有实验台工作时的零部件，但通过LED灯、油压表、显示器能清晰的反应ABS制动试验台真实的工作情况，也是本设计的意义所在。（1）总体技术方案确定。根据汽车防抱死制动系统教学控制仪器的功能要求，确定总体技术方案。（2）硬件部分的设计、选择与匹配。对单片机、译码器、显示器、电源等元件，根据系统要求，以及目前上述各种元件的技术状况、性能特点、性价比等，结合调研情况以及相关参考资料进行对比分析，确定采用的元件的具体型号，并给出相应的接口电路，相互之间进行合理匹配。同时给出以单片机为核心的控制系统电路原理图，从而为各元件之间建立必要的联系。（3）软件系统的设计与调试。软件部分配合硬件控制系统电路，共同完成教学仪器的工作，而软件功能是通过分程序模块来实现的，主要包括初始化模块、显示模块等。同时进行程序的调试工作，以对编写的程序进行运行检查，验证运行逻辑、运行流程等。（4）进行ABS教学控制仪器的可行性验证。通过试验观察仪器的工作状况，根据具体情况对理论模型进行修改，以提高其数据的精度。第 2 章 总体方案2.1设计思想ABS教学控制仪器设计是比较复杂的，不仅涉及到机械、电子、材料，而且涉及到单片机的编程。为了完成ABS教学仪器设计，实现更多的功能，将按照以下几步去做：（1）控制面板的尺寸设计合理；（2）油路和电路的设计要有创新并布置合理；（3）故障的设置及诊断要全面；（4）滑移率控制系统设计；（5）LED选择要准确，设计要合理。最后确定设计思路为：首先选用了凯迪拉克SLS赛威的原车电路和油路作为参考对象，为了使设计更加直观，将面板大体按照实物位置设置。这样有助于学习和了解原车的油路和电路。其次，通过选用了LED灯来适时反应车轮转速工作情况。再次，用显示器来显示滑移率的变化，以及设计了很多插孔和开关，以便故障的设置和诊断。把油路和电路以及显示器合理的布置在控制面板上。并在板后以真实的线连接，这样既能真实的反应其工作原理，又美观大方。本设计结合国内外控制面板的特点，设计的其具有操作简便、性能可靠、外观精美、价格便宜等特点。2.2实现功能和创新点1、实现功能（1）能进行ABS元件识别；（2）能进行ABS工作原理实验；（3）能进行故障设置；（4）能进行ABS故障诊断实验；（5）能同步显示滑移率和车轮转速。2、创新点（1）控制面板的合理布置，能反应油路、电路二者关联工作状态；（2）数字模块显示器适时显示工作状况及滑移率；（3）LED灯显示车轮转速的工作状态；（4）故障模拟与实时检测。2.3总体布置根据设计要求选择3通道4传感器布置方式，两前轮独立控制，两后轮一同控制。总体布置如图2.2所示。1-ABS ECU；2-储液泵；3-液压泵；4-制动主缸及踏板；5-指示灯；6-LED；7-车轮传感器；8-显示器；9-进油阀；10-控制开关；11-出油阀图2.2总体布置图2.4 ABS教学仪器组成及工作原理ABS教学控制仪器主要由ECU、车轮轮速传感器、显示器、制动主缸、液压泵、LED、出油阀和进油阀等组成。当ABS控制系统工作时，模拟控制面板上就同步显示其工作过程。其工作原理如下：当接通开关电路，ECU收到工况信息，LED将随机显示出此过程的轮速，并将信号传回ECU，经过ECU处理调出此工况二极管闪烁的程序，使二极管按此程序闪烁。与此同时，ECU将信号传到电动机，控制电动机的转速和正反转来调节，踏板、制动钳、出油阀、进油阀等机械部分的运动。2.5本章小结本章研究并确定了汽车防抱死制动系统教学仪器控制系统设计思想和它实现的功能以及创新点，同时设计总体布置图，及其组成和工作原理，这为以后油路、电路设计提供重要参考。第 3 章 电路和油路设计3.1电路设计3.1.1 设计方案 在设计中，MK20-型ABS防抱死制动系统的原车电路如图3.1所示。图3.1 凯迪拉克SLS赛威ABS电路图和原车电路图相比，本设计中的电路图有所创新，如图3.2所示。图3.2 ABS教学仪器电路图轮速传感器的位置改放下边，和轮缸放在一块。而ABS液压控制单元也放低了一些，这样有利于油路和电路的连接，以及整个板面的布置。在各传感器、电机、液压泵等线路中放入了LED灯，当电源接通时（也就是传感器等元件工作时）LED灯就会亮，这就有利于我们观看ABS电路的工作情况。本设计在每条线路中还设置了一个插孔和一个开关，这有助于我们设置故障，通过故障分析、诊断使我们学习更方便、有效。3.1.2 电路的组成及工作原理电路主要由电子控制单元（ECU）、轮速传感器、电磁阀和一些测试端子及控制开关组成。其中，电子控制单元（ECU）是最主要的。本设计采用的电子控制单元（J104）由以下几个基本电路组成：车速传感器的输入放大电路。运算电路。电磁阀控制电路。稳压电源、电源监控电路、故障反馈电路和继电器驱动电路。ECU是ABS系统的控制中心。其工作原理如下图3.3所示。电控单元的基本输入信号是四个轮上传感器送来的轮速信号，电控单元连续地检测来自全部四个车轮传感器传来的脉冲电信号，并将它们处理、转换成和轮速成正比的数值。一旦判断出车轮将要抱死，它立刻就进入防抱死控制状态，向液压调节器输出幅值为12V的脉冲控制电压，以控制分泵（轮缸）上油路的通、断，分泵上油压的变化就调节了轮上的制动力，使车轮不会因一直有较大的制动力而让车轮完全抱死。如果系统出现故障或受到暂时的干扰，电控单元会自动关闭ABS系统，让普通制动系统继续工作。图3.3 电子控制单元工作原理图3.1.3 模拟电路工作过程当点火开关转到ON位置时（也就是电路中有电时），电子控制单元就开始进行自我检测。在车轮转动时，所有的电气连接部位都会不断地受到监测。如果发现任何不良情况，就停止ABS的功能，并让ABS警告灯亮起。轮速传感器把接收到的脉冲信号不断地输送到电子控制单元（ECU），经ECU处理后再把信号输送到液压控制单元。此时，如果电路中有电即各部件都正常工作时，控制面板上LED灯都会亮。与其同时，显示器显示滑移率。如果电路短路或者断路时LED灯就不亮，说明电路中有故障出现，可用万用表检测端子。3.2 油路设计3.2.1设计方案本设计的油路是基于电路基础上设计的，本设计采用二极管逐点显示油路过程。ABS油路演示过程：从制动总泵出来，油道和电磁阀相连，液压油通过电磁阀活塞从主缸进入轮缸。当减压时，液压油又从轮缸出来，通过常闭电磁阀流到储液器，并通过液压泵压回主缸，如此循环。当ABS起作用的时候，用发光二极管显示液压制动控制系统各个进油阀、出油阀的工作状态，如表3.6所示。表3.6油路指示灯显示各个电磁阀的状态序号状态进油阀（常开）出油阀（常闭）1升压断电断电2保压通电断电3降压通电通电3.2.2 油路的组成及工作原理油路主要由制动总泵、真空助力器、液压控制单元（回液泵、储液器、电磁阀）、轮缸踏板组成，在电教板中还包括二极管、单片机、译码器等，这些元件在前面已经详细的介绍过。在普通制动系统的工作状态下，制动压力通过常开的输入电磁阀到制动泵。如果系统进入防抱死制动状态，ABS电控单元发出指令，使输入、输出电磁阀适时打开和关闭，让制动分泵的压力快速变化（增压或减压），防止车轮在制动时被完全抱死。ABS电控单元控制速度很高，它可在防抱死制动过程中打开，关闭相应的输入、输出电磁阀。3.2.3模拟油路工作过程 本设计中油路的工作过程可分为四个阶段5。1、常规制动阶段在常规制动阶段，ABS并不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的压力将随制动主缸的输出压力而变化。此时的制动过程与一般制动系统的制动过程完全相同。本仪器在常规制动阶段，ABS不介入制动压力控制，出油阀处于关闭状态，进油阀处于开启状态，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于封闭状态。此过程用发光二极管动态显示出来。2、制动压力保持阶段在制动过程中，电子控制单元根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮抱死时，ABS就进入防抱死制动压力调节过程。例如，电子控制单元发现右前轮趋于抱死时，电子控制单元就使控制右前轮制动压力的进液电磁阀通电，使右前轮液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸。此时，右前出液电磁阀仍未通电而处于关闭状态，右前制动轮缸中的制动液也不会流出，右前制动轮缸的制动压力就保持一定，而其它未抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大。本仪器在压力保持阶段过程如下，电子控制单元根据车轮转速判定有车轮抱死时，ABS就进入防抱死制动压力调节过程。例如，电子控制单元发现左前轮趋于抱死时，电子控制单元使控制左前轮制动压力的进油阀关闭。此时，左前轮出油阀仍处于关闭状态，左前制动轮缸的制动压力就保持一定，而其它未抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大。此过程用发光二极管动态显示出来。3、制动压力减小阶段如果在右前制动轮缸的制动压力保持一定时，电子控制单元判定右前轮仍趋于抱死，电子控制单元又使右前出液电磁阀也转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动液就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动压力迅速减小，右前轮的抱死趋势将开始消除。本仪器在制动压力减少阶段过程如下，如果在左前制动轮缸的制动压力保持一定时，电子控制单元判定左前轮仍趋于抱死，电子控制单元又使左前轮出油阀也转入开启状态，左前制动轮缸中的部分制动液就会经过处于开启状态的出油阀流回储液器，使左前制动轮缸的制动压力迅速减小，左前轮的抱死趋势将开始消除。此过程用发光二极管动态显示出来。4、制动压力增大阶段随着右前制动轮缸制动压力的减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐渐加速，当电子控制单元根据车轮转速传感器输入的信号判断右前轮的抱死趋势已经完全消除时，电子控制单元就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态，同时也使用电动泵通电运转，向制动轮缸泵送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵泵送的制动液都经过处于开启状态的右前进液电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的压力迅速增大，右前轮又开始减速转动。本仪器制动压力增大过程如下，随着左前制动轮缸制动压力的减小，左前轮会逐渐加速，当电子控制单元根据车轮转速输入的信号判断左前轮的抱死趋势已经完全消除时，电子控制单元就使左前轮进油阀和出油阀都断电，使进油阀转入开启状态，使出油阀转入关闭状态，同时也使用电动泵通电运转，向制动轮缸泵送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵泵送的制动液都经过处于开启状态的左前进液电磁阀进入右前制动轮缸，使左前制动轮缸的压力迅速增大，左前轮又开始减速转动。此过程用发光二极管动态显示出来。3.3 本章小结 本章实现了ABS电路和油路的设计过程。通过和原车电路的对比，可清楚的看到本设计中电路布置的合理性，并能反应ABS试验台的工作情况。而油路中通过增压、保压、减压和常规制动四个阶段来体现油路的工作过程。通过二者的设计使油路和电路紧密的结合起来了。第4章 ABS教学仪器控制系统设计4.1控制系统组成及原理本设计控制系统组成图如图4.1所示。汽车防抱死制动电子控制示教系统实时监控与检测模拟仿真硬件与教学系统ABS系统运行监控、检测轮速传感器运行监控、检测警告灯运行监控、检测ABS执行器运行监控、检测ABS系统运行实时仿真ABS执行器运行实时仿真ABS系统实时仿真ABS硬件系统示教板ABS故障诊断系统图4.1ABS教学仪器控制系统组成图控制系统原理如图4.2所示。开关量微处理器电动机LED二极管显示器图4.2ABS教学仪器控制系统原理图通过开关量输入信号，把相应开关量输入到微处理器内部，经过微处理器内部运算调用相关的子程序来实现各开关量的控制。从而实现控制电动机的正反转、LED动态显示轮速和二极管点亮顺序以及滑移率在显示器上的显示。4.2ABS电路硬件设计ABS电路硬件包括单片机、译码器、二极管、LED、电动机、显示器、控制开关、电源。4.2.1单片机的选择当今单片机品种繁多，产品性能各异。首先要理解两个概念：集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格也高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，这种结构的单片机取指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度也更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化设计。一般来说，对于控制方式较简单的家电，可以采用RISC型单片机；对于控制关系较复杂的场合，如通信产品，工业控制系统，应采用CISC单片机。所以，根据功能需要和性价比以及匹配关系，在这里选择CISC型的单片机，它主要包括Intel系列、Motorola系列、Atmel系列的AT89系列等。除此之外，在实际应用中还可根据如下原则来选择单片机6：（1）了解单片机对应用系统的适用性。所谓对应用系统的适用性，就是能否用一个单片机对系统的控制，或需要增加几个附加的集成电路才能实现对系统的控制。从这一方面应主要考虑以下问题：单片机是否含有所需的I/O端口数目；单片机是否含有所需的外围端口部件；单片机的CPU是否有合适的吞吐量；单片机的极限性能是否满足要求。（2）了解单片机的可购买性。从这一方面应主要考虑以下问题：单片机是否可直接购买到；单片机是否有足够的供应量；单片机是否仍在生产之中；单片机是否在改进之中。（3）了解单片机的可开发性。从这一方面应主要考虑以下问题：编译软件；程序写入工具；调试工具；技术支持；语言体系与熟悉程度。根据上面的要求对单片机进行选择，就可选择出最适用于应用系统的单片机，从而保证应用系统最高的可靠性、最优的价格性能比、最长的使用寿命和最好的升级换代性。所以这里初选89C51单片机作为系统的控制芯片。1、 89C51单片机的基本组成图4.3所示为89C51带闪存（Flash ROM）单片机的基本结构框图6。 外部事件记数输入P0 P2 P1 P3 控制串行通信振荡器和时序OSC程序存储器4KB FlashROM 80C51CPU数 据 存 储 器256字节RAM/SFR216位定时器/计数器可编程全双工串行口可编程I/O64KB总线扩展控制器内中断外中断 地址数据 图4.389C51单片机结构框图在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，即89C51单片机芯片内包括：（1）一个8位的80C51微处理器（CPU）；（2）片内256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及显示的数据等；（3）片内4KB程序存储器Flash ROM，用以存放程序、一些原始数据和表格；（4）4个8位并行I/O端口P0-P3，每个端口既可以用作输入，也可以用作输出；（5）两个16位的定时器/记数器，每个定时器/记数器都可以设置成记数或定时的结果实现计算机控制；（6）具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统；（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信；（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHZ；（9）89C51单片机具有节电工作方式，即休闲方式及掉电方式。以上各个部分通过片内8位数据总线（DBUS）相连接。另外89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0HZ，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/记数器、并行口和中断系统都继续工作。此时的电流可降到大约为正常工作方式的15%。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。这种方式下的电流可降到15以下，最小可降到0.6以下。89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此89C51是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。单片机是典型的嵌入式系统，从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的 ，能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行以及非凡的控制品质要求。因此，单片机是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。89C51的单片机具有兼容的低功耗、高性能8位的特点，特别是其内部增加的闪速可电改写的存储器Flash ROM给单片机的开发及应用带来了很大的方便。因为89C51是80C51，373和2732的总和，且芯片的价格非常便宜，因此，近年来得到了极其广泛的应用。根据以上原因本文采用了89C51单片机。2、 外围电路的设计（1）时钟电路的设计。计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的，这个脉冲是单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。要给CPU提供时序需要相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。89C51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要附加电路。89C51的时钟产生方式有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。在该控制系统中，采用了内部时钟方式。内部时钟方式，是利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，C1和C2值通常选择为30pF左右：外接陶瓷谐振器时C1和C2约为47pF。C1和C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在0MHZ24MHZ/33HZ之间选择。为了减少寄生电容，更好地保证晶振器稳定可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。内部时钟设计电路如图4.4所示。图4.4时钟电路（2）复位电路的设计。复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。例如复位后，PC初始化为0，于是单片机自动从0单元开始执行程序。因而复位是一个很重要的操作方式。单片机本身一般是不能自动进行复位的（在热启动时本身带有看门狗复位电路的单片机除外），必须配合相应的外部电路才能实现。单片机的整个复位电路包括芯片内、外两部分，外部电路产生的复位信号通过复位引脚RET进入片内一个斯密特触发器（抑制噪声作用）再与片内复位电路连接。复位电路每个机器周期对斯密特触发器的输出采样一次。当RST引脚端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，89C51进入复位状态。单片机的外部复位电路有上电自动复位和按健手动复位两种。上电复位利用电容器充电来实现，上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST引脚端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。按键手动复位又分为：按键电平复位和按键脉冲复位。按键电平复位，相当于恢复键后复位端通过电阻与VCC电源接通；按键脉冲复位，利用RC微分电路产生正脉冲。在实际的应用系统中，有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电平要求与单片机的复位要求一致，则可以与之连接。复位电路关系到一个系统能否可靠地工作。对要求不是很高的场合，由阻、容元件和门电路组成的复位电路是一种廉价而简单的选择，一般均能良好的工作。而对于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，常常要求系统在任何异常情况下都能自动复位回复工作，这样的系统选用专用复位监控芯片作为系统的复位产生器是比较理想的。考虑到教学的环境现场干扰比较小，最终确定的外部复位电路如图4.5所示。 图4.5复位电路在不复位状态下，1是高电平，2输出低电平给单片机芯片的RST，单片机工作。当按键按下S1，1成为低电平，并由电阻、电容和门电路保证1为低电平的持续时间至少10ms，2输出高电平RET，实现复位。4.2.2译码器的选择1、译码器的分类实现译码器功能的组合逻辑电路称为译码器。它的输入是二进制的代码，输出是一组高低电平信号，每输入一组不同的代码，只有一个输出端呈现有效信号。译码器一般通过接收芯片以后，转换为标准的TTL电平信号序列，还需要解调有效信息。他是包含有效的0，1信息的同步信号，不可以被单片机直接识别。译码器是将一种数码转换为另一种数码的电路。