汽车侧滑测量系统设计

目 录1 绪论 .11.1 背景 .11.2 汽车检测技术的状况及重要性 .11.3 汽车检测技术的研究 .31.4 汽车检测技术的发展趋势 .41.5 侧滑的提出 .51.5.1 目的 .51.5.2 侧滑的原因 .51.5.3 汽车侧滑检测中存在的问题 .52 新型侧滑台设计及检测原理 .62.1 侧滑产生机理 .62.2 预防侧滑的对策 .82.3 新型侧滑台设计 .92.3.1 侧滑台平面布置原理 .92.3.2 侧滑试验台的结构和工作原理 .102.4 侧滑检测原理 .113 系统硬件设计 .123.1 位移传感器 .123.2 倍频电路 .143.3 单片机 .143.3.1 AT89S51 单片机引脚及功能 .153.3.2 AT89S51 的时钟电路 .183.3.3 复位电路设计 .193.3.4 AT89S51 单片机系统的存贮器组织 .203.3.5 计数及定时装置 .213.4 显示报警电路 .213.4.1 显示译码器 CD4511 .233.4.2 MC1413 达林顿管 .243.5 接口电路及上位机 .273.5.1RS-232C 通讯协议特性 .273.5.2 RS-232C 与 TTL 电平转换 .284 误差分析 .31致 谢 .31参考文献 .321 绪论1.1 背景国际汽车制造商协会(OIC)A公布，2004年世界汽车产量为6395.6万辆，比2003年增长5.6% 。其中轿车产量4410万辆，增 长5.1% ；商用车产量1985.7万辆，增长66%(具体为轻型商用车1672 3万辆，增 长5.3%，重型 载货车产 量289.2万辆，增 长14.6% ，大型客车产量24.2万辆，增长7.3% 。我国的汽 车工业发展很快，汽车产量从1980年的2万辆快速增长到2005年的570万辆， 仅次于德国居世界第四位，己成为世界汽车生产大国。其中，轿车产 量27万辆，比上年增长19.71%。随着汽 车 工业的快速发展，我国的汽车需求量也在不断增长，据统计 ，到 2010年我国潜在的汽 车需求总量为100万辆，在 2005年570万辆基础上增长75%。 轿车需求增速超过总体汽车需求75%的增长速度，需求达到40万辆以上，汽车千人保有量迅速增加，从1991年的 5.2万辆发展到2005年的24万辆。随着全国千人汽车保有量的大幅上升，高速公路、高等级公路的不断建设，汽 车正逐渐进入家庭，成为人们 生活中的一部分。而 驾驶员 非职业化、 车流密集化和车辆高速化，则对车辆的安全性能提出更高的要求，交通安全问题也随之日益突出。据 统计，2005 年我国道路交通事故死亡人数己达到98738人，46991人受伤。据 统计，中国汽车保有量占世界的1.9%，而交通事故死亡人数却占到17%以上；中国的机动车保有量是美国的1/16，而交通事故死亡人数是美国的35 倍；和日本相比，我国的汽车保有量是其1/9，而交通事故死亡人数是他们的2倍，中国已经成为世界上交通事故最严重的国家之一。所以对汽车各系 统、各 总成的检测理论与 检测技术的研究及保证汽车技术状况处于良好状态都具有十分重要的意义。1.2 汽车检测技术的状况及重要性汽车技术状况是定量测得的表征某一时刻汽车外观和性能的参数值的总和，而评价汽车使用性能的物理量和化学量统称为汽车技术状况参数。汽车检测技术就是基于研究汽车技术状况变化规律，采用先进的仪器设备与技术，在汽车不解体的条件下，通过检测有关技术状况参数，迅速准确地反映整车技术性能及各系统总成的技术状况，以便掌握它们的变化规律， 发现并及时排除故障，保持或恢复其良好的技 术状况和使用性能。汽车检测主要内容包括三个方面：一是汽车主要技术参数检测(包括整车技术参数、主要总成技术状况参数、照明与信号装置技术参数等)；二是主要技术性能检测(包括动力性、燃油经济性、制动性、平 顺性和操纵稳定性等)；三是排放、噪声检测。汽车本身是一个复杂的系统，在运行当中，各个总成之间都在运动，随着 时间的推移，各系统的技术状况都会 发生变化，其技 术状况将不断恶化，造成汽 车的各种性能的下降，从而使其发生故障的机会逐渐增加，造成交通安全隐患的大量聚合。随着道路质量的提高和高等级公路及高速公路的飞速发展，汽车行驶速度愈来愈快，因此对汽车各种性能及检测标准的要求愈来愈严格。作为汽车底盘重要组成部分的转向系统的汽车转向轮侧滑量反映了转向系统转向轮定位参数之间的匹配情况，若侧滑量超出规定范围(GB7258一2004机动车运行安全技术条件规定不大于5m/km) 时，将影响汽 车 的操纵稳定性和转向轻便性，严重者将导致交通事故。一般认为 ，汽 车转向轮侧滑量的存在意味着转向轮所受的侧向力的存在，侧滑量越大，侧向力越大， 对车辆使用性能的影响越大。转向轮侧滑量对车辆使用性能的影响主要反映在以下几方面：1. 影响汽车直线行驶稳定性。汽车转向轮定位调整不当，会造成轮胎上存在侧向力，减弱车轮的回正力矩，使汽车直线行驶稳定性变差即车辆易偏离原来的行驶方向。试验表明：汽车转向轮侧滑量对汽车直线行驶稳定性影响很大，侧滑量越大，车辆跑偏量越大，而且负侧滑量(OUT) 比正侧滑量(工N)对车辆直线行驶稳定性的影响更大。侧滑量增大，汽车直线行驶稳定性变差， 这样就增加驾驶员维护车辆正常行驶的操作次数，从而影响交通安全。2. 影响汽车的操纵轻便性。汽车转向轮侧滑量的存在会减弱转向轮回正力矩，这样就强化了侧向力的作用效果。当车辆转弯需回正时，因回正力矩的减弱需在方向盘上施加较大的操纵力矩，严 重时甚至出现转向轮卡死而不能回正的现象，极大地影响了行车安全。试验也证实了 这一点：汽车的操纵轻便性是随着侧滑量的增加而逐渐恶化，当侧 滑量为负侧滑(0UT)时更加明显。当侧滑量由0增加到5m/km 时，方向盘最大转矩增加5% ，平均转矩增加40%。这样就极大地增加了驾驶员的劳动强度，影响行车安全。3. 对燃油消耗的影响。汽车转向轮侧滑量越大， 车轮所受到的侧向力就越大。 车辆在运行时，不仅要克服一些必要的行驶阻力，而且还要克服地面给予轮胎的横向力，这必然导致车辆滑行阻力的增加。汽车滑行阻力的直观反映是汽车的滑行距离。汽车滑行阻力越大，滑行距离越短。汽车滑行阻力是评价汽 车底盘技术状况的重要参数，它直接影响到车辆动力性能的发挥及燃油消耗。试验表明：汽车转向轮侧滑量越大，滑行阻力越大，滑行距离越短。如EQ140型汽车，转 向轮侧滑量每增加lm/km，其滑行阻力将增加3.5N，滑行距离将减少 1012m，油耗将增加约1.5%。4. 对轮胎磨损的影响。一般认为，汽 车转向轮定位不当是造成轮胎正常磨损的主要原因。汽车转向轮侧滑量越大，车轮受到地面的横向力越大，轮胎在地面上的滑动量越大，这必然加剧轮胎的磨 损及导致轮胎的偏磨，从而缩短轮胎的使用寿命。 车轮胎磨损量随转向轮侧滑量的增加而增大，并且侧滑量越大，其轮胎磨损量增加越明显，且负侧滑量(OUT)比正侧 滑量对轮胎磨损影响更大。当 侧滑量(OUT) 由0m/km增加到3m/km时，轮胎磨损增加48%；当侧滑量由0m/km增加到5m/km时，轮胎磨损增加98%。当侧滑量达到10m/kin时， 轮胎磨损大约增加200%。为保证交通安全、减少事故，一方面要不断研制性能优良的汽车；另一方面要借助检测和修理，恢复其技术 状况。在近几年，由于各方面技 术，尤其是电子技术的突飞猛进，促 进了检测技术、检测设备不断的发展和更新。因此，在汽车转向轮侧滑检测中，按照国家标准进行检测 ，对提高汽车的安全性具有十分重要的意义。1.3 汽车检测技术的研究汽车检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的，在汽车发展的早期，人们主要通过“眼看”、“ 耳听” 、“手摸 ”的方法，凭借有丰富经验的维修人员发现汽车的故障并做有针对性的修理。后来，人们开始利用简单的仪器 仪表对汽车的某些技术参数进行测量，例如各种压力表、量尺和量规等，通过这些简单 的测量再加上多年的学习和研究，月门积 累了很多经验，许多汽车检测仪器的基本 检测理论开始形成。伴随着 现代电子技术、 现代计算机及控制技术的飞速发展，汽 车检测技术也得到了飞速发展。目前，人们 已经能依靠各种传 感器和计算机等先进仪器、设备，可以 对汽车进行不解体检测，达到安全、快捷、准确地诊断和评价汽车性能的目的，使汽车检测设备和仪器成为汽车维护与修理而保持汽车良好使用性能不可缺少的工具。我国汽车检测技术的研究和开发起步较晚。20世纪60年代为了满足汽车维修的需要，当时由交通部主持进 行了发动机气缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究。20 世纪70年代，汽车不解体检测技术及设备被列 为开发的应用项目。由交通部主持研制了汽车制动试验台、 发动机综合检测仪和汽车性能综合检验台等。进入20 世纪80 年代，随着我国汽 车工业和交通运输业发展迅猛，对汽车检测、 诊断技术和设备的需求也与日俱增。我国汽车保有量迅速增加，汽车的运行安全性、 经济性和排放污染己成为人们越来越重视的社会问题，于是汽车的安全、节能和环保逐渐提到政府有关部门的议事日程，因而促进了汽车检测与诊断技术的发展。从20世纪80年代中期开始，我国也逐步开展了汽车安全性能计算机测控系统的研制开发。 经过十几年的努力，汽车性能检测线在智能化方面有了长足的进展，在 检测线上不仅配备诸如全自动光轴跟踪前照灯仪等智能化检测设备，而且液压举升技术、远红 外遥控技术和超高亮度动态点阵显示屏幕等得到了广泛应用。同时在数据通讯、讯号 传输、抗干扰能力及主机对监视器的控制显 示方式、数据 处理方式和车辆登录检索等方面都发展到了较高的水平。【1】1.4 汽车检测技术的发展趋势我国汽车性能检测经历了从无到有，从小到大；从引进技术、引进检测设备，到自主研究开发推广应用；从单一性能检测到综合检测，取得了很大的进步。尤其是检测设备的研制生产得到了快速发展，缩小了与先进国家的差距。如今汽车检测中通用的制动试验台、侧滑试验台、底盘测功机等，国内己自给自余，而且结构形式多样。我们虽然己经取得了很大的进步，但与世界先进水平相比，还有一定距离。我国汽 车检测技术要赶超世界先进水平， 应该在以下几方面发展:一、广泛应用高新技术，加速汽车检测技术进步与设备智能化，提高 检测水平二、汽车检测设备的综合化，检测线的浓缩化发展三、适应新标准新法规提出新的检测参数和检测方法，研制开发新的汽车检测诊断设备四、汽车的检测、诊断技术向人工智能化方向发展五、汽车检测的制度化、标准化以及网络化1.5 侧滑的提出1.5.1 目的目前我国交通行业正在贯彻国标GB了258一2004 机动车运行安全技术条件和GB18565一2001营运车辆综合性能要求和检测方法 ，其中汽车转向轮侧滑量要求在汽车侧滑试验台上进行。而 对于不同悬架结构类型的汽车，其转向轮侧滑量的要求限值也不同。对于非独立悬架 车辆来说，其 转向轮的侧 滑量限值和检测方法国标中有规定；而对于独立悬架车辆，国 标中并没有给出其转向轮侧滑量的限值和检测方法。因此，为了 实现对独立悬架车辆转向轮侧滑量的检测，需要对原来的侧滑试验台进行改造或重新设计。1.5.2 侧滑的原因汽车侧滑是由于道路和车辆等多方面原因造成的。就道路原因而言，附着力越小，侧滑的可能性越大。比如冰雪路面、泥泞路面、潮湿路面及曝晒而化油的 沥清路面等。就车辆因素而言，既有车辆设计原因，也有 车辆驾驶 和保养调整不当的原因。比如：制动力调整不均匀，就容易造成 侧滑。如果后 轮先制动 ，前 轮后制动，车辆容易侧滑。即使装上防滑链，也只能改变 汽车的制动距离，不能改变侧滑方向。如果前、后 轮同时制动，车辆 在低速行驶时有 轻微的侧滑；行驶速度越快，侧滑越严重。侧滑可分为突然性侧滑和预见性侧滑。突然性侧滑，往往车辆行驶正常， 驾驶员在没有警觉的情况下，转向突然失去控制，车辆左、右大幅度摇摆。预见性侧滑是指驾驶员在选择路面、打转向、踩制动时，能事先考 虑 到可能会发生车辆侧滑现象。突然性侧滑比预见性侧滑难于处理1.5.3 汽车侧滑检测中存在的问题判断在用汽车的侧滑性能，要用汽车侧滑试验台对汽车转向轮进行侧滑量的检测。而目前利用侧滑试验台检测转向轮侧滑量存在诸多问题。1) 目前 设置的大多数汽车检测站中，无论何种类型的车辆都用双板联动式侧滑试验台或者单板式侧滑试验台来检测其侧滑量。双板联动式或单板式侧滑试验台都是为广泛用于载货汽车的非独立悬架车辆检测侧滑量，而对于广泛用于轿车的独立悬架车辆来讲，并无适应性。因此，忽略了 这两种悬 架类型汽车侧滑检测的差异性，从而造成汽车侧滑性能判断的失误。2) GB7258一2004机动车运行安全技术条件和GB18565一2001 营运车辆综合性能要求和检测方法中都规定，转向桥采用非独立悬架的汽车，转向轮的横向侧滑量用侧滑仪检测时，侧滑量 值应不大于5m/km；而对 于前轴采用独立悬架的汽车，则仅仅说明以前轮定位参数值符合原厂规定的技术条件为准，并没有给出具体的侧滑检测方法和检测限值。3) 目前汽 车检测站由于条件的限制，还无法在检测线上对汽车转向轮定位参数进行动态的准确测量。要想 获得转向轮定位参数的准确数值，还只能静态下使用有关的仪器进行测定。2 新型侧滑台设计及检测原理2.1 侧滑产生机理转向轮侧滑，实际上是指转向轮外倾角与转向轮前束综合作用表现出来的车轮滚动时的横向滑移量。如图 2-2 所示，汽 车在平直道路上行 驶时，外 倾使前轮的自由滚动方向向外偏离其在前轴约束下的实际行驶方向，前轮边滚边滑使轮胎表面受到背离汽车纵轴线的外倾侧向力。前束的存在使前轮的自由滚动方向向内偏离实际行驶方向OD ，前轮在地面上 滚动的同时向内滑移所引起的前束侧向力指向汽车纵轴线。在前束和外倾的综合作用下，若前轮外倾和前束恰当配合，前轮自由滚动方向与实际行驶方向一致，前轮在地面上纯滚动，直 线行驶时所受到的侧向力总和为零；反之，前束大于或小于实际需要时，前轮自滚动方向向内或向外偏离其实际行驶方向所引起的车轮向内或向外滑移，使轮胎表面受到与滑移方向相反的侧向力。侧向力大小显然与前轮自由滚动方向偏离实际行驶方向的角度所决定的轮胎侧向滑移量有关。图2-2 侧滑产生机理示意图汽车前轮通过侧滑台滑板时，由于滑板的侧向移动仅受滑板与支撑滚轮间的摩擦力和滑板的回位弹簧拉力的约束，同时轮胎与滑板间有足够的侧向位移。这样，在前束和外倾的综合作用下，若前轮的自由滚动方向偏离实际行驶方向，只要所产生的侧向力大于滑板与滚轮间摩擦力和弹簧弹性恢复力之和，前轮向前滚动的同时便会带动滑板侧滑。侧滑量则取决于前轮自由滚动方向与实际行驶方向的偏离量。如图2-3 所示，假设前束与外倾配合不当，使前轮自由滚动 方向OA 向外偏离实际行驶方向。当汽车前轮垂直通过侧滑板时，若前轮沿自由滚动方向滚动，在驶过h m( 滑板宽度) 后前轮中心应位于A 点；实际上，前轮在前轴限制下只能沿OD 行驶，在驶过h m 后前轮中心到达D 点。由于 轮胎与滑板间侧向附着力大于滑板所受的侧向约束力总和，轮胎与滑板间不存在滑移。 这样，前 轮在滑板上行驶 h m 后，滑板将在轮胎带动下向内侧滑移，侧滑量S 为：S = AD/h.图2-3 外倾和前束的作用示意图2.2 预防侧滑的对策.在附着力差的路面上行驶，驾驶员应集中思想，谨慎驾驶，不可盲目高速行驶。行驶 中车辆发生侧滑时 ，应巧妙放松加速踏板，降低 车速，将转向盘向后轮滑动的同一方向转动，来修正行 驶方向，以减小继续侧滑的幅度，待 车轮与车身方向一致后，再逐渐正常行驶。 侧滑时，切勿使用紧急制动、乱打 转向盘，以免发生更大的侧滑。发大的侧滑后，只要没有发 生事故，都应及时停车休息， 检查车辆，查明原因，吸取教训。. 在附着力差的道路上转弯时，特别是在悬崖峭壁多的山区行车时，应提前减速，切不可在弯道中边踩 制动边打转向，以防车辆 在弯道内 侧滑，因 为这种情况下的侧滑危险性更大，后果也更 严重。.在泥泞路上行驶时，最好用稳定的低速行驶， 转 向盘应少打、少回，及时修正。下坡时因车轮向下滑动，不可采取 紧急制动， 应使用点制动来降低车速。下坡中要根据坡度的大小和长短，适时选用发动机的牵阻力控制车速，绝对不可空挡滑行。.要适时检查调整制动力。力求前轮制动力与后轮制动力配备合理化，同时要调整好制动踏板的自由行程。.要经常检查和调整转向盘的游动间隙，时时保持标准化。.轮胎使用要符合要求。表面磨损严重的轮胎使用时，对路面的附着力变小，应适时更换。.载重车辆在装载时，不得超过汽车装载的限度。特别不能超高、超长，否 则车辆一旦侧滑，会更加剧烈。2.3 新型侧滑台设计滑板式侧滑试验台分为单板式和双板式两种，是较为常见和常用的一种车轮定位检测设备。它按汽车左、右车轮分别设置两块滑板，滑板通过滚动体可以在下板上横向移动，但不能纵向移动 。检测时，汽车缓慢的直 线驶过滑板，如汽车转向轮的车轮外倾角与前轮前束配合得当，车轮的轨迹在汽车行驶时为一条直线；但如果配合不当，车轮滚动时必然向某一 侧偏斜。由于左、右车轮 都是安装在车轴上或是悬挂上而受到限制，因而将会在地面上产生横向滑移，并 带动 上滑板一起在下滑板上移动。移动量将会在仪表上显示出来，以供检测人员进行分析，该移动量即为侧滑量。由于 单板式侧滑检测台有经济、占地面积小、可以和平板式制动检测台配装等优点，所以本文探讨其结构设计方面的一些问题。2.3.1 侧滑台平面布置原理众所周知，汽车前轮侧滑量的大小对汽车的动力性、燃料经济性、操 纵稳定性以及轮胎磨损等都会产生影响。因此，前轮侧滑量的检测 是汽车年检的一个必检项目， 也是维修汽车时经常要检测的项目。汽车滑板式侧滑检验台在工作时，使汽车前轮在其检测滑板上通过，用测量检测滑板在向内或向外方向上的位移量以及在检测滑板上向前行驶的距离的方法来检测侧滑量，由此来判断前轮前束与外倾角这两个参数是否配合恰当。假设检测滑板的纵向长度为500mm，则检验台仪表将前驶500mm的侧滑量折算成每公里的侧滑量并显示出来。然而，目前普遍采用的滑板式侧滑检验台在测量时存在一个固有的误差。这个误差源自汽车前轮并不是一个理想的圆，汽车前轮与固定地面接触并不是一条线接触， 而是一压扁段。这样，前轮在刚驶上检测滑板以及前 轮即将驶离检测滑板时，存在两个过渡过程。上述的固有误 差就是在这两个过渡过程中产生的。近来，出 现了一种带有前过渡滑板的侧滑检验台， 这种检验台可以消除前轮在刚驶上检测滑板的过渡过程中产生的误差，但还不能消除前轮即将驶离检测滑板的过渡过程中产生的误差。侧滑检验台要达到准确测量的要求，必须要满足两个条件：a) 在轮胎释放了横向的 弹性变形( 这个变形是由固定地面与轮胎间横向的摩擦力引起的) 的前提下，轮胎经过检测滑板时， 检测滑板 电感调频式位移传感器向侧滑检验台仪表提供电信号，并使所提供的电信号用于显示最终结果数据；b) 在上述第 1点中位移传感器向侧滑检验台仪表输出电信号时段内，确认轮胎向前行驶的确切距离。为了满足上述两点要求，除了在检测滑板前端与固定地面之间设置前过渡滑板组外， 在检测滑板后端与固定地面之间还设置了后过渡滑板组，如下图2- 4， 这样既可以消除前轮在刚驶上检测滑板的过渡过程中产生的误差，又能消除前轮即将驶离检测滑板的过渡过程中产生的误差。注：1-机架；2，11-原检测滑板；3，10-前过渡滑板组；4，12-后过渡滑板组；5-侧滑台与固定地面的分界线；6-前轮(在检测终点位置)；7， 8-间隙.图 2-4 新型侧滑检验台平面布置图2.3.2 侧滑试验台的结构和工作原理侧滑试验台结构图如图2- 5 所示，它主要由机械部分、 侧滑量检测装置和侧滑量显示装置等几部分组成。机械部分由框架、左右滑动 板、 滚轮、滑道、双摇臂杠杆机构、回位装置、导向和限位装置等部件组成。其中装有 传 感器的滑动板称为主动板，另外一块滑动板称为从动板。【 2】1 导向装置；2 台板；3 回位弹簧；4 平衡扛杆；5 流动轮图2- 5 汽车侧滑试验台结构图汽车在滑动板上驶过时，会引起滑动板在左、右方向上移动。通 过测量滑动板移动的位移量就可以检测车辆的侧滑量。安装在主动板上的电感调频式位移传感器输出与位移量成正比的频率量，并传递给指示装置显示。对于带有智能仪表的侧滑试验台一般都能够及时记录侧滑量数值的大小，并能将数据进行锁存，以保证车轮驶离侧滑试验台后，操作人员能读取侧滑量的显示值。当延时时间到，自 动清零复位，准备下次侧量。2.4 侧滑检测原理汽车在直线行驶时，由于转向轮定位参数的改变，会使车轮产生内侧滑或外侧滑。根据转向轮发生侧滑时，轮 胎与地面之间有作用力与反作用力的原理，本课题设计了一块可在导轨上左右滑动的滑动板，当汽车在滑动板上通过时，轮胎对滑动板施加一个侧向力，迫使该板产生相 应的侧向位移，通 过位移 传感器， 对该位移量进行实时采集、处理，便可得到转向轮侧滑量的测量量，GB7258 - 2004 规定，转向轮侧滑量应小于或等于5 m/ km ，本系统 将滑动板设计成长1 m ，宽0. 5 m ，当汽车以5 km/ h 的速度通过滑动板时，其横向滑 动位移量应不大于5 mm。为了保证测量精度，位移传感器选用了BWG4-10电感调频式位移传感器 ，其线性行程10mm ，输出中心 频率为25KHZ 的频率信号，分辨力为0. 1 mm。实际测量时，车辆以5 km/ h 的速度，按照 图示方向缓缓通过滑动板，板的侧向位移量通过连杆机构传递给位移传感器，从而 实现对汽车转向轮侧滑量的动态测量。该测量系统采集到的信号为幅度为0 5 V 之间的频率变化量，参照滑动板的实际滑动范围( 左右最大均为10 mm) ，当滑动板位于中间位置时，没有侧滑；当向左偏移时为内侧滑，内侧滑位移量达到极限值- 10 mm 时，输出频率幅度为-1.43V ，此时转向轮侧滑量为10 m/ km；向右偏移时为外侧滑，当外侧滑量达到极限值+ 10 mm时， 输 出频率幅度为+1.43V ，此时侧滑量为10 m/ km。侧滑量实际上是一种动态位移量，对它的检测必须借助位移传感器，侧滑检测系统选用的电感调频式位移传感器其输出的信号频率与探头的位移呈线性关系，测试前，传感器探头调至中心位置，此时输出的频率称中心频率；测试时，汽 车前轮驶过0.5m测试台，台上的滑板可向两 侧滑动，滑板 侧滑时，传感器探头随之位移，并输出相应频率，通过单片机不断检测传感器的输出频率，并将探头位移后的频率fi 减去中心频率f0 ，再乘以转换系数K 即得侧滑量，可用公式表示为：2 1YLfXxi)ma(0式(2 1) 中： Y 满 量程频偏； Xmax 最大位移量， L 滑板长。为提高记数精度，可将输入信号倍频后再送计数器记数，本仪器的信号进行了四倍频，因此公式需乘系数，由此式可知，若以y/100作 为记数时间， 则每计一个脉冲代表0.05mm/m的侧滑量。侧滑检测系统由上、下位机两部分组成，系 统结构如图2 6 所示。以 单片机为核心构成的下位机集自动检测、判别、 报警及数显于一体，配上单板侧滑台可独立完成侧滑检测任务；上位机因人机界面好、资源丰富，使系统便于对采集的数据进行分析、运算、存盘 、打印和 检测控制。3 系统硬件设计侧滑测量电路的系统硬件主要包括位移传感器、倍频电路、显示报警电路、 MCS-51单片机、接口电路和PC 机。3.1 位移传感器仪器选用的电感调频式位移传感器BWG4 10，如图3 1：将传感探头与调频MCS-51单片机驱动电路译码电路声光报警数码显示倍频电路位移传感器复位电路RS232接口PC上位机打印机车号录入界面系统图2- 6 侧滑检测系统结构框图振荡器合装于一体， 其工作原理：当磁性导杆(探头) 在线圈中移动时，线圈电感量发生变化，从而改变 LC 振荡器的谐振频率， 导杆外移，电感减小，频率上升；反之频率下降。由于线圈具有特殊 结构，可保 证输出信号的 频率变化与导杆位移近似线性关系，所以传感器输出的方波 调频信号无需 A/ D 转换，可直接输入计算机处理，既简化了电路设计又减小了中间误差，提高了检测速度。测量电路如图 3- 2 所示。传感器主要技术指标如下：量程：0-10mm(5mm)中心频率：25kHz 满量程频偏：2687Hz输出信号：峰-峰值3.6 v分辨率：1000次）ISP Flash ROM 4.5-5.5V 工作电压片内时钟振荡器时钟频率0-33MHz 低功耗空闲和省电模式三级程序加密锁 软件设置空闲和省电功能 双数据寄存器指针掉电标识和快速编程特性。3.3.1 AT89S51 单片机引脚及功能 AT89S51单片机有4种封装形式， 分别为40-lead PDIP、44-lead PLCC、40-lead TQFP和 42-lead PDIP，其中40脚 PDIP 封装的引脚分布如图3-4所示，引脚描述如下：3-4 引脚分布（ 1 ）电源引脚（2条，VCC、GND）VCC（40 Pin）接+5V 电源； GND（20 Pin）接地。 （ 2 ）外接晶体引脚（2条，XTAL1、XTAL2）XTAL1（19 Pin）外接石英晶体和微调电容，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器输入端。当采用外部振荡器时，此引脚接地。XTAL2（18 Pin）：外接石英晶体和微调电容的另一端，在单片机内部，它接至片内振荡器的反相放大器输出端。当采用外部振荡器时，该引脚接收外部振荡器信号，即外部振荡器通过XTAL2被送到单片机内部的时钟发生器输入端。（ 3 ）控制类引脚（4条，RST 、ALE、/EA和/PSEN）RST（9 Pin）复位信号（ Reset）引脚。 RST为输入引脚，当振荡器在运行时，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，即可引起单片机复位，复位一般有两种，即上 电或手动复位以及WDT超时 复位。如果 DISRTO允许复位输出，则当WDT引起复位时，会在RST引输 出一个宽度为98个机器周期的正脉冲。 ALE（30 Pin）地址锁存允许信号（Address Latch Enable）。ALE是输出信号引脚，用于锁存访问外部数据存储器时的低8位地址。在正常情况下，ALE 信号总以固定频率（振荡器频率的1/6）周期地出现，可用作 对外定时 或为其它芯片提供时钟，每当访问外部数据存储器时，将会丢失一个ALE脉冲。如果需要，ALE信号也可通过设置SRF(8EH)位而被禁止。/EA（30 Pin）外部存取允许（External Access Enable）信号。/EA 为输入信号引脚，当使用外部程序存储器时，即希望程序从外部程序存储器的0000H开始执行程序时， /EA必须接GND ；当/EA 为 高电平时，单片机复位后，将从内部 Flash的0000H开始取指。当需要对单片机内部Flash编程时，该引脚（/PROG）也接收12V 的编程电压。/PSEN（29 Pin）：外部程序存储器“ 读”选通信号，在访问外部程序存储器期间，每个机器周期，该信号两次有效，但当访问外部数据存储器时， 这两次有效的/PSEN 信号将不会出现。（ 4 ）I/O 端口引脚（32条，P0 、P1、P2、P3）AT89S51单片机共有4个并行IO端口，每个端口是8位双向端口，共32条引脚。每个端口的结构基本相同，即都包含有锁存器， 输出驱动和输入缓冲，但在 对输出的控制上有很大差别，因此，在功能和用途上各不相同，在没有外扩程序或数据存储器系统中，这四个端口的每一位都可作为I/O口使用。【14】1）P0口。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。V1、V2构成输出驱动器，与门3、反向器4以及多路模拟开关MUX构成输出控制电路，三态门1、2组成输入缓冲器。P0口有两种功能，即地址/数据分 时复用总线和I/O接口。 当单片机系统有外接存储器时，P0 口用作地址/ 数据分时复用总线。当需要 输出地址信息时，控制信号为“1”，CPU 控制多路开关MUX 使AC 相接，地址信息 经过反向器4 到达P0口引脚；当需要输出数据时，控制信号为“0”，CPU控制多路开关MUX 使AB相接，数据经过锁存器的/Q端到达P0口引脚；当需要从P0口引脚输入数据时，控制信号仍为“0”，CPU 会自动先向锁存器写1，使 /Q端为 低电平，从而 V1截止，引脚上的输入信号经缓冲器1进入内部数据总线。当单片机系统没有外扩存储器时，P0口可作为准双向I/O 口使用，这时，控制信号 为“0”， V2截止，需要外接上拉电阻。【11】2）P1口。P1口8位双向I/O端口，内含有上拉 电阻。输出数据时（即写数据到引脚），数据被写到P1 口的锁存器，若写的数据为“1” ，则锁存器的/Q端为低电平，V截止，P1.x引脚为高 电平；反之，若写的数据为“0” ，则锁存器的/Q端为高电平，V导通， P1.x 引脚为低电平。输入数据时（即读引脚数据），必须先向锁存器写“1”，使V 截止，引脚数据经过缓冲器1进入内部数据总线。如果读引脚时， 锁存器的Q端为“0”，则V导通，读到的信息永远为“0”。 单片机复位后，P1 口锁存器的值为0FFH 。另外，在进行串行Flash编程和校验操作时，P1.5（MOSI）、P1.6（MISO ）、P1.7（SCK）分 别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。3）P2口。P2口具有内部上拉的电阻的准8位双向 I/O口。它有两种功能，当系 统有外部存储器时，P2 口用作地址总线，提供高8位地址（A15A8），这时控制信号为“1”，MUX的AC 相接，地址信号经过缓冲器3到达P2.x 当系统没有外部存储器，P2可作为通用的I/O 口使用，工作原理与P1 口相同。4） P3口。P3口也是具有内部上拉的电阻的准8 位双向I/O口， P3口的每条线都有两种功能，即作为I/O 和第二功能。P3口用作 输出时，数据由锁存器的Q端经与非 门3和反相器到达P3.x ；输入数据时，锁存器的Q端必须为高 电平， V管截止，数据信号从P3.x 经缓冲器4和1最后进入内部数据总线。P3口的每条 线都有第二功能。P3口作为第二功能使用 时，其 锁存器的Q 端必须为高电平，否则，若Q 为低电平，则与非门3将输出高电平，使V管导通，第二功能输入时，P3.x 被钳成低 电平，使得第二功能输入信号恒为低电平；第二功能输出时，若Q为“0”，则 与非门3的输出恒为高电平，V管导通， P3.x恒为低电平。P0、P1、P2、P3口可总结如下： 从结 构上讲，每个端口均有锁存器、 输出驱动和输入缓冲等组成 P1、P2、P3口内部均有上拉 电阻，当它们用作通用输入口（即读引脚状态）时，对应位的锁存器Q端必须先置为“1”；P0 口内部无上拉电阻，作为I/O口使用时，必须外接上拉电阻，读引脚时，对应的锁存器也必须先置“1”。 当系 统有外部存 储器时，P0一般分时用作地址/数据总线，P2用作高8位地址总线， P3口的 P3.7和P3.6负责提供外部数据存储器的读、写信号；当系统没有外部存储器时，P0、 P1、P2、P3均可用作 I/O口。 3.3.2 AT89S51 的时钟电路 单片机系统中的各个部件是在一个统一的时钟脉冲控制下有序地进行工作，时钟电路是单片机系统最基本、最重要的电路。本 设计主要采用内部时钟方式。时钟电路AT89S51单片机内部有一个高增益反相放大器，引脚 XTAL1和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端，如果在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接上晶体振荡器(晶振)或陶瓷振荡器就构成了稳定的自激振荡电路，该振荡器电路的输出可直接送入内部时序电路。AT89S51单片机的时钟可由两种方式产生，即内部时钟方式和外部时钟方式。（ 1 ）内部时钟方式。内部时钟方式即是由单片机内部的高增益反相放大器和外部跨接的晶振、微调电容构成时钟电路产生时钟的方法，其工作原理如图 3-5（ a ）所示。XTAL2XTAL1GNDAT89S51XTAL2XTAL1GNDAT89S51外部时钟源(a) 内部时钟方式 （b）外部时钟方式图 3- 5 AT89S51 单片机的时钟电路 外接晶振（陶瓷振荡器）时，C1 、C2的值通常选择为 30pF（40pF）左右；C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz 12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振 荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl 和 XTAL2靠近。由于内部 时钟方式外部电路接线简单， 单片机应用系统中大多采用这种方式。内部时钟方式产生的时钟信号的频率就是晶振的固有频率，常用fsoc来表示。如选择12MHz 晶振， 则 fsoc=12106Hz。 （ 2 ）外部时钟方式。外部时钟方式即完全用单片机外部电路产生时钟的方法，外部电路产生的时钟信号被直接接到单片机的XTAL1引，此时XTAL2开路，具体电路如图3- 5（ b ）所示。3.3.3 复位电路设计 AT89S51单片机的第9脚（RST）为复位引脚，系统上电后，时钟电路开始工作，只要RST 引脚上出 现大于两个机器周期时间的高电平即可引起单片机执行复位操作。有两种方法可以使AT89S51单片机复位，即在RST引脚加上大于两个机器周期时间的高电平或WDT计数溢出。单片机复位后， PC=0000H，CPU从程序存储器的0000H 开始取指执行。单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种。（ 1 ）上电复位电路。最简单的上电复位电路由电容和电阻串联构成，如图3-6所示。RSTGNDAT89S51CRVCCRSTGNDCRVCCAT89S51按钮R1图3- 6 RC上电复位电路 图3- 7 组合复位电路上电瞬间，由于电容两端电压不能突变， RST引脚电压 端为VR 为VCC，随着对电容的充电， RST引脚的电压 呈指数规律下降，到 t1时刻，VR降为3.6V ，随着对电容充电的进行， VR最后将接近 0V。机器周期取决于 单片机系统采用的晶振频率， 图3-6中，R不能取得太小，典型值 8.2k（ 2 ）上电复位和按键复位组合电路 图3-7 上电复位和按键复位组合电路，R1的阻值一般很小，只有几十欧姆，当按下复位按键后，电容迅速通过R2 放电，放电结束时的 VR为（R*Vcc）/（R+R1），由于R远大于R1 ，VR 非常接近VCC，使RST 引脚为高电平，松开复位按键后，过程与上电复位相同。本设计主要用上电复位和按键复位组合电路。3.3.4 AT89S51 单片机系统的存贮器组织 单片机系统中，存放程序的存储器称为程序存储器，类似与通用计算机系统中的ROM，只能进行读操作，存放数据的存储器称为数据存储器，相当于通用计算机系统中的RAM。与通用 计算机系 统不同，单片机系统中的程序存储器和数据存储器都有各自的读信号（PSEN 、/RD ），换言之， 单片机系统的存储器可以分成两个物理存储器，即程序存储器和数据存储器，它们的范围都是64KB 。 程序存储器 程序存储器主要用于存放单片机系统的执行程序和常数表格。AT89S51 单片机内部有4KB 的flash ，当程序小于4KB时，内部的Flash可用作程序存储器；当程序大于4KB时 ，就需要外扩程序存 储器，最大可达64KB。 AT89S51单片机有一个/EA 引脚，当使用外扩的程序存储器时，要求/EA为低电平。程序存储器大致可分成三个区域如图3-8所示：第一块为开始的3个字节（00000002H），一般存放一条 2字节（SJMP ）或3字节（LJMP）的调转指令，单片机复位时，PC=0000H，即单片机总是从程序存储器中的0000H开始执行程序的；第二块是中断矢量区，地址为0003002AH，每个中断矢量占8个字节，五个中断服务 程序入口