方程赛车电控系统毕业设计.doc

本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 学 院 机电与汽车工程学院 专 业 机械电子工程 学生姓名 班级学号 0745523139 指导教师 二零一一年六月二零一一年六月 i 大学生方程赛车控制系统设计大学生方程赛车控制系统设计 the design of students equation car control system （理工类）：（理工类）： 江苏科技大学毕业设计（论文） ii 毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书 学学 院：院： 专专 业：业： 机械电子工程机械电子工程 学学 号：号： 0745523139 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 职职 称：称： 教教 授授 2011 年年 1 月月 10 日日 江苏科技大学毕业设计（论文） iii 毕业设计（论文）题目：大学生方程赛车控制系统设计毕业设计（论文）题目：大学生方程赛车控制系统设计 一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和 应做的实验等） 方程式赛车是赛车的一种 ，指车的长度、宽度、重量、发动机以及轮 胎等都是按照一定的规则设计制造的赛车 ，其准确性及复杂程度如同一个 数学方程式 ，故称为方程式赛车。大学生方程式赛车是一种由大学生自己 设计制造，并在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲 赛车。 设计要求：针对赛车整车总布置、造型、车架、人机工程、悬架、转 向、制动、动力传动和控制系统等设计、仿真分析与建模。 结构基本要求是： 开轮/开舱 使用排量不超过 610cc 的汽油机 安装内径 20mm 的进气限流阀 轴距不小于 1525mm（60 英寸） 轮辋不小于 8 英寸 必须能够同时抱死全部四个车轮 悬架行程不小于 50.8mm（2 英寸） 满足安全和结构强度要求 结构要点 1) 转向系统(包括方向盘、转向柱、转向拉杆等 ) 2) 悬架系统(包括弹簧、减振器、连杆等 ) 3) 车架和车身(包括车架结构、车身材料、成形过程以及装配焊接等) 4) 系统安全保障 (包括燃油系统、防火材料、驾驶员保护装置等 ) 江苏科技大学毕业设计（论文） iv 二、二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等） 1）完成电路系统的图纸设计； 2）设计说明书不少于 12000 字； 3）翻译英文不少于 3000 字； 4）小论文一篇（不少于 3500 字） 。 三、三、完成日期及进度 自 2011 年 3 月 1 日起至 2011 年 6 月 5 日止 进度安排： 3.13.10， 搜集资料 3.113.31 完成英文翻译，写综合报告 4.14.15 开题报告 4.164.30 方案论证，总体设计 5.45.22 详细设计 5.225.28 设计说明书 5.286.4 审查、修改、必须提交论文。 6.5 答辩 四、同组设计者（若无则留空）： 房慧琪 江苏科技大学毕业设计（论文） v 五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）： 1 李志丰. fsae 赛车发动机进气系统改进设计及流场特性分析d. 湖南大学， 2010，(01) 2 林秉华. 最新汽车设计实用手册. 黑龙江：2005 年第一版 3 王建华. 电气工程师手册. 北京：机械工业出版社，2006 第三版 4 成大先. 机械设计手册（1-5 册）. 北京：化学工业出版社，2008 第五版 5 李理光. 大学生方程式汽车大赛赛事手册. 上海：上海交通大学出版社， 2010 年第一版 6 肖凡. 什么叫方程式赛车与世界大赛?j. 小型内燃机， 1991， (05) 7 杨建军. can 总线技术在汽车中的应用j. 上海汽车，2007（06） 8 谢正光，基于 can 总线的汽车虚拟仪表系统研究与设计d. 南京航空航 天大学，2008 年 9 http：// 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日 注：1、如页面不够可加附页 2、以上一五项由指导教师填写 江苏科技大学毕业设计（论文） vi 摘摘 要要 能源和环保是当今世界与汽车有关两大热点话题。fsae 赛车的发展趋势是动 力更好、操纵更方便、行驶更安全、结构轻量化、成本最小化，并且更重要的是节 能、环保，fsae 赛车的研制发展必然要适应这一发展方向。fsae 赛车也是一种典 型的机、电、液一体化产品。 电气控制系统是 fsae 赛车很重要的一个组成部分，同时也是整车系统中不可 缺少的一部分。其中包括电源，仪表，信号指示灯，点火系统等几个大的部分。一 个配合良好，工作正常，运行稳定的电路系统是使赛车正常运行的重要保障。所以 研究和制作一个简洁，实用，稳定的整车电器系统是很有必要的。汽车上的电控系 统主要有：电子燃油喷射系统（efi） 、电控点火装置(esa)、废气再循环控制(egr)、 怠速控制(isc)、制动防抱死系统（abs） 、防滑控制系统(asr)、电子控制悬架系统 (ass)、电子控制自动变速器(at)、电子助力转向(eps)、巡航控制系统(ccs)等。 fsae 赛车电控系统主要由传感器、电子控制中枢(ecu)、驱动器和控制程序软 件等组成，大体可以分为发动机电子控制系统、底盘综合控制系统、车身电子安全 系统，信息通讯系统四个部分。 随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用与发展，fsae 赛车电控技术往 提高控制精度、控制范围、智能化、网络化等方面发展。 fsae 赛车电控时代已经来临，并且随着微机、电子技术的不断完善以及材料 工业的蓬勃发展，再加上控制理论的不断完善成熟，电控系统的发展有望得到更大 的突破。 关键字：关键字：fsae 赛车；汽车电控系统；传感器 江苏科技大学毕业设计（论文） vii abstract energy and environmental protection are the two major world vehicle-related hot topics. fsae car better trend is the driving force, manipulation easier, safer driving, structural lightweight, cost minimization, and more importantly, energy saving, environmental protection, fsae car research development must adapt to this development. fsae car is a typical mechanical, electrical, fluid integration products. fsae car electrical control system is a very important part of the vehicle is also an integral part of the system. including power, instrumentation, signal lights, ignition system, and several other major parts. one with the good working and stable operation of the circuit system is important to guarantee the normal operation of the car. therefore, research and produce a simple， practical and stable vehicle electrical system is necessary. electronic control system on the car are: electronic fuel injection system (efi), electric ignition device (esa)， control of exhaust gas recirculation (egr), idle speed control (isc), anti-lock braking system (abs), anti- slip control system (asr), electronic control suspension system (ass), electronically controlled automatic transmission (at), electronic power steering (eps), cruise control system (ccs) and so on. fsae car electronic control system consists of sensors, electronic control center (ecu)， software drivers and control procedures etc. can be roughly divided into the engine electronic control systems, integrated chassis control systems, body electronics security systems， information and communication systems of four parts. as electronic technology, computer technology and information technology application and development, fsae car electronic control technology to improve control accuracy, control， intelligence, networking and other aspects of development. fsae car electronic control time has come, and with the computer and electronic technology continues to improve, and the rapid development of industrial materials, coupled with the maturity of control theory of continuous improvement, the development of electronic control system is expected to be a bigger breakthrough. key words: fsae car; electronic control condition; electronic control further 江苏科技大学毕业设计（论文） viii 目录目录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 引言1 1.2 研究的内容、意义及现状2 1.3 控制系统的发展过程及方向3 第二章第二章 电控系统方案拟定电控系统方案拟定5 2. 1 fsae 电控系统功能及工作过程.5 2.2 fsae 电控系统方案确定6 2.3 fsae 方程赛车电控系统框架设计9 2.3.1 fsae 赛车主要电器部件布置匹配设计.9 2.3.2 电控系统框图设计.11 第三章第三章 fsae 赛车数字仪表电路设计赛车数字仪表电路设计12 3.1 硬件电路框架设计12 3.1.1 单片机选型.12 3.1.2 仪表硬件电路原理.12 3.2 仪表硬件主要模块化设计与实现13 3.2.1 车速传感器及信号处理电路13 3.2.2 油量传感器及信号处理电路14 3.2.3 led 显示电路设计.14 3.2.4 电源电路设计14 3.2.5 车速、转速表控制系统流程15 3.3 fsae 赛车仪表测量原理与软件设计16 3.3.1 转速测量原理16 3.3.2 误差分析.16 3.3.3 车速测量原理.17 3.3.4 车速误差分析.17 3.3.5 软件算法17 3.4 fsae 赛车仪表电控原理图18 第四章第四章 fsae 赛车刹车防抱制动系统电控设计赛车刹车防抱制动系统电控设计19 4.1 刹车防抱制动系统（abs）概述19 4.1.1 abs 基本原理.19 4.1.2 abs 的功用.20 4.1.3 abs 组成.20 4.2 fsae 赛车 abs 电控系统设计22 4.2.1 fsae 赛车 abs 系统框架设计.22 江苏科技大学毕业设计（论文） ix 4.2.2 fsae 赛车 abs 电控系统设计.22 4.3 汽车车辆仿真模块25 4.3.1 车轮受力仿真模块.25 4.3.2 液压制动系统的仿真模块.25 4.3.3 滑移率计算仿真模块.26 4.3.4 1/4 车辆仿真模块26 4.4 基于 pid 控制的 abs 系统仿真分析 .27 4.4.1 pid 控制方式 27 4.4.2 pid 调节器参数的整定 .29 4.4.3 pid 控制算法仿真 29 第五章第五章 发动机电控设计发动机电控设计.32 5.1 发动机简介32 5.2 发动机电控系统设计33 5.2.1 电控系统组成33 5.2.2 传感器与主控芯片的选型.33 5.2.3 电控系统原理图设计38 5.2.4 发动机电控系统的关键代码的编写38 总总 结结.41 致致 谢谢.42 参考文献参考文献43 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 formula sae（简称 fsae） ，是由各国 sae，即汽车工程师协会举办的面向 在读或毕业 7 个月以内的本科生或研究生举办的一项学生 方程式赛车 比赛，要 求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够 稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981 年创 办以来，fsae 已发展成为每年由 7 个国家举办的 9 场赛事所组成，并有数百支 来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。 sae 方程式（formula sae）系列赛源于 1978 年。第一次比赛于 1979 年 在美国波斯顿举行， 13 支队伍中有 11 支完赛。当时的规则是制作一台 5 马力 的木制赛车。 sae 方程式（formula sae）系列赛将挑战本科生、研究生团队构 思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹 性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通 常用 8 至 12 个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的 大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。 为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他 们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销 售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现 出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素， 该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车， 并要求原型车实际耗资应低于 2.5 万美元（该规则 09 年已经取消） 。设计小组 受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较 和评判的内容。 电气控制系统是fsae赛车很重要的一个组成部分。也是整车系统中不可缺少的 一部分。其中包括电源，仪表，信号指示灯，点火系统等几个大的部分。一个配合 良好，工作正常，运行稳定的电路系统是使赛车正常运行的重要保障。所以研究和 制作一个简洁，实用，稳定的整车电器系统是很有必要的。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 2 1.2 研究的内容、意义研究的内容、意义及现状及现状 （1）研究的内容 方程赛车电控系统是一个非常复杂的控制系统，包括发动机电控系统，数字仪 表控制系统和紧急控制系统三部分。其中发动机电控系统又包涵起动系统、点火系 统和燃油喷射系统。每一个部分都是用一块单片机控制的结构模块。最后基于 can 总线将各个模块连接组成一个整体电路图。每一个模块又是基于传感器，单片机和 执行电路的选择和连接。 （2）研究的意义 作为一次简单的方程式比赛，中国汽车工程协会给予每个参赛学校的要求还是 不低的。将本届大学生方程式大赛定义为由各个大学车队的本科生和研究生构想、 设计、制造一辆小型方程式赛车，赛车应在加速、刹车、操控性方面有优异表现并 且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目并参加比赛，项目的目标是 由学生构思、设计、制造一辆小型方程式赛车。通过该项目重点考察和培养参与学 生的只是水平、创造力和想象力。在这样一项具有非常意义的工程项目中，使参与 学生获得宝贵的实践经验，同时提供给他们一个专注于团队工作的机会，锻炼合作、 、沟通技巧，培养团队精神。项目通过自主设计与创新，找出自己在在设计过程中 存在的问题及其原因，以及各个因素所占比重，对这些因素进行优化处理，从而得 出提高的几个关键点等问题进行深入探讨，逐步培养自己分析、设计以及动手能力 的全面发展。 （3）研究现状 大学生方程赛车在国外研究已经基本处于成熟阶段，研究成果也相当的先进。 中国 fsae 项目起步较晚，目前国内有湖南大学、上海交通大学、同济大学、厦门 理工拥有车队和车辆，吉林大学、北京理工大学、清华大学和天津大学等在筹建中。 其中湖南大学于 2007 年 6 月和 2008 年 6 月，交通大学于今年 6 月分别参加美国加 利福尼亚站比赛。同济大学和厦门理工于 2008 年完成赛车的试制，同济大学也参加 了 2009 年的比赛。 fsae 项目是一个结合了理工科知识和实际加工以及项目管理的一个综合性比 赛项目，有别于以往其他单纯的竞速类项目。国外每个成熟的车队都要经过数年的 经验积累，方能比较成功完成比赛中的各个测试。我们和国外队相比，在资金、技 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 3 术支持、加工工艺、社会认可等方面还有很大距离。 “它山之石，可以攻玉”。日本第 一次举办 fsae 比赛，也只有 10 几只队伍参加，这些队伍都是来自日本国内，同样 在技术和规模上和美国以及欧洲有很大差距，但是经过联手 6 年的举办，已经发展 为国际赛事，队伍近 80 个。举办 fsae 中国大赛，虽然目前已经具备参赛实力的队 伍不多，但是相信经过若干年努力，国内从事 fsae 项目的学校将会越来越多，并 且随着组织方经验的积累，中国 fsae 也将能成功。同时 fsae 项目融合了各个学 科的知识，综合考察了学生的理论和实际操作能力，极大地拓宽了学生在汽车领域 的知识面，并提高了实际问题的解决能力。随着中国 fsae 深入发展，势必将提高 各个大学相关学生的技术和管理能力，提高大学综合实力，扩大影响力，为中国民 族汽车工业提供高素质人才。 1.3 控制系统的发展过程控制系统的发展过程及方向及方向 目前，我国自主开发的方程赛车电子产品正处于加速发展阶段。汽车发动机电 子控制系统的开发与应用已经逐渐从过去的院校和研究院的研发向以企业为主导并 以产业化为目标的局面发展。电子控制是当前利润最好的一块，其在赛车电子产业 中的产值和规模也是最大。所以，未来几年，来自国际知名品牌垄断企业的以及国 内大批厂商的涌进也是自主开发汽车电子产品目前所面临的现状。 总之，方程赛车发动机电子控制系统综合了机械、电子和计算机控制的集成技 术的开发与应用。任何某一环节的缺陷将导致整个系统的瘫痪。由于赛车是在告诉 移动，震动状态下运行，所有传感器、执行器、元器件以及外壳、接插线、线束等 都要求具备良好的抗震、耐高温、抗电磁干扰以及防渗等功能。由于国际半导体产 品市场相对开放的格局以及国内近几年不断加大力度开发半导体产业，开发赛车发 动机电子控制系统硬件平台比软件平台相对容易解决。目前，国内急需解决的关键 技术是有关赛车发动机电子控制系统核心技术，从而做到为不同发动机的批量配套。 发展我国具有自主知识产权的汽车电子产业，摆脱过于以来进口的状况具有重 大战略意义。汽车发动机电子控制系统是汽车电子产品的核心关键技术产品。根据 我国半导体工业发展相对之后的状况，利用国际半导体芯片产品市场充分开放的有 力条件，加大嵌入式软硬件平台产品、集成开发环境和应用系统的开发符合我国目 前汽车电子产业的发展战略。目前，实施汽车发动机电子控制系统产业化的市场需 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 4 求、技术手段、政策支持等条件已经成熟，抓住机遇，加大力度开发汽车电子的核 心技术，赶超国际水平，为发展我国自主的汽车工业做出贡献6。 同时中枢控制电脑不仅参与发动机的控制，还利用多路传输系统，各种 bus 线 与车身其它电子控制系统，如 ect、abs、trc共享信息运作，一机多用，使 整车的驾乘性能产生了质的提升。 由于赛车电控系统的自身优点，全球各主要汽车厂商分别对汽车电控系统进行了大 量的研究和试验，并将研制电控看作一项核心的技术优势，这也推动了汽车电子技 术持续向前发展。目前，方程赛车电控的研究方向及发展趋势主要体现如下： （1）电路优化设计，新材料的应用，使电路向高集成化发展，以实现更广泛的应用； （2）随着计算机的飞速发展使电控系统的控制更精准化、自动化和智能化； （3）随着汽车 can 总线发展，使得汽车的联合控制更容易得以实现， 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 5 第二章第二章 电控系统方案拟定电控系统方案拟定 2. 1 fsae 电控系统功能及工作过程电控系统功能及工作过程 fsae 电控系统中的电控单元(ecu)是电控系统的核心，安装在轿车右前轮罩后 板处，主要由微处理器，程序存储器，供电电源电路及各种接口电路组成。 当整车供电后，ecu 开始不断地定时检测备传感器及开关信号，并以此为依据， 计算出发动机各工况下的最佳供油量、最佳点火正时、最理想的怠速等。经输出驱 动电路完戚对喷油器、点火组件、怠速直流电动机和空调系统的控制。 ecu 还不断地对电控系统中各零部件的功能进行随时检测。一旦发现故障，立 即将故障源以代码的形式存储在 ecu 的指定单元中，并且根据故障的类型决定系统 是否进入“跛行”状态。与此同时，令“发动机故障警报灯”点亮，告诫驾驶员应尽快 维修。 简单地说就是一个指挥过程：“思考”、 “指挥”，最终“确认”。ecu 就是发动机控 制系统，engine control unit，这是 ecu 的全称，ecu 就是用来对发动机进行管理 的。这个小东西每辆车上都会有，并且不管你开是的奔驰、宝马或者飞度、qq 它 都是发动机上的重要部件。这东西没有好坏之分，不影响整个车的性能和价格。但 如果要改装的话特别是对于有涡轮的车来说，改装 ecu 便可提升 50%左右的性能。 对于如何改装 ecu 会在以后的文章里为大家详解。 在 1967 年之前，汽油机的供给系统是由化油器来供油的，这与今天的电喷发动 机原理完全不同，化油器利用节气门前后的压力差吸油，不仅无法精准地控制燃油 补给量，更制约了汽车动力性和环保性能的提升。 电喷系统的工作特性在于“定量、定时”喷射燃油，发动机需要多少燃油，在什 么时刻喷入，这与发动机的转速、空气流量等有着直接的关系，此外还牵涉到水温、 机油压力等各种各样的参数，这么多参数如何进行处理，并向喷射系统发出喷油指 令。这就需要发动机控制单元的介入了，ecu 应运而生。 简单地说，ecu 就像一台家用电脑，都是由处理器 cpu、输入/输出接口 i/o、 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 6 模数转换器 a/d、存储单元 rom+ram 组成。只是 ecu 的 cpu 无法像我们的电脑 一样达到高速处理，一台车用 ecu 主频仅需数 10khz 足矣，现在来说即使是再高 性能的 ecu 也无法达到家用电脑的处理速度。输入/输出接口 i/o 等同于电脑的显示 器、鼠标键盘，用来与处理器进行“沟通”，当然，这只是机器和机器之间的沟通， 普通车主很少有和 ecu 沟通的机会；模数转换器 a/d 是 ecu 工作的先决条件，将 接收到的传感信号转化成数据，这样才能在 ecu 中进行运算。 “侦察”交给 sensor（传感器）来完成，传感器负责对整个发动机进行“侦察”， 在一台发动机上，大大小小的传感器有数十个之多。节气门开度传感器、曲轴转速 传感器、氧传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气温度传感器、水温 传感器、爆震传感器是一台轿车发动机中最基本的传感器。传感器无处不在，他们 负责采集相关的信息，并以电信号的形式传入 ecu 中，通过模数转换器 a/d 变成 数字信号后，ecu 经过运算，判断出此时发动机的工作状态，这就是 ecu 的“思考” 过程。 电脑固然不会有思维，这需要的是 rom 存放的程序。这相当于一个软件，当 数据传入 ecu 时，rom 程序的故有数据与采集而来的信号进行对比运算，由此 ecu 得出调整方法。这一套程序是 ecu 的灵魂所在，这一程序的编写是建立在大 量的实验数据的基础上的，往往需要经过台架实验、道路试验才能建立起来。 当然，ecu 也不是一成不变的，ram 能够记录汽车行驶的数据，通常很多 ecu 都会有“学习”能力，ecu 能从 ram 记录的数据中不断地学习驾驶者的驾驶风 格，从而更加人性化。当然，一旦出现故障，也可以从 ram 上读取到信息，从而 为维修做出支持。 完成“思考”之后，ecu 下一步需要做的就是“指挥”。受到 ecu 控制的是喷油器， 负责调整喷油量和喷油时刻，同时汽油泵负责向其供油；点火控制器与点火线圈如 何进行点火等等都受到 ecu 的控制。而在此之后，ecu 需要再次接收数据以确认 一个闭环控制的结束。 2.2 fsae 电控系统方案确定电控系统方案确定 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（microcontroller unit） ， 常用英文字母的缩写 mcu 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由 芯片内仅有 cpu 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 7 cpu 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严 格的控制设备当中。intel 的 z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后， 单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 电子技术的发展为 fsae 方程赛车电子化提供了良好条件，国外汽车广泛采用 的计算机控制装置和电子设备已成为批量极大的机电一体化产品，如点火控制、制 动防滑控制、汽油分配及车内空调、音像及门窗控制等。这些装置和系统的采用， 使汽车的行驶安全性、可靠性和舒适性有很大提高，节约了燃料，降低了对环境的 污染，改进和提高了汽车的性能。这些系统的广泛使用，在很大程度上得益于性能 优良的微处理器的发展， 汽车上的计算机控制系统基本上采用的都是单片机。 计算机由运算器、控制器、存储器、输人设备以及输出设备五部分组成。早期 的计算机因为体积庞大，价格昂贵，很少能在汽车上应用，采用大规模集成电路的 单片机把计算机的五个组成部分集成在一个芯片之内， 它体积小、价格低、性能高， 因此在仪器仪表、化工石油、航空航天领域得到了广泛的应用。一辆国外先进轿车 就使用几十个单片机。 （1）fsae 方程赛车单片机控制系统的组成及特点 单片机控制系统中除了单片机这个系统核心，尚需要前向通道、后向通道及人 机接口等。有些系统包括所有全部，而有些只包含几部分，根据系统要求决定系统 规模。单片机是系统中枢，作出决策。前向通道是系统的信息输人端，将各种传感 器如水温、气压、位置开关、空气流量计、电池电压等有关参数和连续模拟信号经 过信号调理电路处理得到标准信号送人单片机。使单片机及时获取系统运行信息。 后向通道将微机计算或逻辑判断得到的控制量送给执行机构，使系统按预定的规律 运行。这些执行机构可能是阀门或电磁铁等。系统框图如 1 所示。系统运行过程中， 需要驾驶员设定一些参数，同时要求及时控制运行过程的一些状态，因此系统还要 有一些人机交互接口， 汽车单片机系统的人机交互不象电脑有键盘和显示器，一般 比较简单，输人设备为按钮或简单键盘，输出一般为指示灯、l e d 或数码与点阵 式液晶显示器。 fsae 方程赛车上使用的单片机一般为 4、8、16 位单片机。系统功能的实现除 了必要的硬件支撑， 还要设计软件。单片机软件开发一般需要借助专用开发工具， 每年单片机均有自己特定的指令系统，可以用汇编语言或 basic、c 等高级语言编 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 8 写。控制策略有很多如位式控制、p i d 控制、模糊控制、自适应预测预报控制等， 这些控制方案使得系统智能化程度越来越高。开发软件完成后， 用将程序固化在存 储器中或做掩膜。 （2）单片机测控系统在 fsae 方程赛车上的实现 目前 fsae 方程赛车上已广泛使用各种单片机控制以及报警检测系统， 涉及发 动机控制、安全防护及车内环境等很多方面。如电脑防盗安全报警系统、燃油喷射 系统、汽车导行定位系统、电子安全防滑系统及防抱死系统、电脑安全气囊系统、 电脑控制悬架系统、汽车电子地图、电子自动行驶系统、汽车自诊断系统、电子控 制自动变速器、声音警告系统、车门控制系统、旅行指导系统和微电脑空调 系统等。 单点式燃油喷射系统：系统组成如下： i / 0 板、cpu 板、a /d 转换器、8k rom 、2k eprom、256 k ram、ecu。输人信号有进气歧管绝对压力、气压力、 冷却水温、混合器温度、节流角度和电源电压等信号，经 a / d 转换后送入计算机， 最初的数字化输人信号包括分电器基准信号，点火开关、节流阀开关、空调离合器 电源开关等信号。输出信号有喷射阀驱动信号，点火正时控制信号，废气再循环控 制信号和怠速控制信号等。 汽车不仅仅应用单片机，还促进单片机技术的发展，izc 技术就是首先应用在 德国某型轿车，随后得到广泛应用。 （3）单片机在 fsae 方程赛车上应用存在的主要问题 系统都有自诊断功能，自诊断功能使维修容易，能够自动诊断出故障位置、故 障原因并给出代码。提高系统的可维修性。系统中使用的单片机多为专用单片机， 且程序掩膜，这样维修起来困难，只能借助专用开发工具。 单片机在汽车上应用主要问题： a.干扰 高压点火、继电器火花和电源干扰( 电压波动)等是汽车上电子系统的主要干扰 源。单片机一旦被干扰，会对系统的安全运行造成威胁。因此各种单片机系统在硬 件和软件设计初期应重视和实施抗干扰设计。设计时必须权衡分配硬件和软件抗干 扰分工，且在系统发生干扰引起系统故障时能带故障按安全参数运行。 b.温度 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 9 fsae 方程赛车在外面行驶和存放，电子系统工作环境恶劣，夏季当气温达到 3 5 时， 路面达 70，车内温度也会很高，电子元件工作受温度影响很大，超过设 定温度时很容易失效，造成系统故障。 c .振动 fsae 方程赛车上的电器设备必须经受得住强烈的振动，结构和工艺要保证这 一要求。减少接插件造成的维修不便。 （4）今后的发展趋势 我国单片机在 fsae 方程赛车电子设备上的应用研究起步较晚，技术落后。我 国从 80 年代引进单片机，主流系列为英特尔公司 51 系列，在我国应用较为成熟， 近年其他公司的性能优良的单片机较多地引进，为单片机应用提供更好的条件。我 国汽车专用微电脑较少，清华大学曾用 mc68hcos 单片机进行汽车安全气囊控制 系统开发研究。一般开发汽车电子产品选用单片机。但我国经过 20 年的单片机引 进、消化和开发，已积累了一定的技术，培养了很多人才，单片机技术引起了各个 行业的重视。在不久的将来，我国汽车行业将研制出更多、更先进可靠的单片机应 用系统。 根据上述的介绍，单片机控制系统具有多重优点，因此本设计的 fsae 方程赛 车电控系统定位基于单片机控制的系统。 2.3 fsae 方程赛车电控系统框架设计方程赛车电控系统框架设计 2.3.1 fsae 赛车主要电器部件布置匹配设计赛车主要电器部件布置匹配设计 （1）蓄电池的安装位置设计 fsae 赛车蓄电池的安装应考虑重量平衡问题，与发电机、起动机的接线尽可 能短, 并远离热源。 （2）发动机 ecu 发动机电子控制单元(ecu - electronic control unit) 是赛车电气系统的核心，其 工作电压范围一般在 61516 v (内部有稳压装置) 、工作电流 01015011 a、工作 温度-40+ 80 ，能承受 1000 hz 以下的振动。ecu 安置有以下几个方面要求：通 风情况良好，避免积灰现象；远离热源；选择相对较高并且干燥防水的位置；便于 安装与接线。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 10 由于此辆 fsae 赛车改换了原有发动机系统中的进排气两个子系统，相应工况 随之改变，针对原有发动机 ecu 软件及控制接口无法更改设置等问题，只能对 ecu 外围电路、传感器进行改进调校，于是设计了一个辅助的 ecu，通过改变部分 传感器的信号，使之匹配改换后的进排气子系统，以期通过这种改变来调节喷油和 点火，提高赛车的加速性能。 （3）调压整流器 fsae 赛车上的电能是由蓄电池与发电机提供的，发电机内虽有整流器，但是 经整流后的直流电压仍然会随发动机的转速而波动，因此需通过电压调节器将发电 机输出的电压稳定在一定范围。 （4）起动继电器 发动机起动的过程为：按下赛车的起动按钮后，起动继电器吸合接通起动机电 源，吸合起动齿轮，起动机转动带动飞轮转动，起动发动机。起动继电器流过的电 流高达 200 a 以上，是一个较易损坏的电器件，安装时应尽可能靠近起动机和电。 （5）油泵继电器与喷油器 fsae 赛车的油泵继电器安装位置见图 2-1 电器布置总图，ecu 通过接收各个 传感器送来的信号来计算喷油量和喷油的时刻，以控制喷油器工作。油泵继电器也 是一个较易损坏的电器件。 刹刹车车灯灯开开关关 超超行行程程开开关关 点点火火开开关关 仪仪表表位位置置 熄熄火火开开关关 熔熔断断器器盒盒起起动动继继电电器器 刹刹车车灯灯位位置置 油油泵泵继继电电器器 ecu 电电压压调调节节器器 启启动动按按钮钮 图 2-1 电器布置总图 （6）刹车灯及开关 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 11 赛车刹车灯选用的是汽车上用的 led 高位刹车灯，这样可以更加美观和节能。 而刹车开关可选能自动回位的常开式开关，当踩下踏板时，开关电路才接通，刹车 灯亮。 （7）刹车超行程开关 fsae 赛车(2009 年)规则上要求装一个刹车超行程开关，具体要求如下： 1) 当刹车系统发生故障，比如制动泵漏油使制动踏板超过其有效行程时，此开 关必须使发动机停止运转(切断点火系统和电动燃油泵系统的所有电源)； 2) 此时即使松开制动踏板，上述部件的电源也不会恢复(此开关具自锁功能)， 且此开关的安装位置，必须使得驾驶员(在车上)不能重新启动它； 3) 此开关必须通过本身的某部件使其生效(实现应有的功能) ， 而不能通过可 编程的逻辑控制器件、发动机控制单元或类似的数字控制器来控制。 超行程开关安装后，若制动系统发生故障而超过有效行程，则开关被按下，发 动机熄火； 此时,即使松开制动踏板，发动机也不能重新启动。只有通过拆车身， 才可以使开关复位。 （8）电器安装布置总图 综上对各主要电器部件进行说明之后，结合它们的安装位置的要求和条件，最 后形成 fsae 赛车电气系统中各主要电器部件的安装布置图, 如图 2-1 所示。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 12 2.3.2 电控系统框图设计电控系统框图设计 ecu 空空气气流流量量计计 燃燃油油压压力力控控制制 燃燃油油泵泵控控制制 点点火火器器 怠怠速速控控制制阀阀 冷冷起起动动喷喷油油器器 喷喷油油器器 其其他他信信号号 空空挡挡起起动动开开关关 蓄蓄电电池池 efi主主继继电电器器 点点火火开开关关 车车速速传传感感器器 氧氧传传感感器器 爆爆震震传传感感器器 水水温温传传感感器器 进进气气温温度度传传感感器器 节节气气门门位位置置传传感感器器 凸凸轮轮轴轴位位置置传传感感器器 曲曲轴轴转转速速传传感感器器 故故障障防防护护 自自诊诊断断系系统统 egr控控制制 图 2-2 电控系统框图 系统工作过程：传感器接收来自赛车的不同工况下的信号，以模拟信号的形式 传给 cpu，经过模数转换器转换成电信号传到 cpu 模块给 cpu 分析处理并实时调 用存储器中存储的各种工况的 2 进制代码通过 i/o 输出端口传送给执行电路执行， 通过调节喷油器的喷油量和节气门开度等调整方程赛车的工作状态，达到最佳的工 况。 第三章第三章 fsae 赛车数字仪表赛车数字仪表电路设计电路设计 3.1 硬件电路框架设计硬件电路框架设计 3.1.1 单片机选型单片机选型 该赛车仪表选用 nec 公司的 upd78f0883 单片机，采用 0883 单片机的好处在 于简化的外部电路，省去了诸如外部存储芯片、外部看门狗、低电平复位等电路。 整个外部支持电路只有晶振电路、去耦电容和复位按钮，这样就使得电路板上的单 片机部分的电路十分简洁。但由于其集成度较高，封装仅为 10mm 方，其上有 44 个 引脚，焊接有一定难度；同时软件设置上的复杂度变高，需要花费更大精力去解决。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 13 3.1.2 仪表硬件电路原理仪表硬件电路原理 数字化汽车仪表硬件电路设计主要包括主控模块、传感器及信号处理模块、显 示模块、电源模块、报警模块和复位电路等的设计，系统硬件组成原理如图 3-1 所 示。车速传感器输出的脉冲信号经过前置脉冲处理电路滤波、放大、隔离、整形后 成为标 准的方波信号，送入单片机完成速度、里程的运算；燃油液位传感器输出的模拟信 号经过前置电压信号处理电路转换，然后送 upd78f0883 的内部 a/d 转换器，再由 upd78f0883 将测量结果送 led 显示模块实现数字化显示。 车车速速传传感感器器 报报警警提提示示 led显显示示 upd78f0883 单单片片机机 电电源源模模块块 信信号号处处理理 信信号号处处理理 信信号号处处理理 信信号号处处理理 水水温温传传感感器器 油油量量传传感感器器 转转速速传传感感器器 复复位位电电路路 图 3-1 仪表硬件组成框图 3.2 仪表硬件主要模块化设计与实现仪表硬件主要模块化设计与实现 3.2.1 车速传感器及信号处理电路车速传感器及信号处理电路 目前应用在汽车上的车速传感器主要有磁电式转速传感器、光电式转速传感器 以及霍尔式转速传感器等。其中磁电式传感器结构简单，抗干扰能力强，在汽车发 动机转速的检测中有很多应用,但由于它为自发电性，在低速时输出信号很微弱，在 速度接近零时无法使用。光电式传感器分辨率高，但易受外界的影响，灰尘、振动 等干扰很容易使其失效。而霍尔式转速传感器具有分辨率很高,能保证在低速时都有 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 14 很强的信号。所以，选择有良好的低速性能和抗干扰能力的霍尔式传感器较为理想。 由霍尔传感器的输出特性可知，车速信号是一占空比不变，频率与车速成正比的脉 冲信号。但传感器输出信号不是标准方波信号，往往存在诸多干扰。前置信号处理 电路的作用就是去除其中的干扰信号，并把信号整形为标准的方波,再输入给单片机。 车速信号前置电路如图 3-2 所示， r5、c6 构成微分电路,改善输入波形，使脉冲上 升沿更陡。三极管 q1 工作在开关状态,完成信号的放大驱动,与电阻 r7、r8、光耦 u10 构成光电隔离电路,以提高抗干扰能力。稳压二极管 d3 对脉冲输入信号起到限 幅作用，以保护三极管 q1 的发射结不致正反向电压击穿。由车速前置处理电路出 来的信号为标准的方波脉冲,通过 89c51 单片机的 t0 断口进行计数，同时通过 t1 端口进行计时，通过计算 1s 内的脉冲数，来计算出速度和里程。 c6 r5 27k d3 r6 100k gnd gnd gnd +5v r7 10k r8 10k 2n3904 u17a 1 2out sn74ls14 vcc output gnd u13 霍霍尔尔车车速速 传传感感器器 in 图 3-2 车速前置电路 3.2.2 油量传感器及信号处理电路油量传感器及信号处理电路 与车速不同,对于油量来说，驾驶者一般都只想知道大致的量，其对传感器的要 求也无须太高。所以选择模拟量输出型的燃油液位浮子式传感器。油量信号相对来 讲变化速度比较慢，但难免会有各种干扰窜入，在本设计中采用如图 3-3 前置信号 处理电路，当液面稳定时，传感器输出电压稳定，r4、c5 构成一个一阶惯性滤波单 元，其阻尼系数很大，主要为了消除汽车行驶时的颠簸对液面的影响。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 15 v vc cc c o ou ut tp pu ut t g gn nd d 燃燃油油传传感感器器 + +5 5v v g gn nd d g gn nd d r r4 4 2 27 7k kc c5 5 d d2 2 l lm m3 32 24 4b b o ou ut t5 5 6 6 7 7 图 3-3 油量前置信号处理电路 3.2.3 led 显示电路设计显示电路设计 由于汽车经常会在野外,或在比较苛刻的条件下运行，因而要求汽车所用的电子 显示器件应具有很高的可靠性，一般情况下采用发光二极管（led） 、真空荧光显示 （vfd）和液晶显示（lcd） ，它们的性能及显示效果都很好，而 led 显示器具有 耗电量小、显示容量大、亮度大、抗震性能也比较强，led 显示器也无辐射、无污 染,符合现代社会的要求。显然选择 led 显示器作为汽车的显示较为理想。 3.2.4 电源电路设计电源电路设计 任何电子设备，其供电品质好坏直接影响了电子设备工作性能，汽车仪表也不 例外。汽车上的电气设备多，种类复杂，开关频繁，对电路系统的干扰表现为欠压 和过压两种情况。欠压主要是由于蓄电池存电量不足或低温长时间未启动时引起的； 而过压产生原因比较复杂，可分为瞬