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汽车节能装置控制系统硬件设计摘要 本文以节约能源为切入点，针对城市公交车频繁刹车的特点，设计了一种节能控制装置，通过该装置把汽车刹车时由原来通过摩擦片产生阻力停车，改为带动空气压缩机工作，把汽车行驶时的动能转化为高压气能，利用能量的转换使汽车停下来。在汽车启动时，利用储存起来的高压气能带动汽车行走，从而达到节约能源的目的。该节能装置主要以运用以ARM为主芯片的最小系统，以空气为动力，在刹车启动时进行控制空气的压缩与释放，进而将能量进行转化并储存。本文介绍了节能装置的组成与工作原理，以及国内外发展动向。关键词：节能装置；ARM；工作原理1 引言众所周知，我国是个人口大国，因此旅客的运送在交通运输中占据重要的位置。而在城乡的交通系统中，公交车仍承担着主要的运送旅客任务,然而现有的公交车技术相对其它汽车来说比较落后，而且能耗高，噪音大，如何在现有公交车系统上增加一些装置来提高能源的利用率，是各大汽车生产厂家热衷研究的问题1。本课题正是从节能的角发出发，通过给公交车增加节能控制装置，来提高汽车能源的利用率。城市的公交车运输中，由于公交车经常停靠各个车站，在到站时，汽车必须减速，通常汽车减速是通过刹车来实现的2。当汽车进行紧急制动时，驾驶员踩下制动踏板，此时汽车的动能主要是通过制动机构的摩擦，最终转换为热能损耗掉。本课题正是基于这种现实问题提出的，即如何把这部分能量通过压缩的方式变为高压势能储存起来，在汽车启动时利用储存起来的能量驱动汽车行走。这样可以使能源再生利用，从而达到了节能目的。2 系统组成与工作过程简介2.1 节能装置控制系统组成本系统主要是由三部分组成，即检测部分，控制部分和执行机构。检测部分是包括踏板位置传感器、曲轴位置传感器、压缩机活塞位置传感器、汽车运行速度传感器、储气罐压力传感器等信号的检测3。执行机构主要包括双向可控电磁阀和电磁离合器。控制部分主要是由ARM微处理器组成的控制系统以及一些外围电路构成4 5。该装置的作用就是将刹车时本应由摩擦来消耗掉的汽车动能，改为由气体的势能来消耗，在启动时，利用刹车时储气罐内储存的高压气体势能来驱动汽车行走，当车速到达一定值时，切换到由汽车发动机驱动的模式6。在描述该装置的其体工作过程之前，先来简单介绍一下该装置的主要结构。该装置的结构示意图如图1.1所示。其主要由电磁离合器、压缩机和储气罐三部分缝成，其中DCL-A为电磁离合器，DCF-A为压缩机吸气阀，DCF-B为储气罐进气阀，DCF-C为储气罐出气阀，ZYF-A、ZYF-B及ZYF-C为储气罐内部的三个自由阀。DCF表示可控的电磁阀，它在没有加电的情况下仍是自由阀：ZYF表示自由阀。该装置的储气罐被分成4个部分，目的是为了储气和放气过程中罐内压力的变化梯度尽量小些，由ZYF-A，ZYF-B和ZYF-C控制，只有在较小的压差下才能打开，这样就很好的解决了单罐储气和供气带来的罐内压力变化过大的问题，从而使刹车及启动过程的动作尽量平缓，减少了因加速和减速给乘客带来的不舒适感。 图11节能装置结构示意图2.2 工作简介 当接收到刹车信号时，在正式进入到刹车状态前，首先应检测储气罐内的压力情况，如果压力未超出所设定的压力的上限，则可以进行压缩制动，进入压缩制动控制程序如果气罐内的压力已接近或超出设定的上限值，则不进入压缩制动，由常规摩擦片进行制动。在进入压缩制动之后，首先应该对系统进行刹车初始化。实际上，刹车过程就相当于一个普通压缩机的工作过程，所以应该将DCF-A，DCF-B断电，使之工作在自由阀状态，DCF-C在刹车过程中始终应该通电吸合，以防止高压气体从输出端进入。待完成以上初始化工作后，DCL-A电磁离合器才通电吸合，进入到刹车状态。刹车过程中控制系统将一直监视是否有启动信号，并监视储气罐内压强值是否超过储气罐的储气压强上限。如有启动信号则转入到启动方式，如超过压强上限则系统报警，同时转入到常规的刹车方式。工作状态一切正常时，当压缩机中的活塞运动到上止点附近，DCF-B在内外压差的作用下打开，储气罐被压进高压气体并储存起来。活塞运动到回程阶段时，压差不足打开DCF-B，此时DCF-B闭合。活塞运动到一定位置后腔内产生负压，DCF-A打开，气体重新充满腔内，压缩机继续重复压缩过程。当系统通过速度传感器检测到汽车的速度接近为零时，DCL-A断电以释放电磁离合器，而DCF-A此时要通电，其原因是：当活塞处于压缩阶段时，可以通过控制排气阀打开使活塞尽量靠近上止点：当活塞处于回程阶段时，可以减少腔内负压以利于下次启动。3 硬件设计根据节能装置的控制要求，在进行系统设计时，首先应对系统的总体做一个整体规划，包括芯片的选择，功能模块的划分，以及为配合硬件所选用的软件等。只有在系统的总体方案确定之后，才能对具体的电路进行设计7。3.1 总体设计由于该节能装置需检测的模拟量较多，如储气罐内的压力、制动踏板的位置、车速、活塞运行位置和油门踏板位置等数据，而且有些是需实时监控的，如储气罐内的压力等，需要使用多任务执行方可实现，而普通单片机无法满足这一要求。因此需根据实际情况，选用合适的处理器芯片，加上各融数据和程序存储芯片构成最小系统。同时，增加数据采集、显示、通信接口、控制执行单元和电源管理模块等，来组成一个完整的控制系统。由于目前汽车应用CAN现场总线8比较广泛，因此，为了与汽车的控制系统连接的方便，还增加了CAN总线接口10，由此构成了整个硬件系统。3.2 硬件电路设计按照汽车节能装置控制系统的要求，考虑到成本因紊，将系统分为以下几大模块，即主控制模块，数据采集单元，控制执行单元，通信接口单元，数据显示模块和电源管理模块等9。主控制模块11主要是由主处理器芯片和存储芯片来构成。主控模块设计主要根据系统的实际要求选择处理器芯片，并且根据数据量的大小、运行软件的大小、数据的存继方式来确定存储器芯片，构建出这些芯片构建最小系统12。在主控制模块中，主要的器件就是微处理器。数据采集单元的作用就是对需要的模拟信号进行采集、处理后送到处理器进行处理。在该单元中，核心是对模拟信号的调理。由于系统要采集到汽车的储气罐内的压力数据、制动踏板的位置数据、车速、离合器切合位置和油门踏板位置等数据，因此需要多路数据采集通道。各通道的数据必须完成信号的调理后，才能送到处理器进行处理。控制执行单元的功能主要是接收处理器发出的数字量，经过隔离及驱动后，送到执行机构如电磁阀、继电器、离合器等来使行相应的动作13。在系统设计中，考虑到数据传送、下载以及调试的方便，增加了串行通信RS-232C接口14。另外，考虑到系统升级的方便，以及为了与现在流行的汽车总线接口的方便，增加了CAN现场总线的接口。4 研究动向在国外，与此相关的一些研究压缩空气汽车已经研制出来。它最初是由法国公司MDI(Moteur Development International)的工程师Guy Negre耗时6年研制出的新式汽车。该车是通过压缩空气来推动汽车的，它可以说是汽车代用燃料技术的一个重大突破。在国内，浙江大学流体传动以及控制国家重点实验室研究的气动汽车项目于2002年改装一辆面包车为气动汽车，并且日前已取得重要进展，以压缩空气为动力的发动机原理性试验已经完成，目前距生产出首辆气动汽车尚有一定距离。因此，从原理性来说，本课题的节能装置所使用的原理、方法已经得到了证明，是切实可行的，而且课题的研究对于我国的能源的节约利用其有深远的意义。参考文献1吴基安著汽车电子控制技术自学读本M北京：金盾出版社，200442徐达等编著现代汽车电子装置及控制技术M北京：人民交通出版社，199805 3寇国瑗等编汽车电器与电子控制系统M人民交通出版社，1999034周立功等编著ARM嵌入式系统基础教程M北京：北京航空航天大学出版社，2005 5李驹光编著ARM应用系统开发详解：基于S3C4510B的系统设计M北京：清华大学出版社，2004 6慕春棣主编嵌入式系统的构建M北京：清华大学出版社，20047许海燕，付炎主编嵌入式系统技术与应用M北京：机械工业出版社，2002 8史久根，张培仁等编CAN现场总线系统设计技术M北京：国防工业出版社，20049马忠梅等编著ARM嵌入式处理器结构与应用基础M北京：北京航空航天大学出版社，200210 李朝青著单片机原理及接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，200111John Catsoulis(美)著徐君明，许铁军等译嵌入式硬件设计M北京：中国电力出版社，200412Stephen HHallHighSpeed Digital System DesignA Handbook of Interconnect Theory and Design PracticesM John WileySo