（交通信息工程及控制专业论文）轮式路面摩擦系数测量仪的研制.pdf

摘要 路面摩擦系数是一项重要的技术参数。它不仅决定着道路的通行能力，而且还直接 影响着交通安全。随着我国公路交通的迅猛发展，现有的路面摩擦系数测量设备测试速 度慢，效率低，在测试过程中还需要中断交通。本文根据社会需要，结合实际科研课题， 研究设计出了一种新型路面摩擦系数测量设备。 本文简要介绍了国内外路面的常用检测方法，分析了路面摩擦系数与滑移率的关 系，推导出路面摩擦系数和地面摩擦力之间的关系。在此基础上，确定了路面摩擦系数 测量仪的结构，提出通过采集轮速信号，计算实时滑移率并将其控制在目标区域内计算 路面摩擦系数的技术方法，并确定了系统设计方案。 硬件设计选用s t c 8 9 c 5 2 为控制器。完成了系统电子控制单元硬件电路图的设计和 p c b 板的制作。包括单片机最小系统电路、模数转换电路、轮速信号调理电路、开关量 输出电路、串行通信电路和电源电路等6 个模块。 在硬件基础上完成了测量仪软件部分的软件设计。包括上位机应用软件和下位机单 片机控制软件。上位机程序采用v c + + 6 o 编写，主要完成参数设置、数据接收和显示、 报表统计打印等功能。下位机程序采用c 5 1 来编写，主要完成信号采集、数据计算和发 送等功能。 整个系统完成调试后，对系统进行了功能测试。测试结果表明该测量仪能在j 下常交 通流中检测，而且操作简单、检测速度快、效率高、数据准确。完成了既定的开发任务， 实现了所有的预定功能。 关键词：测量仪，路面摩擦系数，滑移率，硬件设计，软件设计 a b s t r a c t t h e 衔c t i o nc o e m c i e n to fp a v e m e n ti sa ni m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r i td o e sn o to n l y d e c i d et h er o a dt r a f f i cc a p a c i t y ，b u ta l s oa f - f e c t st h et r a m cs a f e t y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o ft h er o a dt r a n s p o r t a t i o n ，t h ec u l l r e n te q u i p m e n to ff r i c t i o nc o e 伍c i e n to fp a v e m e n t sw o r k so n t h ec o n d i t i o no fb r e a k i n go f r t h et r a 硒ca n di t 、v o r k ss l o w l yw i t hl o we m c i e n c y a c c o r d i n gt o t h en e e d so fs o c i e t ya n ds u p p o r t i n go nt h ep r a c t i c a lt e s t an e we q u i p m e n to f t h e 衔c t i o n c o e f n c i e n to fp a v e m e n t 、a sd e v e l o p e d t h ec o m m o nm e t h o d so ft h em c t i o nc o e m c i e n to fp a v e m e n ta r ei n t r o d u c e db r i e n yi n t h ep 印e r s a n di ta n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nt h es l i pr a t i oa n dt h e 衔c t i o nc o e 伍c i e n t o fp a v e m e n t i na d d i t i o n ，i td e d u c e st h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nm e 衔c t i o nc o e 币c i e n to f p a v e m e n ta n dt h e 丘i c t i o nf r i c eo ft h er o a d o nt h eb a s i s ，i ta l s c e r t a i n st h es t m c t u r eo ft h e e q u i p m e n to ft h e 衔c t i o nc o e m c i e n to fp a v e m e n ta n dp r o p e l sam e t h o db yc o l l e c t i n g t h e 、h e e ls i g i l a la sw e na sc a l c u l a t i n gt h er e a l t i m es l i pu n d e rt h ec o n t r o lo ft h es l i pr a t eo ft a 唱e t a r e a f i n a l l yt h ed e s i g np r o p o s a lo ft h es y s t e m 、张sp r o v i d e d i i lt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ec i r c u i td i a g r a ma n dp r i n t e dc i r c u i tb o a 订o ft h es y s t e m s e l e c t m n i cc o n t r o lu n i t 、v e r ec o m p l e t e db ys e l e c t i o no fm es t c 8 9 c 5 2a sm i c r o p m c e s s o ro f t h es y s t e m i tc o n s i s t so fs i xm o d u l e s ：t h em c um i n i m 啪s y s t e m ，t h ea dc o n v e r s i o nc i r c u i t ， t h ew h e e l - s i g n a lm o d u l a t ec i r c u i t ，s w i t c ho u t p u tc i r c u i t ，s e r i a lc o m m u l l i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t a n dt h ep o w e rc i r c u i t o nm eb a s i so ft h eh a r d w a r ed e s i g n ，f i n i s h e st h es o r w a r ed e s i g no ft h es y s t e m s s o r w a r e ，i n c l u d i n gt h em c uc o n t r o lp r o g r a mo ft h es l a v e - c o m p u t e r a n dt h e 印p l i c a t i o n p r o g r a mo ft h eh o s t - c o m p u t e r t h es l a v e c o m p u t e r ss o r w a r eu s e sc 5 la s s e m b l yl a n g u a g e a u l di t sa c t i o ni sp a r 锄e t e rs e t t i n g ，d a t ar e c e i v i n ga n dd i s p l a y i n ga n dr e p o r tp r i n t i n g t h e h o s t c o m p u t e r ss o r w a r eu s e sv c + + a s s e m b l yl a n g u a g ea n di t sa c t i o ni ss i g i l a lp i c k i n g - u p ， d a t ac a l c u l a t i n ga n dt r a n s p o r t i n g t h ep a p e ra l s ot e s t st h ef - u n c t i o n a lo ft h es y s t e ma r e rd e b u g g i n gt h ew h o l es y s t e m t h e t e s t i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mc a nw o r ki nt h en o r n l a lt r a m cn o w a n di ti se a s yt o o p e r a t ew i t hh i 曲e m c i e n c ya n da c c u r a t em e a s u r e dd a t a s o ，c o m p l e t e st h ed e v e l o p m e n tt a s k a n dr e a l i z e sa l lp r e a l l r a n g e d 如n c t i o ns u c c e s s 向l l y k e yw o r d s ： m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，衔c t i o nc o e 币c i e n to fp a v e m e n t ， s l i pr a t i o ， h a r d w a r ed e s i g n ，s o r w a r ed e s i g n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：余冬午 湖7 年易月歹日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孕寿铲 导师签名： 劲们年5 艮5 日 硼年占月f 日 长安人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 随着我国经济和公路交通的迅猛发展，我国公路上的汽车数量猛增，但随之而来的 还有频增的交通事故的发生，而从相关的交通事故分析中可知，事故大部分与路面滑溜 有关【1 1 。 在干燥清洁的路面上，由于车轮轮胎与路面接触良好，路表面即使磨光严重，仍有 足够的抗滑能力。但是，在雨雪天气状况下，路表面处于潮湿状态，磨光的路表面与轮 胎之间容易产生水膜。由于水膜的润滑作用，引起水动力效应，使抗滑阻力显著下降， 容易产生车辆滑溜事故，引发交通事故。由此可见，路面抗滑性能直接关系着交通安全， 特别是高速公路。 对路面抗滑性能测定最初是根据物理摩擦力学的概念进行研究的，涉及车辆轮胎与 路面材料之间的摩擦力学作用和其他影响因素的分析。路表面抗滑能力是以摩擦系数表 征，随着车轮荷载的反复作用，路表面的抗滑能力因集料被磨光而逐渐下降。 在道路设计中，为了保证设计通行能力和交通安全，不但要对新建的道路测定其摩 擦系数，而且也要对已经建成的道路定期进行摩擦系数测试，以保障路面服务质量，保证 路面的安全系数。 我国目前在路面抗滑测试方面主要采用国产摆式仪，也有国外进口的刹车式和不完 全刹车式摩擦系数测量仪。国产摆式仪已经不能满足检测需要，进口的刹车式摩擦系数 测量仪不仅价格昂贵，而且维护起来十分不便。 本论文研究目的是深入研究路面摩擦系数测试原理的基础上，结合国内外路面摩擦 系数测量没备的特点，运用电子技术和计算机技术，研制出了一种新型的路面摩擦系数 测量设备。 1 2 路面抗滑性能检测的重要性 公路是国家经济建设和国防建设的基础设施，公路交通发达与否是衡量国民经济发 展水平的重要标志之一。改革开放2 0 多年来，我国公路行业发展十分迅速，公路的数 量不断增加，等级不断提高，车速也越来越快。这些都给人们生活带来便利，人们在享 受这一便利的同时，伴随着的交通事故发生的频率也成上升趋势，给国家和人们的生命 财产带来巨大损失。 诚然，引发交通事故的原因是多方面的。但路表抗滑性能差是其中一个重要原因。 第一章绪论 试想，如果我们能让高速行驶的车辆在极短的时间内停下来，而且能够避免侧向滑移， 将可以避免很多事故的发生或者降低事故的严重程度。从相关调查分析中发现，很多事 故多发路段，改善其路面抗滑性能后，交通事故便能大幅度的减少。因此，改善路面的 抗滑能力就是改善路这个因素的必要条件。 路面抗滑能力是通过检测路面摩擦系数来衡量的。路面抗滑能力是保汪公路行车安 全及维护必要的允许行车速度的一项重要指标，是反映路面设计、建筑材料、施工工艺、 养护等各项技术对路面抗滑能力影响的综合评价，而路面抗滑能力的检测是反映以上这 些综合技术的重要手段及专门技术。机动车的制动距离与路面摩擦系数的关系是【3 】： s ：旦( 1 1 ) 2 5 6 妒 式中，s 制动距离、v 一车速、妒一轮胎与地面的摩擦力。 通过式( 1 1 ) 可见：汽车以6 0 k n 讹的车速在妒= 0 6 和妒= o 3 的路面上制动，制动 距离相差2 3 米。足以可见，路面摩擦系数在公路行车中的重要性。目前，路面抗滑性 能的检测已经列入国家公路工程质量设计和检验的范畴。 1 3 国内外路面抗滑检测技术的研究与发展 在公路发展初期，人们对路面抗滑性能的研究并不够重视。国外路面抗滑测试技术 的研究始于2 0 世纪2 0 年代，比我国起步要早。世界道路会议在1 9 4 9 年设立了滑溜与 平整度技术委员会( 后来更名为表面特性技术委员会) 。二十世纪五十年代，道路研究 者开始将路面抗滑性能及其检测方法和它与路面安全行驶的关系列为路面表面特性研 究的重要内容。并于1 9 5 8 年和1 9 7 7 年召开了第一届和第二届防滑会议，以后又召开过 数届道路表面特征国际会议。回顾几十年的发展历史，国际上对路面抗滑技术测试的研 究可归纳为如下几个方面【2 】： ( 1 ) 对摩擦系数测试技术和摩擦机理的研究 最初的研究是从摩擦系数测试仪器的研制开始的。1 9 5 5 年由英国研制成功的摩擦系 数测定仪虽然在今天看来只是代表了汽车在较低速度下的摩擦系数、只能进行点测量等 缺点，但它在世界范围内得到了广泛的应用。 摩擦机理研究的另一个重要内容是对水漂现象的研究。水漂研究的内容涉及到降雨 特性( 降雨强度和降雨时间) 、汽车特性( 汽车重量、轮胎花纹等) 、路面特性( 宏观构 造、坡度、排水径流长度等) 以及轮胎与路面间的相互作用。 ( 2 ) 对滑溜事故以及抗滑标准的研究 2 长安大学硕士学位论文 对路面抗滑能力研究的目的是减少因滑溜而引起的交通事故，因此对事故与滑溜的 关系及相应路面防滑标准的研究一直是世界各国的一个研究热点。所有的这些研究都是 为了回答一个问题，即路面抗滑能力维持在一个什么水平上是安全的。 ( 3 ) 对抗滑表层修筑技术的研究 说到抗滑表层的修筑技术，处理采用抗磨光、耐磨耗的集料外，主要就是如何形成 合适宏观构造的问题。 以上这些研究为各国的公路工作者们提供了理论基础和实践标准。由于解决了测量 原理和测量手段这些基本问题，世界各国据此纷纷研制出很多路面摩擦系数的检测设备 和仪器，例如英国、法国、美国、德国、日本、瑞典、瑞士、丹麦、荷兰、西班牙、南 非等国都有自己制造的仪器。其中比较有影响的是英国的路面横向力测量系统 ( s c r i m ) ，瑞典的b v - 1 l 以及b v 系列滑溜测试仪。 而我国在这方面的研究比国外起步要晚，我国对于路面防滑技术的研究开始于2 0 世纪的7 0 年代，比国外整整晚了半个世纪。在这以前我国几乎没有路面摩擦系数的实 验和数据，后来采用刹车法进行试验，7 0 年代中期才有五轮仪。1 9 8 0 年，我国第一台 测定摩擦系数的仪器摆式摩擦系数测定仪问世了，之后又研制了能连续测量路面摩 擦系数的滑溜拖车，这使我国路面摩擦系数测试仪摆脱了点测量和效率低的缺点，提高 了测量效率。 随着国内科技工作者在这方面的研究的不断深入，以及随着计算机通讯技术、电子 技术、计算机技术和软件技术的发展，我国在路面抗滑测试技术的研究有以下发展趋势： 要将测试系统向智能化、稳定化、快速化、精准化和操作简单化方向发展，以适应路面 测试的需要。 1 4 本论文主要工作 本文介绍了基于滑移率控制的轮式摩擦系数测量仪的研制，其电子控制部分设计和 其对应的应用软件设计是整个系统的重点。论文具体内容包括如下几个方面： ( 1 ) 参考国内外相关文献，介绍国内外几种经典的路面摩擦系数测量方法，并阐述 本测量系统研制的理论依据。 ( 2 ) 分析路面摩擦系数测量仪工作原理和基本结构，确定路面摩擦系数测量仪的总 体设计方案。 ( 3 ) 完成了以s t c 8 9 c 5 2 为控制器的硬件电路的设计。包括单片机最小系统、开关 量输出电路、轮速信号调理电路、a d 转换电路、串行通信电路和电源部分等六个硬件 3 第一章绪论 电路模块。 ( 4 ) 在硬件电路的基础上，完成了采用v c + + 6 o 开发的上位机应用软件和用c 5 1 开发的下位机单片机控制程序的开发设计。 ( 5 ) 对系统软硬件进行调试以及对整个系统进行了试验性验证，得出试验测试结果。 ( 6 ) 对论文进行了简单的总结并对其下一步研究方向提出了一点建议。 4 长安大学硕士学位论文 第二章路面摩擦系数测量仪的理论依据 路面摩擦系数检测设备的研制一直是路面抗骨课题研究的重点，世界各国的路表性 能研究者和工作者都在致力于研究性能优良的检测设备。道路工作者已研制出了各种各 样的路面抗滑性能检测设各。 2 1 国内外路面摩擦系数测量方法 目前国内外采用的道路路面摩擦系数测量方法很多，但概括起来可分为制动距离 法、摆式仪法、旋转式仪法和测试车法四种。使用的设备有第五轮仪、摆式法、旋转式 仪和钡4 试车1 3 删。 1 制动距离法 这是汽车部门常采用的检测方法。以一定速度在潮湿的路面上行驶的4 轮小客车或 轻货车，当4 个车轮被制动时，根据汽车在均匀低速行驶条件下制动方程得出摩擦系数。 制动方程式为： ，= 卷2 池 由上式知，只要测出初始速度v 和停车距离s 就可以得出摩擦系数。由于测得的 值与车速有关，所以求出的值只能看作是制动开始至完全停车时速度范围的平均值。因 此它不能完全表明实验地点的路面滑溜性。这种方法的特点是测试方法简单，测试速度 快，但精度不高，而且在测试过程中必须中断交通。特别是在较高速度下进行连续性刹 车，在易滑路面上有一定的危险性。所以此法一般很少使用，仅仅作为辅助测定手段。 2 摆式仪法 摆式仪是由英国开发的。摆式仪是根据能量守恒原理研 ：二一 制的。摆式仪的摆锤底面装一橡胶滑块，当摆锤从一定高度 。 自由下摆时，滑块面同实验摆面接触。由于摆锤同实验面之 i 一 间的摩擦而产生制动，使摆锤不能回到原来的高度，只能回t 到一定高度。摩擦系数值由摆动的指针指定值来反映。 t 此法优点是原理简单，实验简便，在微糙纹理机构路面 上能反映出低速行驶( 1 0 k m m ) 时的实际摩擦系数。不仅可图2 1 摆式仪 以用于室内也可用于野外测试沥青路面及水泥混凝土路面。缺点是在用摆式仪进行路面 抗滑性测试，速度慢，效率低，从而不能对里程较长的公路进行全线测试，而只能选择 第二章路面摩擦系数测肇仪的理论依据 某些路段抽样调查，这使得测试结果表征路面抗滑性的具有一定的片面性。而且测试时 是定点测试，在测试过程中必须中断交通以保证工作人员的安全，影响了交通，也影响 了道路运营的经济效益，测试结果受人为因素影响大，检测速度慢，只适用于一般公路 不具备摩擦系数测试车时的抗滑性能检测。 3 旋转式仪法 旋转式仪是由苏联开发的。借助于电动机使接触面积约4c 肌2 的橡皮试块沿路面以 较高速度移动，同时测定其速度及相应的附着力。试块压力相当于车轮压力。优点是可 测定不同行车速度下的摩擦系数。缺点是测定路面纹理构造深度较大路面时，结果不准 确。这是因为橡皮试块只接触路面的某些凸出点。 4 测试车法 测试车有拖挂式和单体式。苏联、日本、英国相继丌发出自己的产品。由于结构复 杂，过去主要用于科研工作，现己被发达国家用于实际摩擦系数测量工作。通过在车辆 上增设测试轮以及相应设备，可以测量不同车速和不同车轮荷载下的摩擦系数。这是一 种可靠的摩擦系数测定方法。这种方法效率高，但价格十分昂贵。 随着高等公路的发展，特别是高速公路的建设，路面摩擦系数的采集方法不仅要有 高效率，也要顾及人员和设备的安全性。制动距离法的测试速度快，但是测试过程中需 要中断交通；传统的摆式仪采用定点测量，原理简单，操作简便，但是效率低，对里程 较长的高速公路进行抽样测试结果不能反映路面结构，并且测试过程中要中断交通也是 不现实的；旋转仪法测试则对路面纹理有一定的要求；测试车法能在正常的交通流中测 得数据，同时一些国际公路干线路网的抗滑性能评价都是以此法测得的数据作为评定标 准的。总的来说测试车法具有高效、便捷、安全和通用的优点。 2 2 路面摩擦系数测量仪理论依据 以上几种典型的摩擦系数测量设备的理论基础是轮胎和路面之间的摩擦产生的机 理。现简要分析一下轮胎与路面的摩擦理谢8 】【9 】。 2 2 1 轮胎一路面附着特性 汽车制动过程中会形成制动器制动力和地面制动力等摩擦力，其中真正使汽车减速 停止的外力是地面作用于汽车轮胎上的地面制动力。地面制动力取决于制动器制动的车 轮轮胎与地面间的摩擦力，而轮胎与地面问的最大摩擦力即为地面附着力，其大小等于 地面对轮胎的垂直反作用力与附着系数( 轮胎在不同路面的附着能力大小，相当于摩擦 6 长安大学硕士学位论文 系数) 的乘积【2 6 1 。 汽车制动时，当制动踏板力较小且未达到某一极限时，制动器摩擦力矩不大，地面 与轮胎问的摩擦力( 地面制动力) 足以克服制动器摩擦力力矩而使车轮滚动，此时地面 制动力的值与制动器制动力的值相等，且随制动踏板力的增长成正比的增长。当制动踏 板力上升到一个足够大的值时，地面制动力达到最大值，及达到地面附着力，汽车车轮 被抱死而发生滑溜现象，此时地面制动力不再增大，而制动器制动力可以随着制动踏板 力的增加而继续增大。由此可见，使汽车减速停车的地而制动力首先取决于制动器制动 力，但同时又受到地面附着条件的限制。要想获得足够的地面制动力，改善汽车的制动 效果，首先汽车要具有足够的制动器制动力和路面要提供足够的附着力2 6 1 。而要提供足 够的附着力，必须提高路面摩擦系数。 2 2 2 滑移率与附着系数的关系 汽车被施以制动时，车体速度由于轮胎和路面间的摩擦力的作用而减小，车轮转动 速度( 车速) 则由于制动蹄与制动鼓问的摩擦力矩而减小。车体与车轮之间存在着速度 差称为滑移现象，一般用滑移率九来表示滑移的程度【l l 】，即 a ：监二型1 0 0 ( 2 2 ) 场 式中：r 车轮的自由滚动半径；w 一车轮的滚动角速度；一车轮中心纵向速度。 从上式可以看出，当车速中心纵向速度等于轮速时滑移率为零。汽车制动时两者差 别越大，滑移率越大。停车之前车轮抱死时，轮速为o ，滑移率达到1 0 0 。 汽车制动效能的高低主要反映在对地而最大附着系数的利用率上，而描述附着系数 与滑移率允是轮胎附着力曲线，如图2 2 所示。汽车制动时的附着系数与滑移率之间 存在密切的关系：非制动状态下，附着系数为o ；制动状态下，随着滑移率的增大，附 着系数急剧增大，一般情况下，九在1 5 2 5 的范围内附着系数达到最大值。同时随 着滑移率的增大，附着系数反而减小。当滑移率达到最大时，即a = 1 时，附着系数的值 称为滑动附着系数。 7 第二章路面摩擦系数测量仪的理论依据 ，： 信 厂 - ， ，- | - ，、， 。r 稳定区非稳定区 0 五 图2 2 附着系数与滑移率关系曲线图 关于汽车轮胎的附着系数与滑移率之间的关系可以得出如下结论： 在滑移率九= 1 5 2 5 的范围内，可以同时达到较大的附着力，是安全的制动理想 工作区域。 2 2 3 路面摩擦系数测量原理 克服车辆轮胎与路面光滑接触产生的不安全因素，是靠路面之问的摩擦力来实现 的。由物理学可知，在水平面上，摩擦系数是两物体作相对运动时，接触面的水平反向 力与垂直力之比得到的无量纲系数。在物理学与实际工程应用上就常用此法测定各种物 体问表面的摩擦系数。 由上节知，车轮在实际运动过程中，附着系数是经常变化的。但是如果能把滑移率 控制在1 5 2 5 之间，让一定载荷的轮胎和路面接触并以一定速度行进，根据轮胎力学 原理，峰值附着系数等于水平方向作用力的极限值与垂直方向作用力的比值。车轮与地 面作用力模型如图2 3 所示f 4 】。 进方向 车轮和地面摩擦力f 图2 3 车轮与地面作用力模型 对一般的路面而言，车辆的滑移率为1 5 2 5 的某一值时，附着系数达到最大值， 即峰值附着系数。该附着系数代表了路面的最佳抗滑性能，是安全制动的理想区域。所 以，只要测量水平方向作用力，即为车轮轮胎与地面水平方向上的摩擦力。就能测得峰 8 长安人学硕士学位论文 值附着系数。路面摩擦系数可用下式表达： j l l = 厂 ( 2 3 ) 式中：j l l 为摩擦系数；n 为测试轮的垂直方向上的正压力；f 为测试轮与地面水平方向 上的摩擦力。 因此，若将轮胎滑移率控制在1 5 2 5 范围内，只要测得轮胎与路面的纵向摩擦 力f ，即水平方向拉力，就可得到路面的摩擦系数。 2 3 本章小结 本章首先介绍了国内外几种经典的不同类型的路面摩擦系数测试方法，并简要分析 各种设备的特点。然后简要阐述了本课题所研究的路面摩擦系数测量仪的理论依据。 9 第三章路面摩擦系数测量仪总体设计 第三章路面摩擦系数测量仪系统设计方案 3 1 路面摩擦系数测量仪基本结构和工作原理 3 1 1 路面摩擦系数测量仪的工作原理 p c jl 1r 轮速传感器 电子控制单元 ( e c u ) jl 1r 车轮 一制动系统 一_ 压力调节器 图3 1 测量仪工作原理简图 摩擦系数测量仪的基本工作原理( 如图3 1 所示) 是通过传感器监测车轮运行状态， 由控制单元对车轮车速和滑移率等相关参数进行必要计算、分析和比较后，根据这些参 数对制动压力发出增压、保压或减压的控制指令，调节制动压力来控制汽车车轮运行状 态，使车轮保持在一个比较理想的运行状态，然后读取拉力传感器和重力加速度传感器 的值，根据读取的两个传感器的值进行相关计算和数据处理后得出检测结果，并将检测 结果发送到p c ，在p c 上以数值或图表的形式显示。 3 1 2 路面摩擦系数测量仪基本结构 路面摩擦系数测量仪由传感器测量器件、电子控制单元和液压制动调节系统三部分 组成。其结构框图如图3 2 所示【1 1 l 。 l o 长安人学硕士学位论文 图3 2 摩擦系数测量仪结构框图 1 传感器测量器件 传感器测量器件包含三种类型传感器。轮速传感器、拉力传感器和重力加速度传感 器。 轮速传感器的作用是获取汽车车轮任一时刻转速信号并将其传送到电子控制单元 中。轮速传感器安装在随车轮轮轴一起旋转的传感齿圈附近并与齿圈对准。当齿圈随车 轮转动时，齿圈的齿顶和齿隙交替地与传感器磁芯端部相对，使感应线圈中的磁场周期 性变化。在线圈中就会产生类型正弦波的交变电压信号，该交变电压的频率与齿圈的齿 数和转速成正比，因此可以实时反映车轮速度。 拉力传感器是测量轮胎与地面之间沿水平方向上的摩擦力的大小。安装在测试车和 牵引车的连接处，传感器工作时，准确反映了测试车和牵引车之间的相互作用力，即测 试车车轮与地面之间的水平方向摩擦力。 重力加速度传感器安装在测试车钢架侧壁上。通过读取重力加速度的值来判断路面 状况，为数据处理提供参考依据。 2 电子控制单元【2 6 】 第三章路面摩擦系数测量仪总体设计 电子控制单元是测量仪的控制中心，由微处理器和其它数字电路组成。其主要功能 是接收三个轮速传感器输入信号，经过处理后，可以计算出各车轮轮速和滑移率。进行 必要的比较分析后，判断车轮运动状态，并以此为根据，输出控制指令，送至液压制动 系统，控制电磁阀，完成制动压力调节任务。同时，实现与p c 机的数据通信，接收检 测命令和向上传送检测数据。 3 液压制动调节系统 液压系统主要是由制动主缸、液压泵、低压蓄液槽、电磁阀以及制动轮缸组成。液 压调节器根据电子控制单元的控制指令，通过电磁阀常丌阀和常闭阀的开关切换，改变 制动液的通路，从而形成增压、减压和保压三种压力状态，实现对轮缸制动压力的调节， 使车轮运行状态保持在理想状态。 3 2 设计原则 本设计要充分运用路面检测技术、汽车理论、电子学、计算机软件、自动控制等成 熟技术，并符合国家制定的路面检测相关标准。 对于硬件部分而言，需遵循如下原则。 1 通用性好 系统应能直接用于多种不同材料的路面摩擦系数的检测，能适应在较高车速和在多 种天气情况下的路面检测。 2 易于扩充 系统应具有良好的扩充机制和扩充接口。一方面可以在确保系统兼容性的前提下安 全快速的加入对新设备的支持；另一方面可以允许用户根据实际情况对本系统的硬件系 统和软件系统进行二次开发。 3 稳定可靠 在选购或设计硬件设备时，应考虑到设备的实际工作环境中温度、湿度、压力、震 动等因素对设备所造成的影响，保证系统在规定的工作环境下工作可靠、性能稳定。对 于系统的供电、接地也都应进行相应处理。系统的数据采集、过程控制一般都应进行隔 离。 同时，还应该考虑到，此设备作为车载设备，要有足够的抗震能力，在安装时必须 加抗震设施，最大程度上减少震动对系统稳定性的影响。 4 智能化 系统的设计应尽量增加智能化程度，最大限度的减少人工干预。 1 2 长安大学硕士学位论文 5 可维护性 在系统设计时，要从系统的硬件结构、硬件布局、硬件诊断等方面充分考虑系统的 可维护性。 6 升级容易 系统应建立在一个具有良好发展前景的开放式平台上，使得系统在较长的一段时期 内可以通过小规模的升级，迅速适应新的应用需求，不断完善已有功能。 对于软件部分而言，设计原则如下： 1 模块化设计 为了使系统具有良好的可读性和可维护性，特别是为了以后软件升级，必须采用模 块化设计，这样才能保证整个系统内部良好的结合。采用从顶层划分，然后再进行各个 子模块的设计，这样在以后的系统扩充时，只需要添加一定的模块，可维护性较好。在 模块化设计时必须遵守以下几个基本原则，以发挥它的优势。 ( 1 ) 函数功能单一 这种方式保证灵活性、可执行性和易于使用性，但必须保证每个函数功能都是最小 划分。 ( 2 ) 函数之间要相互独立 如果两个函数或多个函数总是联合使用，则把他们合并为一个函数。 ( 3 ) 最大可能减少函数中的参数个数 参数越多，函数之间关联越大，给程序的设计带来不便。 2 友好的界面和可靠的操作性 软件作为硬件的延伸、人机交互的手段，在很大程度上体现了一个系统的可靠性。 作为用户来说，和系统的交互是通过软件来完成的。因此，系统的界面要友好，能适合 不同人来操作。同时软件操作要可靠，也就是说软件的可靠性高。 3 3 路面摩擦系数测量仪系统设计方案 由上面内容知道，本系统的核心是电子控制单元，也是整个系统设计的重点和难点。 其次就是在此硬件基础上的应用软件的设计。整个系统的主要功能设计如下： ( 1 ) 通讯检测功能：检测通讯端口与上位机的连接； ( 2 ) 参数设定与通信功能：包括系统参数设定和实时接收数据； ( 3 ) 数据图形实时显示功能：路面摩擦系数、车速和行驶里程这些实时参数的显 示和动态刷新； 13 第三章路面摩擦系数测量仪总体设计 ( 4 ) 操作管理功能：包括数据管理以及开始和停止测试等； ( 5 ) 信息存储以及报表打印功能：记录及保存测试过程中的状态和数据，为测试 报告提供一个有效的数据、状态信息源； ( 6 ) 数据处理统计功能：根据测试结果，对测试数据进行统计处理。 3 3 1 系统电子控制单元设计方案 电子控制单元是整个系统的核心部件。其主要工作是当接收到上位机检测命令后， 电子控制单元开始工作，根据采集到的三个轮速传感器信号，计算实时滑移率，并进行 必要的比较判断，从而控制制动电磁阀动作，将车轮滑移率控制在理想范围，当达到检 测条件后，读取拉力传感器和重力加速度传感器的值，并进行相应的数据计算，得出路 面摩擦系数，最后发送到上位机。对电子控制系统功能要求如下： ( 1 ) 与计算机实现实时通信； ( 2 ) 对轮速传感器得到的信号进行调节处理； ( 3 ) 根据调节处理后的信号计算得出车轮速度，并计算瞬时滑移率； ( 4 ) 根据滑移率进行比较判断，控制电磁阀动作； ( 5 ) 采集拉力和重力加速度的值，计算路面摩擦系数。 因此，得出本系统电子控制系统的硬件电路框图如图3 3 所示：选用s t c 8 9 c 5 2 为 主控制器。 图3 3 电子控制系统硬件电路框图 3 3 2 系统软件设计方案 上位机应用软件主要功能是接收下位机电子控制系统发送的检测结果，经过处理 后，通过数字或表格的形式显示，并对其进行保存。同时能够设定相关参数，选择检测 方式，发送开始和停止检测命令。软件设计要求操作简单、界面友好、升级容易、稳定 性好。选用v c + + 6 o 来完成。 1 4 长安人学硕士学位论文 下位机软件主要完成参数编辑、信号采集、数据计算以及和上位机通讯等功能。工 作过程为接收到上位机的开始检测命令后，采集轮速信号后，进行必要的计算比较，发 出相应的控制指令，进行检测并将计算结果发送给上位机。下位机软件要求稳定性好、 实时性好。用c 5 l 来实现较为简便。 3 4 本章小结 本章对路面摩擦系数测量仪整个系统进行了系统分析，说明了系统设计原则，最后 确定了本系统的电子控制系统和软件系统的设计方案。 1 5 第四章路面摩擦系数测餐仪的硬件设计 第四章路面摩擦系数测量仪硬件设计 对于测量仪来说，硬件部分是它的最基本的框架，是系统的所有功能的基础。所选 硬件电路的性能对系统的功能实现以及系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与 否很大程度上取决于硬件电路的设计。本章将按照硬件电路框图所示对系统硬件电路各 个模块的功能及实现过程进行叙述。 4 1 主控制器的最小系统硬件电路 4 1 1 控制器的选型 本系统中电子控制单元是核心，而控制器又是电子控制单元的核心。因此，控制器 的选择将起着至关重要的作用，它直接影响着整个系统的性能。控制器要从多个方面来 综合考虑。除了考虑它的功能结构外，其开发成本和难易程度也是不容忽视。目前，除 了大家比较熟悉的单片机技术比较成熟外，近年来，嵌入式系统的应用也越来越广泛。 随着这几年电子技术的快速发展和工业领域对均衡功率和性能的要求日益提高，以 及面向其它市场的基于a r m 处理器的产品开始被广大厂商和用户所采用，a r m 技术 已经开始向工业领域转移，并逐步占据重要地位。与我们熟悉的单片机相比，a r m 器 件具有较高的集成度，有更快的c p u 和更大容量的存储器【1 3 】【1 4 1 。 单片机在集成度和内部资源方面不及a i 洲。但单片机技术成熟、运行速度快、体 积小、运行可靠、价格低廉等特点。而且外围接口电路简单，控制程序比较容易实现。 在过程控制、数据采集、机电一体化、智能仪表等方面均有应用。由于本系统的控制器 主要任务是采集数据、进行必要的计算和发送数据，采用单片机完全能够满足要求，而 且在稳定性方面也能达到要求。若采用a r m 处理器，对于删没有用到的功能造成 浪费，而且程序开发比较复杂，延长了开发周期，增加了开发成本。 所以对于此次开发，我们采用单片机作为主控制器。深圳某公司的s t c 8 9 c 5 2 系列 的单片机支持在系统可编程i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 功能，此类单片机内部固化 有i s p 系统引导程序，使用配套的下载软件，通过r s 2 3 2 串行接口可以直接将用户的程 序代码加载到单片机内部程序存储器，无须编程器。并且此种单片机比同类单片机中价 格便宜，因此我们选用此类单片机，其基本特性如下： ( 1 ) 与m c s 5 1 单片机完全兼容； ( 2 ) 片内有8 k b 在系统可重新编程的f l a s h 存储器，可擦写1 0 0 0 0 0 次以上； ( 3 ) 全静态逻辑，工作频率范围为：o 8 0 m h z ； 1 6 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 二级程序存储器加密； ( 5 ) 5 1 2 字节片内r a m ； ( 6 ) 提供待机和掉电两种省电工作方式； ( 7 ) 一个全双工串行口。 4 1 2 单片机最小系统电路 + 5 vu l + 5 v 4 0t 集翮 p l ov h 7；i 黧 ! ! ； 3 4 3 3 刮紧r 嘲p q 7 3 2 s l 阿星w 6 o v n 、 l o r 啪3 0 2 船；l i i 1 ) i ) 伊3 l i m x 8 b r 娜 ； 腑3 2 e v v 唧，。坚一罕 n l 【p s 2 ) i i 舯3 3a i i 冲i d g 器 r - 。 1 w p 3 4 下叟凡 l 岬q ) 1 5 t l 伊3 5 1 6 p 2 7 2 8 w p 9 1 ) 1 7 w 渤3 6p 2 6 ” d 皤 c 协 1 跖= p 3 7p 2 5 2 6 d ( 五 1 8 p 2 4 2 5 d o l i i m 1 2p 2 3 2 4 d p 2 2 2 3 d 3 0 p f 舞 f 磐札1望1 2 2 d o l 2 l 掣y l v $p 2 0脚 c 口 i l l 0 5 9 2 h壬 z s i ( = 8 ；c 蛇 | i j i i 3 0 陌 =7 图4 1 单片机最小系统 单片机最小系统部分由看门狗电路、晶振电路、s t c 8 9 c 5 2 组成。如图4 1 所示。 单片机本体：s t c 8 9 c 5 2 具有4 个8 位的并行接口，记作p o 、p 1 、p 2 和p 3 ，共3 2 根i o 口线，本系统是这样分配这些口线的： ( 1 ) p 2 口的8 位口线用作8 位继电器开关量的输出，和外部分的液压系统相连， 控制测试车的刹车系统； ( 2 ) p l 口的低4 位口线用来模拟a d 的s p i 总线； ( 3 ) p 3 0 和p 3 1 用作串行通信线； ( 4 ) p 3 2 、p 3 3 、p 3 5 用于引入三个轮速信号转换后的脉冲，p 3 7 预留，以备后续 扩展。 复位电路：r s t 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时问应 持续2 4 个振荡脉冲周期( 即二个机器周期) 以上。本系统我们选用了常用的1 1 0 5 9 2 m h z 无源晶振，所以复位信号时间应超过2j l l j 才能完成复位操作。一般的上电复位是由一个 电容和一个电阻串联组成，本系统为了增加程序运行稳定性，选用了m a x 8 1 3 看门狗 1 7 第四章路而摩擦系数测最仪的硬件设计 电路：蓉片，上电后，m a x 8 1 3 的r e s e t 管脚自动产生2 0 0 m s 的复位信号，使单片机复 位，提高了系统的可靠性。 看门狗电路：本控制器的看门狗电路使用了m a x i m 公司的低成本微处理器监控芯 片m a x 8 1 3 。揪为手动复位端，p f i 为电源故障输入端，肋为电源故障输出端， w d i 为看门狗的输入端，肋d 为看门狗信号输出端，粕d 正常工作时输出保持高电平。 其中看门狗输出端粕d 与手动复位端脚连接，复位信号输出端i 砸s e t 与单片机的复 位端相连，单片机p 3 6 与看门狗的信号输入端w d i 连接。 r e s e t 为复位信号输出端，上电时自动产生2 0 0 m s 的复位信号，使单片机复位。 程序正常工作时必须在1 6 s 的时间间隔内通过p 3 6 给w d i 端送入一个脉冲，以看门狗 计数器清零。若程序跑飞，超过1 6 s w d i 引脚没收到脉冲信号，则看门狗内部定时器溢 出，看门狗输出端粕d 由高电平变为低电平，肋0 输出低电平，由于釉d 与揪短 接，所以相当于手动复位，手动复位时，r e s e t 端也产生复位信号，最终由r e s e t 端 输出复位信号，使单片机复位。 振荡电路：单片机本身是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式，必须 有唯一一个时钟信号，时钟信号是这样产生的：在s t c 8 9 c 5 2 内部中有一个高增益反向 放大器，其输入端为芯片引脚x t a l l ，输出端为引脚x t a l 2 ，在芯片的外部通过这两 个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。电路 中的两个电容通常取3 0 p f ，对振荡器频率有微调作用。而晶体振荡器的振荡频率范围 通常是1 2 m h z 1 2 m h z 。晶体振荡频率越高，系统的时钟频率越高，单片机运行速度也 就快。我们采用常用的3 0 p f 微调电容和1 1 0 5 9 2 m h z 晶体振荡器。 由于控制器内部程序存储器够用，不需要外接外部程序存储器，所以将访问外部程 序存储器控制信号尉圪。置高。 4 2 模数转换电路 ( 1 ) d 转换电路 1 8 长安大学硕十学位论文 图4 2a ，d