汽车制动性能检测仪项目设计方案.doc

汽车制动性能检测仪项目设计方案第一章 绪论随着人民生活水平的提高，汽车工业得到了飞跃发展。越来越多的家庭和个人拥有了机动车。然而由此造成的交通事故也呈增长势头。据调查，在机动车发生的交通事故中由于制动不良占有很大的比重，如在我国的一城市一年内发生的250起重大交通事故中，因制动距离太长和制动跑偏所造成的事故为100起，占40，因制动调头引起的事故为16起，占614。可见机动车必须具备良好的制动性能才能保证行驶安全，同时也只有在此条件下才能提高行驶速度和运输生产率。因此我们应该高度重视机动车的制动性能，必须经常对制动系统进行检验和调整。国家也将机动车制动性能安全检测列为重点检测项目之一。5.1 汽车制动性能检测简介汽车制动性能检测在汽车生产制造过程中是一个必不可少的重要环节，在投入使用后的每年一度的年检中是一个主要组成部分，同时也是交警执勤检查的一项重要内容。汽车制动性能检测按检测项目分为行车制动、应急制动和驻车制动；按检测环境分为台试法和路试法。按制动检测对象分为制动距离、充分发出的减速度、制动协调时间、踏板力或制动气压、制动力及其总和与整车重量的百分比、轴制动力及其与轴荷的百分比等参数的直接或间接测量等；汽车制动性能检测标准也经历了几次修订。最新的标准是在2004年制定实施的，为(GB72582004机动车运行安全技术条件。标准已将汽车在路制动性能检测列为首要5.2 国内外汽车制动性能检测仪的研究现状紧跟汽车工业发展步伐，汽车制动性能检测仪的研发工作也取得了长足的进步，出现了一系列的性能完善的检测设备，如用于台试法的滚筒反力式制动检验台系列和平板制动检验台系列，用于路试法的以速度计、第五轮仪和其它测速方法测速的设备为主体便携式制动性能检测综合装置等。随着集成电路的生产制造工业水平不断更新，大规模和超大规模可编程逻辑器件的资源日益丰富、功能日益强劲、使用日益容易、价格日益降低，世界上许多国家的汽车制动性能检测设备生产制造的公司和研发机构正将主要精力转移到便携式道路制动性能检测仪的研制和开发工作，已有少量产品在市场上出现并投入实际使用中。我国在近几年也逐渐加大研发力度，研制新模型，尽量减低其开发成本和提高对使用环境以及运行条件的适应性，以便尽快为市场所接受，但受研发器件、研发成本等条件限制，目前仍然处于尝试和试验阶段，成熟的产品不多。5.3 本课题的主要研究任务和意义本课题针对目前国内市场上汽车制动性能检测设备的现状和存在的问题，吸取国内外现代检测技术，采用先进的设计理念和元器件，开发出一套性价比高的汽车制动性能检测系统。测量以一定初速度(v=50kmh或30kinh)行驶于平直的、长度在50米以上的水泥或沥青路面上的汽车在制动控制过程中的运动参数，经分析、处理，从而得到其制动距离、充分发出的平均减速度、制动协调时间、制动踏板力等制动性能参数，并对照标准进行性能状况判定。该检测仪须具有以下功能：(1)可实现实时监控。对测试过程信号的实时监视、测试数据的采集、测试数据的储存以及测试数据的处理等功能，并可将处理结果以图形、曲线、表格等格式显示、打印输出；(2)实时显示采样数据。绘制车速、跑偏距离、制动踏板力等测量参数的动态数据波形，以监督信号过程的连续性、有效性，确保试验成功；(3)操作简单、快捷。能够方便地通过键盘和液晶显示模块，控制和指示当前的工作状态。能及时输出检测评价结果。(4)检测仪有自调试功能。应有上电及软件自恢复功能，具有自诊断功能，发现检测仪的内存、各功能模块、IlO口等工作异常时应及时报警、记录和保存。(5)体积小、功耗低，便于携带、安装，成本低廉、适用面广，可广泛的使用于汽车修理厂、汽车检测站，以及交通安全检查站等等；本课题立足新起点，运用新技术，构建新模式，拟将高速线阵CCD引入到汽车制动性能检测中，为他人提供汽车制动性能检测新思路，并推动我国在此方面研究的深入、发展，具有一定的实际意义。49第二章 汽车制动性能检测仪的设计概述2.1 汽车制动性能检测仪研发方案的确定检测汽车制动性能的方法有感观检测法、台试法和路试法。感观检测法是工作人员(或修理工)在实际检查工作中，运用听来检查气漏，闻(嗅觉)来识别过热制动或沾污的热表面，触觉可以用来检、摸松动件，视觉则用来检视损坏的气路、液路、丢失件、磨损件或破坏件，有时还包括测量推杆行程以识别潜在的不安全因素。这种方法得到的结果可用来预见营运汽车目前或运行一段时间后的制动性能，很显然，其优点在于其检视费用少，设备简单，仅需要尺子、闪光灯、上螺丝器、铅笔和纸张就行，操作方便，操作人员的经验可帮助他发现特种车或带有特别携带物品车辆的故障。同时该种方法的缺点也是显而易见的：检视工作耗时长，只能部分定期检查在运行的车辆，同时检视工作带有一定的主观性，测试结果很大程度上取决于操作人员的经验和操作水平，且有不少项目如制动力、制动减速度等一些重要的性能参数测不出来，目前逐步被淘汰。台试法是利用室内制动性能试验台检测汽车制动性能，由于其安全易实现的特点，因此绝大多数的汽车制动性能检测采用此方法。该方法通过制动试验台进行制动力的测量，通常以车轮制动力的大小和左右车轮制动力之差值来评价汽车的制动性能。该方法一般不对制动过程的踏板力、制动力和制动时间等参数做实时记录分析，这对于制动系工作正常且制动时无迟滞的汽车是准确的，但对于有故障或制动迟滞的汽车，试验台上检测合格，实际使用中不一定合格。另外，在试验台上检测时，汽车前后轴载荷为不变的静载荷，而实际道路制动时，由于惯性力的作用，汽车前后轴的载荷将发生变化，而这种变化将影响制动效果，因此台架试验法有一定的局限性。道路试验法有传统路试法和在路智能测试法。传统路试法的主要手段是观测在规定条件下行驶的汽车进行刹车动作后而留在地面上的痕迹，从制动开始到制动停止的距离、轮胎在路面上的压印和拖印的痕迹作为评定制动性能的依据。这是一种近似测定制动距离的方法，在一定程度上能反应汽车制动的实际状况。该方法简单、成本低，但每次试验时轮胎磨损严重，并受人的主观和试验条件如速度、负荷、路面、轮胎类型和风阻差异的影响很大，因此误差大。在路智能测试法的主要仪器为五轮仪及惯性式减速度计。近代的第五车轮采用电磁感应传感器与数字显示装置，能精确测出起始车速、制动距离、制动时间，但价格昂贵、操作复杂，目前多用于专业汽车制造厂。综上所述，感官检测法误差大，濒临淘汰，只能用于临时非正规的估算检测中；台试法安全易实现，但需要专门的检测台，检测设备体积大而笨重，而且存在静态检测结果和实际动态参数不一致的先天缺陷；在路智能检测法检测能全面、准确、迅速的获得汽车实际制动性能参数，因此，本课题以在路智能检测作为研究内容。具体检测项目和要求标准如下：2.1.1 用制动距离检验行车制动性能标准汽车在规定的初速度下的制动距离和制动稳定性应符合表211的要求，对空载检验制动距离有质疑时，可用表211满载检验的制动性能要求进行。制动距离是指汽车在规定的初速度下急踩制动时。从脚接触制动踏板(或手触动制动手柄)时起至车辆停止时车辆行驶过的距离。表211 制动距离和制动稳定性要求车辆类型制动初速度（km/h）满载检测制动距离要求（m）空载检测制动距离要求（m）试车到宽度（m）三轮汽车20502.5乘用车5020019O2.5总质量不大于3500kg的低速货车309O802.5其它总质量不大于3500kg的汽车502202102.5其它汽车、汽车列车30100903.02.1.2 用充分发出的平均减速度检验行车制动性能标准汽车、汽车列车在规定的初速度下急踩制动时充分发出的平均减速度和制动稳定性符合表212的规定要求，且制动协调时间对液压制动的汽车不应大于O35 s，对气压制动的汽车不应大于060 s，对汽车列车、铰接客车和铰接式无轨电车不应大于080 s。对空载检验的充分发出的平均减速度有质疑时，可用表212满载检验的充分发出的平均减速度。制动协调时间：是指在急踩制动时，从踏板开始动作至车辆减速度(或制动力)达到表212规定的车辆充分发出的平均减速度75时所需的时间。表2.1.2制动减速度和制动稳定性要求车辆类型制动初速度（km/h）满载检验充分发出的平均减数度（）空载检验充分发出的平均减速度（）试车到宽度（m）三轮汽车203.82.5乘用车505.96.22.5总质量不大于3500kg的低速货车305.25.62.5其它总质量不大于3500kg的汽车505.45.82.5其它汽车、汽车列车305.05.43.02.1.3 制动踏板力或制动气压标准a)满载检验时气压制动系：气压表的指示液压 额定工作气压；液压制动系：踏板力， 乘用车 500N；，其它机动车 700N。b)空载检验时气压制动系；气压表的指示液压一 600kPa；液压制动系：踏板力， 乘用车 400N；其它机动车 450N。2.1.4 应急制动性能检验标准汽车在空载和满载状态下，按表2.1.3所列初速度进行应急制动性能检验，测量从应急制动操纵始至车辆停住始的制动距离，应急制动性能应符合表2.1.3的要求表213应急制动性能要求车辆类型制动初速度（km/h）制动距离（m）充分发出的平均减速度（）允许操控力不大于（N）手操控脚操控乘用5038029400500其它汽车(三轮车汽车除外)3018O25600700其他汽车30202.26007002.1.5 驻车制动性能检验标准在空载状态下，驻车制动装置应能保证汽车在坡度为20(xC总质量为整备质量的12倍以下的汽车为15)、轮胎与地面间的附着系数不小于07的坡道上正、反两个方向保持不动，其时间不应少于5 min。对于允许挂接挂车的汽车，其驻车制动装置必需能使汽车列车在满载状态下时能停在坡度为12的坡道(坡道上轮胎与地面之间的附着系数不应小于0。7)上。2.2 汽车制动检测仪的基本原理制动性能检测仪完成对制动距离和制动时间的检测, 其工作原理是以加速度传感器为主要探测部件, 利用加速度传感器在制动时对减速度的测量, 并经过AT89C52 单片机进行运算处理分析, 实现对制动距离和制动时间的计算。该系统主要包括3 个过程: 制动开始的判断和数据的采集过程; 数据的处理和分析过程; 制动距离和制动时间的显示过程。根据制动过程中所检测的速度和制动踏板力，便可计算制动性能参数，对照相关国标，通过LCD显示输出被测汽车的制动性能评判结果。第三章 系统方案与主要关键性技术3.1 系统总体实施方案为保证仪器对速度和距离量的测试精度，本仪器采用多维加速度传感器，以解决车辆在制动时非规则运动所造成的测试误差。另外，还可以实现对充分发出的平均减速度(MFDD)、制动协调时间(BCT)及制动踏板力等参数进行测试。其系统结构原理图如图 3-1 所示。图 3-1 系统结构原理框图本设计主要有制动力传感器、多维加速度传感器、制动踏板动作传感器、微处理器、液晶显示器和供电电池等组成，其中供电电池分别为传感器、微处理器等器件供电。系统将加速度传感器采集的信号经A/D转换器进入微处理器根据相应的测试算法进行数据处理，然后微处理器将处理后的数据分别送至液晶显示器显示测量结果。3.2 制动性能检测中的测试算法由于本课题是采用加速度传感器实现车辆制动性能的测试并获得各项参数，其测试算法的好坏将直接影响测试过程的实时性和测量结果的准确性。因此算法的设计原则是在保证测试精度的前提下应具有算法简单且便于在单片机中实现的特点。由车辆制动的物理过程可知：在初始条件已知的前提下,通过对加速度在时间轴上进行一次积分,可以得出汽车的速度,再次积分可以得出汽车的行驶距离。假设整个制动性能测试的时间为t,将其划分为n个区间,如图3-1所示,可以取一足够小的区间作为一个时间段,把一些物理量简化。图 3-2 时间段假设时间段为 式中为汽车行驶在某一点的时刻。行驶总时间t为 瞬时速度为式中为时刻的瞬时加速度。行驶距离为式中为时刻的瞬时速度。上述速度、距离理论值的推导公式均为积分计算。在单片机中进行积分运算，以时间为坐标轴将其分割为足够小的时间片断,取其离散值,再进行叠加从而得出积分结果, 则上述和的导出公式变为要通过加速度求得速度和距离,必须首先有速度和距离的初始值，可设速度和距离的初始值分别为0。在进行车辆制动性能测试时，单片机接收到制动踏板动作信号后，立即对加速度传感器的信号进行采样和存储，然后根据相应的测试算法计算出制动协调时间、制动初速度、充分发出的平均减速度、制动距离和总的制动时间等参数。为了避免制动之前较长时间的准备运行带来的测量积累误差，本研究采用向后的数值积分方法，即已知制动末速度、各瞬时加速度值及各时间段值利用后向积分的方法来计算制动初速度和制动距离等量。积分初始条件制动末速度和制动距离分别为0。在进行车辆加速性能测试时，当车辆由静止开始加速时，随之开始采样，直至车速达到设定的速度，加速过程结束。然后根据相应的测试算法计算出平均加速度、加速时间、加速距离等参数。在加速性能的测试算法中，测量系统的积分在时间轴上是向前进行的，即已知初速度、各瞬时加速度值及各时间段值利用前向积分的方法来计算平均加速度、加速过程各瞬时速度等测试量。此时积分初始条件速度为0。3.3 系统的数据采集技术3.3.1 系统数据采集技术概述由于数据采集是测试系统的最重要的环节，因此数据采集模块是整个测试系统的关键和核心。数据采集的主要任务就是采集各传感器的输出信号并将其转化成计算机或微处理器能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据需要进行处理，以便实现对某些物理量的测试或监控一般情况下数据采集的信号按其性质可主要分为以下几类，如图 3-3 所示。图 3-3 数据采集的信号(1) 模拟信号模拟信号是指随时间连续变化的信号。模拟信号非常便于传送，但它对于干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正，数字滤波等处理。(2) 数字信号数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限长的数字组成，其中每位数字不是 0 就是 1，这可由脉冲的有无来体现。数字信号对传输路线上的干扰不敏感，只需检测脉冲的有无来获取信息，至于信号的精确性（幅值、持续时间）是无关紧要的。数字信号输入计算机后，常常需要进行码制转换处理，以便显示数字信号值。(3) 开关信号开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关、可继电器触点等。开关信号的处理主要是检测开关器件的状态变化。本系统中需要采集的信号主要有加速度传感器信号、踏板力传感器信号、制动踏板动作信号、供电电池电压信号和温度信号等，其中除制动踏板动作信号属开关信号外，其它信号均为模拟信号。3.3.2 系统中开关信号的采集开关信号的处理较为简单，主要是检测其状态的变化，通常采用的方式为定时查询方式或中断方式。在定时查询方式里，CPU 周期性地在规定时刻将开关量状态读入，这种方式对开关量状态变化时刻不能正确反映，其误差大小与读取周期有关。中断方式指开关量输入状态发生变化时向 CPU 申请中断，在 CPU 响应中断时读入相应的开关量状态。中断方式能够及时反映开关量状态的变化，使控制系统及时地对其状态进行处理3.3.3 系统中模拟信号的采集对连续的模拟信号x(t) 按一定的时间间隔抽取相应的瞬时值（也就是通15常所说的离散化），这个过程称为采样。连续的模拟信号x(t) 经采样过程后转换为时间上离散的模拟信号 （即幅值仍是连续的模拟信号），简称为采样信号。把采样信号 以某个最小数量单位的整数倍来度量，这个过程称为量化。采样信号 经过量化变换为量化信号, 再经过编码，转换为离散的数字信号x(n) （即时间和幅值是离散的信号），简称为数字信号。从模拟信号到数字信号的整个转换过程如图 3-4 表示。图 3-4 数据采集过程采样周期决定了采样信号的质量和数量：太小，会使 的数量剧增，占用大量的内存单元；太大，会使模拟信号的某些信息丢失，这样一来，若将采样后的信号恢复成原来的信号，就会出现失真现象，影响数据处理的精度。因此，必须有一个选择采样周期的依据，以确定使 不失真地恢复原信号x(t) 这个依据就是采样定理：设有连续信号x(t) 其频谱为 X ( f)，以采样周期采得离散信号为 如果频谱 X ( f)和采样周期满足下列条件： 频谱 X ( f)为有限频谱，即当（为截至频率）时， X ( f)=0。 或，则连续信号唯一确定，式中 n = 0,1,2,；就是在采样时间间隔内能辨识的最高频率即截至频率，又称为奈奎斯特频率根据采样定理，本系统选择合适的采样周期分别采集了模拟信号如制动力信号和多维加速度等信号。图 3-5 所示为不同的采样频率产生的效果，上面部分的点阵为合适的采样频率，下面部分由于采样频率低导致了失真图 3-5 A/D 采样频率以上这些关键性技术的采用，对提高该系统的主要技术指标和整体技术性能起到了决定性的作用。第四章 硬件器件选型4.1 微控制器选型研制开发智能化程度高、功耗低、体积小、重量轻、使用时安装方便快捷、便于携带和易于手持操作的测试仪器，对于 MCU 的选型是关键，经过综合对比，选用了ATMEL 公司生产的MCS - 51 系列AT89C52 单片机, 由于该微控制器具有超低功耗的特性，且内部集成了大量的外围接口模块，因此对降低仪器的功耗和缩小仪器的体积以及提高系统的整体性能起到了决定性的作用，从而使仪器的整体性能、功耗、体积和重量等主要技术指标远优于国内外同类仪器。该仪器可使用普通的可充电电池作为机内电源，并可连续工作 6-8 小时以上，具备了很好的使用方便性。4.1.1 AT89C52器综述AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。主要性能参数：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容8k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器2568字节内部RAM32个可编程IO口线3个16位定时计数器8个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式4.1.2 AT89C52概述AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个IO口线，3个16位定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。一、 AT89C52结构1. AT89C52 的基本功能结构图如图 4-1 所示图 4-1 AT89C52 的基本功能结构2. AT89C52的封装引脚如图4-2所示图4-2 AT89C52 封装引脚3. AT89C52各个引脚名称及功能P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向IO口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“l”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节。而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向IO 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。与AT89C5l不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时计数器2的外部计数输入（P1.0T2）和输入（P1.1T2EX），参见表4-1。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。引脚号功能特性P1.0T2（定时计数嚣2外部计数脉冲输入），时钟输出P1.1T2EX（定时计数2捕获重装裁触发和方向控制）表 4-1 P1.0和P1.l的第二功能P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对端口P2写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8 位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向IO 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表4-2所示表4-2此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的l6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。4.2 ADXL202 微硅加速度传感器及其分析4.2.1 微加速度传感器综述微硅加速度传感器是一种重要的力学量传感器，是最早受到研究的微机械惯性传感器之一。早在60年代末、70年代初，人们就开始研究一维微硅加速度传感器；到了80年代末，已经开始一维微硅加速度传感器的规模化生产；进入到90年代，随着科学技术的发展和军事、商业市场的需求，人们设计出三维微硅加速度传感器，用于检测空间加速度，为军事、工业自动控制、医疗等方面服务。由于在硅片上集成的加速度传感器具有体积小, 重量轻, 易于与测试、控制电路集成, 有利于大规模批量生产等优点, 随着这几十年的发展, 微硅加速度传感器的研究得到越来越广泛的关注加速度传感器的基本原理是建立在牛顿第二定律的基础上。牛顿第二定律认为：质点动量的变化率与外力成正比。如果质点的质量为常数时, 它的加速度与作用力成正比, 即：其中, m 为质点的质量，v 为质点的速度，P 为质点的动量，a为施加的加速度。任何加速度传感器都可概括为以下三个部分：(1) 质量：它被加速时，产生一个惯性力；(2) 弹性构件：它使力作某种功；(3) 检拾器：敏感力所作的功。微硅机械加速度传感器结构中,弹性构件通常是很薄小的硅悬臂梁或挠性轴。敏感力所作功的检拾器,通常有压阻检测和电容检测两种,微硅压阻式加速度传感器和微硅电容式加速度传感器是目前应用最多的微硅加速度传感器。最近, 由于隧道效应在这方面的应用得到新的突破,又产生了一种新型的加速度传感器隧道效应式加速度传感器。4.2.2 ADXL202 概述ADXL202是美国ADI公司研制的基于单块集成电路完善的双轴加速度测量系统，它是由一个多晶硅的表面微机械传感器和一个信号调制电路来组成开环加速度测量结构。对每根轴而言，输出环路将模拟信号转换为 PWM 信号(脉宽调制占空比信号)，这些数字信号可直接与微处理器接口，毋需 A/D 转换或附加其它电路。ADXL202可测量正负加速度，其最大测量范围为2g(g 为重力加速度)，它既能测量动态加速度(如振动加速度)，又能测量静态加速度(如重力加速度)，最大可承受 1000g 的冲击。ADXL202 采用表面微加工的多晶硅结构，用多晶硅的弹性元件支撑整个结构并提供平衡加速度所需的阻力。ADXL202 的梁结构如图 4-3 所示，由该图可见，ADXL202实际上是叉指式的电容结构，而它的每一套电容结构如图 4-4 所示。ADXL202 通过由两个独立的固定极板和附在移动物体上的中央极板组成的差动电容器来测量结构上的偏移，两个固定极板分别由两个幅值相同、相位相反的方波来驱动。当加速19度计受到加速度力后，就会改变差动电容的平衡，并通过信号调理电路，使输出交流电压的幅度与加速度成正比。图 4-3 ADXL202 梁结构图图 4-4 ADXL202 电容结构示意图一、ADXL202 双轴加速度传感器结构图 4-5 ADXL202 功能结构图ADXL202 的基本功能结构图如图 4-5 所示。ADXL202 的主要特性有：l 单一集成电路芯片上集成有两个加速度传感器。l 可测量静态加速度和动态加速度。l 以 PWM 的方式输出测量结果，用户可自行调整方波周期。l 低功耗，小于 0.6mA。l 60Hz 带宽时分辨率可达到 5mg。l 3V 到 5.25V 电源供电。l 最大可承受的加速度为 1000g。l 可应用于斜度测量、惯性导航、地震监测装置、交通安全系统等。ADXL202 采用 14-Lead CERPAK 封装，如图 4-6 所示。由图可见，ADXL202 有两个敏感轴，测量时敏感轴必须与测量方向一致，图中箭头所指方向即为 ADXL202 两个敏感轴的方向。图 4-6 ADXL202 的引脚信号ADXL202 各个引脚名称及功能见表 4-3 所示。(1) VDDADXL202 有两个电源输入脚：13 脚和 14 脚。这两个引脚应该被直接连接。(2) COMADXL202 有两个公共端：4 脚和 7 脚。这两个引脚应该被直接相连并且接地。并且在 VDD与 COM 端之间连接一个 0.1F 的电容，作退耦之用。(3) VTP这个引脚应该保持开路，不用在这个引脚上连接任何电路。(4) ST21ST 引脚控制自检特性。在正常使用时应保持开路或与 COM 端相连。表 4-3 ADXL202 引脚信号说明二、ADXL202 的工作原理图 4-7 ADXL202 对于地球重力场的反应图 4-7 表示了当 ADXL202 方向改变时，X、Y 两轴方向上的输出变化情况。测量结果以 PWM 信号和模拟信号形式输出，PWM 信号的占空比及模拟信号的输出与该方向上的加速度成正比。利用微控制器的计数器可以直接接收 PWM 信号的输出，而不需要 A/D 转换器或其它额外接口电路。通过改变接地电阻的值，输出信号周期在 0.5ms10ms 的范围内可任意调节。ADXL202 输出的模拟信号，在、引脚上可得到与加速度成比例的电压输出信号，可以对输出信号进行积分处理以获得对应的模拟输出。在这种情况下，使用带 ADC 的微处理器直接采样 ADXL202 的模拟输出，可以获得较高的采样速度。第五章 系统的硬件电路设计5.1 系统硬件总体设计系统硬件总体设计框图如图 5-1 所示。系统硬件总体设计主要包括主机电路设计、信号接口电路设计、外设接口电路设计以及通信接口电路设计等，以下分别对各接口电路设计进行论述。图5-1 系统硬件总体设框图5.2 电源电路设计电源是设计系统中的重要组成部分，主要是为各功能电路提供所需的工作电压，其稳压性能直接影响系统工作的稳定性和可靠性。由于使用的元器件电气特性不同，系统中的各个部件所需的供电电压也各不相同，有时需要同时提供几种不同的电压和极性的直流稳压电源，例如本系统中所用单片机与传感器的工作电压为5V，运放的工作电压为 5V，而用于线性放大模拟信号LM324 的参考电压为 2.5V，因此就需要分别设计不同的电源电路。为保证电压的稳定性和精度，本系统采用集成电路稳压电源，电源模块主要由MC7805、MC1403 和 ICL7660 组成。其中 MC7805、MC1403 都是固定电压输出的集成三端稳压器，ICL7660 为-5V 电压发生器。电源电路如图 5-2 所示，其中 Vcc 为5V，V为5V。图5-25.3 ADXL202 接口电路ADXL202 所产生的模拟信号的处理电路如图 5-3 所示。图 5-3 ADXL202 所产生的模拟信号的处理电路ADXL202的和引脚接 0.1F 电容使得模拟输出带宽为 50Hz、输出附带噪声（rms）为 4.3mg。由于 ADXL202 内部 32k的的影响，使得在和的模拟输出驱动力不足。故在和之后加上一个由运放 LM324 构成的跟随器增加驱动。ADXL202 感应的加速度的变化在+2g-2g 之间，相应的，使得 VDD为+5V 时，输出模拟量的线性变化为+1.9V+3.1V。但设计中后端单片机内 A/D 采样的输入范围为 0V+2.5V，为了提高采样精度并匹配 A/D 采样的输入范围，在跟随器之后设计了由运放 LM324 组成的参考电压为+2.5V、放大系数为 3.9 的负反馈放大电路。这使得放大电路的输出随输入的+1.9V+3.1V 线性变化为输出的+0.16V4.84V。36ADXL202 模拟信号处理电路中运放 LM324 的输入电压与输出电压的关系为Voutput =(Vinput2.5V)3.9K/1K+2.5V然后再进行电阻分压，使得最终进入单片机的采样输入为+0.08V+2.42V。ADXL202 输出的模拟信号经信号处理电路后送入单片机内带的 A/D 转换器进行A/D 转换。5.4 踏板动作传感器接口电路制动踏板动作传感器为开关型传感器，安装在制动踏板上。在制动测试过程中，驾驶员通过套装在汽车制动踏板上的踏板动作传感器向测试仪发送开始制动的信号。开关信号在进行转换时，由于机械触点的抖动，将会使脉冲的上升沿和下降沿产生许多毛刺，甚至使波形不稳定。去抖的方法很多，可以采样专门的集成电路构成去抖电路。为了简化设计，本系统采用施密特触发器对输入信号进行整形以形成良好的脉冲波形。踏板动作传感器输出的信号经阻容滤波和施密特触发器整形后送入单片机的P24 端口，另外系统还设计了制动启动指示灯，当制动踏板动作传感器被按下时，37指示灯有变化。其接口电路如图 5-4 所示。图5-4 踏板动作传感器接口电路5.5 制动力传感器接口电路5.5.1 制动力传感器电路制动力传感器主要类型有电位计式、差动变压器式、自整角电极式和电阻应变式。目前电位计式传感器已很少使用，大多选用应变式压力传感器和差动变压器式传感器。本系统的制动力传感器选用电阻应变式压力传感器。图 5-5 传感器电桥电路图传感器的电桥电路如图 5-5 所示。电阻 R1、R2、R3、R4 作为四个桥臂，R1R4 是细的铂金属丝形成的电阻，这些金属丝贴在金属圆柱的外表面上，其中 R2、R4 按横向粘贴，R1、R3 按纵向粘贴。在不变力的情况下，这些金属丝是等截面、等长度、等阻值的，因此，电桥平衡，无输出信号。在金属圆柱体受到拉力时，则圆柱体被拉长，圆柱体截面积变小，截面周长变短。那么，贴在圆柱表面的电阻丝，按纵向粘贴的就变为细而长，阻值变大，而横向粘贴的则变为短而粗，阻值变小。于是电桥有信号输出，该信号大小与所受压力成正比。电桥输出信号经放大后，送入单片机进行处理。5.5.2 制动力传感器接口电路汽车制动力传感器的输出信号为差动信号。输出电压为毫伏级电压。但是该系统选用的 A/D 转换器的输入模拟信号的范围为 02.5V，所以为使得输入信号与 A/D匹配，必须把传感器采集的信号进行放大。然后送入 A/D 转换电路。其接口电路如图 5-6 所示。图 5-6 制动力传感器接口电路在此电路中，RW1RW2，RW3Rf。U1 和 U2 为制动力传感器输出的差动信号。经过调理电路之后，进入 A/D 转换器的电压与传感器的输出压力信号关系如式： 微控制器的 P23 端口直接与其内部 A/D 转换器的 3 通道相连，此时制动力传感器信号送入 A/D 转换器进行 A/D 转换，实现了微控制器对制动力传感器信号的采集。5.6 显示器接口电路与按键电路设计显示和键盘的扫描采用了数码管驱动及键盘控制芯片CH451 ,用CH451 扩展键盘显示接口,具有接口简单、占用CPU 资源少、外围器件简单、性能价格比高等优点,可在各种单片机系统中得到广泛的应用。CH451 的特点:CH451 是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及P 监控的多功能外围芯片。CH451 内置RC 振荡电路,可以直接动态驱动8 位数码管或者64 位LED ,具有BCD 译码或不译码功能,可实现数据的左移、右移、左循环、右循环、各数字独立闪烁等控制功能。CH451 内置大电流驱动级,段电流不小于30mA ,字电流不小于160mA ,并有16 级亮度控制功能;在键盘控制方面,该器件内置64 键键盘控制器,可实现8X8 矩阵键盘扫描,并内置去抖动电路,可提供按键中断与按键释放标志位等功能;在外部接口方面,CH451 可选择简洁的1 线串行接口或高速4 线串行接口,且内置上电复位,可提供高电平有效复位和低电平有效复位两种输出,同时内置看门狗电路Watch2Dog。电路连接如图5-7图 5-7 显示与键盘接口电路5.7 主电路设计系统主题电路设计如图 5-8所示图5-8 系统主题电路第六章 系统软件设计软件设计思想采用模块化编程思想,有主程序模块和各子程序模块构成。子程序包括:信号采集子程序,转换标定子程序,滤波子程序,计算制动距离和制动时间子程序,显示子程序等。6.1 主程序模块主程序主要完成初始化、计算方波的周期T2 、中断的开启和关闭、测试开始和结束的判断并调用各个子程序功能。主程序流程图如图6-1 所示。图6-1 主程序流程图6.2 系统的数据采集模块数据采集是整个测试仪的主要功能，它提供了整个测试系统的数据来源，是本系统设计的重要组成部分。本课题设计中采集的信号主要有：踏板动作传感器信号、制动力传感器信号、加速度传感器信号等。本系统选用的 AT89C52单片机，其丰富的外部中断源以及内部集成的大量的 CPU 外围模块，如：定时器、A/D 转换器等，和系统简洁的指令系统，使得数据的采集模块的软件设计变得非常简单。踏板动作传感器信号属开关信号，由于踏板动作传感器与单片机的 P24 口相连而 P24 口具有中断能力，所以对于该信号的采集方式选用中断方式，即当踏板动作传感器信号状态发生变化时向 CPU 申请中断，在 CPU 响应中断时读入相应的信号状态。中断方式能够及时反映开关量状态的变化，使控制系统及时地对其状态进行处理。制动踏板动作中断服务程序流程图如图 6-2 所示图 6-2制动踏板动作中断服务程序流程图制动力传感器信号、3维加速度传感器信号、温度信号和供电电池电压信号均属模拟信号，经信号处理电路后进入A/D转换器进行A/D转换。为了增加制动过程中系统的响应速度，A/D转换分为两部分：制动过程中的信号采集和非制动过程中的信号采集。其A/D转换中断服务程序流程图如图6-3所示。图6-3 A/D转换中断服务程序流程图6.3 计算制动距离和制动时间子程序利用时间T2 加速度的积分得到各个时刻的瞬时速度,所以制动距离是瞬时速度的积分。即加速度的二重积分就是制动距离。制动时间可以利用定时器定时得到。即:6.4 显示子程序由CH451 初始化子程序、输出命令子程序、键盘中断子程序构成。第七章 总结本文针对目前车辆制动性能检测仪器中所存在的问题和不足进行了分析和研