手刹自动到位检测装置及手刹助力~.doc

广西科技大学毕业设计说明书课题名称 手刹自动到位检测装置及手刹助力装置设计 系 别 职业技术教育学院 专 业 交通运输 班 级 交通 学 号 姓 名 钟奇成 指导教师 伍松 2013 年 7 月15 日一、课题的主要内容和基本要求基本内容：1、系统的总体设计2、助力机构的机械部分设计3、电机的选型，4、各部分电路设计5、软件的编写，6、本系统的的创新性分析7、完成毕业论文。基本要求：通过设计方案论证，设计检测及助力机构，合理选用传感器，单片机型号以及软件算法，使系统能达到一定的精度要求，并完成电路原理图的绘制，以及PCB布线图的绘制，最后完成整个系统的绘制。工作量要求:1、收集与本专题有关设计资料，参考文献不能少于10篇。2、提出初步方案，进行方案论证、机械，电路和算法分析，确定合理的设计方案。3、选择合适的传感器，单片机选型，并对传感器信号的采集算法，信号分析软件的编写。4、绘制传感器布局安装图1号图1张，其它电路原理图，PCB电路布线图若干张。总图量不少于2.5张0号图，全部用计算机绘图。5、设计中所涉及的计算，要求编程，上机调试通过后，打印程序和结果，并按规定附于说明书指定位置。6、翻译一篇英文文献，翻译后，中文字符不少于3000字符。7、毕业设计（论文）说明书1份，字数不少于1.5万汉字。8、设计说明书应包括：目录、中、英文摘要、设计说明、方案论证、计算过程、结论、致谢等。二、进度计划与应完成的工作第1-2周：设计方案论证（确定传感器及单片机型号的选择，传动机械及电机的选型）。第3-6周：进行各单元电路的设计，转向方法第7-9周：测试软件的编写第10-13周：绘图第13-15周：编写设计说明书（字数不少于1.5万字），打印装订。说明书上所有引用公式、参数按规定标注出处。完成包含外文翻译等设计文件、图纸编制及打印。第16周：图纸、设计说明书送审，检查图纸及设计说明书，答辩准备三、主要参考文献、资料1 余志生 主编.汽车理论.北京：机械工业出版社，2005年3月3 王威等编著HCS12微控制器原理及其应用北京航空航天大学出版社 2007年10月4 何立民 主编单片机与嵌入式系统应用河北：河北教育出版社2005年06月5 王宜怀 等著嵌入式系统使用HCS12微控制器的设计与应用北京：北京航空航天大学出版社，2008年03月7 窦振中 编著基于单片机的嵌入式系统工程设计中国电力出版社2008年09月 8 现代汽车新技术以及与转向机构有关的资料四、完成期限第17周，设计部分全部完成，准备答辩摘要 手刹又称为驻车制动，是保证汽车停车后的能够可靠的停在原处的系统，老式的手刹，也就是传统手刹，通过驾驶员对手刹拉杆操作，将人力经过机械进行放大，把车牢牢地刹在原处。但是老式的手刹比较花驾驶员的力气，而且对经常有的驾驶员没有能够将手刹拉紧或者放松到达合适的位置。 这个设计就是为了能够提高手刹的使用的可靠性，从而提高的驻车的安全性。设计中做了手刹的检测装置，就是使用两个限位开关作为检测元件，检测手刹的有没有拉紧到位或者放松到位，如果没有到位，AT89C51单片机根据检测到信号，判断需不需要进行驱动步进电机转动和需要步进电机正转还是反转。完了以后，单片机根据需要控制步进电机进行转动，按要求将手刹拉紧或者放松到位。在拉紧或者放松到位了以后，通过发光二极管进行显示手刹的位置，即手刹是在拉紧的可靠位置还是在完全放松的位置。如果手刹没有达到指定位置，那么两个发光二级管都不会亮，则表明手刹处于不到位的状态。 这个设计实现以后，大大的减少手刹不到位的情况，从一定程度上提高了汽车的停车安全性，也增加了手刹系统使用的正确性。驾驶员能够通过指示灯知道手刹有没有到位。关键词：电动机、单片机、手刹、发光二极管ABSTRACTHandbrake, also known as the parking brake，The system can be reliably stopped at the same place is to ensure that after the car parking。Old-fashioned handbrake, which is the traditional handbrake，Operation by the driver on the hand brake levers，The manpower through mechanical amplification, the car brakes firmly in place。But the old-fashioned handbrake compare the drivers effort to spend, but also often some drivers have not been able to tighten or loosen the handbrake reach the right place.This design is to improve the reliability of the handbrake can be used to improve the security of the parking。Do a handbrake design detection device that uses two limit switches as the detection element, there is no tension detection handbrake place or place to relax。If there is no place，AT89C51 microcontroller according to the detected signal is not required to determine the need and the need to drive a stepper motor stepper motor rotation forward or reverse。After finished, microcontroller based on the need to control the stepper motor to rotate as required to tighten or loosen the handbrake place。Tighten or relax in place in the future, to display the position of the handbrake by light-emitting diodes, that the handbrake is still in complete relaxation in a reliable location taut position。If the handbrake did not meet the specified location, then two LEDs are not lit, it indicates that the handbrake is not in place in the state。After the realization of this design Greatly reduce the handbrake is not the case in place，improving the safety of the car from the parking to some extent, also increased the accuracy of the handbrake system used。Driver through the handbrake indicator that there is no place。Keyword：Electric motor 、 SCM 、 Handbrake 、 Light-emitting diode目录一、课题的主要内容和基本要求II二、进度计划与应完成的工作II三、主要参考文献、资料III四、完成期限III摘要IVABSTRACTV目录VI第1章 绪论- 1 -1.1、引言- 1 -1.2、手刹的现状与发展- 1 -1.3、研究内容- 1 -1.4 课题的研究意义- 2 -1.5 本课题的研究方法和任务- 2 -第2章 课题论证及方案论证- 3 -2.1 课题的主要内容和基本要求- 3 -基本内容：- 3 -基本要求：- 3 -2.2操作开关的选择- 3 -2.3 单片机的选择- 4 -2.4 驱动步进电机的选择- 4 -2.5 传感器的选择- 4 -第3章 系统总方案的设计- 6 -3.1 概述- 6 -3.2 功能要求- 6 -3.3 装置的整体设计- 6 -3.4 单片机的选择- 7 -3.5 电动机的选择- 8 -3.6 传感器的选择- 8 -3.7 手刹自动到位检测装置及助力装置- 9 -第4章 系统硬件的设计- 10 -4.1 硬件电路设计的主要问题- 10 -4.2 检测电路的设计- 10 -4.3 显示电路的设计- 11 -4.4 步进电机的驱动电路设计- 12 -4.5 解锁电路的设计- 14 -4.6 复位电路的设计- 14 -4.7 电源转换电路- 15 -4.8 PCB板的制作- 16 -第5章单片机单元的软件设计- 17 -5.1 概述- 17 -5.2 手刹状态的检测软件设计- 17 -5.3 步进电机正反转控制软件设计- 18 -53 棘轮锁止装置的解锁软件设计- 19 -5.4 步进电机驱动脉冲的生成程序的设计- 20 -5.5 系统的总体软件设计- 21 -第6章 本系统的的创新性分析与展望- 23 -6.1 本系统的创新性分析- 23 -6.2 展望- 23 -致谢- 25 -参考文献- 26 - 27 -广西科技大学2014届毕业设计说明书第1章 绪论1.1、引言在改革开放以后，特别是21世纪之后，我国汽车工业飞速发展，汽车上应用的电子设备也在不断的发展，汽车电子产品市场在以40%的速度在增长，车身电子产品占汽车产品的市场占有率达到35% 40%。现在汽车电子的热门应用的前三位是汽车空调、电动车窗控制、汽车灯光控制，但是电动手刹并没有收到多大关注。然而手刹却是驻车主动安全的重要部分，在驻车时发挥着及其重要的作用，其次在城市道路的日益拥堵，尤其在立交桥上堵车时，手刹的使用就尤为重要。 随着人人们的物质和精神文明的不断发展，不断提高，人们对汽车的安全性和操纵性提出了更高的要求。尤其是我们对汽车的主动安全性更是有更大的讲究，其次是人们对汽车的操纵性也提出了新的要求，不再愿意花大力气去驾驶汽车。而且随着经济发展，现代女性驾驶者越来越多，对汽车的操纵性有着更严格的要求。特别是在手刹上，很多女性驾驶员在操作手刹的时候，在传统手刹中，经常没能拉到位或者很艰难的释放手刹。手刹是主动汽车安全的一个部分，尤其是停车时的重要性更突出。手刹的使用频率也是非常的高，那么对手刹的研究也是很重要的。优良的手刹系统，对于驻车时的主动安全性尤为重要。良好的手刹，也使操纵性得到了很大的提高。所以良好的手刹系统也是为汽车加分的一个重要点。1.2、手刹的现状与发展 现在，中国的大多数汽车设备手制动仍采用传统的纯机械手系统，由手刹杆，拉线，刹车蹄，等。传统的手刹系统是由纯机械的装置组成，依靠驾驶员的体力进行操纵，在上坡路段对驾驶者的操纵水平要求较高。如果驾驶者没有能够熟练控制离合器和手刹，那么很容易在坡道上熄火甚至发生后溜，而造成交通事故。就现在中国汽车市场而言，在中高级轿车上已经安装配备了电子控制的手刹系统，例如近期才逐步上市的一气大众的全新迈腾。配备了电子手刹系统的汽车，在操纵性上得到了提高，驾驶员不需要花费很大的力气去操纵手刹，而且大大的减少了在上坡道路上熄火的状况。1.3、研究内容 由于传统的手刹使用的是驾驶员的体力进行驻车制动，通过机械进行放大来传送制动力来实现驻车刹车，费时费力，并且可靠性不是很高。特别是在坡道的时候，如果没有足够的力来驱动手刹，那么车体就可能发生后溜，这样子非常危险，容易引发交通事故。本课题的研究内容就是按照需要将传统手刹的拉杆改成按键控制。在用手刹车，只有通过操作键开关，电机控制，收紧和放松手刹。该装置不仅省力，还可以在较短的时间里产生足够的制动力，并且能够判断手刹是否牢靠。就算是在斜坡道上，也能够用很小的力来实现可靠的驻车制动力，在斜坡道上释放手刹时也只需要通过按键来实现，用较小的力就可以轻松实现。总之，这个装置从一定程度上提高了汽车的操作性，也对汽车驻车是的安全性带来很大的提高。1.4 课题的研究意义当前，国外汽车工业比较发达，各项电子技术遥遥领先领先我国技术水平，在部分高级轿车上已经成功的安装智能电子手刹。随着现代智能控制技术、电子技术、计算机技术的飞速发展，为智能电子手刹的设计和应用提供了很大的背景条件。出于知识产权的保护，国外的各个对电子智能手刹的研究部门很少公开发表各自的研究内容，尤其是关键技术，所以可以参考的先进的文献资料比较少。我国对电子智能手刹的研究比较少,应用在汽车上的就更加少了，几乎为零,仍处在较低水平阶段，没有成熟的产品能够应用在实际当中。对手刹自动到位检测装置及助力装置的研究，与汽车发展中的安全主题适应的，对提高我国汽车工业的技术水平，缩小与海外汽车强国的距离，有一定的作用和意义。1.5 本课题的研究方法和任务对于手刹自动到位检测装置及助力装置系统来说，关键部分就是单片机，如果关键部分出现问题了，那么整个系统将会崩溃，无法进行工作，所以单片机运行的稳定性和可靠性是非常关键的。在这个课题的设计里，选择使用的单片机是AT89C51单片机。分析了手刹自动到位检测装置及助力装置的整体结构，设计了基于AT89C51的电子控制单元。全面分析了手刹自动到位检测装置及助力装置系统的控制，并运用proteus软件进行仿真。依据手刹自动到位检测装置及助力装置系统的控制策略，进行软件系统的设计。第2章 课题论证及方案论证2.1 课题的主要内容和基本要求基本内容：1、 手刹位置的检测。2、 检测手刹开关的状态，可以控制助力电机进行手刹的操作。3、 各部分硬件的设计。4、 软件的编写。5、 本系统的创新点分析。6、 完成毕业设计。基本要求：通过方案论证的设计，合理的选用合适传感器，单片机的型号和测试软件的算法，使得手刹的操作安全、可靠、便捷，并完成系统的电路的原理图绘制，以及系统的PCB布线图的绘制，和驻车制动的部件机械图的绘制，最后完成整个系统的绘制。2.2操作开关的选择根据了解，手刹自动到位检测装置及助力装置的操作开关类型主要有拉杆式控制方式和按键式控制方式这两种形式。在底下我将对这两种操作方式进行简要的分解剖析。方案一： 该类型的驻车制动装置在使用驻车制动系统时，当需要拉紧手刹的时候，将拉杆往上拉，此时，根据拉杆开关的行程信号的不同，进行控制电机工作，从而产生不同的制动力矩，直至行程最大，产生最大的制动力矩为止，接着保持最大制动力矩。解刹时，驾驶员通关按下转换开关，再将手刹拉杆拉起，控制电机反转将手刹完全释放。此类方式的手刹自动检测装置及助力装置系统的传感器，开关较多，系统较为复杂，对单片机的要求高等。方案二： 该类型的驻车制动装置在使用驻车制动系统时，当需要拉紧手刹的时候，将开关打到拉紧位置即可，此时开关向控制单元输送信号，控制单元根据预设的情况控制助力电机工作，将手刹拉紧。当需要释放手刹的时候，将手刹开关打到解刹的位置，此时开关向控制单元输送解刹信号，控制驻车系统进行手刹的释放。此类手刹自动到位检测装置及助力装置，操作开关较少，传感器较为简单，也相对较少。所以选用按键式开关。2.3 单片机的选择方案一 采用MSP430F449芯片作为系统硬件的核心部件，使用的是FlashROM，芯片内部还有4KB ROM的存储空间，可以在1.8V-3.6V的超低电压工作，合适在手设备使用。然而它的编程的环境比较复杂，编程的风格和MS-51的出入比较大。在MSP430单片机编程比在MS-51复杂，所以不要用MSP430F449。方案二：AT89C51单片机是美国ATMEL公司退出的AT89C51X系列的单片机的一个型号。包含的功能部件有：（1）中央处理器（CPU）；（2）数据存储器（RAM）；（3）程序存储器（4 KB FlashROM）；（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）1个全双工串行口；（6）2个16位定时器/计数器；（7）中断系统；（8）特殊功能寄存器（SFR）；其次还有中断系统（具有有5个中断源，2级中断优先权）；定时器/计数器：片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式；串行口：一个全双工的串行口，具有4种工作方式【1】。在那么多的51单片机产品系列里面，AT89系列的单片机已经在中国得到了大范围的使用，已经得到了大家的认可。AT89系列单片机是美国ATMEL公司的8位Flash单片机产品。能够在-55至125的环境温度下工作，任意管脚的工作电压极限为-1.0V至7.0V，最高工作电压为6.6V。此外AT89C51单片机与标准MCS-51，故兼容编程也较为简单。所以选择这个方案。2.4 驱动步进电机的选择 方案一：反应式步进电机，在定子上面有绕组，转子是由较软的磁性材料组成。结构也较为简单，成本较低、步距较小，精度可以达到1.2。但是反应式的步进电机效率低，动态效能不好，发热性也较大，可靠性难以保证【3】。 可靠性较低，不能满足汽车的安全性，所以不能选用。方案二：永磁式步进电机，该类型的步进电机，转子由永磁性材料做成【3】。转子的和定子的磁极数都是相同的。这种类型的步进电机它的动态效能比较好，输出的扭矩也较大，但是这种步进电机的精度比较差，步距角比较大（一般是7.5-15）。但是手刹系统中，对步进电机的精度要求不是很严格，需要的扭矩相对来说较大，所以选择永磁式步进电机。2.5 传感器的选择 方案一：非接触式光电传感器 ，该类型的传感器是将光电信号转换成电信号，检测手刹拉紧的情况，并像单片机输送手刹位置的信号，以便于单片机根据信号做出相应的处理【2】。光电传感器具有高精度、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式也比较灵活多样【2】。方案二： 接触式限位开关，只需要通过机械触碰，将开关闭合，向单片机输送一个电平信号，单片机能根据该电平信号做出相应的控制以满足系统的功能要求。接触式限位开关替代了复杂的传感器，这从一定程度上降低了系统的故障率，也降低了成本，这和该系统的设计理念“简单、便捷、低成本”相符合，降低了系统的成本，也使得该系统能够更广泛的应用。所以选择限位开关代替复杂的传感器。第3章 系统总方案的设计3.1 概述手刹自动到位检测装置及助力装置是依据驾驶员操作手刹开关来控制手刹。通过信号开关，想单片机传送信号，单片机根据开关传送来的信号进行判断，然后控制步进电机，并且经过减速装置减速后驱动手刹齿轮从而带动手刹拉线，实现对手刹的控制。在此同时，手刹的两个位置传感器也将对手刹的位置状态进行检测，并且在手刹指示灯上显示手刹状态。3.2 功能要求手刹自动到位检测装置及助力装置的主要功能有两个。1、完成可靠的驻车制动；2、对手刹刹车状态进行检测及相应的处理。手刹刹车功能的实现，在往后拨手刹开关时，向单片机传送刹车信号，按照预设的位置，控制步进电机转动，直至手刹齿轮运动到预设位置，产生可靠的制动力，然后停止工作，由手刹自动锁止棘轮锁止，保持可靠的驻车制动力。如果在手刹没有拉到预设最大位置时，即位置传感器没有检测到手刹拉到可靠的刹车的位置，那么步进电机扔继续工作将手刹拉紧到预设位置，保证可靠的刹车。解刹时，驾驶员通过往前拨手刹开关，向单片机传送解刹信号，控制步进电机按拉紧的方向工作，与此同时，控制解刹电磁离合器，将手刹自动锁止棘轮的锁止装置解锁，释放手刹。手刹刹车的状态检测，在手刹拉紧到预设可靠刹车位置时，由位置开关向单片机输入刹车可靠位置信号，此时红灯亮。在解刹时，当手刹释放到完全释放状态时，由位置开关向单片机输入完全释放刹车的信号，此时绿灯亮。3.3 装置的整体设计为了能够实现手刹的自动到位检测装置及助力装置的功能要求，该系统中需要用到一片单片机进行控制。单片机在用来接收驻车制动开关的信号，并根据制动开关的信号，实现对步进电机的控制。其次单片机根据手刹位置传感器传来的信号，停止电机的工作的同时，控制指示灯。当手刹处于可靠刹车状态时，控制红色指示灯亮，当手刹处于完全放松状态时，绿色指示灯亮。当驾驶员操作手刹开关时，手刹开关通过I/O口向单片机输送信号。如果单片机检测到的信号是刹车信号，那么单片机认定是刹车状态，将通过I/O口发送步进电机的控制信号，使得步进电机正转，将手刹拉紧至预设可靠位置。当手刹到达预设可靠位置时，由位置传感器向单片机输入刹车可靠信号，使得单片机中断步进电机的控制，并跳转至控制红色指示灯亮。当单片机检测到是释放手刹的信号时，那么单片机认定是解刹状态，将通过I/O口发送步进电机控制信号，使得电机正转一个小的角度，与此同时，通过另一I/O口，接通电磁离合器，将棘轮锁止装置解锁，当手刹在正转时到达手刹拉紧可靠位置时，电机停止工作。当手刹完全释放时，单片机控制绿指示灯亮。系统的整体的设计框架图如下 图2-1 所示AT8951单片机步进电机手刹开关位置开关指示灯图213.4 单片机的选择 AT89C51单片机是美国ATMEL公司退出的AT89C51X系列的单片机的一个型号。包含的功能部件有：（1）中央处理器（CPU）；（2）数据存储器（RAM）；（3）程序存储器（4 KB FlashROM）；（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）1个全双工串行口；（6）2个16位定时器/计数器；（7）中断系统；（8）特殊功能寄存器（SFR）；其次还有中断系统（具有有5个中断源，2级中断优先权）；定时器/计数器：片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式；串行口：一个全双工的串行口，具有4种工作方式。图3-2 AT89C51单片机双列直插封装方式的引脚3.5 电动机的选择 步进电机要根据单片机的指令也就是单片机产生的脉冲，按要求进行正转或者反转，将手刹驱动到指定位置。根据系统的工作要求，该系统选择的是永磁式步进电机。该类型的步进电机，转子由永磁性材料做成。转子的和定子的磁极数都是相同的，这种类型的步进电机它的动态效能比较好，输出的扭矩也较大。由此可知永磁式步进电机的效率高，没有励磁耗损等特点，另外步进电机的体积也较小，便于安装。通过综合考虑，我们这个系统选择的是永磁式步进电机，永磁式步进电机的主要参数如下。额定电压12V最大助力电流30A额定转矩20Nm额定转速500rmp电枢绕组电阻R0.50欧电感系数L150uH电枢反电势常数K0.02Vs/rad转矩常数K0.05N .m/A表3.1 步进电机参数3.6 传感器的选择在手刹自动到位检测装置及助力装置系统中，手刹的自动到位的检测是主题之一，那么承担检测任务的就是传感器了，传感器的选择至关重要。那么在这个系统中，处于“简单、便捷、低成本”的设计理念，我们选择的传感器最好是简单的，成本低的，但是又不能影响系统的可靠性。从各方面考虑，结合系统的特点，我们选择了接触式的限位开关作为检测的部分，由限位开关替代了传感器的作用。这样系统的成本大大的降低了，由于限位开关属于机械式开关，所以限位开关的可靠性也是很高的。以下是限位开关的实物图和原理图：图3-3 限位开关实物图3.7 手刹自动到位检测装置及助力装置1）、单片机的确定：AT89C51单片机2）、电动机的确定：永磁式步进电机3）、传感器的选择：限位开关作检测第4章 系统硬件的设计4.1 硬件电路设计的主要问题硬件电路的设计，在功能上主要分为三部分：1、手刹位置检测电路的设计；2、操作开关电路的设计；3、电机的驱动电路的设计。综合各部分的电路的总体考虑，该系统较为简单，安装等方面要求难度不高，因此只需要将系统安装在一块板上就行了。该章开始以刹车的工作情况，按工作顺序的流程介绍操作开关电路，限位开关电路，电机驱动控制电路。在这个过程中，也讲述刹车与解刹的一些不同之处。最后大概介绍PCB板的设计与制作。4.2 检测电路的设计 再改系统中，采用开关作为信号输入电路，也就是说，该系统不采取复杂的传感器作为信号输入电路。仅仅是用开关作为信号输入，这样很大程度的降低了系统的故障率，以及系统的可靠性得到了一定程度的提高。而且该系统采用的是限位开关作为输入电路，取代了传感器的位置，从而降低了该系统的成本，系统简化了，那么系统的维护与修理也很大程度上的降低了要求。那么，电路的设计永远是这个系统中的主题，以下是检测电路的原理图。图4-1 检测电路的原理图如图4-1，现将连接单片机p1.2口的开关命名为A，连接单片机P1.3口的开关命名为B。A、B开关的另一端连接着电源的正极Vcc。现在将进行A、B的功能进行介绍。开关A作为拉紧状态的检测电路输入，当我们拉紧手刹的时候，如果在拉到位的情况下，手刹棘轮上的拨片将触碰到限位开关A，那么此时，通过开关A将电源正极的高电平输入单片机，单片机收到该高电平信号时，说明手刹已经拉紧到位，如果没有收到该开关传来的高电平信号，则控制步进电机进行正转拉紧手刹，使手刹拉紧到可靠位置。一旦拉紧到可靠位置后，步进电机停止工作，由机械锁止手刹，将手刹保持在可靠位置。开关B作为手刹释放到位的检测输入电路，当驾驶员释放手刹时，一旦释放到位了，那么手刹棘轮上的拨片则会触碰到开关B，使得开关B接通。当开关B接通了之后，电源的高电平信号则通过开关B输送到P1.3口，此时单片机接收到手刹释放到位了的信号，将不进行工作。但是如果驾驶员比较粗心大意，没有将手刹释放到位，也就是说，棘轮上的拨片没有压到开关B，开关B处于打开状态，单片机没有接收到手刹释放到位的信号，那么单片机将进行反转，将手刹释放到位。但是在手刹释放的时候，存在着一个问题，就是手刹棘轮的锁止的解除，如果手刹棘轮锁止没有解除，那么电机就不能带动手刹将手刹释放到完全释放的位置。在以后的内容将会介绍到手刹的棘轮锁止的解除。检测电路的总体介绍将到此结束，那么关于单片机怎么判断需要电机正转还是反转，其实也很简单，当我们手刹在拉紧可靠位置时，开关A接通，即P1.2口为高电平。在驾驶员释放手刹的时候，这个高电平消失，为低电平，那么单片机可以根据电平转化的信号，判断手刹是需要拉紧还是需要放松，也就是判断电机是需要正转还是反转。在拉紧手刹的时候，单片机的判断也是一样的，不过拉紧的时候是检测开关B的电平的转变，原理都是一样的。4.3 显示电路的设计由于该系统采用限位开关代替传感器作为输入电路，而且该系统的设计理念为“简单、便捷、低成本”。因此，这个系统的显示装置，并不采用很美观或者很有技术要求的显示装置。这个系统仅仅采用两只发光二极管作为显示装置，其中一只为绿色发光二极管，另一只为红色发光二极管。根据人们的常识及习惯，我用绿色的发光二极管作为手刹完全释放的显示装置，用红色的发光二极管作为手刹拉紧到可靠位置的显示装置。那么该系统的显示装置的电路就很容易设计了。以下是显示电路的示意图：图4-2 显示电路的原理图 如图4-2，我们可以很容易得知，当驾驶员拉紧手刹到达可靠位置时，开关A闭合，那么红色发光二极管正极接通电源正极，那么红色发光二极管就会亮，表示手刹已经拉到可靠位置。当驾驶员释放手刹到完全释放位置时，开关B就会闭合，那么绿色房管二极管的正极接通电源的正极，此时绿色发光二极管就会亮，表示手刹已经释放到完全放松的位置。驾驶员可以随时简便的看到手刹的状态。4.4 步进电机的驱动电路设计步进电机是手刹自动到位检测装置及助力装置系统的执行元件，步进电机的控制电路在该系统中至关重要。单片机和步进电机的功率接口之间只要两条控制线：一条用于输送步进脉冲（CP），另一条用于输送控制旋转方向的电平信号【3】。该系统中含有一个脉冲分配器，该脉冲分配器是CH250，它能将单一路的脉冲信号转换成多相循环的脉冲，它有一路脉冲输入，却有多路脉冲输出。在一个个的脉冲输入的时候，各个输出电路输出电压轮流的变高与变低。CH250有U、V、W三路脉冲输出，如果用的是但三拍运行的方式，那么单片机会把一个又一个的脉冲输入CH250，三路脉冲输出电压将会按照U-V-W的顺序轮流的变高变低输出。由于步进电机需要的功率较大，而脉冲分配器的输出电压较低，不能满足步进电机的需要，那么这时候，电机的输出电路还需要一个功率放大电路。CH250输出的三个分路脉冲，要通过功率放大器放大之后向步进电机供电，那么步进电机就能够一步接一步的工作。但是我们的步进电机并不是只有一个工作旋转方向。这时候还需要使用到脉冲分配器的控制旋转方向的一端。可以根据控制旋转方向端是高电平还是低电平来控制脉冲的输出，以达到控制三路输出电压的效果。我们定电压的变化为U-V-W-U.是正转，控制旋转方向端的电平为低电平，那么当控制旋转方向端的电平为高电平时，电压的变化为U-W-V-U.。CH250的脉冲来源于单片机，同样，控制旋转方向端的电平信号也是来自单片机。那么这时候我们可以用单片机的P2口作为输出口，使用AT89C52单片机的P2.0作为步进脉冲信号的输出端，P2.1作为控制旋转的电平信号的输出端。用单片机产生脉冲的方法其实也并不难，我们只需要先对单片机的P2.0进行清零，在经过一定的时间周期之后，再对P2.0进行置位就完成了一个脉冲，如此循环，就会产生一个一个的脉冲信号向CH250输送。当我们需要步进电机正转时，我们只需要单片机对P2.1进行清零，那么CH250输出脉冲为U-V-W-U；当我们需要步进电机反转时，我们就对P2.1进行置位，那么CH250将输出U-W-V-U.的脉冲。以下是步进电机控制电路的系统的组成，如图脉冲方向控制CH250功率放大器 步进电机负载图4-3 步进电机控制系统示意图图4-4 用AT89C51来驱动步进电机的电路原理图4.5 解锁电路的设计解锁电路的设计，其实是比较简单，我们利用AT89C51单片机的P3口的P3.0进行控制。我们利用P3.0口输出一个电平，控制三极管的导通或者截止，来实现对解锁电路继电器的控制，当三极管处于导通状态下时，那么解锁电路继电器得电，使得继电器内开关闭合，电磁开关工作将棘轮锁止装置进行解锁。当三极管处于截止状态时，继电器不得电，那么电磁开关不工作，棘轮锁止装置处于自由锁止状态。那么三极管的导通和截止，是由P3.0决定的，那么我们设置当P3.0输出高电平时，三极管处于导通状态。当P3.0输出为0时，三极管处于断路状态。解锁电路的原理图如下：图4-4 解锁电路的原理图4.6 复位电路的设计在单片机工作过程中，单片机有时候也会出现跑飞的情况，如果出现这种情况，我们需要对单片机进行复位，那么我们就需要给单片机加上一个复位电路。一下是复位电路的电路原理图。如图所示：图4-5 复位电路原理图4.7 电源转换电路 AT89C51单片机的任何一个引脚的工作的极限电压为-1.0V至7.0V，能承受的最高的工作电压为6.6V。但是汽车上的蓄电池电压为12.5左右，而且当发电机对外输出的时候，电压达到.。由汽车上的两个电源电压可知，汽车的电源明显不能够直接给单片机供电，必须要经过电源转换电路进行电压转换。系统的电压转化电路原理图如下图：图电源转化原理图4.7 系统传动装置的设计 传动装置的设计虽然在手刹自动到位检测装置及助力装置中属于次级设计，但是在这里也需要进行一定的简单的设计及计算。该系统中，将手刹拉杆末端与传动机构的从动齿轮用螺杆将手刹拉杆从动齿轮连接，这样传动机构的从动齿轮可以看作和拉杆式一体的。传动机构的主动齿轮选用小齿轮，通过键连接在步进电机的输出轴上。那么步进电机的输出轴上的小齿轮将随着步进电机的转动而转动，而传动机构的从动齿轮与主动齿轮进行常啮合，那么步进电机产生的扭矩将会通过传动轴到主动齿轮再经过从动齿轮带动手刹旋转到指定位置。步进电机图4-7 手刹助力传动机构的示意图4.8 PCB板的制作 Proteus是一个很不错的电子制作工具，它能够进行仿真。在作原理图的时候，可能元件库中没有你想要的元件，这时候你需要自己画元件图。在画好原理图之后，可以把元件自动编号，如果有特殊需要，我们可以根据需要，更改需要更改的元件编号。在编号完成后，用 TOOLS中的ERC来检查，它会检查出有没有编号重复的元件等错误。检查完成后，如果没有错误，就可以进行封装了。同上，如果有些元件在PCB库中没有，或者是和PCB库中的元件不一样，那么这就需要我们根据电路原理图和实际元件的尺寸来进行对引脚标号，做出正确的封装。在封装好所有元件后，能够生成一个元器件的清单，在清单中，能够清楚的看到元器件的编号和封装的代号，在对清单进行检查后就可以进行网络表的建立。在禁止布线层作为边界绘制电路板和网络规模的大小，然后到先前建立的，到正确的网络图，开始正式布局。根据连接的原理图，在框中适当的位置的部件，布置工作后，必须先确定好线的安全距离的大小为10 mil，布线层底部，使用的线宽是25mil，把焊接点的外径改成40mil，把内径改成20mil（有特殊需求的，将按要求进行修改）。接下来就是正式的布线了，布线不能够全部依赖系统的自动布线，有的需要根据电路原理图进行手动布线，这样使得整块板看起来整齐美观一些。如果在布线的时候，遇上有些线步不通的时候，我们可以采取短的跳线调整来完成布线，从而完成对整个PCB板的整体设计。第5章单片机单元的软件设计5.1 概述在前面的章节内容当中，介绍了手刹自动到位检测装置及助力装置系统的硬件的设计，以及相应控制的策略。但是前面的这些硬件的系统及设备的设计，是能够将设计实现出来的物理条件，最终的策略控制的形式还是要归结在系统相应的控制软件。所以系统的控制软件的设计，是整个设计的主题、核心，在该系统的设计当中占着很重要的地位。按照前面设计的功能要求和硬件电路设计的思路，软件系统部分要实现三个功能，1）、对手刹状态的检测；2）、对步进电机的控制；3）、对棘轮机械锁止装置的解锁的控制。底下我将会对这三个部分进行详明的分解剖析。5.2 手刹状态的检测软件设计 在手刹状态检测系统中，我们取手刹拉紧为初始标准位置。由硬件电路决定了手刹状态的检测软件，在驾驶员没有上车之前，手刹是处于拉紧在可靠位置，此时开关A处于结合状态，P1.2是高电平，我们取这时的信号为基准信号。当驾驶员要启动车子，那么必须要释放手刹，驾驶员在释放手刹的时候，由于拨片不再压着限位开关，开关A将会断开，那么P1.2将会失电，变成低电平。在这个操作的过程中，单片机的检测系统必须要能检测得出P1.2由高电平转化成低电平。同理得出，在驾驶员将车停稳后，将手刹拉起。那么手刹在拉起时，拨片也跟着离开开关B，拨片不再压着开关B，开关B就会断开，那么P1.3就会失电，变成低电平。在这个拉紧的过程中，单片机检测到P1.3由高电平转化为低电平。最终通过P1.2、P1.3这两个口的电平变化，判断出手刹是在拉紧的过程还是在释放的过程。并将结果保存到数据存储器中。检测程序流程图如下：图5-1 检测程序流程图5.3 步进电机正反转控制软件设计 根据检测电路的检测，如果起始时P1.3=1，说明手刹初始位置处于完全放松位置。当驾驶员将手刹拉起，使得P1.3=0，那么系统判断为手刹为拉起状态，则说明手刹这时候需要拉紧，如果驾驶员没有能够将手刹拉到指定可靠位置时，P1.2=0，那么系统检测到手刹没有拉紧到指定位置，那么单片机就要控制步进电机介入工作，将手刹拉紧到可靠的位置才可停止，此时单片机P2.1需要向脉冲分配器输送低电平信号（P2.1=0）。如果起始时P1.2=1，说明手刹初始位置处于拉紧位置。当驾驶员要启动车子，将手刹释放时，使得P1.2=0，那么系统判断手刹为放松状态，如果手刹没有完全放松到位，那么此时P1.3=0，说明手刹没有完全放松，这时需要单片机控制手刹介入工作，使得手刹释放到完全放松状态。此时单片机P2.1需要向脉冲分配器输送高电平信号（P2.1=1）。步进电机正反转控制软件流程图如下图：图5-2 步进电机正反转控制软件流程图53 棘轮锁止装置的解锁软件设计 棘轮解锁操作只存在于释放手刹的时候，在驾驶员释放手刹的时候，驾驶员通过按钮按下将手刹机械锁止装置解锁，而且也将手刹放下，那么这时候P1.2的电平就会由高电平变成低电平。也就是检测电路的检测结果为R1=1，这时候单片机将P3.0置1，即P3.0=1，向外输出高电平，使得三极管导通，进而继电器得电，将开关闭合，电磁开关得电，将铁芯吸下来，从而将机械锁止装置保持在解锁位置，直到手刹释放到完全释放位置，即P1.2=1，单片机对P3.0口清零。三极管截止，电磁开关停止工作。解锁软件的流程图如下图：图5-3 电磁开关控制程序的流程图5.4 步进电机驱动脉冲的生成程序的设计 在该系统中对步进电机的要求较低，只需要步进电机带动手刹拉紧或者放松到指定位置就行。在手刹没有到位的情况下，单片机源源不断的产生脉冲往脉冲分配器输送。当手刹到位以后，单片机则停止向脉冲分配器输送脉冲。脉冲的生成程序的流程图如下图: 图5-4 脉冲的产生程序流程图5.5 系统的总体软件设计 AT89C51单片机在得到电以后，最开始要进行系统的初始化，包括有定时器的工作的方式和P1口的P1.2、P1.3设置为“读引脚”工作的方式等。初始化结束后，如果系统正常，那么单片机将进入手刹自动到位检测及控制。主程序的流程图如图5-4所示。图5-5 主程序的流程图第6章 本系统的的创新性分析与展望6.1 本系统的创新性分析手刹自动到位检测装置及助力装置作为一项新的技术，它所涉及的技术面比较广，包括了汽车工程、电子、电力驱动、控制器、传感器、现代控制理论等等诸多方面的技术。这电动手刹和手刹自动到位检测装置及助力装置方面，研究的还是比较少，也许是人们觉得机械的手刹更可靠？在一个较少人研究的领域里，需要解决的问题自然就很多了。所以对该领域的研究和开发，必须要循序渐进，不能急功近利，也不可能一蹴而就。可靠的手刹能够提高汽车的驻车主动安全性。那么手刹自动到位检测装置及助力装置的设计，就是为了提高汽车手刹的可靠性，进一步提高汽车的手刹的使用的准确，提高汽车的驻车的安全性。电动手刹系统在国外已经有了较成熟的产品已经批量投入生产与装备，然而电动手刹目前仅仅是应用与中高级轿车，在普通级轿车上没有得到应用。但是在国内，关于只能手刹及电动手刹的研究扔处于一个初级阶段，这和国内汽车设计和生产的工业水平有关。本文借鉴了国内外的关于手刹的研究以及最新研究成果和研究方向，该系统的研究详细的总结分为一下几个方面：1） 介绍了国内外对手刹的研究的现状，发展的趋势和对手刹系统的研究的意义。手刹自动到位检测装置及助力装置系统是根据手刹的使用情况，检测手刹是否到位，并根据检测结果对手刹进行补偿驱动的一种装置。该系统降低了手刹的操作失误率，提高了手刹的可靠性，进而提高了汽车的驻车安全性。该装置是介于智能手刹及传统机械手刹的一个过渡产品，但是它的技术新颖性和低成本的特点，有较高的性价比，在普通级轿车及轻型车上将会很受欢迎，从而得到广泛的装备与应用。2） 通过查阅了和手刹