毕业设计210设计一个空气悬架控制系统使车身高度调节范围.doc

目 录第一章 绪论31.1 研究意义31.2项目的背景31.3主要设计要求3第二章 总体方案42.1控制方案42.2设计方案42.2.1 控制单元42.2.2 车高检测元件的设计52.2.3 输入通道的设计52.2.4 执行单元设计52.2.5 输出通道的设计52.2.6 外围电路的设计52.3 总体框图设计6第三章 PID控制算法73.1 PID控制技术73.2 PID参数的整定9第四章 硬件系统组成124.1 主机系统的设计124.1.1ATMEL89C51单片机124.1.2. 89C51的性能及特点124.1.3 89C51最小应用系统144.2 车高检测单元的设计164.2.1车高控制传感器的结构与工作原理174.2.2车高控制传感器电路检测184.3 前向通道的设计194.3.1 ADC0809转换器194.3.2 ADC0809结构及转换原理194.3.3. MCS-51与ADC0809的接口204.3.4 芯片74LS373204.4 执行单元的设计214.4.1 主要特征214.4.2 线圈结构214.4.3 控制方式214.5 外围电路的设计224.5.1 显示器的选择224.5.2 键盘的选择244.5.3 报警系统26第五章 软件设计275.1 主程序模块设计275.2 中断服务程序285.3 PID控制算法程序设计295.4 显示子程序设计305.5 数字滤波子程序设计305.6 采样子程序设计32第六章 结束语33参考文献34附 录35第一章 绪论1.1 研究意义汽车悬架系统决定着汽车的稳定性、舒适性和安全性，是现代汽车十分关键的部件之一。空气悬架系统具有以下优点：1)空气悬挂刚度低。装备空气悬挂的车辆可以获得较低的固有频率，行驶平顺性好，乘坐舒适，车辆使用寿命长，减轻车辆对路面的破坏；2)空气悬挂刚度呈非线性且可调节。刚度随着车辆载荷的变化而变化，不论空载或满载悬架的固有频率基本保持不变，另外车身姿态急剧变化时，可以使弹簧变硬，以抑制车身姿态的变化；3)空气悬架高度可调。不论是否载重，装载是否均匀，车身均可在一定高度保持水平，还可根据需要抬高或降低车身高度，以提高车辆的通过或方便乘客上下车；4)空气悬架质量轻，可以减轻车辆自重；5)空气弹簧噪声低，寿命长。因此，汽车采用空气弹簧悬架取代原有的钢板弹簧悬架是今后的发展方向。目前，空气悬架已经由机械控制式逐步发展成为电子控制式，如Audi A6旅行车、日本丰田生产的凌志LS400轿车、Benz公司生产的S系列2000型轿车和美国Lincoln 轿车、Ford 轿车均装备了电子控制的空气悬架系统。在汽车悬架系统方面，我国除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟以外，其它的悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进或直接购买产品阶段。我国拥有空气悬架项目的公司为数众多，但真正拥有空气悬架系统设计开发、制造能力的寥寥无几，规模也十分有限。目前国内具有代理性质但无实际设计能力的公司居多，主要以代理美国、德国、韩国、日本产品为主，公司规模一般不大，产品有限。因此，汽车空气悬架智能控制器的研制对我国汽车工业的发展和东北老工业基地的建设具有重要意义。1.2项目的背景本项目的设计的北京来源于校内基金汽车动态悬挂控制系统的研究。1.3主要设计要求设计一个空气悬架控制系统，使车身高度调节范围在0-120mm，精度在+/-5%控制系统的响应时间为0.02s。第二章 总体方案2.1控制方案车身高度控制系统的设计方案，控制框图如图2.1所示。控制单元根据车高传感器信号的变化和驾驶员给与的控制模式指令，给控制车高的电磁阀发出指令。当车身需要升高时，电磁阀动作，压缩空气进入空气悬挂的主气室，主气室的充气量增加，车身上升。当车身需要下降时，空气压缩机停止工作，电磁阀通电打开，同时排气阀也通电打开，悬挂主气室的气体通过电磁阀、空气管路、干燥器、排气阀而排出，车身下降。（a）车身升高 （b）车身降低图2.1 车身高度控制系统控制系统的原理图如图2.2所示。图2.2 控制系统原理图2.2设计方案2.2.1 控制单元 本设计采用的控制单元是微型计算机控制系统。由于本设计是属于过程控制技术的设计，所以本设计的控制单元采用的是8位MCS-51系列的单片机。因为单片机小巧灵活，成本低，易于产品化，并且可靠性好，适应温度范围宽。具体方案见第四章。2.2.2 车高检测元件的设计 本设计检测车身高度的原理是根据车身上下起伏的运动，运用车高传感器来进行车高调整，本设计的车身调节范围是0120mm，精度+/-5%，控制系统的响应时间为0.02s。2.2.3 输入通道的设计 根据子系统的设计要求，要对4个轮胎的高度进行检测，所以要有4个输入通道。车高传感器将位移信号转换成电信号，要输入给单片机，还要转换成模拟信号，因此在输入通道中有A/D转换单元。根据系统的设计要求，本系统采用8为A/D转换单元。2.2.4 执行单元设计 由于控制过程可知，控制车身高度，只需调节电磁阀开，断的时间T就可以。因此，本系统采用电磁阀为执行机构。2.2.5 输出通道的设计 模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是将CPU输出的数字信号转换成模拟信号去驱动相应的执行机构，以达到控制的目的。由前面可知，只需要调节电磁阀开断时间，就能控制车身高度。因此，输出通道为数字量输出，无需加上D/A转换器。2.2.6 外围电路的设计本设计的外围电路由显示，键盘，报警三部分组成，下面做逐一介绍 本设计采用的显示器是LED显示块。LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，在单片机应用系统中通常使用的是七段LED本系统采用共阴极LED显示块。其管脚配置如图2-3所示。图2-3 共阴极LED七段显示块及管脚配置通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，其中七个发光二极管构成小数点。键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压蜂鸣器，这种蜂鸣器只需要在其两引线上加315V的直流电压，就能产生4KHz左右的蜂鸣震荡音响，比电研式蜂鸣器结构简单，耗电少，而且更适合于在单片机系统中应用。2.3 总体框图设计 A/DV/I变换UA车高传感器执行机构执行机构外围电路89C51图2-4 总体框图第三章 PID控制算法3.1 PID控制技术 PID调节器是按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，是边疆系统中技术成熟应用最为广泛的一种调节器。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别在工业过程控制中，由于控制对象的精确数字模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，目标又不能得到预期的效果，所以人们常采用PID调节器，并根据经验进行再现整定。随着计算机特别是微机技术的发展 ，PID数字控制算法已能用微机和单片机简单实现。由于系统的灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善。一PID调节的优点1. 技术成熟；结构灵活，可以根据系统的要求，采用多种PID的变种；系统整定参数方便。2. 易被人们熟悉和掌握。3. 不需要求出数学模型。4. 控制效果好，用数字PID完全可以代替模拟调节器。二、 PID调节的原理PID调节器是一种线性调节器，其框图如图3-1所示。PID控制器把设定值W与实际输出值Y相减，得到控制偏差e,偏差e经比例调节器P，积分调节器I，微分调节器D的作用后通过线性组合构成控制量u,然后用u对对象进行控制。 图3-1 PID控制器框图1.比例调节器 它是一种简单的调节器，控制规律为U=Kpe+U0式中Kp为比例系数，U0为控制常量，即误差为零时的控制变量。但比例调节器不能使差减小到零，有残存的误差（静差）。加大比例系数Kp可以减小静差，但当K过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。比例控制器的优点是反应快，缺点是不能完全消除静差。要想克服这个缺点必须采用积分控制规律进行弥补。2.比例积分调节器 积分器的加入能自动调节控制常量U0，消除静差，使系统趋于稳定。其控制规律为其中Ti为积分常数，Ti越大积分作用越弱。3 .比例积分微分调节器 积分器虽然能消除静差，但使系统的响应速度慢，于是在P2调节器的基础上再加微分调节器，组成比例、积分、微分调节器，其控制规律为：式中Td为积分常数，Td越大微分作用越强。微分调节器的加入将有助于减小超调量克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度、缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能。三、 PID控制算法的数字实现 采用单片机作为控制器核心的自动控制系统。89C51单片机系统通过A/D电路检测过程变量Y0并计算误差e和控制变量U。计算机控制根据采样时刻的误差值计算控制量U，在采样t=iT。(T为采样周期，i为正整数)，PID调节规律可以通过数值公式近似计算： ，由于PID计算机控制是一种采样控制，模拟PID控制算法公式中的积分项和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。如果采样周期取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。上式称为位置式算法。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量（例如去驱动步进电机）时，由式（3-1）可导出增量式PID算法，这时只要将式 （3-2）及 （3-3）相减就可以导出下面的公式： （3-4）称为PID控制算法，式（3-1）称为位置算法。式（3-4）也可以进一步改写成为： （3-5）其中 可见增量式PID算法只需保持现时以前的三个时刻的误差（ei、ei-1 、 ei-2）即可。增量式PID算法与位置式PID相比有下列优点： 位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值ej容易产生圈套的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的影响小。 控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须首先将计算机的输出值为原始阀门开度U0，才能保证无冲击切换。如果采用增量式算法，则由于公式中不出现U0项，易于实现手动到自动的无冲击切换。 在本单片机应用系统，执行机构需要的是控制变量的绝对值而不是其增量，但仍可用增量式计算，输出则采用位置式的输出形式。变换（3-4）得: （3-6）把 代入上式得：式中，为设定值，为第i次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数, 微分系数，T为采样周期。3.2 PID参数的整定整定PID的方法有临界比例度法、扩充响应曲线法和试凑法整定PID法。本系统的参数整定采用扩充响应曲线法和试凑法相结合的方法，即先用扩充响应曲线法整定参数初值，再用试凑法微调，使系统的输出后达到控制要求。1 扩充临界比例度法整定PID参数扩充临界比例度法是在模拟PID调节器中使用的临界比例度为基础的一种数字PID调节器参数的整定方法。整定步骤如下：(1) 选择一个足够短的周期T，例如被控制过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。(2) 逐渐加大比例系数、使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数，将其记作临界振荡增益。此时的比例度为临界比例度，记作。(3) 选择控制度，所谓控制度时数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比，即 对于模拟系统，其误差平方积分可以按记录纸上的图形面积计算；而数字控制系统则可用计算机直接计算。控制度是数字调节器和模拟调节器控制效果相比较的一种性能指示。通常不需要去计算。当控制度为1.05时，数字调节器与模拟调节器的控制效果相当；当控制度为2.0时，数字调节器的控制质量差一倍。按式（35）选择的控制度应为1.05、1.2、1.5、2.0中的一个数。(4) 表31是扩充临界比例度法整定参数的计算公式。根据控制度，查表4.3求出、和值。(5) 最后整定出PID参数初值。2 试凑法由于实际生产过程错综复杂,参数千变万化，因此并不是所有的数字PID调节器参数都能用临界比例度法和扩充响应曲线法整定的，所以目前应用最多的还是试凑法。试凑法是从一组初始PID参数出发，经过闭环试验，再根据各参数对系统品质的定性影响，反复试凑，不断修改最后确定PID参数。表32 是PID参数的经验选择范围表3-1扩充临界比例度法整定参数的计算公式控制度控制规律TKpTi（分）Td1.05PI0.10.84Tc/3.4PID0.051.15 Tc/2.00.451.20PI0.20.78 Tc/3.6PID0.161.0 Tc/1.90.551.50PI0.50.68 Tc/3.9PID0.340.85 Tc/1.620.652.00PI0.80.57 Tc/4.2PID0.60.6 Tc/1.50.82表3-2 PID参数的经验选择范围被调量特点KpTi（分）Td（分）温度滞后大，用微分1.653100.53压力滞后一般不大，不用微分1.43.50.43液位若允许有静差，可不用积分和微分1.255流量时间常数小，有噪声，故KP较小，Ti较短，不用微分12.50.11只采用比例控制，由小变大，若响应时间、超条、静差已达到要求，只采用比例调节即可。若静差不满足，则加入积分控制，将减小，例如取0.8Kp代替，由小到大，反复测试多组的和值，从中确定合适的参数。若动特性不满足，比如超调量过大，或调节时间过长，则加入微分控制，Td由小到大，逐步凑多组PID参数，从中找到一组最佳调节参数。系统采样周期的确定(3) 香农采样定理设连续信号的频带宽度是有限的，所包含的最高频率为，为了能使连续信号采样后的离散频谱彼此不重叠，并能复现原信号的全部信息，则要求采样频率满足下述关系：第四章 硬件系统组成 4.1 主机系统的设计确定了总体方案后，我们要选择一个合适的单片机对系统进行控制。就性能与价格等因素，我选择了微处理器ATMEL 89C51。4.1.1ATMEL89C51单片机ATMEL89C51是一种低功耗，高性能的片内含有4KB/20KB的闪烁可编程/擦除只读存储器的8位CMOS单片机，并且与MCS-51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的编程器对其重复编程。 AT89C51将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜(现价20多元)的方案，其性能价格比远高于8751。4.1.2. 89C51的性能及特点89C51的主要性能包括：与MCS-51微控制器产品系列兼容。片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器(FlashMemory)。存储器可循环写入/擦除1 000次。存储数据保存时间为10年。宽工作电压范围：Vcc可为2.7V6V。全静态工作：可从0Hz至16MHz。程序存储器具有3级加密保护。1288位内部RAM。32条可编程I/O线。两个16位定时器/计数器。AT89C51硬件结构及引脚89C51的内部硬件除程序存储器由FPEROM取代了87C51的EPROM外，其余部分完全相同。89C51的引脚与87C51的引脚也是完全兼容的，其引脚配置如图4-1所示。P0口:P0口是一组8位漏极开路双向I/O口,也即是址/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,对端口写“1”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。 图4-1 89C51引脚P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O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“1”，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。FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。本次设计中P1口用作传感器的输入口、加热部分的固态继电器的控制口、声光报警电路以及部分看门狗电路的接口。P2口:P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O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。对端口写“1”，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口线上的内容（也即特殊功能寄存器SFR区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O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“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，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I/O口线外，更重要的用途是它的第二个功能，如表4-1所示：端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断）P3.3INT1（外中断）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）表 4-1 P3口的第二功能本次设计中我们用到了P3口的第二功能。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。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，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，可通过支特殊功能寄存器区中的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ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉商，单片机执行外部程序时，应设置ALE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AT89C51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，当门市部外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。EA/VPP: 外部访问允许。欲使+CPU仅访问外部程序存储器（地址0000HFFFFH），EA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。4.1.3 89C51最小应用系统89C51内部有4K内存，芯片本身就是一个最小体统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单，可靠用89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上始终电路和复位电路即可，见图4-2。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的测控单元。下面就把时钟电路和复位电路做下介绍。（1 ）时钟电路 时钟是单片机的心脏，单片机各功能不见的运行都是以时钟频率为基准，有条不乱地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。1内部时钟方式 MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。 除使用晶体振荡器外，如对时钟频率要求不高，还可以用陶瓷振荡器来代替。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30微发左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率的范围通常是在1.2MHz12MHz之间。晶体的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高，既要求线间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定，可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。 MCS-51单片机常选择振荡频率6HMz或12MHz的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在的高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz。2外部始终方式外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片MCS-51单片机同时工作，以便于同步。对外部脉冲信号只要求高点平的持续时间大于20微秒，一般为低于12MHz的方波。外部的时钟源直接接到XTAL2端，直接输入到片内的时钟发生器上。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个4.7K10K的上拉电阻。（2）复位电路1复位操作 复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使MCS-51单片机复位。复位的主要功能是把PC初始化为0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需要按复位键重新启动。 除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如下表所示。由表中可以看出，复位时，SP=0.7H；4个I/O端口P0P3的引脚均为高电平，这在某些控制应用中，要考虑到引脚的高电平对外部控制电路的影响。 由于单片机内部的各个功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序运行直接受程序计数器（PC）指挥。、 另外，在复位有效期间，MCS-51单片机的ALE引脚和PSEN引脚均为高电平，且内部RAM不受复位影响。 2复位电路 MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。MCS-51单片机片内复位结构如图。 复位引脚RST通过一个斯密特与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特出发器的输出电平有复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作需要的信号。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自己动复位电路如图。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现上电复位。当时钟频率选用6MHz时，C取22微发，R取1千欧。图4-2 89C51最小系统4.2 车高检测单元的设计 本设计所采用的车高检测单元是 凌志LS 400 车高控制传感器车高控制传感器用来传感悬架元件与车身间在垂直方向上的关系,其信号可使悬架电控单元ECU根据汽车载荷的大小,通过有关执行元件随时调节车身高度,维持车身高度基本不随载荷变化而变化;在汽车起步、转向、制动及前、后、左、右车轮载荷响应发生变化时,随时调整有关车轮悬架的刚度,提高汽车抗俯仰、抗侧倾能力,保证其良好的操纵稳定性;在汽车各轮载荷不同时,分别调节各轮悬架的高度,维持车身姿势基本不变。为了检测汽车高度因道路不平而引起的悬架位移量,凌志LS 400 轿车在每个悬架上都装有一个光电式车高控制传感器,用来连续监测车身与悬架下摆臂之间的距离。4.2.1车高控制传感器的结构与工作原理凌志LS 400 车高控制传感器的结构如图4-3所示。随转轴转动的圆盘上设有将转动角度数码化的窄缝,遮光器由发光二极管和光敏三极管组成。图4-3 车高控制传感器的结构凌志LS 400 车高控制传感器的工作原理如图4-4 所示。其中窄缝板即为上述的圆盘,传感器的遮光器以4个为一组,覆盖了该窄缝板。转轴的外端装有导杆,导杆的另一端通过有关零件与独立悬架的摆臂相连。当车身高度发生变化,即悬架变形量发生变化(如汽车载荷发生变化) 时,导杆随摆臂上下摆动,通过传感器转轴驱动窄缝板转动,各遮光器输出随之进行“ON”、“OFF”变换。车高控制传感器根据各遮光器输出信号的不同组合,将车身高度分为16个区(见表4-2) ,并传送给ECU ,从而使ECU 检测出车身高度的变化。图4-4 车高控制传感器的工作原理图表4-2汽车行驶中,由于车身振动,随时判定车高所属的区间比较困难,ECU 可在一定的时间间隔(如10ms) 判定车高在某个区间的百分比频度,据此判定是否需要进行车高调整。2 、车高控制电路的检测电控悬架系统均设有故障自诊断功能, 悬架ECU 发现电控系统出现故障时,指示灯亮,并将故障以代码形式存储在存储器中,供诊断时提取。4.2.2车高控制传感器电路检测车高控制传感器利用遮光器通/ 断信号的输出组合,用16 个选择脉冲检测汽车高度,并将它转换成串行数据送至悬架ECU 。一旦悬架ECU 的存储器中存入故障代码11 、12 、13 、14 后,即终止车高控制和悬架刚度与阻尼的控制。代码11 表示右前车高传感器电路;代码12 表示左前车高传感器电路;代码13 表示右后车高传感器电路;代码14 表示左后车高传感器电路。诊断步骤:1) 检查车高控制传感器插头1 号端子与车身接地间电压。检查前车高控制传感器时,应拆下前轮,脱开车高控制传感器插头,接通点火开关。检查后车高控制传感器时,应拆下行李箱装潢前盖,脱开车高控制传感器插头,接通点火开关。正常电压值应为蓄电池电压,若电压正常,则继续下一步检查;若电压不正常,则应检查、维修2 号车高控制继电器与车高控制传感器之间的连接线和连接器。2) 检查悬架ECU 与车高控制传感器之间的连接线和连接器,若正常,则继续下一步检查;若不正常,则应修理或更换连接线和连接器。3) 装上好的车高控制传感器,重复上述检查,若故障消失,则应更换车高控制传感器;若故障仍存在,应检查其他电路。4.3 前向通道的设计4.3.1 ADC0809转换器ADC0809引脚及功能ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。其引脚图见硬件总图。由引脚可见，ADC0809共有28个引脚，采用双列直插式封装。其主要引脚功能如下：1 IN0IN7是8路模拟信号输入端。2 D0D7是8位数字量输出端。3 A，B，C与ALE控制8路模拟通道的切换，A，B，C分别与三根地址 线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。C，B，A=000111分别对应IN0IN7通道地址。 强调说明一点：ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。4 OE，STATE，CLK为控制信号端，OE为输出允许端，STATE为启动 信号输入端，CLK为时钟信号输入端。 5Vr（+）和Vr（）为参考电压输入端。4.3.2 ADC0809结构及转换原理0809是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。由单一的+5V电源供电；内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，有C，B，A的编码来决定所选的通道0809完成依次转换需要100微秒左右。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对05V的模拟信号进行转换。 ADC0809工作过程如下： 首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVXDPTR，A时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。当转换结束后发出结束信号，置EOC脚为高电平，该信号可作为中断申请信号；当读允许信号到，OE端有高电平，则可以读出转换的数字量。利用MOVX A，DPTR把该通道转换结果读到A累加器中.4.3.3. MCS-51与ADC0809的接口 在讨论MCS-51与0809的接口设计之前,先来讨论单片机如何来控制ADC的问题. 用单片机控制ADC时,多数采用查询和中断控制两种方法.查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后,执行别的程序,同时对ADC的状态进行查询,以检查ADC变换是否已经结束,如查询到变换已结束,则读入转换完毕的数据. 中断控制发是在启动信号送到ADC之后,单片机执行别的程序.当ADC变换结束并向单片机发出中断请求信号时,单片机响应此中断,进入中断服务程序,读入转换数据,并进行必要的数据处理,然后返回到原程序.这种方法单片机无需进行转换时间的管理,CPU效率高,所以特别适合于变换时间较长的ADC. 如果对转换速度要求高,采用上述良种ADC控制方法往往不能满足要求,可采用DMA(直接存储器存取)的方法,这时可在ADC与单片机之间插入一个DMA接口.传输一开始,AD转换的数据就可以从输出寄存器经过DMA中的数据寄存器直接传输到主存储器,因而不必受程序的限制.4.3.4 芯片74LS373本设计的地址锁存器可使用带三态缓冲输出的入口存储器74LS373 ,它的芯片外部引脚图如图4-4所示 图4-4 74L373管脚图当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出；当端为高电平时，输出三态门断开，输出端对外电路是阻态。因此74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号端为低电平，这时，当G输入端为高电平时，锁存器输出（1Q8Q）状态和输入端（1D8D）状态相同，当G端以高电平返回低电平（下降沿）时，输入端（1D8D）的数据锁入（1Q8Q）中。 4.4 执行单元的设计本设计所采用的执行单元是双稳态电磁阀，它又称为脉冲型电磁阀。它是将电子学中双稳态电路的工作原理引申至电磁铁的驱动，改弱电脉冲为强电脉冲，从而产生一大类机电一体化的产品。4.4.1 主要特征 在电磁阀的启，闭两个状态均加装动铁芯的自保持机构，该保持方式可以是机械锁定方式，也可以是永磁铁锁定方式。4.4.2 线圈结构本设计我选用的线圈的方式是单线圈形式，电磁阀引出两根线，既输入端A和输出端B，如图4-5。以不同颜色区分，一般深色端为输入端。在开启和关闭的瞬间，须分别通一正向的和负向的脉冲电流。此结构适用于本设计的电磁阀。图4-5 单线圈形式4.4.3 控制方式本设计采用的是支流电源手动的控制方式，如图4-6所示。电磁阀与储能电容器串接单刀双掷开关的动触点连接线圈的近线端，而开关的动触点分别连接电源和地线。显然，当动触点K接电源V时，电容C充电，从而在电磁阀线圈上产生一个正向脉冲电流，见图4-7左，给电流在线圈中将产生一个强的磁场，是阀芯产生位移，电磁阀开启（或关闭）。当动触电打向接地端时，储能电容C通过负线圈对地放电，见图4-7右，阀门则关闭（或开启）。-图4-6 支流电源手动控制方式 图4-74.5 外围电路的设计我的设计的外围电路设计由显示，键盘，报警三部分组成。4.5.1 显示器的选择本系统中，采用LED显示器。LED示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。本设计选用的是共阴极方式。如图4-8所示。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。使用LED显示器时，为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是通过个段的亮与灭来为显示不同字型的，因此称之为段码。显示字符共阳极字符码共阴极字符码显示字符共阳极字符码共阴极字符码03FHC0Hc39H06H106HF9Hd5EHA1H25BHA4HE79H86H34FHB0HF71H8EH466H99HP73H8CH56DH92HU3EHC1H67DH82HT31HCEH707HF8Hy6EH91H87FH80HH76H89H96FH90HL38HC7HA77H88H“灭”00HFFHb7CH83H表4-3段LED字型码图4-中的dp显示段，用于显示小数点。7段LED的字型码(段选码)如表5-1所示，由于只有7个段(如有如段，则为8个段)发光二极管，所以字型码为一个字节。共阴极图4-8 段结构及外形图 LED的显示方式有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，例如7段显示器a、b、c、d、e、f导通，8截止，显示0。这种显示方式每一位都需要有一个8位输出口控制。三位显示器的接口逻辑。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁，所以可由I/O接口芯片（如8255A）的输出口直接驱动。在单片机串行口方式0应用中，也是采用静态显示方法。用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示方法。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器各个位(扫描)，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口(称为扫描口)，控制显示器的各位所显示的字型也需一个8位口(称为段数据口)。4位共阴极显示器和8255的接口逻辑如图2-4所示。8155的A口作为扫描口，经反向驱动器7406接显示器公共极，B口作为段数据口，经同相驱动器7407接显示器的各个极。动态显示程序设计说明 对于图中的4位显示器，在8031内部RAM中设置4个显示缓冲单元79H7EH，分别存放显示器的4位数据，8155H的PA口扫描输出总是只有一位高电平，即显示器的4位中仅有一位公共阴极为低电平，其它位为高电平，8155H的PB口输出相应位（阴极为低）的所显示的自行的段码，使某一位显示出一个字符，其它位为暗，依次的改变PA口输出为高的位，PB口输出对应的段码，显示器的4位就动态地显示出由缓冲区中显示数据所确定的字符。4.5.2 键盘的选择键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，称为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。本系统中，采用44键盘。44的键盘结构如图4-9所示，图中行线通过电阻接+5V，当键盘上没有健闭合时，所有的行线和列线断开，行线XOX3呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，该健所对应的行线与列线短路。例如，6号键按闭合时，行线Xl和列线Y2短路，此时Xl的电平由Y2的电平所决定，如果把行线接到微机的输人口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使列线Y0为低电平(0)，其余三根列线Y1、Y2、Y3都为高电平。然后微机通过输人口读行线的状态，如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的列线状态不全为高电平，则为低电子的行线和Y0相交的键处于闭合状态；如果Y0这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查Y1这一列上有无键闭合，以此类推，最后使列线Y3为低电平，其余的列线为高电平，检查Y3这一列上是否有健闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU在空闲时扫描键盘，也可以采取定时控制方式，每隔一定时间，CPU对键盘扫描一次，CPU可随时响应健输入请求。也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向CPU请求中断，CPU响应键盘输入中断请求，对键盘扫描，以识别那一个键处于闭合状态，并对键输入信息做出相应处理。CPU对键盘上闭合键键号的确定，可根据行线和列线的状态计算求得，还可以根据行线和列线状态查表求得。0图4-9键盘结构图4-10键闭合时行线电压波形在图4-9中，若Y0为低电平，0号键闭合一次，X0的电压波形如图4-10所示，图中t1和t3分别为健的闭合和断开过程中的抖动期(呈现一串负脉冲)，抖动时间长短和开关的机械特性有关，一般为510ms，t2为稳定的闭合期，其时间由按键动作所确定，一般为十分之几秒到几秒，t0、t4为断开期。为了保证CPU对键的闭合作一次仅一次处理，在软件中必须设置去除抖动，在键的稳定闭合或断开时读键的状态，并判断出健由闭合到释放时，再作键输入处理。键输入程序设计说明：1 判别键盘上有无键闭合，其方法为扫描口PA07输出全“0”，读PC口的状态，若PC03为全“1”（键盘上行线全为高电平），则键盘上没有闭合键，若PC03不全为“1”，则有键处于闭合状态。2 去除键的机械抖动，其方法为判别出键盘上有键闭合后，延迟一段时间再判别键盘的状态，若仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期，否则认为是键的抖动。3 判别闭合键的键号，方法为对键盘的列线进行扫描，扫描口PA07依次输出：PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1相应地依次读PC口的状态，若PC03为全“1”，则列线为“0”的这一列上没有键闭合。闭合键的键号等于为低电平的列号加上为低电平的行的首键号。4 使CPU对键的一次闭合仅作一次处理，采用的方法为等待闭合键释放以后再做处理。4.5.3 报警系统 图4-11 报警系统第五章 软件设计在本设计控制系统中，除了硬件电路外，还有软件。控制系统中控制任务的实现最终是靠程序的执行来完成的。 本设计的软件控制主要实现的基本功能包括：程序的初始化，数据采集，数字滤波，控制算法的计算，控制量输出等功能。 本设计的设计方法采用的是模块化设计方法。模块化程序设计的出发点是把一个复杂的程序，分解为若干个功能模块，每个