【《某防误踩加速踏板控制系统的硬件设计案例分析》5300字】

某防误踩加速踏板控制系统的硬件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u105331.1系统元件的选型 1296531.1.1角度传感器的选型 1280981.1.2模数转换 2317961.1.3测距模块的选型 4321611.1.4系统单片机的选型 6201611.2系统控制电路 820771.2.1系统信号输入电路图 838421.2.2报警系统电路图 9301641.2.3系统液压制动原理图 10208771.2.4加速踏板信号屏蔽电路图 111.1系统元件的选型1.1.1角度传感器的选型在汽车的反方向加速踏板系统中,角度传感器是非常关键元件,在加速踏板被踩下的时候,会获得加速踏板瞬时转动方向和传送的信息,对寿命和安全性有很高的要求。传统的角度传感器采用了各种原理,例如电阻分压器效应、磁阻效应等。磁阻角度传感器采用高性能集成磁传感元件,利用磁信号感应非接触的特点,配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代角度传感器,它所提供的输出信息基本不受磁场变化、磁温度系数、磁传感器距离和位移变化影响的程度干扰[6]。基于本次设计的需要,选用了广泛应用工业机械、工程机械建筑设备、石化设备、医疗设备、航空航天仪器仪表、国防工业等旋转速度和角度的测量.LP06M4R1AB磁阻式角度传感器。传感器的形状如图4-1所示。图4-1角度传感器LP06M4R1AB磁阻角度传感器的优点和性能是：(1)接近无限转动的寿命、高灵敏度、没有噪声、无接触点、高重复性、高频响应特性好。(2)非接触位置检测功能,是满足苛刻环境应用需求的理想选择。(3)传感器只有三个外部接口：VCC、模拟电压输出、GND。角度变化也很准确,体积小,重量轻。可靠的角度测量超过了180°。(4)角度为0时,角度传感器的输出电压约为1.12V左右,当倾角为180度时,角度传感器的输出电压约为3.2V左右。1.1.2模数转换AD转换也是数字量,它把模拟信号转变为数字信息。ADC0809模数转换器是该系统而设计选择型的[7],ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关和微处置机兼容的操作逻辑的CMOS组件。它逐次逼近式A/D转换器能够和单片机直接接口。ADC0809是由一个8路模拟开关、一个A/D转换器、一个地址锁存与译码器组成和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道,许诺8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平常,才能够从三态输出锁存器取走转换完的数据。引脚图如图4-2所示。图4-2ADC0809引脚结构表4-1ADC0809各脚功能如下：引脚名描述引脚号D7-D08位数字量输出引脚。16-21IN0-IN78位模拟量输入引脚。1-5,26-28VCC+5V工作电压11GND接地13REF（+）参考电压正端12REF（-）参考电压负端16CLK时钟的信号输入端（一般为500KHz）10ALE地址锁存允许信号输入端（用于启动A/D转换）22EOC转换结束信号输出引脚,转换结束时为高电平,开始转换时为低电平,7OE输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器9STARTA/D转换启动信号输入端（用于启动A/D转换）6A、B、C地址输入线23-25ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性,电压范围是0-5V,假设信号过小,必需进行放大；输入的模拟量在传唤过程中应该维持不变,如假设模拟量转变太快,那么需在输入前增加采样维持电路。CLK是时钟输入信号线。因ADC0809内部没有时钟电路,所以必须从外部提供所需的时钟信号。通常频率为500KHz。VREF(+)、VREF(-)为参考电压输入。1.1.3测距模块的选型检测在汽车和障碍物之间的距离检测,必须要用到测距传感器。在防误踩加速踏板电控系统中,由于汽车远距感应器的稳定性与精度将会大大影响整个控制系统的稳定性,所以必须对汽车使用测距的测量方法加以深入研究。(1)红外线测距:发光管发出红外光,光敏接收管接收前方物体反射光,据此判断前方是否有障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离,它的原理是接收管接收的光强随反射物体的距离而变化的,距离近则反射光强,距离远则反射光弱。(2)激光测距:是通过测量激光光束在待侧物体与汽车之间的发送和接收时间来换算出距离的,且利用类似于红外线定距的操作原理,来确定汽车附近是不是有障碍物。周围环境和天气因素,对激光测距的测距结果影响也是挺大的,并且应用于汽车上的高精度激光测距价格昂贵[8-9]。(3)CCD摄像机:将CCD摄像机模块和显示器相结合,使驾驶者可以更加清楚地了解汽车周边的环境图像,进而能够全方位地掌握汽车的实际情况及其前后状态。环境对该系统的影响也很大,比如在雾天或者下雨时图像性能较差,再加上摄像头不耐脏,使得驾驶员在观察图片时无法确定当前汽车附近的环境条件,极易判断失误而造成汽车事故[10]。(4)超声波测距:指高频超过20000Hz的声波。由超声波发射装置发出超声波,它的根据是接收器接到超声波时的时间差,与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波传感器的价格比较便宜,而且比较容易安装,但超声波检测的距离很短[11-12]。以下表4-1是几种测距传感器的性能比较:表4-1各测距传感器性能比较激光测距红外测距CCD摄像系统超声波测距最长探测距离≥300m≈10m≥100m≈10m响应时间≈10ms,快≈1000ms,慢由处理时间≈15ms,较快受环境干扰很大较小较大几乎没有影响价格≥500RMB≈50RMB≥500RMB≈20RMB适应性较差差较差好在各传感器的对比表中可以发现,超声波探测最高探测距离有十米,不过在行驶汽车时不用探测比较远的距离。在倒车和停车时,超声波传感器探测距离完全可以判断周围环境的距离。超声波测距成本低,对周围环境的适应性好[13],所以在本研究中使用超声波测距作为距离测量传感器。典型的超声波传感器是一种压电式传感器,由屏蔽栅,壳体和锥形振子,晶片,底座和引脚等几大部分组成。压电晶片是传感器里面最重要的部分,锥形振子集中发射和接收的声波能量,并带有相应的指向角,金属屏蔽栅则在不影响超声波正常工作的状况下可以防护内部器件[14-15]。如图4-3为超声波传感器的组成。图4-3超声波传感器组成部分[16]典型的超声波检测方法是脉冲回波方法。该方法的工作原理为:(1)传感器在控制器的指示下,以特定的时间形成和发出一条较短的超声波信息,时钟计数器开始计数。(2)超声波接收传感器将接收到的回波信号转换为电信号,通过放大之后输送到芯片,而芯片在在接受这个群讯息之后终止了计算。计数器所读出的数值是超声波的传输时间,从而能够根据该时钟估算障碍物的间距。这个方式也是最简便而直接的工作方法,易于实现和设计[17-23]。图4－4超声波测距示意图如图4－4可知,超声波在空气中传播的时间为接收时间减去发射时间,因障碍物到传感器的距离为:L=CT(4-1)C为超声波的传播速度;T为时间差。在理想状态下声速为340m/s[24-27]。1.1.4系统单片机的选型单片机也是整个系统控制的核心,所以对单片机的选型也十分关键,合格的单片机才能大大简化整个控制系统运行。通常的情形下说,选用单片机时要需要考虑的一些方面有[28]：(1)单片机最基本的性能参数。例如：指令执行速度、程序存储器容量、I/O口上的引脚数等。(2)单片机的存储介质。比如：对于程序存储器,最好选用的是Flash的存储器.(3)单片机的功耗。如果信号线只能提供几毫安的电流,此时最好使用STC单片机来满足低功耗的要求。(4)检查单片机的商品经销渠道是否通畅、价格便宜。(5)根据控制电路的复杂程度可以考虑选择新型号的单片机针对本系统设计的实际需要,本次设计选择AT89S51单片机,它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS8位单片机[29]。AT89S51单片机的性能特点如下：4k字节闪存片上程序存储器、128字节数据存储器、32个外部输入和输出端口、2个全双工串行通信端口、看门狗电路、5个中断源、2个16位可编程定时器计数器、片内振荡器和时钟电路、全静态工作、低功耗空闲模式和掉电模式。单片机的引脚功能图如图4-5所示。图4-5AT89S51单片机的引脚功能图单片机引脚功能：（1）电源引脚Vcc（40脚）：供电电压；GND（20脚）：接地。（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：反向震荡放大器的输入及内部有时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。（3）复位RST（9脚）复位输入,当振荡器复位器件时,要保持RSR脚两个机器周期的高电平时间。（4）输入输出口（I/O口）引脚P0口是一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的引脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。P0是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口引脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力[29]。P2端口置1时,内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平,作为输入口使用；在对内部的Flash程序存储器编程时,P2口接收高8位地址和控制信息,而在访问外部程序和16位外部数据存储器时,P2口就送出高8位地址。P3口引脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流这是由于上拉的缘故[29]。单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础,单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统即单片机能工作的系统。对于AT89S51单片机,由于片内已经自带有了程序存储器,所以只要单片机外接时钟电路（接18、19号脚）和复位电路（接9号脚）就可以组成了单片机的最小系统了。单片机的最小系统如图4-6所示。图4-6单片机最小系统原理图1.2系统控制电路1.2.1系统信号输入电路图根据以上选用的电子元器件,给出整个系统传感器的信号输入电路图,如图4-7所示。图4-7系统信号输入电路图1.2.2报警系统电路图本次设计的模块通过给定不同的信号,利用音频控制器发出两种报警音。报警系统电路图如图4-8所示。图4-8报警系统电路图如图所示,本次设计用到的是M3720,它是双音控制集成芯片,它里面存在两种警示音效,可直接触发声音响起。该报警电路的主要功能为:当系统所设置的安全车距S0低于超声波检测到的距离时,系统会发出"注意车距"的提示声音;当驾驶员不小心踩下加速的踏板时,判断会被当成意外误踩,因此会发出一种声音来作为提醒。单片机AT89S51判定达到报警条件后其P0.1或者P0.2口将发送一个低电平信号使报警系统发出不同警示音。M3720芯片各引脚功能是：1脚和2脚分别为芯片外接振荡电阻器；3脚4脚单片机为触发控制端,低电平触发有效[29]；5脚VDD；8脚VSS分别为电源输入端与负极端。8脚电压为3～3.5V；扬声器驱动线路由7脚、8脚控制。1.2.3系统液压制动原理图图4-9是汽车制动系统原理图[30]。驾驶员踩下制动踏板,并利用真空助力泵的辅助动力,透过制动主缸推动刹车油流向四个制动分泵,进而完成刹车。所以,可以选择在制动油路的A点加装如图4-10所示的防误踩加速踏板制动系统,该系统有液压泵、液压泵电机、储压器、电控液压阀和相关制动液管路、电路等组成[31]。该控制系统的工作原理为：当控制系统判定驾驶员误踩加速踏板时,电控液压阀随即在单片机操控下启动,降阀门左侧的高压制动液快速流进制动油路,以进行快速刹车。当驾驶员按下手动复位开关后,将电控液压阀关掉。该控制系统的油压由储压器保持,当储压器压力不足够时可利用单片机驱动液压泵电机提高压力,专业保证控制系统始终具有充足的制动压力。AA图4-9汽车制动系统原理图图4-10防误踩制动系统示意图防误踩制动系统的电控液压阀控制电路如下图4-11。在1号线接收到单片机的P0.3传输的电信号后,这个信号经过光电耦合器的过滤经2号接线端输出到三极管基极,然后由集电极流向继电器,这时继电器导通使电控液压阀打开,接着就会自己进行制动事件处理。图4-11电控液压阀控制电路1.2.4加速踏板信号屏蔽电路图要想实现误踩时屏蔽加速踏板的加速信号,首先我们要明白电子节气门的工作原理。电子油门的工作原理图如图4-12所示,驾驶员踩下加速踏板时,利用加速踏板位置传感器记录下加速踏板的位置,并将此信息传递给ECU,ECU根据这个信息、废气排放、燃油消耗以及安全等因素,判断扭矩大小和对应的节气门位置,一方利用在控制节气门开度体上的执行电动机来限制节气门旋转的相对角度,同时进行进行控制点燃和喷射,使发电机的实际工作扭矩到达设计目标扭矩