1、汽車制動性能檢測儀項目設計方案第一章 緒論隨著人民生活水平的提高，汽車工業得到了飛躍發展。越來越多的家庭 和個人擁有了機動車。然而由此造成的交通事故也呈增長勢頭。據調查，在 機動車發生的交通事故中由于制動不良占有很大的比重， 如在我國的一城市 一年發生的 250 起重大交通事故中， 因制動距離太長和制動跑偏所造成的事 故為 100 起，占 40，因制動調頭引起的事故為 16 起，占 614。可見 機動車必須具備良好的制動性能才能 保證行駛安全，同時也只有在此條件下才 能提高行駛速度和運輸生產率。因此我們應該高度重視機動車的制動性能，必須經 常對制動系統進行檢驗和調整。 國家也將機動車制動性能安

2、全檢測列為重點檢測項 目之一。5.1 汽車制動性能檢測簡介汽車制動性能檢測在汽車生產制造過程中是一個必不可少的重要環節， 在投入使用后的每年一度的年檢中是一個主要組成部分， 同時也是交警執勤 檢查的一項重要容。汽車制動性能檢測按檢測項目分為行車制動、應急制動 和駐車制動；按檢測環境分為臺試法和路試法。按制動檢測對象分為制動距 離、充分發出的減速度、制動協調時間、踏板力或制動氣壓、制動力及其總 和與整車重量的百分比、 軸制動力及其與軸荷的百分比等參數的直接或間接 測量等；汽車制動性能檢測標準也經歷了幾次修訂。最新的標準是在 2004年制定實施的，為 （GB72582004 機動車運行安全技術條件

3、 。標準已將汽車在路制動性能檢測列為首要5.2 國外汽車制動性能檢測儀的研究現狀緊跟汽車工業發展步伐， 汽車制動性能檢測儀的研發工作也取得了長足 的進步，出現了一系列的性能完善的檢測設備，如用于臺試法的滾筒反力式 制動檢驗臺系列和平板制動檢驗臺系列，用于路試法的以速度計、第五輪儀 和其它測速方法測速的設備為主體便攜式制動性能檢測綜合裝置等。 隨著集 成電路的生產制造工業水平不斷更新， 大規模和超大規模可編程邏輯器件的 資源日益豐富、功能日益強勁、使用日益容易、價格日益降低，世界上許多 國家的汽車制動性能檢測設備生產制造的公司和研發機構正將主要精力轉 移到便攜式道路制動性能檢測儀的研制和開發工作

4、， 已有少量產品在市場上 出現并投入實際使用中。我國在近幾年也逐漸加大研發力度，研制新模型，盡量減低其開發成本 和提高對使用環境以及運行條件的適應性，以便盡快為市場所接受，但受研 發器件、研發成本等條件限制，目前仍然處于嘗試和試驗階段，成熟的產品 不多。5.3 本課題的主要研究任務和意義本課題針對目前國市場上汽車制動性能檢測設備的現狀和存在的問題， 吸取國外現代檢測技術，采用先進的設計理念和元器件，開發出一套性價比 高的汽車制動性能檢測系統。 測量以一定初速度 （v=50kmh 或 30kin h） 行 駛于平直的、長度在 50 米以上的水泥或瀝青路面上的汽車在制動控制過程 中的運動參數，經分

5、析、處理，從而得到其制動距離、充分發出的平均減速 度、制動協調時間、制動踏板力等制動性能參數，并對照標準進行性能狀況 判定。該檢測儀須具有以下功能：(1) 可實現實時監控。對測試過程信號的實時監視、測試數據的采集、測試 數據的儲存以及測試數據的處理等功能，并可將處理結果以圖形、曲線、表 格等格式顯示、打印輸出；(2) 實時顯示采樣數據。繪制車速、跑偏距離、制動踏板力等測量參數的動 態數據波形，以監督信號過程的連續性、有效性，確保試驗成功；(3) 操作簡單、快捷。能夠方便地通過鍵盤和液晶顯示模塊，控制和指示當 前的工作狀態。能及時輸出檢測評價結果。(4) 檢測儀有自調試功能。應有上電及軟件自恢復

6、功能，具有自診斷功能， 發現檢測儀的存、各功能模塊、 IlO 口等工作異常時應及時報警、記錄和保 存。(5) 體積小、功耗低，便于攜帶、安裝，成本低廉、適用面廣，可廣泛的使 用于汽車修理廠、汽車檢測站，以及交通安全檢查站等等；本課題立足新起 點，運用新技術，構建新模式，擬將高速線陣 CCDgl入到汽車制動性能檢測 中，為他人提供汽車制動性能檢測新思路， 并推動我國在此方面研究的深入、 發展，具有一定的實際意義。第二章 汽車制動性能檢測儀的設計概述2.1 汽車制動性能檢測儀研發方案的確定檢測汽車制動性能的方法有感觀檢測法、臺試法和路試法。 感觀檢測法是工作人員 （或修理工 ）在實際檢查工作中，

7、運用聽來檢查氣 漏，聞（ 嗅覺 ） 來識別過熱制動或沾污的熱表面， 觸覺可以用來檢、 摸松動件， 視覺則用來檢視損壞的氣路、液路、丟失件、磨損件或破壞件，有時還包括 測量推桿行程以識別潛在的不安全因素。 這種方法得到的結果可用來預見營 運汽車目前或運行一段時間后的制動性能，很顯然，其優點在于其檢視費用 少，設備簡單，僅需要尺子、閃光燈、上螺絲器、鉛筆和紙就行，操作方便， 操作人員的經驗可幫助他發現特種車或帶有特別攜帶物品車輛的故障。 同時 該種方法的缺點也是顯而易見的：檢視工作耗時長，只能部分定期檢查在運 行的車輛，同時檢視工作帶有一定的主觀性，測試結果很大程度上取決于操 作人員的經驗和操作水

8、平，且有不少項目如制動力、制動減速度等一些重要 的性能參數測不出來，目前逐步被淘汰。臺試法是利用室制動性能試驗臺檢測汽車制動性能， 由于其安全易實現 的特點，因此絕大多數的汽車制動性能檢測采用此方法。該方法通過制動試 驗臺進行制動力的測量， 通常以車輪制動力的大小和左右車輪制動力之差值 來評價汽車的制動性能。該方法一般不對制動過程的踏板力、制動力和制動 時間等參數做實時記錄分析， 這對于制動系工作正常且制動時無遲滯的汽車 是準確的，但對于有故障或制動遲滯的汽車，試驗臺上檢測合格，實際使用 中不一定合格。另外，在試驗臺上檢測時， 汽車前后軸載荷為不變的靜載荷， 而實際道路制動時，由于慣性力的作用

9、，汽車前后軸的載荷將發生變化，而 這種變化將影響制動效果，因此臺架試驗法有一定的局限性。道路試驗法有傳統路試法和在路智能測試法。 傳統路試法的主要手段是 觀測在規定條件下行駛的汽車進行剎車動作后而留在地面上的痕跡， 從制動 開始到制動停止的距離、 輪胎在路面上的壓印和拖印的痕跡作為評定制動性 能的依據。這是一種近似測定制動距離的方法，在一定程度上能反應汽車制 動的實際狀況。該方法簡單、成本低，但每次試驗時輪胎磨損嚴重，并受人 的主觀和試驗條件如速度、負荷、路面、輪胎類型和風阻差異的影響很大， 因此誤差大。在路智能測試法的主要儀器為五輪儀及慣性式減速度計。近代 的第五車輪采用電磁感應傳感器與數字

10、顯示裝置，能精確測出起始車速、制 動距離、制動時間，但價格昂貴、操作復雜，目前多用于專業汽車制造廠。綜上所述，感官檢測法誤差大，瀕臨淘汰，只能用于臨時非正規的估算 檢測中；臺試法安全易實現， 但需要專門的檢測臺， 檢測設備體積大而笨重， 而且存在靜態檢測結果和實際動態參數不一致的先天缺陷； 在路智能檢測法 檢測能全面、準確、迅速的獲得汽車實際制動性能參數，因此，本課題以在 路智能檢測作為研究容。具體檢測項目和要求標準如下：用制動距離檢驗行車制動性能標準汽車在規定的初速度下的制動距離和制動穩定性應符合表 211 的要 求，對空載檢驗制動距離有質疑時，可用表 211 滿載檢驗的制動性能要 求進行。

11、制動距離是指汽車在規定的初速度下急踩制動時。從腳接觸制動踏 板（ 或手觸動制動手柄 ） 時起至車輛停止時車輛行駛過的距離。車輛類型制動初速度（km/h）滿載檢測制動距離要求（m）空載檢測制動距離要求（m）試車到寬度（三輪汽車20< 5. 02.5乘用車50< 20. 0< 19. 02.5總質量不大于3500kg的低速貨車30< 9. 0< 8. 02.5其它總質量不大于3500kg的汽車50< 22. 0< 21. 02.5其它汽車、汽車列車30< 10. 0< 9. 03.0用充分發出的平均減速度檢驗行車制動性能標準汽車、汽車列車在規定

12、的初速度下急踩制動時充分發出的平均減速度和 制動穩定性符合表2. 1. 2的規定要求，且制動協調時間對液壓制動的汽車 不應大于0. 35 s，對氣壓制動的汽車不應大于 0. 60 s，對汽車列車、鉸 接客車和鉸接式無軌電車不應大于 0. 80 s。對空載檢驗的充分發出的平均 減速度有質疑時，可用表2. 1. 2滿載檢驗的充分發出的平均減速度。制動協調時間：是指在急踩制動時，從踏板開始動作至車輛減速度 （或 制動力）達到表2. 1. 2規定的車輛充分發出的平均減速度 75%時所需的時 間。車輛類型制動初速度（km/h）滿載檢驗充分發岀的平均減數度（）空載檢驗充分發岀的平均減速度（）試車到寬度（m

13、三輪汽車20< 3.82.5乘用車50< 5.9< 6.22.5總質量不大于3500kg的低速貨車30< 5.2< 5.62.5其它總質量不大于3500kg的汽車50< 5.4< 5.82.5其它汽車、汽車列車30< 5.0< 5.43.0制動踏板力或制動氣壓標準a）滿載檢驗時氣壓制動系：氣壓表的扌曰示液壓額定工作氣壓;液壓制動系：踏板力， 乘用車500N ;,其它機動車700N。b）空載檢驗時氣壓制動系；氣壓表的指示液壓一< 600kPa液壓制動系：踏板力，乘用車< 400N ;其它機動車< 450N 。應急制動性能檢驗

14、標準汽車在空載和滿載狀態下，按表 所列初速度進行應急制動性能檢驗,測量從應急制動操縱始至車輛停住始的制動距離，應急制動性能應符合表的要求表2. 1. 3應急制動性能要求車輛類型制動初速度（km/h）制動距離（m充分發出的平均減速度（）允許操控力不大于（N）手操控腳操控乘用50< 38. 0>2. 9400500其它汽車（三輪車 汽車除外）30< 18. O>2. 5600700其他汽車30< 20.> 2.2600700駐車制動性能檢驗標準在空載狀態下，駐車制動裝置應能保證汽車在坡度為 20% （xC總質量為 整備質量的1.2倍以下的汽車為15%）、輪胎與地

15、面間的附著系數不小于 0.7 的坡道上正、反兩個方向保持不動，其時間不應少于5 min。對于允許掛接掛車的汽車，其駐車制動裝置必需能使汽車列車在滿載狀態下時能停在坡度 為12%的坡道（坡道上輪胎與地面之間的附著系數不應小于0。7）上。2.2 汽車制動檢測儀的基本原理制動性能檢測儀完成對制動距離和制動時間的檢測，其工作原理是以加速度傳感器為主要探測部件，利用加速度傳感器在制動時對減速度的測 量,并經過AT89C52單片機進行運算處理分析，實現對制動距離和制動時 間的計算。該系統主要包括3個過程：制動開始的判斷和數據的采集過程 數據的處理和分析過程；制動距離和制動時間的顯示過程。根據制動過程中所檢

16、測的速度和制動踏板力，便可計算制動性能參數， 對照相關國標，通過LCD顯示輸出被測汽車的制動性能評判結果。第三章系統方案與主要關鍵性技術3.1 系統總體實施方案為保證儀器對速度和距離量的測試精度，本儀器采用多維加速度傳感器，以解決車輛在制動時非規則運動所造成的測試誤差。另外，還可以實現 對充分發出的平均減速度（MFDD）制動協調時間（BCT）及制動踏板力等參數 進行測試。其系統結構原理圖如圖 3-1所示。圖3-1系統結構原理框圖本設計主要有制動力傳感器、多維加速度傳感器、制動踏板動作傳感器、 微處理器、液晶顯示器和供電電池等組成，其中供電電池分別為傳感器、微 處理器等器件供電。系統將加速度傳感

17、器采集的信號經 A/D轉換器進入微處 理器根據相應的測試算法進行數據處理， 然后微處理器將處理后的數據分別 送至液晶顯示器顯示測量結果。3.2 制動性能檢測中的測試算法由于本課題是采用加速度傳感器實現車輛制動性能的測試并獲得各項參 數，其測試算法的好壞將直接影響測試過程的實時性和測量結果的準確性。 因此算法的設計原則是在保證測試精度的前提下應具有算法簡單且便于在 單片機中實現的特點。由車輛制動的物理過程可知：在初始條件已知的前提下，通過對加速度在時間軸上進行一次積分，可以得出汽車的速度，再次積分可以得出汽車的行 駛距離。假設整個制動性能測試的時間為t,將其劃分為n個區間，如圖3-1所示,可以取

18、一足夠小的區間作為一個時間段，把一些物理量簡化。圖3-2時間段假設時間段為 式中為汽車行駛在某一點的時刻。行駛總時間 t 為瞬時速度為式中為時刻的瞬時加速度。行駛距離為式中為時刻的瞬時速度。上述速度、距離理論值的推導公式均為積分計算。在單片機中進行積分 運算，以時間為坐標軸將其分割為足夠小的時間片斷 ,取其離散值 ,再進行疊 加從而得出積分結果 , 則上述和的導出公式變為要通過加速度求得速度和距離 , 必須首先有速度和距離的初始值，可設 速度和距離的初始值分別為 0。在進行車輛制動性能測試時，單片機接收到制動踏板動作信號后，立即 對加速度傳感器的信號進行采樣和存儲， 然后根據相應的測試算法計算

19、出制 動協調時間、制動初速度、充分發出的平均減速度、制動距離和總的制動時 間等參數。為了避免制動之前較長時間的準備運行帶來的測量積累誤差，本 研究采用向后的數值積分方法，即已知制動末速度、各瞬時加速度值及各時 間段值利用后向積分的方法來計算制動初速度和制動距離等量。 積分初始條 件制動末速度和制動距離分別為 0。在進行車輛加速性能測試時， 當車輛由靜止開始加速時， 隨之開始采樣， 直至車速達到設定的速度，加速過程結束。然后根據相應的測試算法計算出 平均加速度、加速時間、加速距離等參數。在加速性能的測試算法中，測量 系統的積分在時間軸上是向前進行的，即已知初速度、各瞬時加速度值及各 時間段值利用

20、前向積分的方法來計算平均加速度、 加速過程各瞬時速度等測 試量。此時積分初始條件速度為 0。3.3 系統的數據采集技術3.3.1 系統數據采集技術概述由于數據采集是測試系統的最重要的環節， 因此數據采集模塊是整個測 試系統的關鍵和核心。 數據采集的主要任務就是采集各傳感器的輸出信號并 將其轉化成計算機或微處理器能識別的數字信號， 然后送入計算機或相應的 信號處理系統，根據需要進行處理，以便實現對某些物理量的測試或監控一 般情況下數據采集的信號按其性質可主要分為以下幾類，如圖 3-3 所示。圖 3-3 數據采集的信號(1) 模擬信號模擬信號是指隨時間連續變化的信號。模擬信號非常便于傳送，但它對

21、于干擾信號很敏感，容易使傳送中的信號的幅值或相位發生畸變。因此，有 時還要對模擬信號做零漂修正，數字濾波等處理。(2) 數字信號數字信號是指在有限的離散瞬時上取值間斷的信號。在二進制系統中， 數字信號是由有限長的數字組成，其中每位數字不是 0 就是 1 ，這可由脈 沖的有無來體現。數字信號對傳輸路線上的干擾不敏感，只需檢測脈沖的有 無來獲取信息，至于信號的精確性(幅值、持續時間)是無關緊要的。數字信號輸入計算機后，常常需要進行碼制轉換處理，以便顯示數字信號值。(3) 開關信號 開關信號主要來自各種開關器件， 如按鈕開關、 行程開關、可繼電器觸點等。 開關信號的處理主要是檢測開關器件的狀態變化。

22、本系統中需要采集的信號主要有加速度傳感器信號、踏板力傳感器信 號、制動踏板動作信號、供電電池電壓信號和溫度信號等，其中除制動踏板 動作信號屬開關信號外，其它信號均為模擬信號。3.3.2 系統中開關信號的采集開關信號的處理較為簡單，主要是檢測其狀態的變化，通常采用的方式 為定時查詢方式或中斷方式。在定時查詢方式里，CPU周期性地在規定時刻 將開關量狀態讀入，這種方式對開關量狀態變化時刻不能正確反映，其誤差 大小與讀取周期有關。中斷方式指開關量輸入狀態發生變化時向 CPU 申請 中斷，在 CPU 響應中斷時讀入相應的開關量狀態。中斷方式能夠及時反映 開關量狀態的變化，使控制系統及時地對其狀態進行處

23、理3.3.3 系統中模擬信號的采集對連續的模擬信號 x(t) 按一定的時間間隔抽取相應的瞬時值 (也就是通 15 常所說的離散化)，這個過程稱為采樣。 連續的模擬信號 x(t) 經采樣過程后 轉換為時間上離散的模擬信號 (即幅值仍是連續的模擬信號) ，簡稱為采樣 信號。把采樣信號 以某個最小數量單位的整數倍來度量，這個過程稱為量 化。采樣信號 經過量化變換為量化信號 , 再經過編碼，轉換為離散的數字 信號 x(n) (即時間和幅值是離散的信號) ，簡稱為數字信號。 從模擬信號到 數字信號的整個轉換過程如圖 3-4 表示。工ft化圖3-4數據采集過程采樣周期決定了采樣信號的質量和數量：太小，會使

24、的數量劇增，占用大量的存單元；太大，會使模擬信號的某些信息丟失，這樣一來，若將采 樣后的信號恢復成原來的信號，就會出現失真現象，影響數據處理的精度。 因此，必須有一個選擇采樣周期的依據，以確定使 不失真地恢復原信號x(t) 這個依據就是采樣定理：設有連續信號x(t)其頻譜為X ( f)，以采樣周期采得離散信號為 如 果頻譜X ( f)和采樣周期滿足下列條件： 頻譜X ( f)為有限頻譜，即當(為截至頻率)時， X ( f)=0。 或，則連續信號唯一確定，式中n = 0,± 1, ± 2,；就是在采樣時間間隔能辨識的最咼頻率即截至頻率，又稱為奈奎斯特頻率根據采樣定理，本系統選

25、擇合適的采樣周期分別采集了模擬信號 如制動力信號和多維加速度等信號。圖 3-5所示為不同的采樣頻率 產生的效果，上面部分的點陣為合適的采樣頻率，下面部分由于采樣頻率低導致了失真以上這些關鍵性技術的采用，對提高該系統的主要技術指標和整 體技術性能起到了決定性的作用。第四章 硬件器件選型4.1 微控制器選型研制開發智能化程度高、功耗低、體積小、重量輕、使用時安裝方便快 捷、便于攜帶和易于手持操作的測試儀器，對于MCU 的選型是關鍵，經過綜合對比，選用了 ATMEL公司生產的MCS 51系列AT89C52單片機,由于 該微控制器具有超低功耗的特性，且部集成了大量的外圍接口模塊，因此對 降低儀器的功耗

26、和縮小儀器的體積以及提高系統的整體性能起到了決定性 的作用，從而使儀器的整體性能、功耗、體積和重量等主要技術指標遠優于 國外同類儀器。該儀器可使用普通的可充電電池作為機電源，并可連續工作 6-8 小時以上，具備了很好的使用方便性。4.1.1 AT89C52器 綜述AT89C52是美國ATMEI公司生產的低電壓，高性能 CMOS位單片機，片 含8k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PERO）和256 bytes的隨機 存取數據存儲器（RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術 生產，與標準MCS-51指令系統及8052產品引腳兼容，片置通用8位中央處 理器（CPU和Flas

27、h存儲單元，功能強大 AT89C52單片機適合于許多較為 復雜控制應用場合。主要性能參數：與MCS-51產品指令和引腳完全兼容 8k字節可重擦寫Flash閃速存儲器 1000次擦寫周期全靜態操作： 0Hz24MHz三級加密程序存儲器 256 X 8字節部RAM 32個可編程I /0口線 3 個 16 位定時計數器 8 個中斷源可編程串行UART1道低功耗空閑和掉電模式4.1.2 AT89C52概述AT89C52提供以下標準功能：8k字節Flash閃速存儲器，256字節部RAM 32個 I 0口線，3個 1 6位定時計數器，一個 6向量兩級中斷結構，一個 全雙工串行通信口，片振蕩器及時鐘電路。同

28、時，AT89C52可降至OHz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方 式保存RAM中的容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個 硬件復位。一、AT89C52結構1. AT89C52 的基本功能結構圖如圖 4-1 所示圖4-1 AT89C52 的基本功能結構2. AT89C52的封裝引腳如圖4-2所示PDIP(72)匚 VCC140(T2 罔)P1.1 匚239 PO.C 佻3)PI .2C3昏 P0.1 (AD1)P1.3C437 P0.2 (AD2)P1.4C536 PG3 (AD

29、3)P15C635 P0.4 (AD4)P1 .&匚7341 P0.5 iAD5)6331 P0.fi (AD6)RSTLg32 P0.7 (AD7)阿口） P3心匚1031 WVPP(TXD冋1匚1130 ALEJPROG(INTD)P3.2C1229 PSEH(INT1JP3.3C1328 P2.7円A匚142T P2.fi (A14)仃UPM5匚1526 P25恢倒|麗円，&匚16251 P2.4譏1辺両円F匚1724 P2.-3 (M 1)XTAL2C1823 P2.2 譏 1。)XTAL1 匚1922 P21 (A0)GNDC2021 P2.0 (M)圖4-2 AT8

30、9C52封裝引腳3. AT89C52各個引腳名稱及功能 P0 口： P0 口是一組8位漏極開路型雙向I /0 口，也即地址/數據總 線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8個TTL邏輯門電 路，對端口 P0寫“I ”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活部上拉電阻。在Flash編程時，P0 口接收指令字節。而在程序校驗時，輸出指令字節， 校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口： P1是一個帶部上拉電阻的8位雙向I /0 口，P1的輸出緩 沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“

31、I ”，通過 部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL ）。與AT89C5I不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數器 2的 外部計數輸入（P1.0 /T2）和輸入（P1.1 /T2EX，參見表4-1。Flash編程和程序校驗期間，Pl接收低8位地址引腳號功能特性P1.0T2 （定時/計數囂2外部計數脈沖輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時/計數2捕獲/重裝裁觸發和方向控制）表4-1 P1.0 和P1.I的第二功能-P2 口： P2是一個帶有部上拉電阻的8位雙向I /O 口，P2的輸出緩 沖級

32、可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口 P2寫“I” 通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時， 因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL ）。在訪問外部程序存儲器或 16位地址的外部數據存儲器（例如執行 MOVXDPT指令）時，P2 口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數 據存儲器（如執行MOVXR旨令）時，P2口輸出P2鎖存器的容。 P3 口： P3 口是一組帶有部上拉電阻的 8位雙向I /O 口。P3 口輸 出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3 口寫入“I ” 時，它們被部上拉電阻拉高并可作為輸

33、入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL ）。P3 口除了作為一般的I /0 口線外，更重要 的用途是它的第二功能，如表4-2所示舞口引JV第二功能P30RXD伸行輸入口）P3 1TXD串行輸出口）INTO （外中斷0） |PS.3INT1 （外中斷1）P3.4T0 （定時/計數器0外部輸入）P3.5TI （定時/計數甥1外韶輸入）WR （外部數據存儲器寫選通）P3.7RD （外部數據存儲器讀選通）表4-2此外，P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信 號。 RST復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高 電平將使單片機復位。 A

34、LE/:當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 l 6 輸出固定的脈沖信號， 因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE脈沖。對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（） 。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR區中的8EH單元的DO位置 位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條 MOVX口 MOV指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置 ALE禁 止位無效。：程序儲存允許（）輸出是外部程序存

35、儲器的讀選通信號，當 AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩 個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次信號。/VPP外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H FFFFH，端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1被編 程，復位時部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU®執行 部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必 須是該器件是使用12V編程電壓Vppo XTAL1： 振蕩器反相放大器的及部時鐘發生器的輸入端。 XTAL2：

36、 振蕩器反相放大器的輸出端。微加速度傳感器綜述微硅加速度傳感器是一種重要的力學量傳感器， 是最早受到研究的微機 械慣性傳感器之一。早在 60年代末、 70年代初，人們就開始研究一維微硅 加速度傳感器；到了 80 年代末，已經開始一維微硅加速度傳感器的規模化 生產；進入到 90 年代，隨著科學技術的發展和軍事、商業市場的需求，人 們設計出三維微硅加速度傳感器，用于檢測空間加速度，為軍事、工業自動 控制、醫療等方面服務。由于在硅片上集成的加速度傳感器具有體積小 , 重量輕 , 易于與測試、 控制電路集成 , 有利于大規模批量生產等優點 , 隨著這幾十年的發展 , 微 硅加速度傳感器的研究得到越來越

37、廣泛的關注加速度傳感器的基本原理是建立在牛頓第二定律的基礎上。 牛頓第二定 律認為：質點動量的變化率與外力成正比。如果質點的質量為常數時 , 它的 加速度與作用力成正比 , 即：其中 , m 為質點的質量， v 為質點的速度， P 為質點的動量， a 為施加 的加速度。任何加速度傳感器都可概括為以下三個部分：(1) 質量：它被加速時，產生一個慣性力；(2) 彈性構件：它使力作某種功；(3) 檢拾器：敏感力所作的功。微硅機械加速度傳感器結構中 , 彈性構件通常是很薄小的硅懸臂梁或撓 性軸。敏感力所作功的檢拾器 , 通常有壓阻檢測和電容檢測兩種 , 微硅壓阻式 加速度傳感器和微硅電容式加速度傳感器

38、是目前應用最多的微硅加速度傳 感器。最近 , 由于隧道效應在這方面的應用得到新的突破 , 又產生了一種新 型的加速度傳感器隧道效應式加速度傳感器。422 ADXL202概述ADXL202是美國ADI公司研制的基于單塊集成電路完善的雙軸加速度測 量系統，它是由一個多晶硅的表面微機械傳感器和一個信號調制電路來組成 開環加速度測量結構。對每根軸而言，輸出環路將模擬信號轉換為PWM信號（脈寬調制占空比信號），這些數字信號可直接與微處理器接口，毋需 A/D 轉換或附加其它電路。ADXL202可測量正負加速度，其最大測量圍為土 2g（g 為重力加速度），它既能測量動態加速度（如振動加速度），又能測量靜態加

39、 速度（如重力加速度），最大可承受1000g的沖擊。ADXL202采用表面微加工的多晶硅結構，用多晶硅的彈性元件支撐整個 結構并提供平衡加速度所需的阻力。ADXL202的梁結構如圖4-3所示，由該圖可見，ADXL202實際上是叉指式的電容結構，而它的每一套電容結構如 圖4-4所示。ADXL202通過由兩個獨立的固定極板和附在移動物體上的中 央極板組成的差動電容器來測量結構上的偏移，兩個固定極板分別由兩個幅值相同、相位相反的方波來驅動。當加速19度計受到加速度力后，就會改變差動電容的平衡，并通過信號調理電路，使輸出交流電壓的幅度與加速度 成正比。圖4-3 ADXL202梁結構圖圖4-4 ADXL

40、202電容結構示意圖、ADXL202雙軸加速度傳感器結構A SENSORADXL202/ADXL210OEMODOSCILLAFORif一DtMODFJLTi：rSELF TESTXOUTT/DUTY CVCLE MODULATOR DCMhfiltCOUNTER圖4-5 ADXL202功能結構圖ADXL202的基本功能結構圖如圖 4-5 所示。ADXL202的主要特性有:單一集成電路芯片上集成有兩個加速度傳感器。 可測量靜態加速度和動態加速度。以PWM的方式輸出測量結果，用戶可自行調整方波周期。 低功耗，小于 0.6mA 。60Hz 帶寬時分辨率可達到 5mg。3V 到 5.25V 電源供電

41、。 最大可承受的加速度為 1000g。 可應用于斜度測量、慣性導航、地震監測裝置、交通安全系統等。ADXL202采用14-Lead CERPAK封裝，如圖 4-6 所示。由圖可見,ADXL202有兩個敏感軸，測量時敏感軸必須與測量方向一致，圖中箭頭所指 方向即為 ADXL202 兩個敏感軸的方向。圖 4-6 ADXL202 的引腳信號ADXL202各個引腳名稱及功能見表4-3所示。(1) VDDADXL202有兩個電源輸入腳：13腳和14腳。這兩個引腳應該被直接 連接。(2) COMADXL20有兩個公共端：4腳和7腳。這兩個引腳應該被直接 相連并且接地。并且在 VDD與COM端之間連接一個0

42、.1卩F的電容，作退 耦之用。(3) VTP這個引腳應該保持開路，不用在這個引腳上連接任何電路。(4) ST21ST引腳控制自檢特性。在正常使用時應保持開路或與COM端相連。引腳號名稱描玨1NC沒冇違接2測試點3ST1':4COM公共端6T2連接Rg以調熬T2周期6NC沒有連接丫COM公共端SNC沒有連授9丫阿Y軸結杲PWM輸出io nXcmrrX軸結果PWM輸出11YriLT述接Y軸電容G12FlLTiitSX軸電容G13v3V到5. 25V電源11 n3V到5. 25V電源表4-3 ADXL202引腳信號說明、ADXL202的工作原理WPICiL CMJTPin AT PlhI D

43、VT増 iCVCtE10 二耳養 Durr tCLEII 汕劌12 * 2 5VCMJTPiiilT A" PIH DUTT C*CLEY* EX n lFCLtWWCAL OUTPUT AT OUh5 =£2 5% &LTV C*_LE14 * SJ% OUTY GYClX n = t i««v11 £&/匚亡匚ULJU匚EiRTH E lURFACF圖4-7 ADXL202對于地球重力場的反應圖4-7表示了當ADXL202方向改變時，X、丫兩軸方向上的輸出變化 情況。測量結果以PWM信號和模擬信號形式輸出，PWM信號的占空比

44、及模 擬信號的輸出與該方向上的加速度成正比。利用微控制器的計數器可以直接接收PWM信號的輸出，而不需要 A/D轉換器或其它額外接口電路。通過改變接地電阻的值，輸出信號周期在0.5ms10ms的圍可任意調節。ADXL202輸出的模擬信號，在、弓I腳上可得到與加速度成比例的電壓輸出信 號，可以對輸出信號進行積分處理以獲得對應的模擬輸出。在這種情況下， 使用帶ADC的微處理器直接采樣ADXL202的模擬輸出，可以獲得較高的采 樣速度。第五章系統的硬件電路設計5.1 系統硬件總體設計系統硬件總體設計框圖如圖5-1所示。系統硬件總體設計主要包括主機電路設計、信號接口電路設計、外設接口電路設計以及通信接口

45、電路設計以下分別對各接口電路設計進行論述系統總體帔件設計通仁接門電路12訃外設接口電路設汁信號接11電路設計圖5-1系統硬件總體設框圖5.2電源電路設計電源是設計系統中的重要組成部分， 主要是為各功能電路提供所需的工 作電壓，其穩壓性能直接影響系統工作的穩定性和可靠性。由于使用的元器 件電氣特性不同，系統中的各個部件所需的供電電壓也各不相同，有時需要 同時提供幾種不同的電壓和極性的直流穩壓電源， 例如本系統中所用單片機 與傳感器的工作電壓為土 5V,運放的工作電壓為5V，而用于線性放大模擬 信號 LM324 的參考電壓為 2.5V ，因此就需要分別設計不同的電源電路。為保證電壓的穩定性和精度，

46、本系統采用集成電路穩壓電源，電源模塊 主要由MC7805 MC1403和ICL7660 組成。其中MC7805 MC1403都是固定 電壓輸出的集成三端穩壓器，ICL7660為-5V電壓發生器。電源電路如圖 5-2所示，其中Vcc為+ 5V, V為一5V。CPS10V1Vifl 口 VOUT 百7亠 17+L-口11二住104CM仕二1:;V-1CU5.3 ADXL202 接口電路wr出CAJ-UVoscGsn r1 CAP-.71.:-圖5-2ADXL202所產生的模擬信號的處理電路如圖 5-3所示圖5-3 ADXL202所產生的模擬信號的處理電路ADXL202勺和引腳接0.1卩F電容使得模

47、擬輸出帶寬為50Hz、輸出附帶 噪聲(rms)為 4.3mg。由于ADXL202部32k Q的的影響，使得在和的模擬輸出驅動力不足。 故在和之后加上一個由運放 LM324構成的跟隨器增加驅動。ADXL202感應 的加速度的變化在+2g-2g之間，相應的，使得VDD為+5V時，輸出模擬 量的線性變化為+1.9V+3.1V。但設計中后端單片機 A/D采樣的輸入圍為 0V+2.5V，為了提高采樣精度并匹配 A/D采樣的輸入圍，在跟隨器之后設 計了由運放LM324組成的參考電壓為+2.5V、放大系數為3.9的負反饋放 大電路。這使得放大電路的輸出隨輸入的 +1.9V+3.1V線性變化為輸出的 +0.1

48、6V+ 4.84V。36ADXL202模擬信號處理電路中運放 LM324的輸入電壓 與輸出電壓的關系為 Voutput = (Vinput 2.5V) X 3.9K Q /1K Q +2.5V 然后 再進行電阻分壓，使得最終進入單片機的采樣輸入為+0.08V+2.42V。ADXL202輸出的模擬信號經信號處理電路后送入單片機帶的A/D轉換器進行A/D轉換。5.4踏板動作傳感器接口電路制動踏板動作傳感器為開關型傳感器，安裝在制動踏板上。在制動測試 過程中，駕駛員通過套裝在汽車制動踏板上的踏板動作傳感器向測試儀發送 開始制動的信號。開關信號在進行轉換時，由于機械觸點的抖動，將會使脈 沖的上升沿和下

49、降沿產生許多毛刺，甚至使波形不穩定。去抖的方法很多， 可以采樣專門的集成電路構成去抖電路。為了簡化設計，本系統采用施密特 觸發器對輸入信號進行整形以形成良好的脈沖波形。踏板動作傳感器輸出的信號經阻容濾波和施密特觸發器整形后送入單 片機的P24端口，另外系統還設計了制動啟動指示燈，當制動踏板動作傳感 器被按下時，37指示燈有變化。其接口電路如圖 5-4所示。踏板傳感器罟CIN：1Q3LED圖5-4踏板動作傳感器接口電路5.5 制動力傳感器接口電路制動力傳感器電路制動力傳感器主要類型有電位計式、差動變壓器式、自整角電極式和電 阻應變式。目前電位計式傳感器已很少使用，大多選用應變式壓力傳感器和 差動

50、變壓器式傳感器。本系統的制動力傳感器選用電阻應變式壓力傳感器。7?'hl1圖5-5傳感器電橋電路圖傳感器的電橋電路如圖5-5所示。電阻R1、R2、R3 R4作為四個橋 臂，R1R4是細的鉑金屬絲形成的電阻，這些金屬絲貼在金屬圓柱的外表 面上，其中R2、R4按橫向粘貼，R1、R3按縱向粘貼。在不變力的情況下， 這些金屬絲是等截面、等長度、等阻值的，因此，電橋平衡，無輸出信號。 在金屬圓柱體受到拉力時，則圓柱體被拉長，圓柱體截面積變小，截面周長 變短。那么，貼在圓柱表面的電阻絲，按縱向粘貼的就變為細而長，阻值變 大，而橫向粘貼的則變為短而粗，阻值變小。于是電橋有信號輸出，該信號 大小與所受

51、壓力成正比。電橋輸出信號經放大后，送入單片機進行處理。5.5.2 制動力傳感器接口電路汽車制動力傳感器的輸出信號為差動信號。輸出電壓為毫伏級電壓。但是該 系統選用的A/D轉換器的輸入模擬信號的圍為 02.5V，所以為使得輸入 信號與A/D匹配，必須把傳感器采集的信號進行放大。然后送入A/D轉換電路。其接口電路如圖5-6所示。在此電路中，RW牡RW2 RWMRf。U1和U2為制動力傳感器輸出的差 動信號。經過調理電路之后，進入 A/D轉換器的電壓與傳感器的輸出壓力 信號關系如式：微控制器的P23端口直接與其部A/D轉換器的3通道相 連，此時制動力傳感器信號送入 A/D轉換器進行A/D轉換，實現了

52、微控制 器對制動力傳感器信號的采集。5.6 顯示器接口電路與按鍵電路設計顯示和鍵盤的掃描采用了數碼管驅動及鍵盤控制芯片CH451 ,用CH451擴展鍵盤顯示接口，具有接口簡單、占用CPU資源少、外圍器件簡單、性能 價格比高等優點，可在各種單片機系統中得到廣泛的應用。CH451的特點：CH451是一個整合了數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以及卩P監控的多功能外圍芯片。CH451置RC振蕩電路，可以直接動態驅動8位數碼管或 者64位LED,具有BCD譯碼或不譯碼功能，可實現數據的左移、右移、左循 環、右循環、各數字獨立閃爍等控制功能。CH451置大電流驅動級，段電流不小于30mA,字電流不小于160m

53、A并有16級亮度控制功能；在鍵盤控制方 面,該器件置64鍵鍵盤控制器，可實現8X8矩陣鍵盤掃描，并置去抖動電路，可提供按鍵中斷與按鍵釋放標志位等功能 ；在外部接口方面，CH451可選擇 簡潔的1線串行接口或高速4線串行接口，且置上電復位，可提供高電平有 效復位和低電平有效復位兩種輸出,同時置看門狗電路 Watch2Dog電路連接 如圖5-7圖5-7顯示與鍵盤接口電路5.7 主電路設計系統主題電路設計如圖5-8所示第六章系統軟件設計軟件設計思想采用模塊化編程思想，有主程序模塊和各子程序模塊構 成。子程序包括：信號采集子程序，轉換標定子程序，濾波子程序，計算制動距 離和制動時間子程序，顯示子程序等

54、。6.1 主程序模塊主程序主要完成初始化、計算方波的周期T2、中斷的開啟和關閉、測試開始和結束的判斷并調用各個子程序功能。主程序流程圖如圖6-1所示圖6-1主程序流程圖6.2 系統的數據采集模塊數據采集是整個測試儀的主要功能，它提供了整個測試系統的數據來源，是本系統設計的重要組成部分。本課題設計中采集的信號主要有：踏板動作傳感器信號、制動力傳感器信號、加速度傳感器信號等。本系統選用的 AT89C52單片機，其豐富的外部中斷源以及部集成的大量的CPU外圍模塊，如：定時器、A/D轉換器等，和系統簡潔的指令系統，使得數據的采集模塊 的軟件設計變得非常簡單。踏板動作傳感器信號屬開關信號，由于踏板動作傳

55、感器與單片機的 P24 口相連而P24 口具有中斷能力，所以對于該信號的采集方式選用中斷方式， 即當踏板動作傳感器信號狀態發生變化時向CPU申請中斷，在CPU響應中斷時讀入相應的信號狀態。中斷方式能夠及時反映開關量狀態的變化，使控 制系統及時地對其狀態進行處理。制動踏板動作中斷服務程序流程圖如圖6-2所示圖6-2制動踏板動作中斷服務程序流程圖制動力傳感器信號、3維加速度傳感器信號、溫度信號和供電電池電壓 信號均屬模擬信號，經信號處理電路后進入A/D轉換器進行A/D轉換。為了增加制動過程中系統的響應速度，A/D轉換分為兩部分：制動過程中的信號 采集和非制動過程中的信號采集。其 A/D轉換中斷服務程序流程圖如圖6-3 所示。ftUJSMU ZD AD JAVJSMU AD 2辱“ff 2裂Tri-iSTWr< 丘二 露AP 工u5U_ZDAX&