[電子電路]汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀

1、摘 要隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)和交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，車輛的技術(shù)性能和質(zhì)量越來越高，對(duì)車輛制動(dòng)性能檢測(cè)儀的使用也越來越普及，對(duì)檢測(cè)儀器的需求量也越來越大。但到目前為止市場(chǎng)上用于車輛制動(dòng)檢測(cè)的儀器中在免安裝、快速檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、體積、耗電量和使用方便性等方面都不能夠瞞住越來越高的車檢要求，因此，盡快研制開發(fā)出一種高性能的具有免安裝和快速檢測(cè)的特點(diǎn)、手、持操作方便、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、便于進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的車輛制動(dòng)性能檢測(cè)儀器，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。介紹了以單片機(jī)為核心、以adxl202 為主要探測(cè)部件的汽車制動(dòng)性能測(cè)試儀。該儀器與機(jī)動(dòng)車輛沒有機(jī)械和電氣連接, 通過加速度數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)制動(dòng)距離

2、和制動(dòng)時(shí)間的計(jì)算。給出了系統(tǒng)電路和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)具有使用方便、硬件體積小、成本低、智能化較高的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：加速度傳感器，制動(dòng)性能檢測(cè)，單片機(jī)。abstractwith the swift and violent development of the automobile industry and communication of out country ,the technical feature and quality of the vehicle are higher and higher ,the use of the instrument for vehicle baki

3、ng performance test is popularized , and the demand of the detecting instrument is larger and larger .but up till now ,the instrument for vehicle braking performance test used and applied on the market can not meet the higher and higher demand of the vehicle detecting in many aspects such as avoided

4、 installing ,fast measuring ,storing amount of data ,volume ,power consumption and the convenient using etc. so ,develop a kind of high-prformance instrument for vehicle braking performance test with the characteristic of avoided installation and fast measuring as soon as possible ,easy to handheld

5、operation ,large storing amount of data ,easy to carry on data management ,has important realistic meaning and using value.the new style monitor for vehicle braking system performance with single chip computer ascore control and accelerometer adxl202 as main detector is introduced. this instrument h

6、as no mechanical and electrical connection with motor vehicles, using collection and operation of acceleration data to realize the computing of brakingdistance and braking time. design scheme of circuit and software are provided. the system has many features includingsmall volume of hardware, low co

7、st, high intelligent and so on.keywords: acceleration transducer 、braking performance test 、series目錄第一章緒論15.1汽車制動(dòng)性能檢測(cè)簡(jiǎn)介15.2國內(nèi)外汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀25.3本課題的主要研究任務(wù)和意義2第二章汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)概述42.1汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀研發(fā)方案的確定42.1.1用制動(dòng)距離檢驗(yàn)行車制動(dòng)性能標(biāo)準(zhǔn)52.1.2用充分發(fā)出的平均減速度檢驗(yàn)行車制動(dòng)性能標(biāo)準(zhǔn)62.1.3制動(dòng)踏板力或制動(dòng)氣壓標(biāo)準(zhǔn)72.1.4應(yīng)急制動(dòng)性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)72.1.5駐車制動(dòng)性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)82.2汽車制

8、動(dòng)檢測(cè)儀的基本原理8第三章系統(tǒng)方案與主要關(guān)鍵性技術(shù)94.1系統(tǒng)總體實(shí)施方案94.2制動(dòng)性能檢測(cè)中的測(cè)試算法104.3系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)123.3.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述123.3.2系統(tǒng)中開關(guān)信號(hào)的采集143.3.3系統(tǒng)中模擬信號(hào)的采集14第四章硬件器件選型174.1微控制器選型174.1.1at89c52器綜述17474.1.2at89c52概述184.2adxl202 微硅加速度傳感器及其分析234.2.1微加速度傳感器綜述234.2.2adxl202 概述24第五章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)305.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)305.2adxl202 接口電路315.3踏板動(dòng)作傳感器接口電路325.4制動(dòng)

9、力傳感器接口電路325.4.1制動(dòng)力傳感器電路325.4.2制動(dòng)力傳感器接口電路335.5顯示器接口電路與按鍵電路設(shè)計(jì)345.6主電路設(shè)計(jì)35第六章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)376.1主程序模塊376.2系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊376.3計(jì)算制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間子程序396.4顯示子程序40第七章總結(jié)42致謝44參考文獻(xiàn)45第一章 緒論隨著人民生活水平的提高，汽車工業(yè)得到了飛躍發(fā)展。越來越多的家庭和個(gè)人擁有了機(jī)動(dòng)車。然而由此造成的交通事故也呈增長(zhǎng)勢(shì)頭。據(jù)調(diào)查，在機(jī)動(dòng)車發(fā)生的交通事故中由于制動(dòng)不良占有很大的比重，如在我國的一城市一年內(nèi)發(fā)生的250起重大交通事故中，因制動(dòng)距離太長(zhǎng)和制動(dòng)跑偏所造成的事故為100起，占40

10、，因制動(dòng)調(diào)頭引起的事故為16起，占614。可見機(jī)動(dòng)車必須具備良好的制動(dòng)性能才能保證行駛安全，同時(shí)也只有在此條件下才能提高行駛速度和運(yùn)輸生產(chǎn)率。因此我們應(yīng)該高度重視機(jī)動(dòng)車的制動(dòng)性能，必須經(jīng)常對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)整。國家也將機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能安全檢測(cè)列為重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目之一。5.1 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)簡(jiǎn)介汽車制動(dòng)性能檢測(cè)在汽車生產(chǎn)制造過程中是一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，在投入使用后的每年一度的年檢中是一個(gè)主要組成部分，同時(shí)也是交警執(zhí)勤檢查的一項(xiàng)重要內(nèi)容。汽車制動(dòng)性能檢測(cè)按檢測(cè)項(xiàng)目分為行車制動(dòng)、應(yīng)急制動(dòng)和駐車制動(dòng)；按檢測(cè)環(huán)境分為臺(tái)試法和路試法。按制動(dòng)檢測(cè)對(duì)象分為制動(dòng)距離、充分發(fā)出的減速度、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間、踏板力或

11、制動(dòng)氣壓、制動(dòng)力及其總和與整車重量的百分比、軸制動(dòng)力及其與軸荷的百分比等參數(shù)的直接或間接測(cè)量等；汽車制動(dòng)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)歷了幾次修訂。最新的標(biāo)準(zhǔn)是在2004年制定實(shí)施的，為(gb72582004機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件。標(biāo)準(zhǔn)已將汽車在路制動(dòng)性能檢測(cè)列為首要5.2 國內(nèi)外汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀緊跟汽車工業(yè)發(fā)展步伐，汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀的研發(fā)工作也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，出現(xiàn)了一系列的性能完善的檢測(cè)設(shè)備，如用于臺(tái)試法的滾筒反力式制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)系列和平板制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)系列，用于路試法的以速度計(jì)、第五輪儀和其它測(cè)速方法測(cè)速的設(shè)備為主體便攜式制動(dòng)性能檢測(cè)綜合裝置等。隨著集成電路的生產(chǎn)制造工業(yè)水平不斷更新，大規(guī)模和超

12、大規(guī)模可編程邏輯器件的資源日益豐富、功能日益強(qiáng)勁、使用日益容易、價(jià)格日益降低，世界上許多國家的汽車制動(dòng)性能檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)制造的公司和研發(fā)機(jī)構(gòu)正將主要精力轉(zhuǎn)移到便攜式道路制動(dòng)性能檢測(cè)儀的研制和開發(fā)工作，已有少量產(chǎn)品在市場(chǎng)上出現(xiàn)并投入實(shí)際使用中。我國在近幾年也逐漸加大研發(fā)力度，研制新模型，盡量減低其開發(fā)成本和提高對(duì)使用環(huán)境以及運(yùn)行條件的適應(yīng)性，以便盡快為市場(chǎng)所接受，但受研發(fā)器件、研發(fā)成本等條件限制，目前仍然處于嘗試和試驗(yàn)階段，成熟的產(chǎn)品不多。5.3 本課題的主要研究任務(wù)和意義本課題針對(duì)目前國內(nèi)市場(chǎng)上汽車制動(dòng)性能檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)狀和存在的問題，吸取國內(nèi)外現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和元器件，開發(fā)出一套

13、性價(jià)比高的汽車制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)。測(cè)量以一定初速度(v=50kmh或30kinh)行駛于平直的、長(zhǎng)度在50米以上的水泥或?yàn)r青路面上的汽車在制動(dòng)控制過程中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，經(jīng)分析、處理，從而得到其制動(dòng)距離、充分發(fā)出的平均減速度、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間、制動(dòng)踏板力等制動(dòng)性能參數(shù)，并對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能狀況判定。該檢測(cè)儀須具有以下功能：(1)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)測(cè)試過程信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、測(cè)試數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存以及測(cè)試數(shù)據(jù)的處理等功能，并可將處理結(jié)果以圖形、曲線、表格等格式顯示、打印輸出；(2)實(shí)時(shí)顯示采樣數(shù)據(jù)。繪制車速、跑偏距離、制動(dòng)踏板力等測(cè)量參數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)波形，以監(jiān)督信號(hào)過程的連續(xù)性、有效性，確保試驗(yàn)成功；(3)

14、操作簡(jiǎn)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(dāng)前的工作狀態(tài)。能及時(shí)輸出檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果。(4)檢測(cè)儀有自調(diào)試功能。應(yīng)有上電及軟件自恢復(fù)功能，具有自診斷功能，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)儀的內(nèi)存、各功能模塊、ilo口等工作異常時(shí)應(yīng)及時(shí)報(bào)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(cè)站，以及交通安全檢查站等等；本課題立足新起點(diǎn)，運(yùn)用新技術(shù)，構(gòu)建新模式，擬將高速線陣ccd引入到汽車制動(dòng)性能檢測(cè)中，為他人提供汽車制動(dòng)性能檢測(cè)新思路，并推動(dòng)我國在此方面研究的深入、發(fā)展，具有一定的實(shí)際意義。第二章 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)概述2.1 汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀

15、研發(fā)方案的確定檢測(cè)汽車制動(dòng)性能的方法有感觀檢測(cè)法、臺(tái)試法和路試法。感觀檢測(cè)法是工作人員(或修理工)在實(shí)際檢查工作中，運(yùn)用聽來檢查氣漏，聞(嗅覺)來識(shí)別過熱制動(dòng)或沾污的熱表面，觸覺可以用來檢、摸松動(dòng)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(shí)還包括測(cè)量推桿行程以識(shí)別潛在的不安全因素。這種方法得到的結(jié)果可用來預(yù)見營(yíng)運(yùn)汽車目前或運(yùn)行一段時(shí)間后的制動(dòng)性能，很顯然，其優(yōu)點(diǎn)在于其檢視費(fèi)用少，設(shè)備簡(jiǎn)單，僅需要尺子、閃光燈、上螺絲器、鉛筆和紙張就行，操作方便，操作人員的經(jīng)驗(yàn)可幫助他發(fā)現(xiàn)特種車或帶有特別攜帶物品車輛的故障。同時(shí)該種方法的缺點(diǎn)也是顯而易見的：檢視工作耗時(shí)長(zhǎng)，只能部分定期檢查在運(yùn)

16、行的車輛，同時(shí)檢視工作帶有一定的主觀性，測(cè)試結(jié)果很大程度上取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和操作水平，且有不少項(xiàng)目如制動(dòng)力、制動(dòng)減速度等一些重要的性能參數(shù)測(cè)不出來，目前逐步被淘汰。臺(tái)試法是利用室內(nèi)制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)汽車制動(dòng)性能，由于其安全易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，因此絕大多數(shù)的汽車制動(dòng)性能檢測(cè)采用此方法。該方法通過制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)力的測(cè)量，通常以車輪制動(dòng)力的大小和左右車輪制動(dòng)力之差值來評(píng)價(jià)汽車的制動(dòng)性能。該方法一般不對(duì)制動(dòng)過程的踏板力、制動(dòng)力和制動(dòng)時(shí)間等參數(shù)做實(shí)時(shí)記錄分析，這對(duì)于制動(dòng)系工作正常且制動(dòng)時(shí)無遲滯的汽車是準(zhǔn)確的，但對(duì)于有故障或制動(dòng)遲滯的汽車，試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)合格，實(shí)際使用中不一定合格。另外，在試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)時(shí)，

17、汽車前后軸載荷為不變的靜載荷，而實(shí)際道路制動(dòng)時(shí)，由于慣性力的作用，汽車前后軸的載荷將發(fā)生變化，而這種變化將影響制動(dòng)效果，因此臺(tái)架試驗(yàn)法有一定的局限性。道路試驗(yàn)法有傳統(tǒng)路試法和在路智能測(cè)試法。傳統(tǒng)路試法的主要手段是觀測(cè)在規(guī)定條件下行駛的汽車進(jìn)行剎車動(dòng)作后而留在地面上的痕跡，從制動(dòng)開始到制動(dòng)停止的距離、輪胎在路面上的壓印和拖印的痕跡作為評(píng)定制動(dòng)性能的依據(jù)。這是一種近似測(cè)定制動(dòng)距離的方法，在一定程度上能反應(yīng)汽車制動(dòng)的實(shí)際狀況。該方法簡(jiǎn)單、成本低，但每次試驗(yàn)時(shí)輪胎磨損嚴(yán)重，并受人的主觀和試驗(yàn)條件如速度、負(fù)荷、路面、輪胎類型和風(fēng)阻差異的影響很大，因此誤差大。在路智能測(cè)試法的主要儀器為五輪儀及慣性式減速度

18、計(jì)。近代的第五車輪采用電磁感應(yīng)傳感器與數(shù)字顯示裝置，能精確測(cè)出起始車速、制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間，但價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，目前多用于專業(yè)汽車制造廠。綜上所述，感官檢測(cè)法誤差大，瀕臨淘汰，只能用于臨時(shí)非正規(guī)的估算檢測(cè)中；臺(tái)試法安全易實(shí)現(xiàn)，但需要專門的檢測(cè)臺(tái)，檢測(cè)設(shè)備體積大而笨重，而且存在靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際動(dòng)態(tài)參數(shù)不一致的先天缺陷；在路智能檢測(cè)法檢測(cè)能全面、準(zhǔn)確、迅速的獲得汽車實(shí)際制動(dòng)性能參數(shù)，因此，本課題以在路智能檢測(cè)作為研究?jī)?nèi)容。具體檢測(cè)項(xiàng)目和要求標(biāo)準(zhǔn)如下：2.1.1 用制動(dòng)距離檢驗(yàn)行車制動(dòng)性能標(biāo)準(zhǔn)汽車在規(guī)定的初速度下的制動(dòng)距離和制動(dòng)穩(wěn)定性應(yīng)符合表211的要求，對(duì)空載檢驗(yàn)制動(dòng)距離有質(zhì)疑時(shí)，可用表211

19、滿載檢驗(yàn)的制動(dòng)性能要求進(jìn)行。制動(dòng)距離是指汽車在規(guī)定的初速度下急踩制動(dòng)時(shí)。從腳接觸制動(dòng)踏板(或手觸動(dòng)制動(dòng)手柄)時(shí)起至車輛停止時(shí)車輛行駛過的距離。表211 制動(dòng)距離和制動(dòng)穩(wěn)定性要求車輛類型制動(dòng)初速度（km/h）滿載檢測(cè)制動(dòng)距離要求（m）空載檢測(cè)制動(dòng)距離要求（m）試車到寬度（m）三輪汽車20502.5乘用車5020019o2.5總質(zhì)量不大于3500kg的低速貨車309o802.5其它總質(zhì)量不大于3500kg的汽車502202102.5其它汽車、汽車列車30100903.02.1.2 用充分發(fā)出的平均減速度檢驗(yàn)行車制動(dòng)性能標(biāo)準(zhǔn)汽車、汽車列車在規(guī)定的初速度下急踩制動(dòng)時(shí)充分發(fā)出的平均減速度和制動(dòng)穩(wěn)定性符合

20、表212的規(guī)定要求，且制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間對(duì)液壓制動(dòng)的汽車不應(yīng)大于o35 s，對(duì)氣壓制動(dòng)的汽車不應(yīng)大于060 s，對(duì)汽車列車、鉸接客車和鉸接式無軌電車不應(yīng)大于080 s。對(duì)空載檢驗(yàn)的充分發(fā)出的平均減速度有質(zhì)疑時(shí)，可用表212滿載檢驗(yàn)的充分發(fā)出的平均減速度。制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間：是指在急踩制動(dòng)時(shí)，從踏板開始動(dòng)作至車輛減速度(或制動(dòng)力)達(dá)到表212規(guī)定的車輛充分發(fā)出的平均減速度75時(shí)所需的時(shí)間。表2.1.2制動(dòng)減速度和制動(dòng)穩(wěn)定性要求車輛類型制動(dòng)初速度（km/h）滿載檢驗(yàn)充分發(fā)出的平均減數(shù)度（m/s2）空載檢驗(yàn)充分發(fā)出的平均減速度（m/s2）試車到寬度（m）三輪汽車203.82.5乘用車505.96.22.5總質(zhì)量

21、不大于3500kg的低速貨車305.25.62.5其它總質(zhì)量不大于3500kg的汽車505.45.82.5其它汽車、汽車列車305.05.43.02.1.3 制動(dòng)踏板力或制動(dòng)氣壓標(biāo)準(zhǔn)a)滿載檢驗(yàn)時(shí)氣壓制動(dòng)系：氣壓表的指示液壓 額定工作氣壓；液壓制動(dòng)系：踏板力， 乘用車 500n；，其它機(jī)動(dòng)車 700n。b)空載檢驗(yàn)時(shí)氣壓制動(dòng)系；氣壓表的指示液壓一 600kpa；液壓制動(dòng)系：踏板力， 乘用車 400n；其它機(jī)動(dòng)車 450n。2.1.4 應(yīng)急制動(dòng)性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)汽車在空載和滿載狀態(tài)下，按表2.1.3所列初速度進(jìn)行應(yīng)急制動(dòng)性能檢驗(yàn)，測(cè)量從應(yīng)急制動(dòng)操縱始至車輛停住始的制動(dòng)距離，應(yīng)急制動(dòng)性能應(yīng)符合表2.1.

22、3的要求表213應(yīng)急制動(dòng)性能要求車輛類型制動(dòng)初速度（km/h）制動(dòng)距離（m）充分發(fā)出的平均減速度（m/s2）允許操控力不大于（n）手操控腳操控乘用5038029400500其它汽車(三輪車汽車除外)3018o25600700其他汽車30202.26007002.1.5 駐車制動(dòng)性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在空載狀態(tài)下，駐車制動(dòng)裝置應(yīng)能保證汽車在坡度為20(xc總質(zhì)量為整備質(zhì)量的12倍以下的汽車為15)、輪胎與地面間的附著系數(shù)不小于07的坡道上正、反兩個(gè)方向保持不動(dòng)，其時(shí)間不應(yīng)少于5 min。對(duì)于允許掛接掛車的汽車，其駐車制動(dòng)裝置必需能使汽車列車在滿載狀態(tài)下時(shí)能停在坡度為12的坡道(坡道上輪胎與地面之間的附著系

23、數(shù)不應(yīng)小于0。7)上。2.2 汽車制動(dòng)檢測(cè)儀的基本原理制動(dòng)性能檢測(cè)儀完成對(duì)制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間的檢測(cè), 其工作原理是以加速度傳感器為主要探測(cè)部件, 利用加速度傳感器在制動(dòng)時(shí)對(duì)減速度的測(cè)量, 并經(jīng)過at89c52 單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理分析, 實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間的計(jì)算。該系統(tǒng)主要包括3 個(gè)過程: 制動(dòng)開始的判斷和數(shù)據(jù)的采集過程; 數(shù)據(jù)的處理和分析過程; 制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間的顯示過程。根據(jù)制動(dòng)過程中所檢測(cè)的速度和制動(dòng)踏板力，便可計(jì)算制動(dòng)性能參數(shù)，對(duì)照相關(guān)國標(biāo)，通過lcd顯示輸出被測(cè)汽車的制動(dòng)性能評(píng)判結(jié)果。第三章 系統(tǒng)方案與主要關(guān)鍵性技術(shù)3.1 系統(tǒng)總體實(shí)施方案為保證儀器對(duì)速度和距離量的測(cè)試精度，本

24、儀器采用多維加速度傳感器，以解決車輛在制動(dòng)時(shí)非規(guī)則運(yùn)動(dòng)所造成的測(cè)試誤差。另外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充分發(fā)出的平均減速度(mfdd)、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間(bct)及制動(dòng)踏板力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖本設(shè)計(jì)主要有制動(dòng)力傳感器、多維加速度傳感器、制動(dòng)踏板動(dòng)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(tǒng)將加速度傳感器采集的信號(hào)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)入微處理器根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后微處理器將處理后的數(shù)據(jù)分別送至液晶顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。3.2 制動(dòng)性能檢測(cè)中的測(cè)試算法由于本課題是采用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)車輛制

25、動(dòng)性能的測(cè)試并獲得各項(xiàng)參數(shù)，其測(cè)試算法的好壞將直接影響測(cè)試過程的實(shí)時(shí)性和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此算法的設(shè)計(jì)原則是在保證測(cè)試精度的前提下應(yīng)具有算法簡(jiǎn)單且便于在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。由車輛制動(dòng)的物理過程可知：在初始條件已知的前提下,通過對(duì)加速度在時(shí)間軸上進(jìn)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(shè)整個(gè)制動(dòng)性能測(cè)試的時(shí)間為t,將其劃分為n個(gè)區(qū)間,如圖3-1所示,可以取一足夠小的區(qū)間作為一個(gè)時(shí)間段,把一些物理量簡(jiǎn)化。圖 3-2 時(shí)間段假設(shè)時(shí)間段為 tn=tn-tn-1式中tn為汽車行駛在某一點(diǎn)的時(shí)刻。行駛總時(shí)間t為 t=i=1nti瞬時(shí)速度vn為vn=vn-1=tn-1tnand

26、t式中an為tn時(shí)刻的瞬時(shí)加速度。行駛距離dn為dn=dn-1+tn-1tnvndt式中vn為tn時(shí)刻的瞬時(shí)速度。上述速度、距離理論值的推導(dǎo)公式均為積分計(jì)算。在單片機(jī)中進(jìn)行積分運(yùn)算，以時(shí)間為坐標(biāo)軸將其分割為足夠小的時(shí)間片斷,取其離散值,再進(jìn)行疊加從而得出積分結(jié)果, 則上述dn和vn的導(dǎo)出公式變?yōu)関n=vn-1+antndn=dn-1+vntn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(shè)速度和距離的初始值分別為0。在進(jìn)行車輛制動(dòng)性能測(cè)試時(shí)，單片機(jī)接收到制動(dòng)踏板動(dòng)作信號(hào)后，立即對(duì)加速度傳感器的信號(hào)進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)，然后根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試算法計(jì)算出制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間、制動(dòng)初速度、充分發(fā)出的平均

27、減速度、制動(dòng)距離和總的制動(dòng)時(shí)間等參數(shù)。為了避免制動(dòng)之前較長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備運(yùn)行帶來的測(cè)量積累誤差，本研究采用向后的數(shù)值積分方法，即已知制動(dòng)末速度、各瞬時(shí)加速度值及各時(shí)間段值利用后向積分的方法來計(jì)算制動(dòng)初速度和制動(dòng)距離等量。積分初始條件制動(dòng)末速度和制動(dòng)距離分別為0。在進(jìn)行車輛加速性能測(cè)試時(shí)，當(dāng)車輛由靜止開始加速時(shí)，隨之開始采樣，直至車速達(dá)到設(shè)定的速度，加速過程結(jié)束。然后根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試算法計(jì)算出平均加速度、加速時(shí)間、加速距離等參數(shù)。在加速性能的測(cè)試算法中，測(cè)量系統(tǒng)的積分在時(shí)間軸上是向前進(jìn)行的，即已知初速度、各瞬時(shí)加速度值及各時(shí)間段值利用前向積分的方法來計(jì)算平均加速度、加速過程各瞬時(shí)速度等測(cè)試量。此時(shí)積分

28、初始條件速度為0。3.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)3.3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述由于數(shù)據(jù)采集是測(cè)試系統(tǒng)的最重要的環(huán)節(jié)，因此數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心。數(shù)據(jù)采集的主要任務(wù)就是采集各傳感器的輸出信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)或微處理器能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)或相應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，根據(jù)需要進(jìn)行處理，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的測(cè)試或監(jiān)控一般情況下數(shù)據(jù)采集的信號(hào)按其性質(zhì)可主要分為以下幾類，如圖 3-3 所示。圖 3-3 數(shù)據(jù)采集的信號(hào)(1) 模擬信號(hào)模擬信號(hào)是指隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。模擬信號(hào)非常便于傳送，但它對(duì)于干擾信號(hào)很敏感，容易使傳送中的信號(hào)的幅值或相位發(fā)生畸變。因此，有時(shí)還要對(duì)模擬信號(hào)做零漂修

29、正，數(shù)字濾波等處理。(2) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是指在有限的離散瞬時(shí)上取值間斷的信號(hào)。在二進(jìn)制系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)是由有限長(zhǎng)的數(shù)字組成，其中每位數(shù)字不是 0 就是 1，這可由脈沖的有無來體現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)對(duì)傳輸路線上的干擾不敏感，只需檢測(cè)脈沖的有無來獲取信息，至于信號(hào)的精確性（幅值、持續(xù)時(shí)間）是無關(guān)緊要的。數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)后，常常需要進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換處理，以便顯示數(shù)字信號(hào)值。(3) 開關(guān)信號(hào)開關(guān)信號(hào)主要來自各種開關(guān)器件，如按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、可繼電器觸點(diǎn)等。開關(guān)信號(hào)的處理主要是檢測(cè)開關(guān)器件的狀態(tài)變化。本系統(tǒng)中需要采集的信號(hào)主要有加速度傳感器信號(hào)、踏板力傳感器信號(hào)、制動(dòng)踏板動(dòng)作信號(hào)、供電電池電壓信號(hào)和溫度信號(hào)

30、等，其中除制動(dòng)踏板動(dòng)作信號(hào)屬開關(guān)信號(hào)外，其它信號(hào)均為模擬信號(hào)。3.3.2 系統(tǒng)中開關(guān)信號(hào)的采集開關(guān)信號(hào)的處理較為簡(jiǎn)單，主要是檢測(cè)其狀態(tài)的變化，通常采用的方式為定時(shí)查詢方式或中斷方式。在定時(shí)查詢方式里，cpu 周期性地在規(guī)定時(shí)刻將開關(guān)量狀態(tài)讀入，這種方式對(duì)開關(guān)量狀態(tài)變化時(shí)刻不能正確反映，其誤差大小與讀取周期有關(guān)。中斷方式指開關(guān)量輸入狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)向 cpu 申請(qǐng)中斷，在 cpu 響應(yīng)中斷時(shí)讀入相應(yīng)的開關(guān)量狀態(tài)。中斷方式能夠及時(shí)反映開關(guān)量狀態(tài)的變化，使控制系統(tǒng)及時(shí)地對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行處理3.3.3 系統(tǒng)中模擬信號(hào)的采集對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)x(t) 按一定的時(shí)間間隔ts抽取相應(yīng)的瞬時(shí)值（也就是通15常所說的離

31、散化），這個(gè)過程稱為采樣。連續(xù)的模擬信號(hào)x(t) 經(jīng)采樣過程后轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的模擬信號(hào)xs(nts) （即幅值仍是連續(xù)的模擬信號(hào)），簡(jiǎn)稱為采樣信號(hào)。把采樣信號(hào)xs(nts) 以某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來度量，這個(gè)過程稱為量化。采樣信號(hào)xs(nts) 經(jīng)過量化變換為量化信號(hào)xq(nts), 再經(jīng)過編碼，轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)x(n) （即時(shí)間和幅值是離散的信號(hào)），簡(jiǎn)稱為數(shù)字信號(hào)。從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的整個(gè)轉(zhuǎn)換過程如圖 3-4 表示。圖 3-4 數(shù)據(jù)采集過程采樣周期ts決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量：太小，會(huì)使xs(nts) 的數(shù)量劇增，占用大量的內(nèi)存單元；ts太大，會(huì)使模擬信號(hào)的某些信息丟失，這樣一

32、來，若將采樣后的信號(hào)恢復(fù)成原來的信號(hào)，就會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)處理的精度。因此，必須有一個(gè)選擇采樣周期ts的依據(jù)，以確定使 xs(nts) 不失真地恢復(fù)原信號(hào)x(t) 這個(gè)依據(jù)就是采樣定理：設(shè)有連續(xù)信號(hào)x(t) 其頻譜為 x ( f)，以采樣周期ts采得離散信號(hào)為xs(nts) 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(dāng)|c（c為截至頻率）時(shí)， x ( f)=0。 ts12c或2c1ts=s，則連續(xù)信號(hào)xt=-+ntssints(t-nts)ts(t-nts)唯一確定，式中 n = 0,1,2,；c就是在采樣時(shí)間間隔內(nèi)能辨識(shí)的最高頻率即截至頻率，又稱為

33、奈奎斯特頻率根據(jù)采樣定理，本系統(tǒng)選擇合適的采樣周期ts分別采集了模擬信號(hào)如制動(dòng)力信號(hào)和多維加速度等信號(hào)。圖 3-5 所示為不同的采樣頻率產(chǎn)生的效果，上面部分的點(diǎn)陣為合適的采樣頻率，下面部分由于采樣頻率低導(dǎo)致了失真圖 3-5 a/d 采樣頻率以上這些關(guān)鍵性技術(shù)的采用，對(duì)提高該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)和整體技術(shù)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(fā)智能化程度高、功耗低、體積小、重量輕、使用時(shí)安裝方便快捷、便于攜帶和易于手持操作的測(cè)試儀器，對(duì)于 mcu 的選型是關(guān)鍵，經(jīng)過綜合對(duì)比，選用了atmel 公司生產(chǎn)的mcs - 51 系列at89c52 單片機(jī), 由于該微控制器具

34、有超低功耗的特性，且內(nèi)部集成了大量的外圍接口模塊，因此對(duì)降低儀器的功耗和縮小儀器的體積以及提高系統(tǒng)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(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于國內(nèi)外同類儀器。該儀器可使用普通的可充電電池作為機(jī)內(nèi)電源，并可連續(xù)工作 6-8 小時(shí)以上，具備了很好的使用方便性。4.1.1 at89c52器綜述at89c52是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（perom）和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令

35、系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大at89c52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。主要性能參數(shù)：與mcs-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容8k字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0hz24mhz三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器2568字節(jié)內(nèi)部ram32個(gè)可編程io口線3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器8個(gè)中斷源可編程串行uart通道低功耗空閑和掉電模式4.1.2 at89c52概述at89c52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部ram，32個(gè)io口線，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通

36、信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c52可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)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(gè)硬件復(fù)位。一、 at89c52結(jié)構(gòu)1. at89c52 的基本功能結(jié)構(gòu)圖如圖 4-1 所示圖 4-1 at89c52 的基本功能結(jié)構(gòu)2. at89c52的封裝引腳如圖4-2所示圖4-2 at89c52 封裝引腳3. at89c52各個(gè)引腳名稱及功能p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向io口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)

37、，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯門電路，對(duì)端口p0寫“l(fā)”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，p0口接收指令字節(jié)。而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。p1 口：p1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向io 口，p1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（iil）。與at89c5l不同之

38、處是，p1.0和p1.1還可分別作為定時(shí)計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（p1.0t2）和輸入（p1.1t2ex），參見表4-1。flash編程和程序校驗(yàn)期間，pl接收低8位地址。引腳號(hào)功能特性p1.0t2（定時(shí)計(jì)數(shù)囂2外部計(jì)數(shù)脈沖輸入），時(shí)鐘輸出p1.1t2ex（定時(shí)計(jì)數(shù)2捕獲重裝裁觸發(fā)和方向控制）表 4-1 p1.0和p1.l的第二功能p2 口：p2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io 口，p2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)端口p2寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)

39、電流（iil）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行movxdptr指令）時(shí)，p2口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行movxri指令）時(shí)，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。p3 口：p3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向io 口。p3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)ttl邏輯門電路。對(duì)p3口寫入“l(fā)”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，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i0口線外，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口還接收一些用于flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序

40、校驗(yàn)的控制信號(hào)。rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，rst引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ale/prog：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ale 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的l6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ale脈沖。對(duì)flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位置位后，只有一條movx和movc指令才能將ale激活。此外，該引腳會(huì)

41、被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ale禁止位無效。psen：程序儲(chǔ)存允許（psen）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)at89c52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次psen有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次psen信號(hào)。eavpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000hffffh），ea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(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當(dāng)然

42、這必須是該器件是使用12v編程電壓vpp。xtal1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。4.2 adxl202 微硅加速度傳感器及其分析4.2.1 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(xué)量傳感器，是最早受到研究的微機(jī)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(jīng)開始一維微硅加速度傳感器的規(guī)?；a(chǎn)；進(jìn)入到90年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和軍事、商業(yè)市場(chǎng)的需求，人們?cè)O(shè)計(jì)出三維微硅加速度傳感器，用于檢測(cè)空間加速度，為軍事、工業(yè)自動(dòng)控制、醫(yī)療等方面服務(wù)。由于在硅片上集成的加速度傳感器具有體

43、積小, 重量輕, 易于與測(cè)試、控制電路集成, 有利于大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn), 隨著這幾十年的發(fā)展, 微硅加速度傳感器的研究得到越來越廣泛的關(guān)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(chǔ)上。牛頓第二定律認(rèn)為：質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的變化率與外力成正比。如果質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為常數(shù)時(shí), 它的加速度與作用力成正比, 即：f=dpdt=d(wv)dt=ma其中, m 為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，v 為質(zhì)點(diǎn)的速度，p 為質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)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(gè)部分：(1) 質(zhì)量：它被加速時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)慣性力；(2) 彈性構(gòu)件：它使力作某種功；(3) 檢拾器：敏感力所作的功。微硅機(jī)械加速度傳感器結(jié)構(gòu)中,彈性構(gòu)件通常

44、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(cè)和電容檢測(cè)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是目前應(yīng)用最多的微硅加速度傳感器。最近, 由于隧道效應(yīng)在這方面的應(yīng)用得到新的突破,又產(chǎn)生了一種新型的加速度傳感器隧道效應(yīng)式加速度傳感器。4.2.2 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(cè)量系統(tǒng)，它是由一個(gè)多晶硅的表面微機(jī)械傳感器和一個(gè)信號(hào)調(diào)制電路來組成開環(huán)加速度測(cè)量結(jié)構(gòu)。對(duì)每根軸而言，輸出環(huán)路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 pwm 信號(hào)(脈寬調(diào)制占空比信號(hào))，這些數(shù)字信號(hào)可直接與微處理器接口，毋需 a/d 轉(zhuǎn)換或附加其它電路。adx

45、l202可測(cè)量正負(fù)加速度，其最大測(cè)量范圍為2g(g 為重力加速度)，它既能測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度(如振動(dòng)加速度)，又能測(cè)量靜態(tài)加速度(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(jié)構(gòu)，用多晶硅的彈性元件支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)并提供平衡加速度所需的阻力。adxl202 的梁結(jié)構(gòu)如圖 4-3 所示，由該圖可見，adxl202實(shí)際上是叉指式的電容結(jié)構(gòu)，而它的每一套電容結(jié)構(gòu)如圖 4-4 所示。adxl202 通過由兩個(gè)獨(dú)立的固定極板和附在移動(dòng)物體上的中央極板組成的差動(dòng)電容器來測(cè)量結(jié)構(gòu)上的偏移，兩個(gè)固定極板分別由兩個(gè)幅值相同、相位相反的方波來驅(qū)動(dòng)。當(dāng)加速19度計(jì)受到加速度力后，就

46、會(huì)改變差動(dòng)電容的平衡，并通過信號(hào)調(diào)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(jié)構(gòu)圖圖 4-4 adxl202 電容結(jié)構(gòu)示意圖一、adxl202 雙軸加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 4-5 adxl202 功能結(jié)構(gòu)圖adxl202 的基本功能結(jié)構(gòu)圖如圖 4-5 所示。adxl202 的主要特性有：l 單一集成電路芯片上集成有兩個(gè)加速度傳感器。l 可測(cè)量靜態(tài)加速度和動(dòng)態(tài)加速度。l 以 pwm 的方式輸出測(cè)量結(jié)果，用戶可自行調(diào)整方波周期。l 低功耗，小于 0.6ma。l 60hz 帶寬時(shí)分辨率可達(dá)到 5mg。l 3v 到 5.25v 電源供電。l 最大可承受的加速度為 1000g

47、。l 可應(yīng)用于斜度測(cè)量、慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測(cè)裝置、交通安全系統(tǒng)等。adxl202 采用 14-lead cerpak 封裝，如圖 4-6 所示。由圖可見，adxl202 有兩個(gè)敏感軸，測(cè)量時(shí)敏感軸必須與測(cè)量方向一致，圖中箭頭所指方向即為 adxl202 兩個(gè)敏感軸的方向。圖 4-6 adxl202 的引腳信號(hào)adxl202 各個(gè)引腳名稱及功能見表 4-3 所示。(1) vddadxl202 有兩個(gè)電源輸入腳：13 腳和 14 腳。這兩個(gè)引腳應(yīng)該被直接連接。(2) comadxl202 有兩個(gè)公共端：4 腳和 7 腳。這兩個(gè)引腳應(yīng)該被直接相連并且接地。并且在 vdd與 com 端之間連接一個(gè) 0.

48、1f 的電容，作退耦之用。(3) vtp這個(gè)引腳應(yīng)該保持開路，不用在這個(gè)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(shí)應(yīng)保持開路或與 com 端相連。表 4-3 adxl202 引腳信號(hào)說明二、adxl202 的工作原理圖 4-7 adxl202 對(duì)于地球重力場(chǎng)的反應(yīng)圖 4-7 表示了當(dāng) adxl202 方向改變時(shí)，x、y 兩軸方向上的輸出變化情況。測(cè)量結(jié)果以 pwm 信號(hào)和模擬信號(hào)形式輸出，pwm 信號(hào)的占空比及模擬信號(hào)的輸出與該方向上的加速度成正比。利用微控制器的計(jì)數(shù)器可以直接接收 pwm 信號(hào)的輸出，而不需要 a/d 轉(zhuǎn)換器或其它額外接口電路。通過改變接地電阻r

49、set的值，輸出信號(hào)周期在 0.5ms10ms 的范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)。adxl202 輸出的模擬信號(hào)，在xfilt、yfilt引腳上可得到與加速度成比例的電壓輸出信號(hào)，可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行積分處理以獲得對(duì)應(yīng)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(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖 5-1 所示。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)電路設(shè)計(jì)、信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)、外設(shè)接口電路設(shè)計(jì)以及通信接口電路設(shè)計(jì)等，以下分別對(duì)各接口電路設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。圖5-1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)框圖5.2 電源電路設(shè)計(jì)電源是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中

50、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(wěn)壓性能直接影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。由于使用的元器件電氣特性不同，系統(tǒng)中的各個(gè)部件所需的供電電壓也各不相同，有時(shí)需要同時(shí)提供幾種不同的電壓和極性的直流穩(wěn)壓電源，例如本系統(tǒng)中所用單片機(jī)與傳感器的工作電壓為5v，運(yùn)放的工作電壓為 5v，而用于線性放大模擬信號(hào)lm324 的參考電壓為 2.5v，因此就需要分別設(shè)計(jì)不同的電源電路。為保證電壓的穩(wěn)定性和精度，本系統(tǒng)采用集成電路穩(wěn)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(wěn)壓器，icl7660 為-5v

51、 電壓發(fā)生器。電源電路如圖 5-2 所示，其中 vcc 為5v，v為5v。圖5-25.3 adxl202 接口電路adxl202 所產(chǎn)生的模擬信號(hào)的處理電路如圖 5-3 所示。圖 5-3 adxl202 所產(chǎn)生的模擬信號(hào)的處理電路adxl202的xfilt和yfilt引腳接 0.1f 電容使得模擬輸出帶寬為 50hz、輸出附帶噪聲（rms）為 4.3mg。由于 adxl202 內(nèi)部 32k的rfilt的影響，使得在xfilt和yfilt的模擬輸出驅(qū)動(dòng)力不足。故在xfilt和yfilt之后加上一個(gè)由運(yùn)放 lm324 構(gòu)成的跟隨器增加驅(qū)動(dòng)。adxl202 感應(yīng)的加速度的變化在+2g-2g 之間，相

52、應(yīng)的，使得 vdd為+5v 時(shí)，輸出模擬量的線性變化為+1.9v+3.1v。但設(shè)計(jì)中后端單片機(jī)內(nèi) a/d 采樣的輸入范圍為 0v+2.5v，為了提高采樣精度并匹配 a/d 采樣的輸入范圍，在跟隨器之后設(shè)計(jì)了由運(yùn)放 lm324 組成的參考電壓為+2.5v、放大系數(shù)為 3.9 的負(fù)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+0.16v4.84v。36adxl202 模擬信號(hào)處理電路中運(yùn)放 lm324 的輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為voutput =(vinput2.5v)3.9k/1k+2.5v然后再進(jìn)行電阻分壓，使得最終進(jìn)入單片機(jī)的采樣輸入為+0.08v+2.

53、42v。adxl202 輸出的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路后送入單片機(jī)內(nèi)帶的 a/d 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行a/d 轉(zhuǎn)換。5.4 踏板動(dòng)作傳感器接口電路制動(dòng)踏板動(dòng)作傳感器為開關(guān)型傳感器，安裝在制動(dòng)踏板上。在制動(dòng)測(cè)試過程中，駕駛員通過套裝在汽車制動(dòng)踏板上的踏板動(dòng)作傳感器向測(cè)試儀發(fā)送開始制動(dòng)的信號(hào)。開關(guān)信號(hào)在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的抖動(dòng)，將會(huì)使脈沖的上升沿和下降沿產(chǎn)生許多毛刺，甚至使波形不穩(wěn)定。去抖的方法很多，可以采樣專門的集成電路構(gòu)成去抖電路。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用施密特觸發(fā)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形以形成良好的脈沖波形。踏板動(dòng)作傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)阻容濾波和施密特觸發(fā)器整形后送入單片機(jī)的p24 端口，另外系統(tǒng)還設(shè)計(jì)

54、了制動(dòng)啟動(dòng)指示燈，當(dāng)制動(dòng)踏板動(dòng)作傳感器被按下時(shí)，37指示燈有變化。其接口電路如圖 5-4 所示。圖5-4 踏板動(dòng)作傳感器接口電路5.5 制動(dòng)力傳感器接口電路5.5.1 制動(dòng)力傳感器電路制動(dòng)力傳感器主要類型有電位計(jì)式、差動(dòng)變壓器式、自整角電極式和電阻應(yīng)變式。目前電位計(jì)式傳感器已很少使用，大多選用應(yīng)變式壓力傳感器和差動(dòng)變壓器式傳感器。本系統(tǒng)的制動(dòng)力傳感器選用電阻應(yīng)變式壓力傳感器。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(gè)橋臂，r1r4 是細(xì)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

55、縱向粘貼。在不變力的情況下，這些金屬絲是等截面、等長(zhǎng)度、等阻值的，因此，電橋平衡，無輸出信號(hào)。在金屬圓柱體受到拉力時(shí)，則圓柱體被拉長(zhǎng)，圓柱體截面積變小，截面周長(zhǎng)變短。那么，貼在圓柱表面的電阻絲，按縱向粘貼的就變?yōu)榧?xì)而長(zhǎng)，阻值變大，而橫向粘貼的則變?yōu)槎潭?，阻值變小。于是電橋有信?hào)輸出，該信號(hào)大小與所受壓力成正比。電橋輸出信號(hào)經(jīng)放大后，送入單片機(jī)進(jìn)行處理。5.5.2 制動(dòng)力傳感器接口電路汽車制動(dòng)力傳感器的輸出信號(hào)為差動(dòng)信號(hào)。輸出電壓為毫伏級(jí)電壓。但是該系統(tǒng)選用的 a/d 轉(zhuǎn)換器的輸入模擬信號(hào)的范圍為 02.5v，所以為使得輸入信號(hào)與 a/d匹配，必須把傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行放大。然后送入 a/d 轉(zhuǎn)換電路。其接口電路如圖 5-6 所示。圖 5-6 制動(dòng)力傳感器接口電路在此電路中，rw1rw2，rw3rf。u1 和 u2 為制動(dòng)力傳感器輸出的差動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過調(diào)理電路之后，進(jìn)入 a/d 轉(zhuǎn)換器的電壓與傳感器的輸出壓力信號(hào)關(guān)系如式：uout=rfrw1(u2-u1) 微控制器的 p23 端口直接與其內(nèi)部 a/d 轉(zhuǎn)換器的 3 通道相連，此時(shí)制動(dòng)力傳感器信號(hào)送入 a/d 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了微控制器對(duì)制動(dòng)力傳感器信號(hào)的采集。5.6 顯示器接口電路與按鍵電路設(shè)計(jì)顯示和鍵盤的掃描