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1、兰州工业学院汽车工程学院汽车助力转向系统的设计摘 要随着人们生活水平的提高，购买汽车已经不再是一件很困难的事情了，因此汽车在安全性、舒适性以及稳定方面越来越受到大家的关注，汽车转向系统的性能是汽车的稳定性和安全性的重要指标之一， 助力转向，顾名思义，是协助驾驶员作汽车方向调整，为驾驶员减轻打方向盘的用力强度，降低了驾驶员的工作量，对减轻疲劳驾驶有很大的帮助。本论文首先介绍了传统的汽车助力转向系统的发展历程，以及传统的液压助力转向系统的工作原理，并在此基础上提出了本论文的控制流量式液压助力转向系统，本人通过建立流量数学模型，在以单片机为主控芯片的基础上，设计了电子控制单元，根据各个传感器收集到的
2、信号反馈，来达到准确控制电液比例阀，从而实现转向助力系统。论文在最后的章节中设计了试验测试，检验单片机对各个电子系统的控制效果。测试结果表明，各个电子单元可以正常运行，可以满足实现液压助力转向系统的需要。关键词：汽车，单片机，助力转向，驾驶员AUTO POWER STEERING SYSTEM DESIGNABSTRACTAs people living standard rise, buying a car is no longer is a very difficult thing, so cars in safety, comfort and stability of more and
3、more people concern, car turned to the performance of the system is the stability and security of the car important indicators of, power steering, just as its name implies, is to assist the driver for automobile direction adjusted for the drivers of the steering wheel hard reduce strength, and to re
4、duce the workload of the driver to reduce fatigue driving, has very great help.This paper firstly introduces the traditional vehicle power steering system development course, and traditional hydraulic steering system principle of work, and proposed in this foundation of this paper control flow type
5、hydraulic steering system, I through the establishment of mathematical model, in order to flow as the controller chip microcontroller were designed on the basis of the electronic control unit, according to various sensors to collect feedback, the signal to accurate control electrohydraulic proportio
6、nal valve, so as to realize the steering system. In the final section of the paper was designed with the chip to the test, test each electrical system control effect. The test results show that each electronic unit can run normally, can satisfy realize hydraulic steering system needs.KEY WORDS： Auto
7、mobile , Single Chip Micro-computer , Power Assisted Steering , Driver目 录第1章 汽车助力转向系统介绍11. 1 汽车助力转向系统的分类11. 2 汽车转向系统的发展过程21.2.1 传统的机械式助力转向系统31.2.2 传统的液压式助力转向系统4第2章液压助力转向系统的原理分析62.1 液压控制阀的结构介绍62.2 汽车直线行驶时液压控制阀的状态82.3 汽车左转向时液压控制阀的状态92.4 汽车右转向时液压控制阀的状态10第3章 汽车液压式ESP控制系统设计123.1 液压式ESP系统工作原理123.2液压式ESP转向
8、系统133.3 主要元器件介绍153.3.1 单片机153.3.2 转换电路及转换控制电路构成183.4 单片机控制系统203.4.1 单片机信号采集系统203.4.2单片机控制系统电路213.5 控制器的设计233.5.1 控制策略的介绍233.5.2 PID算法24第4章 汽车液压式ESP控制系统模拟试验264.1 液压式模拟试验台工作原理264.2 液压式模拟试验台测控系统设计264.2.1 试验台测控系统的模拟测试264.2.2 试验台测控单元的功能274.3 程序的编写284.4 传感器284.4.1 光电车速传感器284.4.2 光电车速传感器技术指标294.4.3 光电车速传感器
9、技术性能304.4.4 光电车速传感器的模拟304.5 测试结果33结束语35参考文献36致 谢38附 录139附 录241IV第1章 汽车助力转向系统介绍1. 1 汽车助力转向系统的分类 汽车的转向系统分为机械转向系统和助力转向系统两大类。汽车的转向性能是汽车的主要性能之一，它直接影响到汽车的操作稳定性，对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人生安全、改变驾驶员的工作条件起着重要作用。为了提高转向性能，目前普遍采用了助力转向系统。液压助力转向系统是最早采用的助力转向系统的形式，电子技术、电气技术及新的控制策略的应用使得转向系统发生了革命性的变化，助力转向系统由传统的液压助力转向
10、系统(Hydraulic Power Steering,简称HPS)向电控液压助力转向系统(Electronically Controlled Hydraulic Power Steering System，简称ECHPS)、电动液压助力转向系统(Electro-Hydraulic Power Steering，简称EI-IPS)、电动助力转向系统(Electric Power Steering，简称EPS)发展。 电子控制动力转向系统(简称EPSElectronic Control Power Steering)，根据动力源不同又可分为液压式电子控制动力转向系统(液压式EPS)和电动式电子控
11、制动力转向系统(电动式EPS)。液压式电子控制动转力向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电液比例阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电液比例阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。它具有如下优点：（1）设计新颖，结构紧凑。安装占据体积小，质量轻，通过设置不同程序与不同车型匹配，大大缩短生产和开发周期。（2）稳定性好。通过软件控制，本系统增大汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，提高汽车主动安全性，能通过电子控制器设置不同的转向回力特性来满足不同使用对象的需求。（3）高抗干扰性能。对汽车
12、行驶时的测向力和侧风带来的影响有很好的校正作用。（4）提高了转向操纵力。克服了液压助力系统的传动比不可调的缺点。同时，由于利用了惯性减震器来减少车轮的反转和转向前轮摆振，因而提高了转向盘的跟随性能。（5）转向回正性好。可以充分发挥软件编程的优势，根据不同的车速和不同的车况，控制电液比例阀提供不同的流量特性和与车辆动态性能相匹配的转向回正性。目前，国内仅有为数不多的院校和企业正在开展汽车液压式电动助力转向系统的研究，研究工作并不深入，未开发出成熟的产品而严重受制于国外企业的垄断，因此，研究和开发满足各种车型需求的新型汽车液压式电子控制动力转向系统，填补国内该类产品的空白，形成产品规模化、系列化，
13、建立面向高新技术领域的汽车电动助力转向系统产业基地，已是亟待发展的急迫任务。开展本项目的研发和产业化，将达到以下目的：（1）研究开发面向重型车型的新型汽车液压式电子控制动力转向系统，其应用前景广泛，技术性能优越；该系统设计新颖，结构紧凑，工作安全可靠，稳定性好，转向跟随特性和回正特性都将具备优良的动态品质。（2）本系统将研发电子控制器，通过软件进行非线性、数字滤波，PID算法等。此种设计极大的提高了新型汽车液压式电动助力转向系统的操作轻便性和驾驶稳定性，保证安全可靠。（3）创建具有较大规模广东省及国内汽车动力转向技术开发中心和生产基地，具有活跃的技术创新力和自主知识产权。开展新型汽车液压式电子
14、控制动力转向系统的研制和产业化，将有以下重要意义：（1）提供高性能的具有自主知识产权的汽车液压式电动助力转向系统装备，跟踪和赶超国际先进科技水平，在提高综合国力和科技水平方面做出贡献。（2）项目完成后，将为我国高精度、高性能的汽车助力转向系统产业化打下良好的基础，初步建立起产业化中心，以产生强大的市场竞争力。（3）该项目的研制与开发对满足驾驶安全以及社会需求，将产生巨大的经济效益和社会效益。1. 2 汽车转向系统的发展过程汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构，其作用是使汽车能在行驶过程中按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，在受到路面传来的冲击及偏离行驶方向时，能与行驶系统
15、配合共同保持汽车继续稳定行驶，因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。1.2.1 传统的机械式助力转向系统机械式转向系统以驾驶员的体力作为转向动力，所有传递动力的部件都是机械的，没有辅助动力源。机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成如图1-1所示。图1-1 机械式转向系统转向操纵机构就是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括从转向盘到转向器输入端的零部件等。操纵汽车转向时，驾驶员对转向盘的操纵力是非常有限的，因此需要借助增力装置来使转向车轮发生偏转。而转向器就是把转向盘传来的转矩按一定传动比进行放大并输出。转向器(也常称为转向机)是完成由旋转运动到直线运动(或
16、近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗丰丁曲柄指销式、循环球齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。转向传动机构是把转向器的运动传给转向车轮的机构，包括从摇臂到转向车轮的零部件。整个机械转向系统的工作方式为：驾驶员需要转向时，对转向盘施加转向力矩，该力矩通过转向轴输入到机械转向器，力矩经转向器减速放大后由转向摇臂传到转向直拉杆，最后再传给固定于转向节上的转向节臂，使转向节和它所支承的转向车轮发生偏转；与此同时，经梯形转向机构带动另一侧的转向车轮同时发生偏转，从而改变汽车的行驶方向。根据机械式转向器形式的不同，可以将其分为：齿轮齿条式、循环
17、球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。应用最广泛的主要是齿轮齿条式和循环球式(用于需要较大的转向力时)。循环球式转向器由于是滚动摩擦形式，因而正传动效率很高，操作方便且使用寿命长，而且承载能力强，故广泛地应用于载货汽车上。齿轮齿条式转向器与循环球式相比，最大特点是刚性大，结构紧凑重量轻，且成本低。由于这种方式容易将反作用力由车轮传至转向盘，因此具有对路面状态反应灵敏的优点，但同时也容易产生打手和摆振等现象，且其承载能力相对较弱，故主要应用于小汽车及轻型货车上，目前我国大部分轿车上采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。1.2.2 传统的液压式助力转向系统液压助力转向于20世纪30年代首先应用在重型车辆上。由
18、于当时汽车装载质量和整备质量的增加，在转向过程中需要克服的前轮转向阻力矩也将相应增加，作用在转向盘上的转向力也随着增加，使驾驶员感到“转向沉重。当前轴负荷增加到某一数值后，靠人力去转动转向轮就很吃力。为使驾驶员操纵轻便，提高车辆的机动性，最有效的方法就是在汽车的转向系中加装转向助力装置，借助于汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和发电机等，以液力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力量，使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻劳动强度，提高了行驶安全性。液压助力转向系统除了传统的机械转向器以外，尚需增加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。而轿车对动力转向的要求与重型车辆不完全相同。比如重型车辆
19、对动力转向系统噪声的要求较低，轿车则对噪声要求很高，轿车还要求选用的转向器系统结构要更简单、尺寸更小、成本更低等。但是重型车辆动力转向技术的发展无疑为轿车动力转向技术奠定了基础。传统液压助力转向系统按转向控制阀形式分为滑阀式和转阀式两种。目前在轿车上的液压助力转向采用的是转阀式控制阀。在轿车上装备液压助力转向系统有如下优点：1. 减轻驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小驾驶员的转向操纵力，提高转向轻便性。2. 提高转向灵敏度。可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力的制约。允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重问题。3. 衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼
20、作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击。同时液压助力转向系统也有不足：1. 选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制，因此协调轻便性与路感的关系困难：如按低速性能设计转向系统时，高速行驶时转向力往往过小，“路感”较差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性：而按高速性能设计转向系统时，低速时转向力往往过大。2. 即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。3. 存在渗油与维护问题，提高了保修成本，且泄漏的液压油会对环境造成污染。图1-2 液压助力转向系统42第2章 液压助力转向系统的原理分析2.1 液压控制阀的结构介绍回转式转向控制阀安装在转向器的上端，如下图2-1所示
21、，控制阀的主要机件与齿轮输出轴10同轴，输入轴2的上端通过花键与转向中间轴的下“十字轴万向节轴相连。控制阀的进油口18通过管路与转向油泵的出油口相连，出油口19通过管路与储油罐相通。转向控制阀主要由阀体，转阀，输入轴组件，输出轴组件，调整螺塞组件，轴承，密封件组成。在图2-1中，控制阀阀体7滑装在壳体21上部的孔中，在其外圆柱面上有3道较宽深的环槽和4道较浅窄的环槽。宽深的环槽是环形油槽，其底部均开有均匀的4个油孔，中间环形油槽与进油口18连通，其底部的4个油孔较大，是进油通道。两侧V-环形油槽的底部也有均布的4个直径较小的油孔，是出油通道，左侧V-环形油槽通过壳体内设的油道16与动力缸左腔室
22、相通，右侧V-环形油槽通过壳体内设的油道16与动力缸右腔室相通，浅窄的环槽是用于安装密封圈组件的，4个密封圈组件14分别装在4个环槽中，从而将3个宽深的环形油槽分隔开来。阀体的内表面制有8条与两端不惯通的纵向切槽，如图2-2，从而形成分别相间分布的8道纵槽和8道槽肩，它们与转阀外表面相应纵槽和槽肩配合形成油液流通的间隙通道。在阀体的下部7装有锁销8，它与斜齿轮输出轴10相卡，7和10不能相互转动。转阀(与输出轴一体)2的外圆柱面与阀体7的内孔滑动配合，间隙很小，配合精度很高，与阀体形成组件，不可单独更换，它的外圆柱面上开有与阀体内孔表面上对应的8条不贯通的纵槽，并形成8道槽肩(如图21)。转阀
23、与阀体配合后纵槽肩相对可形成油液流通的间隙通道。在转阀2的4个纵槽上开有4个通孔与回油口19连通。转阀上端开有环槽，其中装有O形密封圈6。转阀2上端与扭杆1之间装有定位销3，保证扭杆3与输出轴2(转阀)同步转动。转阀2与扭杆之间有很大的间隙，用以流通回油的轴油。输入轴2，扭杆1和锁定销3组成输入轴组件，输入轴2为空心管形轴件，其上端外表面制有三角细花键，与转向中间轴下端的“十字轴万向节相连。扭杆1具有较好的扭转弹性，扭杆穿过输出轴2中心孔，并用锁定销3与输入轴固定，扭杆上部与输入轴间有密封圈4密封，扭杆4的下端通过三角细花键与铜套12固连。铜套与斜齿轮输出轴过盈配合。扭杆1，铜套12，斜齿轮输
24、出轴10，锁定销8，阀体7联成一体，可实现同步转动。1扭杆2输入轴(转阀) 3锁定销4密封圈5密封圈组件6密封圈7阀体8锁销9滚针轴承10斜齿轮输出轴11密封圈组件12铜套13深沟球轴承14密封圈15深沟球轴承16通左液压缸17通右液压缸18进油口19出油口20锁紧螺母21壳体图2-1 转向器结构图图2-2 转向控制阀阀体与转阀断面结构及相对位置锁紧螺母20拧在转向器壳体底部的螺纹底座孔中，输入轴组件的上部通过深沟球轴承15支撑在壳体中心孔内，输出轴组件通过深沟球轴承13支承在壳体中心孔内，从而使输入，输出轴组件实现了径向定位。输出轴10与锁紧螺母20之间有密封圈组件11，输入轴2与壳体21之
25、间有密封圈组件5，以防泄漏。2.2 汽车直线行驶时液压控制阀的状态 1扭杆2输入轴(转阀) 3锁定销4密封圈5密封圈组件6密封圈7阀体8锁销9滚针轴承10斜齿轮输出轴11密封圈组件12铜套13深沟球轴承14密封圈15深沟球轴承16通左液压缸17通右液压缸18进油口19出油口20锁紧螺母21壳体图2-3 汽车直线行驶时转阀位置及油流状态当汽车直线行驶时，驾驶员未转动方向盘，此时转阀+处于如图2-3所示的中间位置。来自转向油泵出油口的高压油从转向器的进油口进入到阀体和转阀之间。由于转阀处于中间位置，所以油液就分别通过阀体和转阀纵槽，槽肩形成的间隙流入阀体内表面两侧的纵槽中，然后通过其槽底的油孔进入
26、阀体外圆柱面的下油环槽(图中即左槽)和上油环槽(左槽)。下油环槽的油液通过壳体中的油道16与转向动力缸左腔室相通，上有环槽的油液通过壳体中的油道17与转向动力缸右腔室相通，这样动力缸左，右油腔油压相等。此时，齿条一活塞既没有受到斜齿轮输出轴10所产生的轴向推动力，也没有受到左，右油腔因压差对齿条一活塞所产生的轴向移动力，所以齿条一活塞也处于中间位置，转向助力器不起作用。流入到阀体内表面纵槽中的油液又经过阀体，转阀槽肩之间形成的间隙，流入转阀纵槽底面油口中，再流入转阀2与扭杆1之间的空隙，最后经转阀上部通孔流入壳体上的油口19，流回转向油泵储油罐，从而形成常流式的油液循。2.3 汽车左转向时液压
27、控制阀的状态汽车左转向时，驾驶员向左转动方由于转动转向轮有一定的转向阻力，起初转动方向盘的力矩不足以克服转向阻力使斜齿轮输出轴10转动，这样阀体7也不转动，那么作用在输出轴2上的转向力矩将使扭杆1产生扭转变形，从而输入轴2(即转阀)相对阀体逆时针转过一个角度。转阀逆时针转过一个角度后，几乎关闭了通向动力缸向盘，输入轴2在转向中间轴的驱动下有逆时针方向转动的趋势(图2-4)。输入轴2即转阀有同步转动的趋势；另一方面，输入轴2通过锁定销3带动扭杆1的上端有同步转动的趋势，但扭杆底部和输出轴10，阀心7，锁定销8相连，则输出轴10，阀心7，锁定销8，有同步转动的趋势，右腔室的通道17，开大了通向动力
28、缸左腔室的油液通道16，这样就使转向油泵的压力油经阀体中间环槽，油孔，转阀纵槽，油孔进入阀体的下油环槽(即左槽)，然后经壳体中的油道16进入动力缸左腔室，左腔室中的油液压力上升，与此同时，由于转阀相对阀体逆时针转动，开打了动力缸右腔室与转阀回油孔之间的通道，这样动力缸右腔室的油液经壳体油道17，阀体上环槽(即右槽)，油孔，转阀纵槽，油孔，转阀与扭杆间隙，油孔，与壳体上的回油口19连通，动力缸右腔室的油液压力下降。在动力缸左，右腔油液压差作用下，产生了使齿轮-活塞向左移动的作用力，这个作用力与转向时通过输入轴2-扭杆1和斜齿轮输出轴10-齿条-活塞上的转向力是相同的，因此起到了明显得助力效果。当
29、驾驶员停止转动方向盘后，输入轴2随之不再转动，而斜齿轮输出轴10由于通过转向机构与转向轮相连，在惯性力作用下它不可能立即停止转动，从而使之同步转动的阀体仍将逆时针转动。阀体相对转阀逆时针转动后，使转阀与阀体间的相对位置又回到了如图2-2所示状态，动力缸左，右腔中的油液压力又重新恢复相同，那么转向助力作用也随之消失，转向轮保持在与方向盘转角成比例的转向位置，这种作用就是随动作用。1扭杆2输入轴(转阀) 3锁定销4密封圈5密封圈组件6密封圈78锁销9滚针轴承10斜齿轮输出轴11密封圈组件12铜套13深沟球轴承14密封圈15深沟球轴承16通左液压缸17通右液压缸18进油口19出油口20锁紧螺母21壳
30、体图2-4 汽车左转弯时转阀位置及油流状态2.4 汽车右转向时液压控制阀的状态汽车右转向时，动力转向控制阀的工作与左转向类似，只是由于转向方向相反，阀体与转阀的相对位置及油液流通方向与左转弯时相反，其位置及油流状况如图2-5所示，在这种情况下，动力缸右腔室通高压油，而左腔室与回油路相通是低压油液，所以其助理作用方向也与左转向时相反。1扭杆2输入轴(转阀) 3锁定销4密封圈5密封圈组件6密封圈7阀体8锁销9滚针轴承10斜齿轮输出轴11密封圈组件12铜套13深沟球轴承14密封圈15深沟球轴承16通左液压缸17通右液压缸18进油口19出油口20锁紧螺母21壳体图2-5 汽车右转时转阀位置及油流状态第
31、3章 汽车液压式ESP控制系统设计3.1 液压式ESP系统工作原理流量控制式液压助力转向系统工作原理图如图3-1所示。图3-1 流量控制式液压助力转向系统工作原理图汽车液压式ESP控制系统采用流量控制式液压助力转向系统方案。该系统主要由车速传感器、电液比例阀、整体式动力转向控制阀、动力转向油泵和电子控制单元等组成。电液比例阀安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道之间，当电液比例阀的阀芯完全开启时，两油道就被电液比例阀旁路。流量控制式液压助力转向系统就是根据车速传感器的信号，控制电液比例阀阀芯的开启程度，从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量，来改变转向盘上的转向力。车速越高，流过电液比
32、例阀电磁线圈的平均电流值越大，电液比例阀阀芯的开启程度越大，旁路液压油流量越大，流入动力缸的流量越小，使转向盘的灵敏度下降，这就是流量控制式液压助力转向系统的工作原理。电液比例阀自己是不具备智能化的，于是我们采用电子控制单元(单片机系统)采集车速信号，经计算后决定提供的助力大小，以控制电液比例阀线圈的电流大小，实现转向助力可调。3.2液压式ESP转向系统在第2章中非常详细地分析了汽车的液压助力系统的工作原理。现在，在原有液压系统并联一个电液比例阀后的状况。图3-2是液压式电控助力转向系统工作原理图，右图是液压式电控助力转向系统等效模型图。按规定的工作状况，写出液压式电控助力转向系统的数学模型。
33、液压泵的总流量Q0，电液比例阀的流量Qd，其余参数定义和前面同。假定系统在初始状态下，输入角度为0时。Q0 = Qd + Qs （3-1）Qs = Q4 + Q3 （3-2）图3-2 流量控制式液压助力转向系统等效模型图（3-5）（3-4）（3-3）由初始工况可知：Q3=Q4 （3-6）由此可得（3-7） （3-8）（3-9）如果只考虑QS(s)与QL (s) 的关系，则上式可简化为 由式和式可得寻找到了油泵总流量O0，以及电液比例阀阀口面积与负载流量QL(s)之间的关系，不过M的值很难确定下来，因为它与P1，P2，Ps，阀口转角等因素有关，可以把它看作一个常数(此值可正可负，也可为0，不好确
34、定下来)，这是由于一旦与之相关的因素确定下来，它也就确定了。其中A为电液比例阀的开口面积。由上式可知，流向转阀地流量和电液比例阀的开口成反比。控制阀选用力士乐公司型号为4WRAE 6EI-15-2X的比例方向阀，其使用参数如下：最高压力315bar，最大流量42 L/min，带有内置放大器；通径6mm；电源24vDC；控制输入电压10v；滞环5；反向误差1；灵敏度1；频率响应l0Hz：此阀的压差为l0bar时的额定流量为15L/min，由此推算出此时A=7.576mm2；当此阀压差为60bar时，流量可算出为31L/min。假设：阀芯最大位移为3mm；阀压降为6MPa时的流量系数Cd=0.7。
35、根据该阀的相关资料，可以算出：节流槽额定通流面积A=7.5762mm2 阀芯位移死区0.6mm最大有效阀芯位移2.4mm 死区电压为2V阀芯运动时间常数11ms代入W2L2=5.2227后，当A=7.5762时，Qs =0.49Qo。3.3 主要元器件介绍电子控制单元由单片机采集子系统和控制子系统组成，现在先介绍用到的几种电子元件。3.3.1 单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。由于将多功能8位CPU和闪烁存
36、储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1主要特性：与MCS-51兼容4K字节可编程闪式存储器寿命：1000写/擦循环数，据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2. 管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于
37、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。图3-3 AT89C51管脚图P1口：P1口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口管脚写入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：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输
38、入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是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（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特
39、殊功能口，如下表所示：各管脚备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3. 6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，
40、ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-
41、FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3.2 转换电路及转换控制电路构成DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。图3-4 DAC0832 D
42、/A转换器逻择框图和引脚排列DAC0832的主要特性参数如下：* 分辨率为8位；* 电流稳定时间1us；* 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；* 只需在满量程下调整其线性度；* 单一电源供电（+5V+15V）；* 低功耗，20mW ;DAC0832各引脚的功能定义如下：* D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平
43、时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度； * V
44、cc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；* AGND：模拟信号地；* DGND：数字信号地；3.3.3 LF356简介低输入偏置电流：30pA低输入失调电流：3pA高输入阻抗：10120hms低输入噪声电流：0.01pA/(Hz)l/2高共模抑制比：l00dB大直流电压增益：106dB3.4 单片机控制系统电子控制单元由单片机采集子系统和控制子系统组成，它们共用一个单片机系统。以下做进一步分析。3.4.1 单片机信号采集系统在本单片机系统中，单片机的P2.7与P3.7与非后连接ADC0809的OE端，P3.3连接EOC端，
45、P2.7与P3.6与非后连接SC端，按照图3-5，ADC0809的模拟通道07的地址为7FF8H，7FFFH，P0口连接数据口，ADC0809的IN0采集车速信号。图3-5 单片机采集系统电路图3.4.2单片机控制系统电路在本单片机系统中，0FFH对应0-5V。单片机控制系统电路图如图3-6所示。在图3-6电路中，单片机的P2.6控制DAC0832的片号给选端，低电平有效，P0八个端口输出数据到DAC0832，DAC0832的11、12端口送信第一个LF356，再有它传给另一个LF356，经反相比例(1：2)后，Ud输出0-10V电压，此电压控制电液比例阀的电控器。单片机控制系统结构框图如图3
46、-7所示。图3-8为单片机采集与控制系统程序的流程图，源代码参看附录2。图3-6 单片机控制系统电路图图3-7 单片机控制系统结构框图图3-8 单片机采集与控制系统程序流程图3.5 控制器的设计3.5.1 控制策略的介绍PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以被广泛应用于机电、冶金、机械、化工等行业的实际生产过程中。在实际的过程控制与运动控制系统中，PID家族占有相当的地位，据统计，工业控制的控制器中PID类控制器占有90以上。PID控制将偏差的比例(P)、积分(I)、和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID算法可分模拟(连续)PID控制算法和数字PID控制算法。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活，因此目前生产过程中应用的PID控制算法主要为数字PID控制算法。数字PID又可分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法两种。在本课题中，应用PID算法，根据车速信号05V来确定控制电压Uj，我运用分段的方法，具体可参看附录2
