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1、第一章 绪 论1.1课题的提出汽车自问世以来，已经风风雨雨走过了一百多年，从卡尔本茨造出的第一辆只有时速18千米的三轮汽车到现在，已经诞生了从速度为零加速至100千米/小时只需三秒多的超级跑车。这一百多年来，汽车正已惊人的速度发展，特别是随着电子技术在汽车上的广泛应用，汽车的动力性、经济性、安全性和舒适性大大改善，其使用性能日益满足人们的需要。汽车在满足人们需要的同时，因其结构和装备的复杂化，给维修和检测行业提出了更高的要求。随着汽车工业的不断发展，汽车的相关检测技术也在不断进步和完善。评定汽车整车技术性能比较科学的方法是进行汽车综合性能检测。汽车防雨密封性能检测是汽车综合性能检测的重要内容，
2、是我国交通部行业标准汽车技术等级评定标准(JT/T198-2004)规定的15个关键项目之一。关键项作为判定车辆合格与否的否决项目，所有关键项全部合格且车况较好的车辆才可判为判为合格车。汽车防雨密封性是指汽车在雨天环境下行驶，关闭全部门、窗和孔口盖时，防止雨水进入车厢的能力。良好的车身防雨密封性是驾驶员正常工作的条件和客货运输安全的保证，对于客车来说，更是乘客舒适性的一项基本要求。所以，研究汽车防雨密封性能检测方法对于促进汽车综合性能检测能力和提高营运汽车的安全性、舒适性具有重大意义。1.2 国内外汽车性能检测技术发展概况随着各国汽车工业的不断发展，世界汽车拥有量也在不断上升。特别是随着中国加
3、入WTO，中国市场的汽车拥有量大幅度提高，汽车已经进入家庭，所以，在汽车整个使用过程中，对汽车性能的检测显得越发重要。众所周知，汽车在整个正常使用过程中，其技术状况和使用性能将随着里程数的增加而逐渐变坏，动力性下降、经济性变差、安全可靠性降低，严重影响汽车经济效益和运输效率的发挥，甚至威胁到生命安全。这就要求使用者预先就要对故障加以查明和消除。在汽车使用过程中，对其运行状态做出判断，并采取相应的对策，可以大大提高汽车的使用可靠性，充分发挥汽车的效能，减少维修保养费用，获得更大的经济效益。所以，发展汽车检测与诊断技术具有重要的意义。汽车检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的。在汽车发展的早期，人
4、们主要是通过有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。随着现代科学技术的进步，特别是计算机技术的进步，汽车检测技术也随之飞速发展。目前人们已能依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行不解体检测，而且满足安全、迅速、准确的现代检测机制的要求，适应汽车检测业的发展。1.2.1 国外发展概况早在上世纪五十年代在一些工业发达国家就开发出了一些单项检测设备，可以对汽车相应检测项目上提供重要的评判依据。随着现代科学技术的不断进步，特别是计算机技术的飞速发展，国外工业发达国家，比如美国、德国，在大多数汽车检测项目上实现了检测设备的自动化、智能化和精密化 5。在汽车防雨密封性能检测项目上，上述国家的各大汽车
5、生产厂家都具有较先进的人工淋雨设备，可以实现不同强度的淋雨量，更加接近自然降雨环境而且实现了淋雨用水的循环利用 6。但根据武汉科技局的查新报告，未发现国外任一国家在汽车防雨密封性能检测项目上做新方法的研究。1.2.2 国内发展概况进入现代社会以来，随着国民经济的发展，科学技术的各个领域都有了较快的发展，汽车检测及诊断技术也随之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公路交通运输业发展迅猛，对汽车检测诊断技术的需求也与日俱增。我国机动车保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境保护等社会问题7 8。如何保证车辆快速、经济、灵活，并尽可能不造成社会公害等问题，已逐渐被提到政府有关部门的议事日程，因而促
6、进了汽车诊断与检测技术的发展。为了配合汽车检测工作，国内已发布实施了有关汽车检测的国家标准、行业标准、计量检定规程等100 多项。从汽车综合性能检测站到汽车检测的具体检测项目，都基本作到了有法可依9。在汽车检测技术上，我国也取得了很大的进步，正逐渐缩小与世界发达国家之间的差距。然而在汽车防雨密封性能检测项目上，我国的汽车生产厂家同样采用人工淋雨的试验方法，而且一些实力相对弱小的生产厂家的淋雨设备相当落后，耗电严重，淋雨用水不能有效循环利用。国内各汽车检测站大都没有相应的淋雨实验设备，以湖北省为例，无一检测站配备该淋雨实验设备，根本无法按要求完成对汽车防雨密封性能检测。1.3 项目简介本项目主要
7、是针对现行人工淋雨试验方法中试验时间长、消耗大、试验结果易受人为因素影响、密封式货车无法检测等问题，在汽车综合性能检测站常规条件下，进行营运汽车防雨密封性能测试新试验方法的研究。根据检测站实际工作的需要，采用现代等效理论进行多种试验方法的等效性研究和试验，以求得到一种高效低耗的试验方法，应用于检测站的营运客车防雨密封性能检测实践。1.4 现行试验方法目前，国内外对汽车防雨密封性检测的主要方法是进行淋雨试验。淋雨试验方法是一种人工环境试验方法，它模拟的是受试设备在使用条件下遇到自然降雨或滴水环境因素后的影响。淋雨试验方法的研究和应用至今已有多年历史，早在70年代法国航空标准、美国军用标准和英国军
8、用标准中均正式规定了有关人工淋雨、暴雨和防滴水方面的条款。我国对淋雨试验方法及试验设备在国家标准客车防雨密封性试验方法(GB/T1284090)中亦有明确的规定。客车防雨密封性试验方法(GB/T1284090)对渗、滴(分慢滴和快滴)、流的定义如下：渗水从缝隙中缓慢出现，并沿着车身内护面上漫延开去；慢滴水从缝隙中出现，并以小于等于每分钟30滴的速度离开或沿着车身内护面断续落下；滴水从缝隙中出现，以大于每分钟30且小于等于每分钟60滴离开或沿着车身内护面断续落下；快滴水从缝隙中出现，以大于每分钟60滴的速度离开或沿着车身内护面断续落下；流水从缝隙中出现，离开或沿着车身内护面连续不断地向下流淌。试
9、验条件：1. 淋雨试验时，气温应在535，气压应在99102kPa范围内。在室外淋雨试验台上进行试验应选择晴天或阴天，并且风速不超过1.5ms。2. 淋雨试验时，对不设行李舱(箱)的客车规定的车体受雨部位及降雨强度见表1.1；对设行李舱(箱)的客车规定的车体受雨部位及其降雨强度见表1.2。表1.1 不设行李舱(箱)的客车规定的车体受雨部位及降雨强度受雨部位降雨强度mm/min前围上部810侧围上部、后围上部、顶部46表1.2 设行李舱(箱)的客车规定的车体受雨部位及其降雨强度受雨部位降雨强度mm/min前部810侧面、后部、顶部46底部683. 喷嘴的喷射压力为69147kPa。4. 淋雨时间
10、为15 min。5. 前、后部喷嘴的轴线与客车基准Y平面平行，与铅垂方向的夹角为3045，喷嘴朝向车体。侧面喷嘴的轴线与客车基准X平面平行，与铅垂方向的夹角为3045，喷嘴朝向车体。顶部喷嘴的轴线与客车基准Z平面垂直，喷嘴朝向车体。底部喷嘴位于客车基准Y平面两侧，其轴线与客车基准X平面平行，与铅垂方向的夹角为3045，喷嘴上仰朝向另一侧车体。6. 底部喷嘴与地板下表面距离为300700 mm，其余部位喷嘴与车体外表面距离为5001300mm。7. 喷嘴布置应保证规定的车体外表面都被人工雨均匀覆盖，不存在死区。试验步骤：1.将试验车停放在淋雨场地内指定位置。2.观察记录员进入车厢，然后关闭全部门
11、、窗及孔口盖。3.启动淋雨设备，待进入稳定工作状态时即为试验开始，5min后开始观察车厢渗漏水情况，并填入表1.3。4.达到规定淋雨时间后关闭淋雨设备，结束试验。表1.3 淋雨试验表格检查部位渗漏处数及扣分值渗(每处扣1分)慢滴(每处扣3分)快滴(每处扣6分)流(每处扣14分)小计处数扣分处数扣分处数扣分处数扣分处数扣分风窗侧窗顶盖(包括顶窗)后 窗驾驶员门乘客门前围后围侧围地板具体的评价方法是采用扣分制，每辆受试客车的初始分值为100分，减去全部所扣分值即是实得分值，如出现负数，仍按零分计。标准GB/T12480-90规定了防雨密封性限值，一级车不少于90分，二级车不少于80分，而少于80分
12、或出现流状况则评为三级车。1.5 项目研究的主要内容汽车防雨密封性试验主要有硬件、软件与管理系统三个部分组成，每个部分在此项研究中都有至关重要的作用，而且互相之间是不可分割。本文主要研究基于AVR单片机的汽车防雨密封性试验软件系统。该系统主要利用超声波的传播特性,将超声波发生器作为信号源置于车厢内,车厢外部的检测装置接收到从车厢内泄漏的超声波信号,再经过单片机分析处理后即可作为评定汽车密封性的依据。选用AVR单片机来进行主要软件设计，最后结合硬件设计一起完成汽车防雨密封检测的研究。1.6 研究途径及方法通过资料查找、系统需求分析、系统总体设计、配合软件调试、资料整理等步骤来完成本项目。鉴于时间
13、和实验条件的限制，此次的汽车防雨密封性检测管理系统只能完成设计工作。第二章 基于AVR单片机的测试软件介绍系统软件由上位机软件和下位机软件组成，这里只介绍以AVR单片机为控制核心的测试仪的下位机软件结构。下位机软件协调控制系统各个硬件组成部分的工作，主要完成单片机内部初始化，产生AD转换时序并且完成数据采集、数据处理及显示、与上位机通信等功能。图2.1是系统软件的总体框图。图2.1 系统软件框图2.1 A/D转换 当AD7822的Vref引脚接外部基准电压时，有1us的上电时间。AD7822的Vdd引脚第一次连接电源时，芯片首先进入低电流操作模式即掉电模式46。此时要确保引脚电位不发生波动（已
14、由硬件电路实现），否则芯片可能进入未知状态。在进行A/D转换之前，AD7822必须进入上电模式，因此单片机在完成系统初始化后，由软件实现AD7822从掉电模式到上电模式的转换，为A/D转换做好准备。图2.2为AD7822的上电时序图。图2.2 AD7822上电时序图 AD7822具有8位宽度的并行数据口，在的下降沿将触发A/D转换，当转换完成后，引脚为低电平状态，由于该引脚与低电平有效的读引脚连接在一起，因此数据线上的有效数据随即被单片机读取。A/D转换时序如图2.3所示。图2.3 A/D转换时序图2.2数据处理超声波接收器的输出为40KHz的正玄波信号，周期为25us，单片机控制AD7822
15、在输入信号的一个周期内连续采集25个样本点，通过求平均值算法取这25个样本点的平均值作为有效数据。单片机将该数据送LED显示输出，作为单机测试时校准数据使用，数据校准后即可通过串口送至上位机的测试系统。2.3数据通信单片机与上位机的数据通信采用3线简易RS-232半双工方式，波特率为9600b/s，通信格式采用8位数据位、无校验位、1位停止位。在通信前，USART接口必须首先进行初始化。初始化过程通常包括波特率的设定、数据帧结构的设定和根据需要的接收器或发送器的使能。对于中断驱动的USART操作，在初始化时，全局中断允许位应该先清零（全局中断屏蔽），然后再进行USART的初始化。重新改变USA
16、RT的设置应该在没有数据传输的情况下进行。TXC标志位可以用来检验一个数据帧的发送是否完成，RXC标志位可以用来检验是否在接收缓冲中还有数据未读出（TXC、RXC为USART控制和状态寄存器AUCSRA中的第六位和第七位）。在每次发送前，TXC标志位必须清零47。和USART初始选相关的寄存器主要有USART控制和状态寄存器AUCSRA、USART控制和状态寄存器BUCSRB、USART控制和状态寄存器CUCSRC以及波特率寄存器UBRR。UCSRA、UCSRB和UCSRC都是8位寄存器，其中UCSRA主要用来设置通信参数如数据格式等；UCSRB主要控制USART的接收和发送数据；UCSRC主
17、要用来设置通信模式（有关这三个寄存器各位的详细信息下面会介绍）。波特率寄存器UBRR由UBRRL和UBRRH构成，是一个12位的寄存器，需要注意的是UCSRC和UBRRH共用一个I/O地址。UBRRL和UBRRH各位的定义如下：位15URSEL：寄存器选择，该位用于UBRRH/UCSRC寄存器的选择。写UBRRH寄存器时，该位必须写入“0”；读取UBRRH时该位总是“0”。位14:12 保留位。位11:0 UBRR11:0：USART波特率设置寄存器。由寄存器UBRRH低4位和寄存器UBRRL的8位构成一个12位的寄存器，用于对USART传送或接收波特率的设置。本文中的USART初始化程序如下
18、：#asm(cli); /全局中断屏蔽 UCSRA=0x00; /通信参数: 8 Data, 1 Stop, No Parity UCSRB=0xD8; / USART接收: On, USART 发送: On UCSRC=0x86; / USART 模式:异步, USART 波特率: 9600 UBRRH=0x00; UBRRL=0x47; /11.0592 #asm(sei) / 全局中断允许为完成与上位机的通信，制定通信协议如下：上位机下发命令包：上位机下发命令包为5字节定长格式，命令格式如下：命令起始字：BBH；命令字；参数字；校验码；命令结束字：EEH。命令字均为二进制码。命令字描述：
19、A0H：测试仪状态查询命令，此命令后跟参数字为固定值00H。A1H：通道切换命令，此命令字后跟参数字为00H05H,表示通道号。校验码为命令字和参数字2字节的按位逻辑“异或”值。测试仪应答命令包：应答命令包5字节定长格式，命令格式如下：命令起始字：BBH；命令接收字；当前通道号；校验码；命令结束字：EEH。命令字均为二进制码。命令接收字描述：00 H：正确收到下发命令并执行。01 H：下发命令字错。02 H：下发通道号错。当前通道号00H05H，表示当前进行测试的通道（下发命令已执行）。校验码为命令接收字和当前通道号2字节的按位逻辑“异或”值。上位机与测试仪通信应答流程：通信时序48：当测试仪
20、正确收到上位机下发命令包后，应在小于等于100ms时间内及时回送应答包。当上位机在100ms时间后未收到测试仪的应答命令包时，应再次重发命令。当上位机3次重发命令都未在规定时间内收到测试仪的应答包，表示存在切测试仪故障或通信线路故障，应做应急处理。测试仪在正确收到上位机的下发命令包后，应立即执行该控制命令的功能。命令执行后，即回送应答命令包，给出测试仪当前的状态值。其延时时间应小于100ms。测试仪上电初始状态的通道号为00H。现在我来简单介绍下UCSRA、UCSRB和UCSRC：USART 控制和状态寄存器AUCSRA Bit 7RXC: USART 接收结束接收缓冲器中有未读出的数据时RX
21、C置位，否则清零。接收器禁止时，接收缓冲器被刷新，导致RXC清零。RXC标志可用来产生接收结束中断(见对RXCIE位的描述)。 Bit 6TXC: USART 发送结束发送移位缓冲器中的数据被送出，且当发送缓冲器(UDR)为空时TXC置位。执行发送结束中断时TXC标志自动清零，也可以通过写1进行清除操作。TXC标志可用来产生发送结束中断(见对TXCIE位的描述)。 Bit 5UDRE: USART 数据寄存器空待添加的隐藏文字内容2UDRE标志指出发送缓冲器(UDR)是否准备好接收新数据。UDRE为1说明缓冲器为空，已准备好进行数据接收。UDRE标志可用来产生数据寄存器空中断(见对UDRIE位
22、的描述)。复位后UDRE置位，表明发送器已经就绪。 Bit 4FE: 帧错误如果接收缓冲器接收到的下一个字符有帧错误，即接收缓冲器中的下一个字符的第一个停止位为0，那么FE置位。这一位一直有效直到接收缓冲器(UDR)被读取。当接收到的停止位为1时，FE标志为0。对UCSRA进行写入时，这一位要写0。 Bit 3DOR: 数据溢出数据溢出时DOR置位。当接收缓冲器满(包含了两个数据)，接收移位寄存器又有数据，若此时检测到一个新的起始位，数据溢出就产生了。这一位一直有效直到接收缓冲器(UDR)被读取。对UCSRA进行写入时，这一位要写0。 Bit 2PE: 奇偶校验错误当奇偶校验使能(UPM=1)
23、，且接收缓冲器中所接收到的下一个字符有奇偶校验错误时UPE置位。这一位一直有效直到接收缓冲器(UDR)被读取。对UCSRA进行写入时，这一位要写0。 Bit 1U2X: 倍速发送这一位仅对异步操作有影响。使用同步操作时将此位清零。此位置1可将波特率分频因子从16降到8，从而有效的将异步通信模式的传输速率加倍。 Bit 0MPCM: 多处理器通信模式设置此位将启动多处理器通信模式。MPCM置位后，USART接收器接收到的那些不包含地址信息的输入帧都将被忽略。发送器不受MPCM设置的影响。详细信息请参考P150“多处理器通讯模式”。USART 控制和状态寄存器BUCSRB Bit 7RXCIE:
24、接收结束中断使能置位后使能RXC中断。当RXCIE为1，全局中断标志位SREG置位，UCSRA寄存器的RXC亦为1时可以产生USART接收结束中断。 Bit 6TXCIE: 发送结束中断使能置位后使能TXC中断。当TXCIE为1，全局中断标志位SREG置位，UCSRA寄存器的TXC亦为1时可以产生USART发送结束中断。 Bit 5UDRIE: USART 数据寄存器空中断使能置位后使能UDRE中断。当UDRIE为1，全局中断标志位SREG置位，UCSRA寄存器的UDRE亦为1时可以产生USART数据寄存器空中断。 Bit 4RXEN: 接收使能置位后将启动USART接收器。RxD引脚的通用端
25、口功能被USART功能所取代。禁止接收器将刷新接收缓冲器，并使FE、DOR及PE标志无效。 Bit 3TXEN: 发送使能置位后将启动将启动USART发送器。TxD引脚的通用端口功能被USART功能所取代。TXEN清零后，只有等到所有的数据发送完成后发送器才能够真正禁止，即发送移位寄存器与发送缓冲寄存器中没有要传送的数据。发送器禁止后，TxD引脚恢复其通用I/O功能。 Bit 2UCSZ2: 字符长度UCSZ2与UCSRC寄存器的UCSZ1:0结合在一起可以设置数据帧所包含的数据位数(字符长度)。 Bit 1RXB8: 接收数据位8对9 位串行帧进行操作时，RXB8是第9个数据位。读取UDR包
26、含的低位数据之前首先要读取RXB8。 Bit 0TXB8: 发送数据位8对9 位串行帧进行操作时，TXB8是第9个数据位。写UDR之前首先要对它进行写操作。USART 控制和状态寄存器CUCSRC Bit7URSEL: 寄存器选择通过该位选择访问UCSRC寄存器或UBRRH寄存器。当读UCSRC时，该位为1 ；当写UCSRC时，URSEL为1。 Bit 6UMSEL: USART模式选择通过这一位来选择同步或异步工作模式。 Bit 5:4UPM1:0: 奇偶校验模式这两位设置奇偶校验的模式并使能奇偶校验。如果使能了奇偶校验，那么在发送数据，发送器都会自动产生并发送奇偶校验位。对每一个接收到的数
27、据，接收器都会产生一奇偶值，并与UPM0所设置的值进行比较。如果不匹配，那么就将UCSRA中的PE置位。 Bit 3USBS: 停止位选择通过这一位可以设置停止位的位数。接收器忽略这一位的设置。 Bit 2:1UCSZ1:0: 字符长度UCSZ1:0与UCSRB寄存器的UCSZ2结合在一起可以设置数据帧包含的数据位数(字符长度)。 Bit 0UCPOL: 时钟极性这一位仅用于同步工作模式。使用异步模式时，将这一位清零。UCPOL设置了输出数据的改变和输入数据采样，以及同步时钟XCK之间的关系。第三章 基于AVR单片机利用超声波检测技术的客车防雨密封性能试验方法设计3.1 设计方案基于超声波检测
28、的汽车防雨密封性能试验方法中，将超声波发生器置于车体内作为信号源，由于气体特性阻抗远远小于固体的特性阻抗，使发生器产生的超声波在气/固界面上进行全反射，不能透射，只能穿过车体的缝隙到达车体外。在车体外通过使用超声波接收器扫描车门、车窗、地板、封口处等，其接收探头将接收的超声振动波转换成相同频率的电信号，由于泄漏超声的声压级与泄漏处尺寸相关，可以根据测出的电压信号判断车体缝隙的大小；同时根据超声波具有束射特性，方向性强，可以定向传播的特点，可以判断缝隙位置，而且能够精确、快速而且简便地完成检测。试验方法流程如图3.1所示。 图3.1 超声波检测试验方法流程图 图3.2 系统软件框图(1)系统组成
29、检测过程中超声波信号由超生波发生器产生，用9V电池作为电源，产生的声波频率为40KHz，电源消耗约0.75 mA。测量时将电源开关打到“ON”位置，此时电源指示灯亮，传送头将发出超声波。使用超声波检测装置可以精确定位缝隙所在的位置，其泄露程度可由输出电压的大小表示。根据试验箱模拟试验，建立缝隙大小与输出电压数据库；根据等效试验，建立输出电压与淋雨试验中人工评定结果数据库，将超声波检测试验结果与淋雨试验结果对应分析，可得到汽车防雨密封性评定结果。超声波检测系统组成如图3.3所示。其中用以产生和接收超声波的方法最主要利用的是某些晶体的压电效应，即压电晶体(如石英晶体、钛酸钡等压电陶瓷)在外力作用下
30、发生变形时，有电极化现象发生，即其电荷分布将发生变化(正压电效应)，反之，当向压电晶体施加电荷时，压电晶体将发生应变，即弹性变形(逆压电效应)。因此，利用压电晶体制成超声波发射器，对其输入高频电脉冲，则发射器将以相同频率产生超声波发射出去，以此作为检测系统信号源；在接收超声波时，接收器产生相同频率的高频电信号用于检测。该电信号反映出超声波的泄漏程度，经过主放大滤波处理后，由A/D转换将模拟信号转化为数字信号，将数据读入计算机进行处理分析，根据测出的电压信号评定汽车车厢的密封性能；同时根据超声波具有束射特性，方向性强，可以定向传播的特点，可判断车体缝隙的位置，为汽车密封性能改进提供参考依据。图3
31、.3 超声检测系统组成图(2)软件结构系统软件协调控制系统各个硬件组成部分的工作，并且完成数据采集、数据处理及显示、结果评定等功能。图3.2是系统软件的总体框图。客车防雨密封性检测系统的工作示意图如图3.4所示：图3.4 客车防雨密封性检测系统的工作示意图根据超声波接收器接收的正弦电压信号大小与发生器、接收器间的距离，缝隙尺寸等均有关的原理及示意图可得，在客车内不同方位均安装超声波发生器以发出超声波信号，检测室内各个方位都有超声波接收器接收，要能仅在检测室内某一定点方便、准确的控制客车内外超声波的发射和接收情况，并进行相应的处理从而获取相关信息，就需要有一控制系统将超声波信号的发射、接收与计算
32、机结合起来。基于上述分析，我们采用的是单片机控制A/D转换的超声波检测系统。试验方法是：从超声波发生器发出的超声波信号经接收器接收后，经整形、A/D转换、单片机处理，最终用LED显示输出。(3)电路设计（a）超声波发生器 ：以9V电池作电源，产生频率为40kHz的声波，电源消耗约0.75mA，在测量时电源开关打到“ON”，电源指示灯亮，此发生器将发出超声波。（b）超声波接收器：以9V电池作电源，接收超声波发生器发出的超声信号。（c）整形：根据超声波发生器发出的超声信号的特点（频率为40kHz，电压范围-11V），波形如图3.5（a）所示。为了便于准确的控制，在此，采用单位增益频带宽约1MHz、
33、单电源330V的运算放大器LM258，设其放大倍数为1（其原理图如图3.6所示），便可将该信号的电压范围调为1.253.75V，波形如图3.5（b）所示。（a）1-12.53.751.250（b）图3.5 频率为40kHz的正弦波图3.6 LM258电压整形电路图（d）A/D转换：由于超声波发生器发出的信号频率为40kHz，故其周期为25us，为了能得到精确的A/D转换值，必须选用高频率的A/D转换芯片。在此系统中采用的是AD7822，其转换时间为1us，这样就可以在同一周期内采样多个点，从而得到精确的采样结果。（e）单片机：在本系统中，我们采用的是ATMEG8L芯片。该单片机既控制AD782
34、2的转换，又从AD7822中读取转换结果，控制LED的显示。（f）LED显示：经A/D转换器AD7822转换的的电压值经单片机读取、处理后，得到电压峰-峰值经驱动器74LS244驱动直接送至LED输出显示。3.2 试验数据处理方法 最小二乘曲线拟合这里我们处理实验数据方法利用的是最小二乘曲线拟合。由于一般试验数据较多，而且试验数据本身带有误差，因此所求的近似曲线并不要求通过所有的给定点，也不要求满足，而只要求函数能反映数据的基本变化趋势。由于不同类型的函数能表达不同的特性，因而常常在某种确定的函数类F中寻求一个最好的函数拟合已给的数据。“最好”的标准通常是要求与的偏差的平方和为最小，按这样的标
35、准确定拟合函数，称为最小二乘曲线拟合。可用一系列基函数进行最小二乘曲线拟合,直接而通用的做法是用多项式,即线性拟合；另外还可以选择其他基函数,这种做法称之为非线性拟合。在数据处理中应用的最小二乘法原理是算术平均值原理的推广。即多次等精度独立测得 的最佳值,其残差 满足平方和= min (最小)，因对任何值而言, 故只有选为时方为最小，这是最小二乘法的基本原理，用它可以解决两个量之间关系的问题4。如现有一组,要建立x和y之间的函数关系。设和之间的函数关系为,则满足=min的即为所求。3.3 试验数据处理过程从超声波检测汽车防雨密封性能试验方法流程图中可以看出，利用超声波传感器可以完成实时信号采集
36、，较复杂的数据处理、结果评定工作均由计算机完成。为了根据接收信号评定汽车防雨密封性能，需要进行模拟试验，建立超声检测系统中接收器经过放大电路所得到的电压信号与缝隙尺寸间的关系；根据等效试验，建立该电压与淋雨试验中人工评定结果的关系，将超声波检测试验结果与淋雨试验结果对应分析，可得到汽车防雨密封性评定结果，试验过程中所得到的缝隙尺寸和缝隙定位可为汽车防雨密封性能改进提供重要依据。试验箱模拟试验中，试验箱的基本尺寸根据实际车型的外廓尺寸进行适当的比例缩小，主要材料为金属铁，在车门、车窗、地板处均开有缝隙。其中使用的超声波发生器用9V电池作为电源，产生声波频率为40KHz的超声波信号，接收器经过放大
37、电路得到相同频率的正弦电压信号，其大小与发生器、接收器间的距离，缝隙尺寸等均有关。当车门、车窗打开时，发生器和接收器的轴线对准，可得到接收电压信号与发生器、接收器距离的关系，即得出不同距离下最大接收电压值(放大电路达到饱和输出)。其试验数据如表3.1所示：表3.1 发生器与接收器距离d与最大接收电压U的关系d(m)12345678910U(V)5.005.004.504.303.903.623.182.872.572.20由试验数据可以看出，由于随着发生器、接收器之间距离增大，接收电压信号衰减严重，故d最大取至10米较合适，同时考虑到试验中的实际距离应大于1/2车长(车内放置发生器，车外设置接
38、收器)，故d=3/5米较合适，改变缝隙大小得到相应的检测结果。当发生器、接收器之间距离等相关条件一定，可以得到电压信号与缝隙尺寸的关系，为了达到最好测量效果，发生器和接收器的轴线对准，调节缝隙尺寸，得到试验数据如表3.2所示。表3.2中的最大接收电压值和表3.1中的最大接收电压值基本符合，由此可以得出发生器和接收器在不同距离下，检测系统可测量缝隙的最大尺寸。表3.2 不同距离值d下，电压信号U与缝隙尺寸S的关系d(m)U(v)S(mm2)123456789100.500.300.220.150.080.040.030.030.030.030.031.000.320.300.270.230.17
39、0.150.130.080.080.081.500.350.310.280.250.200.160.140.100.100.082.000.380.330.30.270.230.180.170.140.140.132.500.520.370.330.310.270.230.180.170.150.153.000.720.400.370.330.280.230.200.180.170.173.501.070.830.520.470.330.280.230.200.190.184.001.201.080.560.500.390.280.230.230.20.194.501.331.180.830.
40、700.580.370.300.250.240.235.001.501.421.070.920.680.630.530.470.430.325.501.831.481.301.120.900.830.770.670.580.506.001.981.571.381.321.050.930.880.700.630.586.502.421.901.671.631.301.151.200.920.800.777.003.002.081.981.931.571.431.431.121.000.877.503.802.472.182.321.981.881.671.351.221.028.005.002.
41、902.732.552.172.001.871.601.431.258.503.433.173.172.532.482.351.871.681.489.003.833.833.582.922.702.902.251.951.679.505.004.174.003.553.373.102.502.402.1310.04.504.273.673.50.322.752.502.20由试验数据看出，由于放大电路饱和输出限制，该系统可检测缝隙的最大尺寸为10mm2，增大其尺寸需调整放大电路。根据所测试验数据寻求其变化规律，需要对测量数据进行曲线拟合。故基于最小二乘原理，用Matlab实现对试验数据的拟合
42、。Matlab是一个高级的数值分析、处理与计算软件，采用Matlab实现拟合的程序清单见附录。3.4 试验结果分析利用AVR单片机处理接收器接收到的峰值电压信号与缝隙面积关系得到的采样点分布用Matlab实现曲线拟合得到关系曲线如图所示(其中圆圈代表实际数据点)。图3.7 峰值电压与缝隙面积的关系（d=5m）图3.8 峰值电压与缝隙面积的关系（d=6m）以上只列出得到最精确的检测结果，可以看出随着缝隙面积的扩大，得到的峰值电压月缝隙面积函数处于一个正比增值曲线。图3.9 峰值电压与距离的关系为了根据接收信号评定汽车防雨密封性能，需要研究超声波发生器与接收器距离、汽车车体缝隙面积与接收电压峰值的
43、关系，建立，的数学模型；然后进行对比试验，在同等情况下，将超声波检测试验结果与国家标准（QC/T476）中的人工评定结果对比分析，建立汽车防雨密封性能超声检测的评定标准。本文通过参考多次试验现场采集的数据，重点处理以下情况的试验数据：a.当发生器、接收器之间距离、角度（试验中发生器的发射探头正对接收探头）等相关条件一定时，接收电压峰值与缝隙尺寸的关系；b. 当缝隙尺寸、发生器、接收器之间的角度（试验中发射探头正对接收探头）等相关条件一定时，接收电压峰值与发生器、接收器距离的关系。由以上试验数据，基于最小二乘原理，用Matlab实现对试验数据的拟合。Matlab是一个高级的数值分析、处理与计算软
44、件， 利用它可建立在发生器与接收器之间距离一定情况下，接收电压峰值与缝隙面积的关系为 ， 式中，均为常数，随距离值不同而改变，如：（=4m时）， (=5m时) 。 其关系曲线如图3.10所示（其中o表示实际数据点，*表示拟合数据点）：图3.10 接收电压峰值U与缝隙面积S关系图同理，可建立在缝隙面积一定的情况下，接收电压峰值与发生器与接收器之间距离的关系为， 式中，均为常数，随缝隙面积不同而改变，如： f=2.3976-0.25807x+0.0042943x2-0.12623exp(-x2)+0.00012349exp(x)/x（时）；（）.其关系曲线如图 3.11所示（其中o表示实际数据点，*表示拟合数据点）：图3.11 接收电压峰值U与距离d关系图 用超声波检测实验的方法,研究了汽车防雨密封性，将实验数据用Matlab软件拟合,所拟合的曲线与测量数据点十分接近，拟合的效果较为理想，这也进一步说明了该拟合方法是准确可行的，可以由AVR单片机处理接受器接收到的数据从而建立电压峰值与距离，电压峰值与缝隙面积的数学模型，进行定量分析，为对比试验和汽车防雨密封性能超声检测评定标准的建立提供必需的数据基础。
