电器电子课程设计自动变速器电控系统的硬件电路

山东科技大学0目录一、课程设计目的······················································2二、课程设计任务······················································3三、系统总体的设计方案··············································4四、电路结构框图、元器件清单······································51、车速传感器介绍··················································52、发动机转速传感器的介绍·······································83、节气门传感器···················································104、冷却水温度传感器··············································135、MCS-51单片机芯片的介绍····································166、电磁阀介绍······················································24五、软件流程图·······················································28主要参考资料·························································29山东科技大学1一、课程设计的目的课程设计是培养和锻炼学生在学习完本门课后综合应用所学理论知识解决实际工程设计和应用问题的能力的重要教学环节，它具有动手、动脑和理论联系实际的特点，是培养在校工科大学生理论联系实际、敢于动手、善于动手和独立自主解决设计实践中遇到的各种问题能力的一种较好方法。汽车电子控制课程设计是学完《汽车电子控制》课程之后，让学生综合运用单片机、微机原理及应用等知识，进行汽车电子控制系统的设计，以加深对汽车电子控制基本知识的理解，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力，初步培养研制使用汽车电子控制的能力。通过设计过程，要求学生熟悉和掌握汽车电子控制系统设计的方法、设计步骤，使学生得到汽车电子控制系统设计和应用方面的初步训练。让学生独立或集体讨论设计题目的总体设计方案、硬件和软件的设计及调试、编写设计报告等问题，真正做到理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力，实现由学习知识到应用知识的过渡。山东科技大学2二、设计任务选择适当的单片机作为系统的CPU，选择适当的传感器来获取车速信号，发动机信号，节气门信号和冷却水信号，选择适当的换挡电磁阀作为驱动器，设计出自动变速器电控系统的硬件电路。三、系统的总体设计方案1、选择车速传感器、发动机转速传感器、节气门开度传感器、冷却水温度传感器来采集信号。将测定的物理量转变为电信号，并把信号输送到单片机。2、选择了51单片机作为系统的CPU，将来自传感器的电信号转变成运算处理所需要的信号，即模数转换。按照芯片中的程序运算处理，输出运算结果电信号，驱动电磁阀。ECU将汽车在不同使用要求下的最佳换挡规律以自动换档图的形式储存在存储器中。ECU根据传感器传送来的信号与自动换挡规律比较，如果达到相应的换挡车速，电子控制单元ECU将向换挡阀发出信号，由电磁阀的动作决定压力油通往各换挡阀元件的流向，直至作用于自动变速器中相应的换挡离合器、制动器等执行件上，以最终实现档位的自动变换。3、电磁阀作为电子控制系统的执行元件也是液压控制系统的信号发生原件.换挡电磁阀的动作可控制液压系统中换挡阀的油路接通位置，以使相应的换挡离合器、制动器等执行元件工作，从而实现自动换挡、调节主油路压力及液力变矩器的锁止功能。山东科技大学3四、电路结构框图、元器件清单1、车速传感器车速传感器类型：常用的传感器有电磁式、霍尔式、光电式。我们用的是光电式的车速传感器。光电式车速传感器：光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号(开关脉冲)。发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。转盘上间断的孔可以开闭照射到光电三极管上的光源，进而触发光电三极管和放大器，使之像开关一样地打开或关闭输出信号。从示波器上观察光电式车速传感器输出波形的方法与霍尔式车速传感器完全一样，只是光电传感器有一个弱点即它们对油或赃物在光通过转盘传递的干涉十分敏感，所以光电传感器的功能元件通常被设计成密封得十分好，但损坏的分电器或密封垫容器在使用中会使油或赃物进入敏感区域，这会引起行驶性能问题并产生故障码。光电式速度传感器工作原理光电式速度传感器由光学系统及大面积梳状硅光电池组合构成。将传感器安装在汽车上，镜头对准灯光照射的地面（晴朗天气可山东科技大学4以不用灯光照射），如图所示。汽车行驶时，地面杂乱花纹通过光学系统，在光电器件上成像，并扫描梳状硅光电池，经广电装换和空间滤波等处理后，广电传感器输出周期性的饿随机窄带信号，该信号的基波频率正比于汽车行驶速度，并且每一周期严格对应地面上走过的一段距离，经过带通跟踪滤波器和整形等预处理后，即可得到随车速变化的脉冲信号。光电式速度传感器特点。1.精确度高、密封性好、抗震动性好、检修方便、造价高、信号处理复杂2.特性曲线山东科技大学52）结构电路3）车速信号调理电路图山东科技大学62、发动机转速传感器这种传感器用于柴油机上，目的是检测发动机的转速，传感器的结构如图1，在永久磁铁的周围绕有线圈，即采用的是电磁式工作原理，当铁材齿轮在永磁铁附近旋转时，通过线圈的磁力线发生变化，在线圈中就会产生图2所示的感应电压。图1转速传感器的结构图2传感器的输出波形1-永磁铁2-线圈3-M14*1.25螺纹4-齿轮柴油机用转速传感器就装在喷油泵的飞锤齿轮处，当柴油发动机的喷油泵工作时，传感器的齿轮旋转，因此在信号线圈中就会产生交流电压。交流电压的频率与发动机的转速成正比。把此交流电压作为输入信号，经转速表内的IC电路放大、整形后就可以使转速表指示出发动机的转速。山东科技大学7图3转速表电路方框图图3所示的是转速表电路的方框图，当齿轮转动时，对每一个齿，就会产生图4（a）所示的一个周期的电压，此电压经放大、整形电路之后，就变为图4（b）所示的矩形波。然后再通过单稳态电路变换，使脉宽为一定值，经电流放大器放大后就可以输入到转速表中。又因输出的脉冲数是根据发动机的转速变化的，所以转速表就能按照脉冲电流的平均值来指示发动机的转速。图4转速表电路中有关部位的波形山东科技大学83、节气门传感器直线性式节气门位置传感器装于节气门及喷油泵等上，用于连续地检测旋转部件。利用设于传感器内的开关检测出移动原点，因此可准确地检测出绝对角度。这种传感器安装于被检测件上（例如节气门）通过驱动臂的动作，使动触点在电阻膜上作华东旋转。电阻膜具有开关输出图形及现行输出图形。图1是线性式（也叫滑动电阻式）节气门位置传感器的结构。图2是其电路原理图，图3是其输出特性，其线性输出可改为函数输出。因为这种传感器的输出信号是电压，所以，它具有以下特点：检测及处理角度很方便；适于学习控制用，因为它是用开关找出确定绝对角度的原点；可直接安装于发动机上；耐环境能力强；其内设有回位弹簧，与被测定部件容易连接。下面说明丰田车用节气门位置传感器的工作过程，其结构图如图4所示。它检测节气门的开度并将其转换成电压信号输入到发动机用控制微机中（ECU）。当打开节气门时，节气门开度信号动触点（Vta）与怠速信号动触点（IDL）在电阻膜上滑移。Vc端子上一直加有稳定的5V电压,动触点则依照节气门的开度在电阻体上滑移，由此在Vta端子上就会有与节气门开度成比例的电压输出。当节气门全关闭时，检测怠速状态的动触点使IDL~E2两个端子导通，从而输出怠速状态信号。传感器与ECU的连接方法如图5所示。传感器内阻r的两端一直加有ECU输送来的5V电压，动触点a根据节气门开度的状况在电山东科技大学9阻r上滑移，由此改变ECU的Vta端子的电位。这一电压信号经A/D变换器变换成数字信号，再输入到计算机中去。从图中可以看出，传感器通过Vta端ECU内部的电阻R1与稳压电源电路相连，通过Vta电阻R2端与E2端子相连，但是因为R1、R2都大于r，所以电流的流经途径是Vc端子→电阻r→E2端子，Vta端的电位并不受电阻R1、R2的影响。当节气门全闭时，IDL触点闭合，IDL端的电位为0，这样就把节气门全闭的这一情况通知了计算机。收到Vta端子、IDl端子传来的信号之后，计算机根据这些信号判断出车辆的行驶状态，再决定进行过渡时期的空燃比修正或者是输出增量修正，或是切断油路，或是进行怠速稳定修正。图1山东科技大学10节气门传感器简化结构图图2特性图图3图5山东科技大学114、冷却温度传感器PN结温度传感器PN结温度传感器是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性，实现对温度的检测、控制和补偿等功能。实验表明，在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。根据PN结理论，对于理想二极管，只要正向电压UF大于几个ksT／e(kBT为波尔兹曼常数，e为电子电荷)。其正向电流I，与正向电压u，和温度T之间的关系可表示为：珥=q+争h等一(3+手)加r)T(8)式中，Us,=EJe，E。为材料在T=一273．15。C时的禁带宽度(以ev为单位)，B和r为常数。由半导体理论可知，对于实际二极管，只要它们丁作的PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，而又未发生大注入效应的电压和温度范围内，其特性与上述理想二极管是相符合的。实验表明，对于砷化镓、锗和硅二极管，在一个相当宽的温度范围内，其正向电压与温度之间的关系与式(8)是一致的，如图2所示山东科技大学12实验发现晶体管发射结上的正向电压随温度的上升而近似线性下降，这种特性与二极管十分相似，但晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。二极管的温度特性只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流除扩散电流成分外，还包括空间电荷区中的复合电流和表面漏电流成分。这两种电流与温度的关系不同于扩散电流与温度的关系，因此，实际二极管的电压一温度特性是偏离理想情况的。由于三极管在发射结正向偏置条件下，虽然发射结也包括上述3种电流成分，但是只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电极电流，而另外两种电流成分则作为基极电流漏掉，并不到达集电极。因此，晶体管的Ic--UBE关系比二极管的I，一U，关系更符合理想情况。所以表现出更好的电压一温度线性关系。根据晶体管的有关理沦可以证明，NPN晶体管的基极一发射极电胝u晡与温度T和集电极电流I。的函数关系与_极管的u，与T和I，函数关系式(8)相同。因此，在集电傲电流I。：恒定条件下，晶体管的基极一发射极电压u。。与温度T呈线性关系。但严格地说，这种线性关系是不完全的，因为关系式中存在非线性项。PN结温度传感器应用电路如图3所示，图中的R1、R2、D、W1组成测温电桥，其输出信号接差动放大器A1，经放大后的信号输入0—5V数字式电压表(DVM)显示。放大后的灵敏度10mV／℃。A2接成电压跟随器，与W2配合可调节放大器A1的增益。通过PN结温度传感器的工作电流不能过大，以免二极管自身的温升影响测量精度。一般1二作电流为100～300mA。采用恒流源作为传感器的-T作电流较为复杂，一般采用恒压源供电，但必须有较好的稳压精度。山东科技大学13精确的电路调整非常重要，可以采用广口瓶装入碎冰渣(带水)作为0。C的标准，采用恒温水槽或油槽及标准温度计作为100℃或其它温度标准。在没有恒水槽