汽車(chē)單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用

陽(yáng) 紅 李文秋（深圳技師學(xué)院 廣東 深圳518040）

汽車(chē)單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用

陽(yáng) 紅 李文秋
（深圳技師學(xué)院 廣東 深圳518040）

在汽車(chē)單片機(jī)項(xiàng)目課程教學(xué)的職業(yè)技能實(shí)訓(xùn)中，普遍存在使用的實(shí)訓(xùn)設(shè)備與技術(shù)比較滯后的現(xiàn)象，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)日新月異發(fā)展的要求，尤其是采用單片機(jī)作為現(xiàn)代汽車(chē)核心控制系統(tǒng)的模擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)在國(guó)內(nèi)至今無(wú)生產(chǎn)廠家提供成型產(chǎn)品。針對(duì)這種情況，本文闡述了筆者在實(shí)訓(xùn)設(shè)備的研發(fā)制作方面進(jìn)行的嘗試及在汽車(chē)電器專(zhuān)業(yè)的單片機(jī)項(xiàng)目課程教學(xué)實(shí)際中的運(yùn)用，并就單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)項(xiàng)目進(jìn)行了探討。

汽車(chē)單片機(jī)；項(xiàng)目教學(xué)；實(shí)訓(xùn)臺(tái)；設(shè)備研發(fā)；中央處理控制單元（ECU）

隨著微機(jī)控制技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，汽車(chē)技術(shù)與微機(jī)系統(tǒng)的融合給汽車(chē)的結(jié)構(gòu)和性能帶來(lái)了革命性的變化。從汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射、點(diǎn)火裝置、進(jìn)氣與怠速控制、尾氣排放、故障自診斷到汽車(chē)底盤(pán)的傳動(dòng)與行駛、轉(zhuǎn)向與制動(dòng)等，普遍都采用了微機(jī)控制系統(tǒng)，使汽車(chē)的動(dòng)力性、安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性都得到了顯著的提高。現(xiàn)代汽車(chē)的維修(尤其是電器維修)靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)維修已相當(dāng)困難，這就要求維修人員具備更專(zhuān)業(yè)的技術(shù)和更高的維修操作技能。在汽車(chē)電器專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是中央處理控制單元(ECU)是學(xué)生掌握汽車(chē)電器維修技術(shù)的關(guān)鍵。筆者結(jié)合汽車(chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的具體工作過(guò)程，選取單片機(jī)在現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)上最具典型性和代表性的應(yīng)用——發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度測(cè)量控制系統(tǒng)和汽車(chē)車(chē)軸轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示系統(tǒng)作為切入點(diǎn)，采取“解剖一個(gè)麻雀”的方法，研究開(kāi)發(fā)了單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)教學(xué)設(shè)備，不僅破解了汽車(chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的單片機(jī)及汽車(chē)電子技術(shù)教學(xué)的難題，有助于培養(yǎng)汽車(chē)市場(chǎng)急缺的高層次技能人才，還將典型工作任務(wù)與工作過(guò)程應(yīng)用到單片機(jī)項(xiàng)目課程教學(xué)實(shí)踐。

汽車(chē)單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的組成和基本原理

汽車(chē)單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的基本組成及基本原理 汽車(chē)單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)主要由汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫測(cè)量控制系統(tǒng)和汽車(chē)車(chē)軸轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示系統(tǒng)兩個(gè)教學(xué)項(xiàng)目組成，外形如圖1所示。整個(gè)硬件配置由發(fā)動(dòng)機(jī)熱交換裝置、車(chē)軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置、中央處理控制單元(ECU)、動(dòng)態(tài)數(shù)字/模擬顯示、語(yǔ)音報(bào)警、冷卻風(fēng)扇控制電路、操作按鈕以及信號(hào)測(cè)試端口等組成。

圖1 汽車(chē)單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)圖

1.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫測(cè)控系統(tǒng)。使用加熱器加熱水箱，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升過(guò)程。傳感器檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)產(chǎn)生模擬電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)CPU，根據(jù)其內(nèi)部預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和編制的程序進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯判斷后實(shí)時(shí)顯示水溫。當(dāng)水溫上升到70℃時(shí)，模擬指示燈開(kāi)始指示；水溫上升到88℃，低速降溫繼電器動(dòng)作，啟動(dòng)冷卻風(fēng)扇開(kāi)始降溫，冷卻風(fēng)扇低速模擬指示燈旋轉(zhuǎn)指示；水溫上升到93℃，高速降溫繼電器動(dòng)作，冷卻風(fēng)扇高速模擬指示燈旋轉(zhuǎn)指示；水溫上升到95℃，超溫報(bào)警器報(bào)警，加熱器停止加熱，水溫開(kāi)始下降。當(dāng)水溫降到93℃時(shí)，風(fēng)扇高速繼電器斷開(kāi)，冷卻風(fēng)扇變?yōu)榈退龠\(yùn)轉(zhuǎn)；水溫降到88℃，風(fēng)扇低速繼電器斷開(kāi)，冷卻風(fēng)扇停止運(yùn)行。當(dāng)水溫自然冷卻到70℃，加熱器再次加熱，一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。

2.汽車(chē)車(chē)軸轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)測(cè)量齒輪，模擬汽車(chē)車(chē)速變化過(guò)程。傳感器檢測(cè)到車(chē)速信號(hào)經(jīng)整形放大處理后轉(zhuǎn)換成脈沖波輸入單片機(jī)CPU，根據(jù)其內(nèi)部設(shè)置的程序進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和分析后對(duì)汽車(chē)車(chē)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，當(dāng)實(shí)際車(chē)速值大于人工預(yù)設(shè)值120Km/h時(shí)，語(yǔ)音報(bào)警超速提示。車(chē)速測(cè)量范圍為0~ 240Km/h。

3.故障診斷系統(tǒng)。本教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)配置了故障自診斷系統(tǒng)，先人工設(shè)置相關(guān)故障，然后通過(guò)操作選擇按鈕方式Ⅲ，再按啟動(dòng)按鈕，則系統(tǒng)進(jìn)入故障診斷模式，車(chē)速顯示窗口數(shù)字燈閃爍，依次自動(dòng)循環(huán)顯示所設(shè)置的故障代碼。

單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的研發(fā)與制作

在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的前期階段，筆者考慮到以前的實(shí)訓(xùn)臺(tái)架只是制作測(cè)試端子，不能形象地反映單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)的工作過(guò)程與控制原理，實(shí)訓(xùn)中還必須另外找電控原理圖才能實(shí)施查故、排故的專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練。而結(jié)合汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的工作特點(diǎn)，將單片機(jī)兩個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目的整套原理圖直接制作在教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的立面上，能直觀、形象地反映發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與汽車(chē)車(chē)速的測(cè)控原理，如圖2所示。

圖2 單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)面板圖

設(shè)備上采用的傳感器、繼電器、冷卻風(fēng)扇、接插件甚至連面板標(biāo)識(shí)都來(lái)源于汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的規(guī)定，全方位針對(duì)汽車(chē)電器的工作過(guò)程進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)就會(huì)感到有親切感，不會(huì)陌生。另外，在面板上的控制原理圖上，嵌入安裝了測(cè)量信號(hào)端子，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和車(chē)速的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和動(dòng)態(tài)分析，方便了單片機(jī)的項(xiàng)目教學(xué)，并使查故、排故訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)化，創(chuàng)建真實(shí)的教學(xué)環(huán)境。

中央處理控制單元（ECU）電路板（如圖3所示）是單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)的核心，其中所涉及的每一部分電路均由學(xué)生以小組單位形式完成。教學(xué)的環(huán)節(jié)有：項(xiàng)目電路設(shè)計(jì)、PCB板制作、電子元件插件焊接、硬件測(cè)試、軟件編程參數(shù)修改、程序調(diào)試與燒錄、故障處理排除、工作頁(yè)的撰寫(xiě)等。

（一）單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的研制工作

1.汽車(chē)市場(chǎng)調(diào)研、專(zhuān)家研討，結(jié)合汽車(chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)具體工作過(guò)程，確定教學(xué)項(xiàng)目。對(duì)項(xiàng)目的組成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行技術(shù)分析，為研制做好準(zhǔn)備工作。

圖3 實(shí)訓(xùn)臺(tái)中央處理控制單元(ECU)電路板圖

2.整體方案研究，明確項(xiàng)目研發(fā)的目標(biāo)、任務(wù)、關(guān)鍵技術(shù)及解決方案。

3.制定技術(shù)路線(xiàn)與詳細(xì)設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括硬件軟件、實(shí)訓(xùn)臺(tái)外觀鈑金、材料采購(gòu)、電子PCB板的打樣等，設(shè)計(jì)力求科學(xué)合理。

4.委托生產(chǎn)廠家按要求進(jìn)行加工制作，力求制作過(guò)程實(shí)用美觀、盡量降低生產(chǎn)成本。

5.實(shí)訓(xùn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)裝配、硬件測(cè)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)。

6.作為教學(xué)平臺(tái)設(shè)置各種故障，不斷總結(jié)、完善提高。

（二）單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

1.教學(xué)項(xiàng)目的選取要具有代表性、經(jīng)典性和實(shí)用性。

2.臺(tái)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、元件布局合理、外形美觀、實(shí)用。

3.面板操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，預(yù)留項(xiàng)目教學(xué)擴(kuò)展功能接口。

4.信號(hào)實(shí)現(xiàn)隔離，具備防干擾措施，確保安全可靠。

5.ECU板采用單片機(jī)教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)總線(xiàn)方式，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)查故、排故要求。

單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)和診斷功能

（一）單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

1.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫與車(chē)速的實(shí)時(shí)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)模擬及數(shù)字顯示。

2.車(chē)速測(cè)量（齒輪脈沖測(cè)速）精度+1齒距，能精確測(cè)量0～20Km/h低轉(zhuǎn)速。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)水溫模擬加熱及冷卻裝置。

4.ECU板采用單片機(jī)控制處理系統(tǒng)及總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路。

5.實(shí)訓(xùn)臺(tái)人機(jī)智能界面能夠生動(dòng)形象地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫、車(chē)速傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及顯示裝置與中央處理控制單元（ECU）的工作關(guān)系和測(cè)控原理，針對(duì)故障進(jìn)行診斷處理。

（二）單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)故障診斷功能

結(jié)合單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的操作面板（如圖4所示），操作按鈕開(kāi)關(guān)選擇Ⅲ方式，可以按需要快速進(jìn)行多個(gè)故障設(shè)置，故障代碼由四位數(shù)碼顯示。

1.故障設(shè)置以后，透過(guò)觀察窗可以直觀地觀察發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、車(chē)速測(cè)控及顯示等各故障的實(shí)際現(xiàn)象。針對(duì)汽車(chē)等專(zhuān)業(yè)的具體工作過(guò)程，方便快捷地與檢測(cè)儀器連接，讀出故障代碼并進(jìn)行元件測(cè)試等。

圖4 實(shí)訓(xùn)臺(tái)的操作面板圖

2.可以斷開(kāi)傳感器與中央處理控制單元(ECU)的連接設(shè)置斷路故障，也可接地設(shè)置短路故障，或者模擬相應(yīng)的信號(hào)輸入ECU單元，代替?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)設(shè)置模擬故障。對(duì)于故障的查找，既可以在實(shí)物上進(jìn)行，又可以在面板上進(jìn)行檢測(cè)。

3.通過(guò)萬(wàn)用表或儀器儀表對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和波形動(dòng)態(tài)分析，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫、車(chē)速傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示報(bào)警裝置、中央處理控制單元(ECU)板進(jìn)行定量檢查與測(cè)試，從而查找并排除故障。

故障診斷貼近汽車(chē)電器專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用實(shí)際，不僅可提高學(xué)生的分析能力和操作技能，更為重要的是可讓學(xué)生真正感覺(jué)到在“學(xué)中做、做中學(xué)、邊學(xué)，邊做、邊做，邊學(xué)”，消除學(xué)生對(duì)單片機(jī)的神秘感，最終使學(xué)生將學(xué)到的技能轉(zhuǎn)化為實(shí)際工作能力，為國(guó)家培養(yǎng)出汽車(chē)市場(chǎng)急缺的高層次技能人才。

單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)在項(xiàng)目教學(xué)中的運(yùn)用實(shí)例

常見(jiàn)故障實(shí)例：發(fā)動(dòng)機(jī)水溫異常。

故障現(xiàn)象：汽車(chē)在行駛途中發(fā)動(dòng)機(jī)水溫變化劇烈，溫度顯示不穩(wěn)定。

原因分析：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫測(cè)控系統(tǒng)采用了反饋控制，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的高低決定冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的快慢。水溫應(yīng)始終恒定在85℃~90℃之間，以免造成發(fā)動(dòng)機(jī)溫度不正常而降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率。

診斷與排除：

1.現(xiàn)場(chǎng)檢查，按下啟動(dòng)按鈕，水箱被加熱，隨著水溫的上升，溫度開(kāi)始劇烈變化，造成風(fēng)扇繼電器頻繁接觸閉合與斷開(kāi)，確定風(fēng)扇控制電路正常。

2.斷開(kāi)水溫傳感器與中央處理控制單元(ECU)的連接插件，用儀器測(cè)量實(shí)訓(xùn)臺(tái)面上的溫度信號(hào)端子，發(fā)現(xiàn)傳感器的溫度曲線(xiàn)呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)的動(dòng)態(tài)特征，說(shuō)明傳感器良好，不需更換。

3.模擬相應(yīng)的信號(hào)輸入ECU單元，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫顯示正常。按下復(fù)位按鈕，故障代碼消失，由此排除ECU板出錯(cuò)可能。

4.經(jīng)排查后發(fā)現(xiàn)傳感器插頭上導(dǎo)線(xiàn)與中央處理控制單元(ECU)的連接插件插頭接觸不良，然后，焊接好并裝復(fù)后試車(chē)，故障排除，車(chē)況正常。

實(shí)際教學(xué)的應(yīng)用證實(shí)單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)能形象地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)水溫測(cè)控系統(tǒng)中具體工作過(guò)程與反饋信號(hào)的工作狀態(tài)，它的研制成功使得單片機(jī)項(xiàng)目課程教學(xué)不再是教學(xué)的難點(diǎn)，單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)作為一個(gè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)的載體，可以培養(yǎng)學(xué)生成為既懂汽車(chē)，又懂單片機(jī)技術(shù)的復(fù)合型高技能人才。

[1]李京申，劉波.汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2004.

[2]李秀忠.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2006.

[3]卜凡亮，賈洪亮.實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

（本文責(zé)任編輯：尚傳梅）

短時(shí)期的挫折比短時(shí)間的成功好。

——畢達(dá)哥拉斯

G712

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1672-5727（2011）08-0128-02

陽(yáng)紅（1962—），男，工學(xué)碩士，深圳技師學(xué)院汽車(chē)系副教授，主要從事汽車(chē)電子技術(shù)及汽車(chē)維修技術(shù)職業(yè)教育研究與實(shí)踐。