基于單片機(jī)的汽車自動(dòng)變速箱電磁閥測試儀的研究與實(shí)現(xiàn)

張 珉，王中訓(xùn)，婁 陽，劉寶軍

(煙臺(tái)大學(xué) 光電信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

基于單片機(jī)的汽車自動(dòng)變速箱電磁閥測試儀的研究與實(shí)現(xiàn)

張 珉，王中訓(xùn)，婁 陽，劉寶軍

(煙臺(tái)大學(xué) 光電信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

在一臺(tái)自動(dòng)變速檔汽車中，變速箱是其最重要的部件之一，它的好壞關(guān)乎到整臺(tái)汽車的性能，而變速箱的關(guān)鍵恰恰是電磁閥。然而電磁閥的性能通常不易觀察得到，需要詳細(xì)測試得之。傳統(tǒng)測試方法不能高效快捷地得到結(jié)果，常常費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了更方便快捷、科學(xué)、準(zhǔn)確地測試電磁閥，設(shè)計(jì)一個(gè)基于STC12C5A60S2單片機(jī)的由壓力傳感器、流量傳感器組成的測試儀，具有極其重要的研究價(jià)值。單片機(jī)控制電平，通過T0、T1定時(shí)器和內(nèi)部晶振控制時(shí)間，通過A/D實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)輸出到PC上進(jìn)行分析。充分利用STC12C5A60S2的軟、硬件資源，使電磁閥的測試方案合理、價(jià)格廉價(jià)。而STC12C5A60S2單片機(jī)特有PWM輸出、A/D轉(zhuǎn)換的功能，更符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，科學(xué)準(zhǔn)確地測試出電磁閥的壓力、流量等數(shù)據(jù)。

電磁閥；STC12C5A60S2單片機(jī)；傳感器；A/D轉(zhuǎn)換器

0 引言

隨著當(dāng)今電子控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車上采用計(jì)算機(jī)來控制的東西越來越多，包括自動(dòng)變速箱[1]。電子控制自動(dòng)變速器(Electronic Control Transmission，ECT)中的電磁閥是整個(gè)變速系統(tǒng)中的重要執(zhí)行器，自動(dòng)變速箱結(jié)構(gòu)很繁雜，所以它直接或間接造成了90%以上自動(dòng)變速箱故障。因此，研發(fā)一種可以準(zhǔn)確、快速、簡單易用的電磁閥檢測設(shè)備已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)前國產(chǎn)轎車上裝備的自動(dòng)變速器均采用電子控制系統(tǒng)，在實(shí)際的維修工作中，這方面的故障率比較高。換擋電磁閥的質(zhì)量好壞不但會(huì)影響到汽車的行車安全，更會(huì)對(duì)駕駛?cè)说纳踩a(chǎn)生極大威脅，另外耗油量大量增加卻沒提高行車速度，這與國家現(xiàn)行政策提倡環(huán)保和低碳生活相違背。因此研究并設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的測試儀是十分必要的。

1 檢測儀的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是通過C語言編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)STC12C5A60S2后信號(hào)轉(zhuǎn)換相對(duì)PWM占空比圖變量傳送到計(jì)算機(jī)測量傳感器[2]。系統(tǒng)上電，PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥模擬工作之后，此時(shí)傳感器已經(jīng)測得流量和壓力，通過串口發(fā)送到單片機(jī)，隨之單片機(jī)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，并且串口傳輸?shù)絇C，PC根據(jù)數(shù)據(jù)繪制坐標(biāo)圖，然后對(duì)測試圖與標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行對(duì)比，即可很方便地判斷該電磁閥的性能，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程框圖

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)為：單片機(jī)連接電磁閥和傳感器，控制電磁閥的開關(guān)，讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)，是本系統(tǒng)的核心；PC負(fù)責(zé)獲取經(jīng)單片機(jī)處理過的有效數(shù)據(jù)并繪制曲線，是本系統(tǒng)的“臨門一腳”，它們各司其職，有機(jī)結(jié)合在一起，使本系統(tǒng)科學(xué)高效地工作。

圖3 測量電流原理圖

圖2 入口壓力電路圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)[3]，STC12C5A60S2/ AD/PWM系列單片機(jī)是一種單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1 T)的單片機(jī)，而且是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。相對(duì)于普通51單片機(jī)，STC12C5A 60S2單片機(jī)特有的PWM、PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)功能，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，還具有A/D轉(zhuǎn)換[4]，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250 k/s(每秒25萬次)，這樣使得該單片機(jī)成為本測試系統(tǒng)的不二之選。

通過壓力傳感器測試電磁閥的入口壓力和出口壓[5]，圖2為入口壓力電路圖，傳感器采集到的信號(hào)是很微弱的，必須經(jīng)過整流、放大才能被STC12C5A60S2所利用，因此加入了TLV2254放大電路和電阻電容組成的整流電路，之后信號(hào)會(huì)被傳輸?shù)絊TC12C5A60S2。

圖3為測量電流原理圖，在P3處將電磁閥接入電路中，將對(duì)電流的測量轉(zhuǎn)換為對(duì)電壓的測量，D3處不加穩(wěn)壓管[6]。

此外本系統(tǒng)中串口電路采用MAX232轉(zhuǎn)換芯片、RS232C串口通信；采用7805三端穩(wěn)壓集成電路；測量壓力環(huán)節(jié)采用TLV2254放大器；測量溫度環(huán)節(jié)采用AD8200放大器以及DS18B20溫度傳感器。

2 開發(fā)工具

LabWindows/CVI是一種交互式C語言開發(fā)平臺(tái)[7]，它的交互式編程方法、集成化開發(fā)環(huán)境、豐富的庫函數(shù)和函數(shù)面板大大增強(qiáng)了實(shí)用性。它可以在多個(gè)操作系統(tǒng)下運(yùn)行，是以ANISC為核心的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，將測控技術(shù)與強(qiáng)大的C語言有機(jī)結(jié)合使用。本軟件主要用于各種儀表測試、控制和信息處理軟件故障分析等用途，相比開發(fā)工具LabVIEW，它更適合用于大型的、復(fù)雜的軟件測試。LabWindows/CVI在功率計(jì)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)以及故障診斷和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中起著重要的作用[8]。

Altium Designer 是原Altium(Protel軟件開發(fā)商)公司推出的集成的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)。本軟件是可以開展原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、自動(dòng)路由、PCB的繪制編輯、輸出的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)和技術(shù)集成以及拓?fù)浞治?，并為設(shè)計(jì)者提供一種新的解決方案，使設(shè)計(jì)者可以輕松設(shè)計(jì)。Altium Designer在本設(shè)計(jì)的原理圖設(shè)計(jì)、印刷電路板設(shè)計(jì)方面功不可沒。

3 仿真測試及分析

模擬變速箱的車型為福特e40d，變速箱代碼為040，專用電纜接頭為04X203(早期型號(hào))和04X205(1995年及以后)[9]。首先將電磁閥固定住，接通充足的汽油，此時(shí)電磁閥是閉合的，然后把所有的傳感器都安裝到準(zhǔn)確的位置，將單片機(jī)與PC通過串口線進(jìn)行連接，用上位機(jī)控制單片機(jī)系統(tǒng)，之后電路通電。一段時(shí)間后可以看到隨著電路的通斷，電磁閥可以控制汽油有規(guī)律地流出。在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，根據(jù)系統(tǒng)流程，得到數(shù)據(jù)并繪制出相應(yīng)的曲線，如圖4所示。

圖4 優(yōu)質(zhì)電磁閥電流壓力曲線

當(dāng)出現(xiàn)如圖4所示情況時(shí)，曲線代表流過電磁閥的電流，直線代表電磁閥的壓力(此處僅測試電流)。由此可得電流壓力曲線是成線性關(guān)系的。多次檢測后當(dāng)電流值與占空比呈線性關(guān)系時(shí)，可以說明電磁閥的工作穩(wěn)定性比較好。

如圖5所示，曲線代表流過電磁閥的電流，由此可得電流壓力曲線不是呈線性的。當(dāng)電磁閥的電流結(jié)果呈現(xiàn)出非線性時(shí)，需要再進(jìn)行多次測試確認(rèn)，若對(duì)檢測結(jié)果不滿意，就需重啟系統(tǒng)，重復(fù)測試。若依然不呈線性就說明電磁閥是劣質(zhì)的，并找出相干原因[10]。

4 結(jié)論

整體上本系統(tǒng)還是非常具有實(shí)用性的，然而，該系統(tǒng)還不完善，測試的變量很少只有電流和壓力，需要進(jìn)一步提高：增加測試變量、增加電磁閥測試設(shè)計(jì)的電氣特性，電磁閥電路或開路改進(jìn)以能及時(shí)、準(zhǔn)確地反映傳輸設(shè)備狀態(tài)， 提高和完善本測試儀的實(shí)用性。

圖5 劣質(zhì)電磁閥電流壓力曲線

[1] 劉漢濤. 汽車自動(dòng)變速器精品學(xué)習(xí)教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

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[4] 劉晉，王政林，薛凱方. 基于STC12C5A60S2單片機(jī)的LED顯示屏硬件設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2011, 30(22): 24-27.

[5] 杜克銘, 姚燕, 李景涌. 基于STC89C52的多路溫度傳感器標(biāo)定系統(tǒng)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2009, 35(4):152-155.

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[7] 嚴(yán)?？? 周鳳星. 真空電磁閥測試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2012, 38(1):57-59.

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[9] 邱緒云, 楊福廣, 阮久宏. 汽車驅(qū)動(dòng)防滑控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2009, 35(12):71-74.

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Automobile automatic transmission solenoid valve tester based on single chip microcomputer

Zhang Min, Wang Zhongxun, Lou Yang, Liu Baojun

(Institute of Science and Technology for Opto-Electronics Information, Yantai University, Yantai 264005, China)

In an automatic transmission car, the gearbox is one of the most important components. The good or bad quality has an effect on the whole performance of vehicles, and the key of the gearbox is the solenoid valve. However, the performance of the solenoid valve is not easy to get, and it need detailed test. Traditional test methods can’t work effectively and fast, and often waste too much time. Therefore, in order to test solenoid valve more conveniently and accurately, it has very high research value to study and design a tester based on STC12C5A60S2 microcontroller based tester, consisting of pressure sensor and flow sensor. It is nothing but single chip microcomputer controls level, controls time through the T0 T1 timer and internal crystal vibration, uses the A/D converter to gain analog-digital conversion, and then outputs data to PC for analyzing. Using fully its software and hardware resources it makes the test planning of solenoid valve reasonable and cheap price. What’s more, STC12C5A60S2 MCU’s PWM outputting and A/D conversion are unique function, which will be more suitable for the system design and test pressure and flow of the solenoid valve and other data scientifically and accurately.

solenoid valve; STC12C5A60S2 MCU; sensor; A/D converter

TN212

A

1674-7720(2016)04-0034-03

張珉，王中訓(xùn)，婁陽，等．基于單片機(jī)的汽車自動(dòng)變速箱電磁閥測試儀的研究與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(4)：34-36.

2015-10-30)

張珉(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。E-mail:zhangmace@163.com。

王中訓(xùn)(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：LDPC編碼和水下通信。

婁陽(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：LDPC編碼和FPGA等。