基于AT89S51控制的液壓避險制動系統(tǒng)的設(shè)計

艾衛(wèi)東1，苗勇2

（1.河南省工業(yè)科技學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.苗勇精工汽車修理有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

前言

目前車輛進(jìn)入千家萬戶，新手駕駛員和女性駕駛員越來越多，由于駕駛的熟練度不夠，他們在駕駛車輛時表現(xiàn)出比較緊張的心理狀態(tài)；根據(jù)加拿大著名學(xué)者塞里（Hans Selye）最早提出系統(tǒng)的應(yīng)激學(xué)說，人在緊張的狀態(tài)下駕駛車輛，在車輛的前方突然出現(xiàn)緊急情況時，他們的心理狀態(tài)從緊張變?yōu)榛艔?，由于慌張會產(chǎn)生誤操作，有可能把油門當(dāng)做剎車使用；此時他們因為慌張，把油門當(dāng)做剎車的誤操作后的心理狀態(tài)，促使他們的心理狀態(tài)從慌張變?yōu)轶@慌，由于驚慌引起人心理的本能反應(yīng)，他們的手會在方向盤上作出毫無意義的動作，這反而會造成更有害的行為，釀成了不該發(fā)生的悲慘事故。為此，筆者設(shè)計了一套安裝在方向盤上、副駕駛上及后排座扶手上，易于手動操作的避險按鈕，在駕駛員緊張的心理狀態(tài)下多了避險的心理準(zhǔn)備；一旦駕駛的過程中出現(xiàn)緊急情況，他們心理狀態(tài)由緊張變?yōu)榛艔?，也可以使車輛在最短的距離停下來，避免了駕駛員從慌張的心理狀態(tài)變?yōu)轶@慌的心理狀態(tài)，釀成不該發(fā)生的事故；次系統(tǒng)不但駕駛員易于操作，而且坐在后排座和副駕上乘客也易于操作。

1 避險制動系統(tǒng)硬件設(shè)計

AT89S51控制的避險制動系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，一是以單片機(jī)AT89S51為核心電控系統(tǒng)，它主要包括液壓信號檢測、緊急避險信號輸入、復(fù)位信號輸入、液壓過低報警、避險時信號輸出；二是以液壓儲能器為核心的高壓加壓裝置、液壓管路、電磁閥們?yōu)橹鞯谋茈U制動液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的管路及線路在箱體外，核心部件集中安裝一個箱體內(nèi)，放在副駕駛室腳窩出，易于拆裝和復(fù)位。 電控系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)、駕駛員或乘坐人員的動作產(chǎn)生的信號進(jìn)行分析、判斷后，發(fā)出信號控制液壓系統(tǒng)的四個電磁閥和發(fā)動機(jī)的供油電路（或電動汽車的高壓供電電路），在使汽車動力系統(tǒng)停止后快速制動，避免事故發(fā)生。

圖1 避險制動系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)的主要硬件——液壓系統(tǒng)介紹

液壓系統(tǒng)組成的框圖見圖2所示，由手動液壓泵、液壓儲能器、液壓壓力開關(guān)、兩位兩通電磁閥（常閉）、兩位兩通電磁閥（常開）及各種管接頭組成。手動液壓泵最大輸出壓力為 70MPa，儲油量 0.9升，尺寸為 700×200×70.重量為17Kg；液壓儲能器容積1升，儲能最大壓力31.5MPa，重量3.5Kg；根據(jù) ZB/T T 24008-1990 汽車液壓制動主缸技術(shù)條件，制動主缸提供 7.3MPa的液壓壓強(qiáng)；手動液壓泵與液壓儲能器能滿足制動總泵提供的液壓壓強(qiáng)；依據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T3112008《汽車制動主缸性能要求及臺架試驗方法》，采用的液壓壓力開關(guān)作為避險制動系統(tǒng)的壓力傳感器2，在液壓壓強(qiáng)低于6MPa時斷開、液壓壓強(qiáng)高壓6MPa時閉合。避險制動系統(tǒng)不工作時四個電磁閥保持原有的狀態(tài)，此時車輛保持車輛原有的制動狀態(tài)；避險制動系統(tǒng)工作時，為了避免避險液壓系統(tǒng)的高壓制動油倒返給總泵，此時串聯(lián)在制動總泵液壓管路中的二個電磁閥切斷車輛制動管路和制動總泵的聯(lián)系。

圖2 液壓系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)的主要硬件——電控系統(tǒng)介紹

電控系統(tǒng)的組成框圖見圖3所示，有液壓壓力開關(guān)、避險按鈕開關(guān)、復(fù)位按鈕開關(guān)、單片機(jī)控制器、液壓壓力報警器、常開電磁閥繼電器、常閉電磁閥繼電器、兩位兩通電磁閥（常開）、兩位兩通電磁閥（常閉）組成。單片機(jī)采用AT89S51，它具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內(nèi)部程序存儲空間，它與我們通常意義上的微機(jī)原理類似，具有強(qiáng)大的工控能力，并且其價格便宜，其單片售價不超過5元；避險按鈕開關(guān)共4個，分別按照在方向盤上，副駕駛及后排座的扶手處；常開電磁閥與常閉電磁閥各兩個，常開電磁閥裝在從制動總泵的兩個高壓出油口，常閉電磁閥安裝在液壓儲能器的出油口。

圖3 電控系統(tǒng)框圖

2 避險剎車系統(tǒng)的基本功能

液壓儲能器壓力低與6MPa報警，提醒駕駛員利用手動液壓泵進(jìn)行液壓系統(tǒng)加壓。

帶有裝在方向盤上的手動避險剎車按鈕，符合人在驚慌時刻的本能反應(yīng)，用手來進(jìn)行避險剎車，簡單方便，易于操作。

本系統(tǒng)為坐在副駕和后排座的乘員在駕駛員驚慌時給乘客提供剎車避險功能。

避險剎車系統(tǒng)的功能不受車輛其他系統(tǒng)的影響，可以在不改變原有車輛結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行安裝和拆卸。

系統(tǒng)起作用后，需要手動操作液壓回流到手動液壓泵的儲油罐之后，才能操作復(fù)位按鈕開關(guān)，車輛才能重新復(fù)位。

3 避險剎車系統(tǒng)的工作原理

新手或女性駕駛員駕駛車輛時心理高度緊張，當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)車輛前方或后方出現(xiàn)緊急情況下，心理狀態(tài)由緊張變?yōu)榛艔垼藭r一方面會把油門當(dāng)做剎車的誤操作，另一方面會發(fā)出尖叫聲引起車輛其他乘員的注意，此時駕駛員能夠很方便在方向盤上操作避險制動按鈕，同時坐在副駕駛及后排座的乘員也很方便操作裝在扶手的避險制動按鈕；在電控系統(tǒng)的控制功能的作用作用下，控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，在控制信號的作用下驅(qū)動液壓電磁閥，同時切斷車輛的動力系統(tǒng)；液壓電磁閥的打開與關(guān)閉使儲存的高壓液壓進(jìn)入車輛的制動分泵，強(qiáng)大的液壓制動力使車輛制動。當(dāng)危險解除后，通過手動液壓泵進(jìn)行制動液壓回收，制動管路的液壓油回收到儲油罐后，通過復(fù)位按鈕進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，待系統(tǒng)復(fù)位后再通過手動液壓泵加壓，為下次車輛的避險做準(zhǔn)備。

3.1 液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓系統(tǒng)的液壓原理圖見圖4所示，其工作過程是利用手動液壓泵1給液壓管路加壓到10MPa，10MPa液壓儲存在油壓儲能器2中，通過液壓開關(guān)3檢測油壓儲能器2中壓力是否小于 6MPa；車輛正常行駛時，系統(tǒng)保持原狀態(tài)，常開電磁閥4、5切斷液壓儲能罐1的高壓與制動分泵活塞缸8、9相通，常閉液壓電磁閥6、7接通與制動總泵與制動分泵活塞缸8、9相通，此時車輛的避險剎車系統(tǒng)與車輛剎車系統(tǒng)互不影響，車輛制動有制動總泵控制。當(dāng)避險液壓系統(tǒng)工作時，常閉電磁閥6、7動作變成斷開狀態(tài)，切斷制動分泵活塞缸8、9與制動總泵的管路，制動總泵不再控制制動；同時常開電磁閥4、5動作變成接通狀態(tài)，接通制動分泵活塞缸8、9與液壓儲能器2的高壓，10MPa高壓快速的使制動分泵活塞缸8、9動作，實現(xiàn)避險剎車。當(dāng)完成避險剎車后，駕駛員需通過手動液壓油泵1的泄壓閥把制動管路的高壓液壓油回收到其儲油罐1中；回收完畢后，制動分泵活塞8、9歸位，制動釋放，油壓電磁閥4、5、6、7復(fù)位原有狀態(tài)，車輛重新回到由制動總泵控制的正常制動狀態(tài)。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

3.2 電控系統(tǒng)的工作原理

電控系統(tǒng)的電路原理圖見圖5所示，壓力傳感器信號通過AT89S51的P1.0端口輸入，當(dāng)避險液壓單元的壓強(qiáng)大于6MPa時，信號為高電平1，當(dāng)避險液壓單元的壓強(qiáng)小于或等于6MPa時，信號為低電平0；S1、S2、S3、S4為避險系統(tǒng)的剎車按鈕，當(dāng)他們中任何一個或幾個按下時，向AT89S51的P1.1端口輸入低電平信號0；復(fù)位按鈕S按下時，AT89S51的RST端口為高電平1信號，AT89S51的控制單元重新復(fù)位；AT89S51的XTAL1，XTAL2兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器，電路中的微調(diào)電容選擇為 30pF，晶體的振蕩頻率為 12MHz。避險控制系統(tǒng)的控制邏輯見表1所示。

當(dāng)P1.0端口輸入信號為低電平1時，P1.1端口輸入信號為高電平1時，AT89S51的輸出端口P0.0為低電平，報警器不工作；AT89S51的P2.7、P2.0的輸出端口為高電平，兩個開關(guān)三極管截止，兩個繼電器保持原有狀態(tài)，從而四個電磁閥保持原有狀態(tài)，避險剎車系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。

表1 避險控制系統(tǒng)的控制邏輯

當(dāng)P1.0端口輸入信號為低電平1時，P1.1端口輸入信號為高電平1時，AT89S51的輸出端口P0.0為低電平信號0，報警器不工作；AT89S51的P2.7、P2.0的輸出端口為高電平，兩個開關(guān)三極管截止，兩個繼電器的觸頭K1、K2保持原有狀態(tài)，從而四個電磁閥YV1、YV2、YV3、YV4保持原有狀態(tài)，避險剎車系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。

當(dāng)P1.0端口輸入信號為低電平0時，P1.1端口輸入信號為高電平1時，AT89S51的輸出端口P0.0為脈沖信號，報警器報警，提醒駕駛員對液壓儲能器加壓；AT89S51的P2.7、P2.0的輸出端口為高電平，兩個開關(guān)三極管截止，兩個繼電器保持原有狀態(tài)，從而四個電磁閥YV1、YV2、YV3、YV4保持原有狀態(tài)，避險剎車按鈕失效。

當(dāng)P1.0端口輸入信號為低電平1時，P1.1端口輸入信號為高電平0時，AT89S51的輸出端口P0.0為低電平信號0，報警器不工作；AT89S51的P2.7、P2.0的輸出端口為低電平，兩個開關(guān)三極管閉合，兩個繼電器電磁線圈通電觸頭 K1閉合、K2斷開，從而四個電磁閥保 YV1、YV2、YV3、YV4通電，切斷發(fā)動機(jī)的油路，駕駛員無論加多大油門，發(fā)動機(jī)熄火，避險剎車快速實現(xiàn)車輛制動。

只有當(dāng)車輛避險系統(tǒng)工作后，才會出現(xiàn)P1.0、P1.1端口輸入信號都為為低電平0，AT89S51進(jìn)入一個死循環(huán)，報警器工作；AT89S51的P2.7、P2.0的輸出端口為低電平，兩個開關(guān)三極管閉合，兩個繼電器電磁線圈通電觸頭 K1閉合、K2斷開。此時只有駕駛員把制動管路的高壓液壓油回收到其儲油罐，按下復(fù)位按鈕S，AT89S51的各輸出端口才能恢復(fù)到原有的狀態(tài)。

圖5 電控系統(tǒng)的原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行開發(fā)，其流程圖見圖6所示，系統(tǒng)初始化后，AT89S51檢測 P1.0是否為高電平 1，如果P1.0=0，AT89S51的輸出端口P0.0=1，報警提醒駕駛員對液壓系統(tǒng)加壓。如果P1.0=1，檢測P1.1是否為高電平1，如果是高電平P1.1=1，AT89S51的輸出端口P2.0=1，P2.7=1，系統(tǒng)保持原狀態(tài)；如果不是高電平P1.1=0，AT89S51的輸出端口P2.0=0，P2.7=0，系統(tǒng)保持工作；如果不是高電平P1.1=0，AT89S51的輸出端口P2.0=0，P2.7=0。

圖6 軟件流程圖

系統(tǒng)保持工作。為了安全起見，系統(tǒng)工作后，AT89S51檢測壓力輸入信號是否為高電平，無論其是否為高低電平，此時控制系統(tǒng)進(jìn)入一個死循環(huán)，當(dāng)P1.0=0時，系統(tǒng)報警器開始報警，提醒駕駛員系統(tǒng)的液壓低于 6MPa；系統(tǒng)的復(fù)位只能靠復(fù)位按鈕進(jìn)行，否則系統(tǒng)不會自行復(fù)位。

5 結(jié)束語

本文對 AT89S51控制的液壓避險剎車系統(tǒng)在豐田卡羅拉制動實驗臺進(jìn)行研究后，并在豐田卡羅拉實驗車輛上按照進(jìn)行了驗證，整個系統(tǒng)在車輛上拆裝方便，不影響車輛的其他系統(tǒng)，新手、女性駕駛員及乘坐人員操作避險剎車按鈕方便簡單，避險制動性能可靠；整個系統(tǒng)的配件屬于大眾型配件，通過淘寶上很容易購買，價格便宜。

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