基于單片機(jī)的智能剎車控制系統(tǒng)

陳一鳴　董國皇

摘 要：本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款智能剎車系統(tǒng)，采用STC89C52RC芯片作為主控制器，設(shè)計(jì)了單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電源轉(zhuǎn)換電路，步進(jìn)電機(jī)和LCD1602顯示電路。通過按鍵來切換工作模式，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度代表著汽車運(yùn)行速度，并通過液晶進(jìn)行顯示。軟件系統(tǒng)用C語言作為程序設(shè)計(jì)語言，通過KEIL完成程序設(shè)計(jì)并用PROTEUS軟件進(jìn)行仿真，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對未來剎車系統(tǒng)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：STC89C52RC單片機(jī) LCD1602 步進(jìn)電機(jī)

1 引言

基于社會(huì)智能化的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，推動(dòng)著智能化產(chǎn)品逐漸進(jìn)入人們的生活中，人們?yōu)榱俗非蟀踩拈_車環(huán)境，普通剎車系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們生活需求。然而安全問題是社會(huì)最為關(guān)注的問題，每年都有因?yàn)榘踩珕栴}而喪失生命的事例。汽車作為現(xiàn)代化常用的交通運(yùn)輸工具，其制動(dòng)系統(tǒng)對行車安全的影響很大因此剎車系統(tǒng)的質(zhì)量、性能和可靠性是行車安全的重要保證。多年來許多研究者致力于汽車防抱死剎車系統(tǒng)的研究，隨著時(shí)間的推移，如今防抱死剎車系統(tǒng)已成為大部分汽車的基本設(shè)備，逐漸普及化。盡管產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，它總是與用戶的需求緊密相連的，一種基于單片機(jī)智能一體化概念的對于整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)各部件的重新設(shè)計(jì)能夠促使這個(gè)領(lǐng)域的重要提升，而汽車智能剎車系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。[1]

2 智能剎車系統(tǒng)控制系統(tǒng)發(fā)展背景與價(jià)值

2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展并逐漸運(yùn)用到智能剎車系統(tǒng)設(shè)備中，國外很多大型企業(yè)和研究所都很看好智能剎車系統(tǒng)控制系統(tǒng)的市場前景，比如：博世、日立、大陸、Honeywell等公司，都對智能剎車系統(tǒng)控制系統(tǒng)展開了多方面的研究如德國的博世公司主要研究制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法；美國的Honeywell公司主要研究其剎車系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

從目前的科技發(fā)展?fàn)顩r來看，我國已經(jīng)逐漸從制造大國進(jìn)入制造強(qiáng)國，為響應(yīng)智能化安全控制相關(guān)政府報(bào)告，現(xiàn)階段我國科學(xué)技術(shù)水平不斷發(fā)展并提升了產(chǎn)品安全性，促使了產(chǎn)品具有新型價(jià)值。基于行車安全市場化的迫切需求，我國在智能剎車控制系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和制造上有很大的發(fā)展前景空間。

3 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本文研究的智能剎車控制系統(tǒng)主要使用現(xiàn)代化通信技術(shù)，讓用戶依據(jù)自己的需求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制要求來實(shí)現(xiàn)智能控制一體化，根據(jù)智能控制系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析并結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)手段，完整的控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：信號(hào)輸入端模塊、信號(hào)處理中心模塊、信號(hào)輸出端模塊。其中在信號(hào)輸出端利用按鍵組件，通過三個(gè)按鍵切換系統(tǒng)的運(yùn)行方式和速度，信號(hào)處理中心主要是單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括電路設(shè)計(jì)，信號(hào)輸出端是LCD1602顯示屏，用來顯示車輛運(yùn)行模式和速度以及步進(jìn)電機(jī)。從控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能和硬件設(shè)計(jì)的綜合角度確立了系統(tǒng)組成總體框圖。具體框圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 控制中心電路設(shè)計(jì)

4.1.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)部都含有ROM/EPROM的存儲(chǔ)器，這是單片機(jī)組成該系列的最小系統(tǒng)的必要成分。使用STC89C52RC單片機(jī)組成最小系統(tǒng)，不需要有外接復(fù)雜電路，只需把最小系統(tǒng)所需的RST電路和TIME電路連接上。其單片機(jī)芯片的工作電壓在2.7V到6V之間，內(nèi)部嵌入4KB的只讀存儲(chǔ)器空間和256KB的隨機(jī)存儲(chǔ)器空間的，而且部分引腳含有特殊功能的，含有內(nèi)部TIME電路，有定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)死機(jī)時(shí)，電路會(huì)立刻啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)工作的頻率范圍是0Hz到50MHz，當(dāng)系統(tǒng)電源穩(wěn)定時(shí)，工作頻率可以達(dá)到55MHz左右，具有4*8的I/O接口，是一種低功耗，高性能的8位微控制器，另外具有性價(jià)比高，編程容易，工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

4.1.2 電源轉(zhuǎn)換電路

本文控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的電源全部都是5V USB直流電源直接供電，為了使電源電路設(shè)計(jì)簡單，通過手機(jī)適配器USB接口直接接入，然后轉(zhuǎn)換為5V，這樣可以保證系統(tǒng)電源穩(wěn)定，而且成本低下。另外在開關(guān)輸出處并聯(lián)電容，進(jìn)行濾波，保證電源穩(wěn)定在5V輸出，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定的輸出，通過紅色LED燈可以清晰看出電源是否供上電。

4.2 信號(hào)采集與處理電路設(shè)計(jì)

4.2.1 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是依據(jù)脈沖信號(hào)來改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角一類電機(jī)，其工作原理是把電脈沖信號(hào)變?yōu)樾D(zhuǎn)位移信號(hào)，本系統(tǒng)選用的是ULN2003電機(jī)。在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)位移只與單位時(shí)間脈沖信號(hào)的數(shù)量有關(guān)，若脈沖的給的頻率很高，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)增大，反之會(huì)降低。在一個(gè)周期內(nèi)，若通電時(shí)間很短，則驅(qū)動(dòng)頻率會(huì)加快，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)提高，但是并不是頻率越來電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，因?yàn)橄辔幻孔咭徊叫枰潭ǖ臅r(shí)間，若給的頻率太快，會(huì)導(dǎo)致失步，讓電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)采用ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，ULN2003是高電壓電流的達(dá)林頓晶體管，具有很強(qiáng)的放大能力非常適合步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。步進(jìn)電機(jī)控制電路圖如下所示。

4.2.2 按鍵電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是對角線引腳是相互連通的四腳按鍵。按鍵的其中一腳接地，相應(yīng)對角線連接在單片機(jī)的I/O口即可。當(dāng)按鍵按下以后，會(huì)把單片機(jī)I/O引腳拉低，相當(dāng)于單片機(jī)引腳輸入低電平，若在程序中檢測到I/O口輸入的是低電平，則會(huì)作出相應(yīng)的處理。按鍵電路圖如下圖3所示。

4.2.3 LCD1602顯示電路設(shè)計(jì)

本文需要顯示采集和處理的系統(tǒng)參數(shù)，從成本和設(shè)計(jì)難易程度選用LCD1602顯示屏。LCD1602顯示屏是一類工業(yè)級(jí)別的顯示屏，在英文和數(shù)字字符顯示場合得到了廣泛應(yīng)用。LCD1602顯示屏主要有數(shù)個(gè)5*8或者5*11點(diǎn)陣符號(hào)構(gòu)成，其中任何一個(gè)點(diǎn)陣都能夠顯示一個(gè)字符，因?yàn)長CD1602可以顯示兩行，因此一共可以顯示16*2字符。該顯示器具有功耗低、封裝程度高、性價(jià)比高以及外圍電路簡單等特點(diǎn)。

LCD1602顯示屏內(nèi)部嵌入三種存儲(chǔ)器，分別是DDRAM、CGROM和CDRAM存儲(chǔ)器，DDRAM主要用來存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)顯示字符，CGROM用來顯示192個(gè)字符對應(yīng)的字模編號(hào)，CDRAM用來存儲(chǔ)底層驅(qū)動(dòng)程序和開發(fā)者自己設(shè)計(jì)的字符庫。

LCD1602共有兩端電源輸入，一個(gè)是顯示電源另一個(gè)是背光電源，可以通過程序設(shè)計(jì)背光時(shí)間，從而降低對能源的消耗。LCD1602一個(gè)有16引腳，其中三個(gè)信號(hào)線管腳、8個(gè)數(shù)據(jù)線管腳和一個(gè)對比度改變管腳，通過單片機(jī)進(jìn)行控制。

本系統(tǒng)使用的是5V電壓，因此可以直接給LCD1602供電，不需要額外增加電源轉(zhuǎn)換電路，另外本電路通過10K（PR1）電位器調(diào)整顯示對比度，當(dāng)電位器調(diào)節(jié)到在1號(hào)端，對比度最低，到調(diào)節(jié)到3號(hào)，用信號(hào)線來讀取液晶內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，雙向數(shù)據(jù)線用來控制顯示的字符內(nèi)容。下圖4為LCD1602顯示屏硬件接線圖。

5 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

5.1 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用Keil軟件編寫與調(diào)試程序，程序語言采取易讀性更高C語言編寫。軟件系統(tǒng)的運(yùn)行流程是當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行模塊初始化，若有模塊器件損壞，則不能正常運(yùn)行，然后系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，若處理的數(shù)據(jù)正確，則開始接受數(shù)據(jù)把傳輸?shù)捷敵龆俗鬟M(jìn)一步處理。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖5所示，由圖可知，系統(tǒng)軟件通過不斷訪問各個(gè)子模塊并把數(shù)據(jù)反饋到控制中心。

5.2 系統(tǒng)信號(hào)采集與處理程序設(shè)計(jì)

5.2.1 LCD1602程序設(shè)計(jì)

采用 LCD1602 作為顯示模塊，其操作時(shí)序包括讀操作時(shí)序和寫操作時(shí)序。系統(tǒng)上電后，LCD1602首先進(jìn)行模塊初始化，然后顯示固定不變的字符；若液晶空閑，則控制中心給液晶發(fā)送顯示的字符，若顯示的字符有效，則LCD1602輸出顯示。

5.2.2 按鍵檢測程序設(shè)計(jì)

當(dāng)程序中定義的I/O口引腳檢測到時(shí)低電平，則程序進(jìn)入按鍵中斷處理程序，延時(shí)1ms后，若引腳繼續(xù)檢測到低電平，則確定按鍵按下，執(zhí)行相應(yīng)的子程序，實(shí)現(xiàn)功能。按鍵執(zhí)行流程圖如下圖6所示。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)主程序定時(shí)50ms檢測一次按鍵，若有按鍵按下，則單片機(jī)I/O引腳檢測到低電平，延時(shí)后再次檢測到低電平信號(hào)，則按鍵確定按下，程序自動(dòng)進(jìn)入按鍵中斷服務(wù)子程序。

5.2.3 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是依據(jù)脈沖信號(hào)來改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角一類電機(jī)，可以利用數(shù)字MCU設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路。步進(jìn)電機(jī)工作原理是把電脈沖信號(hào)變?yōu)樾D(zhuǎn)位移信號(hào)，本系統(tǒng)選用的是4相單拍步進(jìn)電機(jī)。在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)位移只與單位時(shí)間脈沖信號(hào)的數(shù)量有關(guān)系，若脈沖的給的頻率很高，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)增大，反之會(huì)降低。此款電機(jī)的A、B、C和D四個(gè)線圈，若輪流給A、B、C和D四個(gè)線圈供電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。若需要步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，則只需要給線圈通電方式改為D、C、B和A，則電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。

6 系統(tǒng)調(diào)試

本文智能剎車系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成組成，在硬件系統(tǒng)中主要分為信號(hào)輸入端、信號(hào)處理端和信號(hào)輸出端。軟件系統(tǒng)主要由實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的程序代碼構(gòu)成，在程序代碼中采用模塊化設(shè)計(jì)思想。在系統(tǒng)軟件編寫好后，對其進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否滿足要求。如果系統(tǒng)軟件調(diào)試沒有問題時(shí)，接下來可以進(jìn)行系統(tǒng)仿真，本系統(tǒng)采用PROTEUS軟件進(jìn)行仿真。

7 結(jié)語

本文在參考和研究分析目前的剎車系統(tǒng)研究的目的和意義的基礎(chǔ)上，利用STC59C52RC單片機(jī)為控制芯片，結(jié)合按鍵數(shù)據(jù)采集、步進(jìn)電機(jī)及液晶顯示電路研究了基于單片機(jī)的智能剎車系統(tǒng)，主要以設(shè)備小型化與程序設(shè)計(jì)模塊化的方向，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字智能控制系統(tǒng)方案。這種智能剎車系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方式上運(yùn)用了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與上報(bào)顯示技術(shù)。接下來簡要說明了這種研究方法中所包含的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用平臺(tái)。最后介紹了智能剎車系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的數(shù)據(jù)采集、處理等功能，完成了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

基金項(xiàng)目：2022年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目國家級(jí)科學(xué)研究成果（項(xiàng)目編號(hào)202212308001）。

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