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1、车辆工程毕业设计车辆工程毕业设计 毕业设计论文说明书题目名称：空气流量信号处理系统设计院系名称：机电学院 班 级：车辆091班 学 号：202000374102 学生姓名：赵蕊指导教师：姜春英 2021年 05 月论文编号：202000374102 空气流量信号处理系统设计The design of air flow rate signal processing system 院系名称：机电学院 班 级：车辆091班 学 号：202000374102 学生姓名：赵蕊 指导教师：姜春英 2021年 05 月摘 要空气流量计是发动机中的一个重要部分，是测量发动机吸入空气量多少的传感器，空气流量计能

2、够把空气流量的大小转变为电信号，空气流量计将吸入的空气量转换成的电信号送至发动机ECU电控单元，进气量的电信号被用来运算差不多喷油连续时刻和差不多点火提早角。本课题的任务是为汽车发动机空气流量计设计出一套简明的信号采集系统，使人们能够清晰的认识到空气流量计工作过程。本设计介绍了空气流量计的工作原理，工作方式。以及依照空气流量计的原理和硬件结构，使用相应的软件进行系统编程,并加以模拟。软件编程要紧分为两部分：A/D转换，SCI通信。除此之外，还要编写一个用labview软件做出来的界面。通过A/D转换将空气流量计的电压信号转换为可识别的数字信号，用SCI通信将数据传递给电脑。然后用labview

3、编译的界面将数据的变化显示出来。通过模拟实验给单片机一个模拟的变化的电压信号使空气流量计中的电压变化在界面上显示出来。关键词：空气流量计 A/D转换 SCI通信 ABSTRACTAir flow meter ，which is an important part of the engine, is a measure of how much the engine intake air quantity sensor. Air flow meter takes the size of the air flow into an electrical signal, and sends it to

4、the engine ECU (electronic control unit). Electric signal of intake air used to calculate the basic fuel injection duration and basic ignition advance angle. The task of the project is to design a concise signal acquisition system for automotive engine air flow meter so that people can clearly be ac

5、quainted with Air flow meter working process. This design describes the air flow meter works and work. And in accordance with the principles of air flow meter and hardware architecture, use the appropriate software to do system programming, and make simulations. Software programming is divided into

6、two parts: A / D converter, SCI communication. In addition,we also need write a interface with labview software. The A / D conversion of the air flow convert a voltage signal into a digital identification signal ,and the SCI communication pass data to the computer. Then the interface compiled with l

7、abview will display the change of the data. Via Simulation experiment , giving SCM a varying voltage signal to make the chang of air flow meter in the voltage displayed in the interface . Key words: air flow meter A/D conversion SCI communication1 绪论1.1前言空气流量计-传感器向电子操纵器提供反映进气流量的电信号，在电子操纵汽油喷射系统中是电子操纵

8、器运算喷有时刻的重要参数，而在微机操纵点火时刻系统中那么是作为发动机负荷的间接参数，用于确定最正确的差不多点火提早角。空气流量计可分为机械式的和电子式的。由于机械式的空气流量计是体积流量型；因此测量范畴大；进气量增大测量精度降低；电位计滑动触头阻碍精度；而且体积大，响应慢。或者是测试精度高，能够输出线形数字信号，信号处理简单；性能稳固，可靠性高；由于检测的是体积流量，需对温度和大气压进行修正；然而制造成本比较高。因此现在的汽车内都采纳电子式的空气流量计，其特点是：发热体不直截了当承担空气流淌所产生的作用力，增加了发热体的强度，提高了可靠性，误差较小，而且减低了成本。本文通过阐述空气流量计的差不

9、多结构、工作原理、操纵策略和进展现状，使读者对电子节气门有深入的明白得。1.2 空气流量计系统介绍空气流量计是将进入到汽车发动机内的空气流量生成电压信号，电压信号通过A/D转换之后传送给CPU，进而通过CPU来操纵节气门的开度大小。图1-1 空气流量计工作的流程图图1-1确实是空气流量计的工作流程图。其工作原理是：在空气通道中放置一电热体，通电后使电热体保持一定的温度，空气通过时，空气将会带走热量而使电热体温度下降，电热体的电阻下降。这时，必须增大通过电热体的电流以坚持电热体的温度当进气量越大，因进气的散热使帕热丝电阻减小，电桥平稳受到破坏。操纵电路自动增大电流，增大帕热丝电阻使电桥重新复原平

10、稳。因电路中电流的增大，使周密电阻的电位增大。该电位与进气量成正比，作为进气量信号电压传输给发动机ECU,如图1-2。 图1-2空气流量传感器差不多原理1.3 空气流量计国内外的现状和趋势1国外进展状况汽车流量计的检测是从原始的一般空气流量计检测逐步进展起来的，早在上个世纪50年代，在一些工业发达的国家就形成了空气流量计的故障诊断和性能调试为主的单项检测技术和生产单项检测设备。进入60年代后，国外汽车流量计检测技术进展专门快，同时大量的应用电子技术。进入到70年代以来，随着运算机技术的进展，显现了汽车流量计检测的数据化，但仅仅局限在数据显示上。随着电子与运算机技术，专门是软件工程的进一步进展，

11、到了本世纪末，国外发达国家的流量计检测都具备了单机采集多种数据，同时处理多种数据的功能，如电压、流量等。进而对被测流量计进行综合评判。进入到21世纪，国外比较先进的流量检测台具有自诊断技术，同时其流量传感器在结构设计上遵循集成更多功能的理念。2 国内研究现状中国真正开始现代化流量检测技术的研究，那么是进入到了上个世纪的80年代。随着科学技术在各个领域都有了较快的进展，专门是中国汽摩配行业的快速进展，使得汽车零部件的检测技术也逐步进展起来，汽车流量计的检测也不例外。从上世纪九十年代开始，运算机进入到汽车流量计的检测领域，使流量测量面貌焕然一新，许多企业瞄准那个市场，纷纷开发以单片机为核心的智能外

12、表，甚至是完全满足标准运算要求的流量运算机；也有一些软件企业，致力于流量测量工具软件的开发与应用，给流量测量的研究、外表的开发、生产、检测、现场校验以及治理带来了方便，同时也为流量测量方法的统一制造了条件。但上述的工具软件并没有与汽车空气流量计的在线检测系统有机地结合起来，使得汽车空气流量计的检测显现较大误差，进而对其的评判也存在了较大误差。这种现象也使得中国汽车流量计品质有待提高。而在国内部分生产厂家那么是自设计只能测量流量计电压的在线测试设备，由于电压是直截了当信号，最后得出的流量是间接信号，因此必定会造成测量误差，阻碍对流量计品质的评判。由此可见，国内关于汽车流量计的检测平台还处于初级时

13、期，仅能测量空气流量计的电压，无法得出空气流量计的流量，造成空气流量计在生产过程中就有较大的测量误差，导致产品质量不高。有些厂家关于生产或销售的流量计采纳进口的检测平台进行检测，不仅检测成本高而且修理保养困难，因此研究智能化汽车空气流量计在线检测与评判系统，不仅能够为填补我国汽车空气流量计检测平台的技术空白，还能够为汽车零配件厂降低检测成本，降低生产成本，提高我国流量计技术指标有着重要的意义。3应用前景2020年中国的汽车生产量高达800万辆，其中电控汽油机汽车达500万量，需要汽车空气流量计配套高达500万台，再加上修理需要的汽车空气流量计的约850万台，能够说2020年其需要量高达1350

14、万台。一台汽车空气流量计在线检测系统检测100台流量计，一年检测2000台，每年需要67500台汽车空气流量计检测系统。该系统每年的需求量专门大，市场前景广泛。2 硬件设计本次设计中硬件设计是将空气流量计与MC9S12XS128单片机连接起来采集信号又通过MAX232通信模块将信号在电脑上显示出来。其中由于空气流量计由于信号不稳固，不太好采集，在本设计中用电位计产生的可变电压来代替。2.1 空气流量计的差不多组成空气流量计大体分为两种类型：质量型空气流量计和体积型空气流量计。两种类型包括各自不同的方式：2.1.1、质量型空气流量计：热线式空气流量计：如图2-1是热丝式空气流量传感器的实物图。

15、图2-1热丝式空气流量传感器结构特点：传感器壳体两端设制有与进气道相连接的圆形连接接头，空气入口和出口都设有防止传感器受到机械损害的防护网。传感器入口与空气滤清器一端的进气管连接，出口与节流阀体一端的进气管连接。图2-2质量型空气流量计是安装在进气道上的插入型，它使一部分气流进入检测区域。用作传感器的一条铂热线和热敏电阻被安放在检测区域。通过直截了当测量进气质量，检测精度能够提高，同时几乎没有进气阻力。而且，由于没有使用专门的机械，这种流量计有专门好的耐久性。图示的空气流量计也有一个嵌入式进气温度传感器【4】。工作原理:图2-2热丝式空气流量传感器组成1、MAF 传感器 2、进气处 3、冷金属

16、线 4、热金属线空气质量流量MAF传感器使用一组电热丝感知组件以判定进入发动机的空气量。空气流过电热丝造成降温。电热丝保持在一定的温度，高于由冷却丝所测得的周围温度。保持电热丝温度所需的电流与空气质量的流量成正比。MAF传感器然后输出一个与空气质量流量成正比的模拟电压信号到ECM。内部电路：图2-3热丝式空气流量计电路如图2-3所示，在实际空气流量计，热线并入桥式电路。桥式电路具有如此的特性：当沿着对角线的阻值相等(Ra+R3R1=RhR2)时，A点和B点的电位相等。当热线(Rh)被吸入的空气冷却时，电阻值降低导致A点、B点产生电位差。运算放大器检测到电位差同时施加电压给电路(增加热线(Rh)

17、电流)。如此热线(Rh)温度上升使热线阻值增大，直到A点和B点的电位相等(A、B电压升高)。通过利用这种桥式电路的特性，空气流量计就能够通过检测B点电压来测量进气量。热膜式空气流量传感器：热膜式空气流量计是热丝式传感器的改进产品，其发热元件采纳平面形铂金属薄膜(厚约200 nm)电阻器，故称为热膜电阻。热膜电阻的制作方法是：第一在氧化铝陶瓷基片上采纳蒸发工艺淀积铅金属薄膜，然后通过光刻工艺制作成梳状图形电阻，将电阻值调剂到设计要求的阻值后，在其表面覆盖一层绝缘爱护膜，再引出电极引线而制成。其外形与热丝式相似如图2-4，其结构如图2-5。图2-4热模式空气流量传感器外形图2-5热模式空气流量计结

18、构1-接线插座、2-护套、3-铂金属膜4-防护网2.1.2体积型空气流量计叶片式流量计: 叶片式空气流量计由许多零件组成。当空气从空气滤清器流入空气流量计，气流推动计量板。当计量板压力与计量板回位弹簧力相等时，计量板就平稳在某一个位置。与计量板轴向连接的电位计将吸入空气量转化成能够发送给发动机ECM的电压信号。光学卡尔曼涡流式:通过光电直截了当感应吸入空气量。这既简化了进气道的构造，也减少了吸入空气阻力。假如将一个物体放在气流通道内，在物体进气口便产生一个或多个涡流(卡特曼涡流)。由于产生的卡特曼涡流的频率与空气流速成比例，气流容积就可通过测量涡流频率来运算。涡流是如此被检测的：通过把涡流的压

19、力变化引向金属箔膜制成的反光镜表面，利用一对光敏付(发光二极管和光电晶体管)来检测反光镜的振动。如以下图所示进气量(KS)信号是一个脉冲信号。当进气量低时，信号频率也低。当进气量大时，信号就有专门高的频率。2.2 MC9S12XS128 内部结构、要紧特性MC9S12XS128有3种封装，分别是64引脚封装、80引脚封装、112引脚封装【4】。MC9S12XS系列具有专门丰富的输入/输出端口资源，同事集成了多种功能模块，端口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ和PORTAD共11个端口。端口引脚大多为复用引脚

20、，往往具有多重功能。所有端口都具有通用I/O口功能，其中PORTA、PORTB、和PORTK作为通用的I/O口；PORTE中的 IRQ和XIRQ引脚能够作为外部中断输入口；PORTT集成了TIM模块功能；PORTS集成了SCI模块和SPI模块功能；PORTM集成了CAN总线模块；PORTP集成了PWM模块功能；PORTH和PORTJ可作为外部中断输入口；PORTAD集成了ATD模块功能。在本次设计中，要紧应用了两个模块：SCI模块、A/D转换模块。这两个模块以及一些辅助模块的功能如下：内部PLL模块。 不需要外部元件； 可配置的选项，以降低EMC辐射频率调制。模/数转换ATD。 位/10位/1

21、2位辨论率可选； 3us的10位单通道转换时刻； 左对齐/右对齐数据转换； 外部和内部转换触发功能； 停止模式下为转换提供内部时钟； 连续转换模式； 16个模拟输入通道； 多通道扫描； 引脚能够用于数字I/O口。串行通信接口SCI。 2个全双工或单线工作方式； 标准不归零NRZ传号/空号数据格式； 可编程脉冲宽度的IrDA1.4归零反转RZI格式； 13位波特率选择； 可编程的发送器和接收器极性； 边沿有效接收唤醒； 支持LIN的间隔检测和发送冲突检测；输入输出端口特性 最多91个通用I/O口引脚和2个专用输入引脚； 可配置输入引脚上拉和下拉电阻； 可配置输出引脚驱动能力。2.3 MAX232

22、数据传输接口是数据传输的硬件基础，也是数据通信、运算机网络的重要组成部分。单片机本身的数据传输接口要紧为8位或16位并行数据接口、全双工串行通信接口，但电子技术的迅速进展使得许多新的数据传输接口标准不断涌现，大多数的单片机并没有在硬件中集成这些新的数据传输接口。为了使单片机适应不同标准的各类数据传输协议，必须对单片机的数据传输接口进行扩展。MAX232能够用作单片机和单片机之间、单片机和PC机串口之间的符合RS232串行接口电路。只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上，编程即可。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TI

23、A-232-E电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且能够接收30V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。MAX232内部结构MAX内部结构差不多可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚R1IN、12脚R1OUT、11脚T1IN、14脚T1OU

24、T为第一数据通道。8脚R2IN、9脚R2OUT、10脚T2IN、7脚T2OUT为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC+5v。 （1）MAX232要紧特点单5V电源工作LinBiCMOSTM工艺技术两个驱动器及两个接收器30V输入电平低电源电流：典型值是8mA符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU举荐标准V.28ESD爱护大于MIL-ST

25、D-883方 法3015标准的2000V2MAX232串口连接图MAX232获得正负电源的另一种方法 在单片机操纵系统中，我们经常要用到数/模D/A或者模/数(A/D)变换以及其它的模拟接口电路，那个地点面要经常用到正负电源，例如： 9V,-9V; 12V,-12V.这些电源仅仅作为数字和模拟操纵转换接口部件的小功率电源。 在操纵板上，我们有的只是5V电源，可又有专门多方法获得非5V电源。 1.外接；2.DC-DC变换.在那个地点我介绍一块大伙儿常用的芯片：MAX232. MAX232是TTL-RS232电平转换的典型芯片，按照芯片的举荐电路，取振荡电容为uF的时候，假设输入为5V,输出能够达

26、到-14V左右，输入为0V ,输出能够达到14V,在扇出电流为20mA的时候，处处电压能够稳固在 12V和-12V.因此，在功耗不是专门大的情形下，能够将MAX232的输出信号经稳压块后作电源使用。以下图2-6为MX232双串口的连接图，能够分别接单片机的串行通信口或者实验板的其它串行通信接口：图2-6 MAX232连接图3 软件设计本次设计中所涉用到的软件有CodeWarrior以及labview。在设计中运用Codeearrior来编辑程序并将程序下载至MC9S12XS128单片机中，之后用labview编辑一个显示界面，使采集到的信号数据在电脑上显示出来。3.1 CodeWarrior软

27、件简介CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有要紧工具 - IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。另外，CodeWarrior IDE支持开发人员插入他们所喜爱的工具，使他们能够自由地以期望的方式工作。 CodeWarrior开发工作室将尖端的调试技术与健全开发环境的简易性结合在一起，将C/C+源级别调试和嵌入式应用开发带入新的水平。开发工作室提供高度可视且自动化的框架，能够加速甚至是最复杂应用的开发，因此关于各种水平的开发人员来说，创建应用差不多上简单而便利的。 它是一个单一的开发环境，在所有所支持的工作站和个人电脑之间保持一致。在每个所支持的平台上，性能及使用均是

28、相同的。无需担忧主机至主机的不兼容。 CodeWarrior开发工作室包括完成大多数嵌入式开发项目所需的所有工具。运行CodeWarrior(CW)集成开发平台，在任务栏的File菜单下点击New,会弹出建立新项目的模板对话框，选择单片机型号，按照提示操作输入文件名，选择储备位置，选择相应的芯片及调试场景，最后选择C/C+的一些编译和代码生成模式。3.1.1 项目调试场景项目调试场景有以下几种：Full Chip Simulator是芯片全功能模拟仿真，既无需任何目标系统的硬件资源，直截了当在你的的PC机上模拟运行单片机的程序，在模拟运行过程中能够观看调试程序的各项操纵和运行流程，分析代码运行

29、的时刻，观看各种变量，等等。CW提供了功能强大的模拟鼓舞功能，能够在模拟运行时模拟一些外部事件的输入，配合程序调试。P&E Multilink/Cyclone Pro是基于P&E 公司的硬件调试工具实现实时在线硬件调试。实际确实是经常说的BDM 调试。BDM 调试是基于芯片本身内含的在线调试功能，可实现程序下载，单步/全速运行，能够设假设干个断点，能够观看和修改任意寄存器或RAM 内存空间。 BDM几乎是开发飞思卡尔8位9S08和RS08系列、16位9S12系列和32位Coldfire V1系列单片机的标准调试模式，运用最为广泛。SofTec HCS12是另外一家SofTec公司提供的硬件调试

30、工具，国内使用较少。3.1.2 CodeWarrior 中项目的差不多治理和设定该图标能够即时改变目标单片机型号和开发调试场景。能够按照前面针对新项目建立模板的介绍，改变目标单片机的型号，或设定不同的当前目标开发调试场景。关于调试场景的改变，也能够直截了当点击当前场景右边的下拉菜单按纽，直截了当用鼠标点击选择所需的新场景。如图3-1所示： 图3-1选择开发单片机型号该图标完成项目配置选项设定。点击该图标会弹出一个对话框，里面所含的内容专门纷杂，那个地点只说明几个日常使用时最常用的选项配置： 最终目标代码类型设定Target Setting。在那个地点你能够选择最终编译连接生成的代码直截了当用于

31、单片机程序运行Link for XS12，或将各个源代码文件编译连接生成一个库文件Libmaker for XS12。C编译选项设定Complier for XS12，对话框如图3-2，那个地点你能够完成针对C编译器所有配置设定。几个选项按钮说明如下：选择配置编译时产生的各种信息，其中包括一般一样信息Information、告警信息Warning、错误信息Error和致命信息Fatal。显现一样或告警信息时编译能顺利完成，因此你能够有选择地将某些你不期望太关注的信息屏蔽掉Disable；但假如有任何错误或致命信息显现，当前源程序的编译将赶忙终止，你必须按给出的信息提示解决这些错误，然后才能连续编译。图3-2 编译选项设定完成编译过程中代码生成的各类选项设定，需要关注的是优化栏Optimization。你能够按实际需要打开或关闭某些特定的优化选项，但一样通过下面介绍的Smart Sliders做综合的优化设定。 显示编译器当前设定的各类变量的长度和符号特性针对字符和枚举型变量，无专门缘故一样都不用对这些变量长度做任何修改。按常规，在满足功