汽车控制单元的设计与研究毕业设计报告1 精品.docx

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毕业设计

汽车控制单元的设计与研究

摘要

随着社会的发展，人类对汽车的性能和环保提出了更高的要求。

传统的机械装置已经无法解决某些与汽车功能要求有关的问题，因而将逐步被电子技术和汽车融为一体的现代汽车电子控制技术所取代。

电子控制技术正被广泛地应用在汽车的各个方面，它不仅能提高汽车的动力性、经济性和安全性，改善行驶的稳定性和舒适性，推动汽车工业的发展，还为电子产品开拓了广阔的市场。

设计针对当前我国汽车喷油控制、电动天窗控制、防盗控制、自动转向灯控制及车门自动锁控制技术的现状及实现电控化和降低排放污染物的首要任务，通过对国内外汽车电控技术、喷油控制、电动天窗控制、防盗控制、自动转向灯控制及车门自动锁控制系统发展的相关资料进行分析，结合实际状况，系统采用多传感器信息融合的方式，通过进气歧管绝对压力传感器（MAP）、转速及曲轴位置传感器（CPS）、冷却液温度传感器（CTS）、进气温度传感器（IAT）、节气门位置传感器（TPS）、氧量传感器、红外线传感器、判缸信号传感器、角度传感器、天窗开关、起动信号等发出的各种状态信号，电控制单元对采集到的信号进行筛选、处理之后，驱动执行机构，实现对燃油喷射、天窗、防盗、转向灯、车门锁的控制。

并且软件设计包括各工况喷油程序设计、自动转向灯、车门自动锁、防盗及电动天窗等程序设计。

关键词：

电控单元，燃油喷射，电动天窗，防盗，自动转向灯，车门自动锁

Thedesignandresearchofautomobilecontrolunit

ABSTRACT

Withthedevelopmentofthesociety,humanandenvironmentalprotectionontheperformanceofthecarputforwardhigherrequest.Traditionalmechanicaldeviceshavebeenunabletosolvesomeproblemsassociatedwithcarsfunctionrequirements,andwillgraduallybeelectronictechnologyandautomotiveintegratedmodernautomotiveelectroniccontroltechnology.Electroniccontroltechnologyisbeingwidelyusedinallaspectsofthecar,itcannotonlyimprovethecarpower,economyandsecurity,improvedrivingstabilityandcomfort,topromotethedevelopmentofautomobileindustry,alsodevelopabroadermarketforelectronicproducts.

Designinviewofthecurrentourcountryautomobilefuelinjectioncontrol,automaticcontrol,securitycontrol,electricsunroofturnsignalcontrolandautomaticdoorlockcontroltechnologypresentsituationandimplementationofelectroniccontrolandreducethedischargeofpollutantsofpriority,basedonautomobileelectroniccontroltechnologyathomeandabroad,thefuelinjectioncontrol,electricsunroofcontrol,securitycontrol,automaticallyturnsignalcontrolanddataaboutthedevelopmentoftheautomaticdoorlockcontrolsystemisanalyzed,combinedwiththeactualsituation,thesystemwiththemethodofmulti-sensorinformationfusion,throughtheintakemanifoldabsolutepressure（MAP）,rotationalspeedsensorandcrankshaftpositionsensor（CPS）,thecoolanttemperaturesensor（CTS）,theinlettemperaturesensor（IAT）,throttlepositionsensor（TPS）,oxygensensor,infraredsensor,cylindersignalsensorandAnglesensor,skylight,startsignalandothersignalthevariousstates,theelectriccontrolunitofthecollectedsignalafterfiltering,processing,driveactuators,implementationoffuelinjection,skylight,anti-theft,turnsignal,thecontrolofcardoorlocks.Andthesoftwaredesignincludingthedesignofworkingconditionofthefuelinjectionprocess,automaticallyturnsignal,automaticdoorlocks,anti-theft,electricsunroofprogramdesign,etc.

Keywords:

electroniccontrolunit,fuelinjection,electricsunroof,guardagainsttheft,automaticlights,thedoorautomaticallylocks

1绪论

1.1课题的研究背景和意义

随着社会的发展，人类对汽车的性能和环保提出了更高的要求。

传统的机械装置已经无法解决某些与汽车功能要求有关的问题，因而将逐步被电子技术和汽车融为一体的现代汽车电子控制技术所取代。

电子控制技术正被广泛地应用在汽车的各个方面，它不仅能提高汽车的动力性、经济性和安全性，改善行驶的稳定性和舒适性，推动汽车工业的发展，还为电子产品开拓了广阔的市场[1]。

然而，随着电子技术、计算机技术和信息技术的深入研究和汽车电子控制技术迅猛的发展，使汽车更具现代化与智能化，满足着不同时期人们不同的要求。

尤其在控制精度、控制范围、智能化和网络化等多方面会有较大突破，使汽车电子控制技术已成为衡量现代汽车发展水平的重要标志[2]。

从发动机的燃油喷射、点火控制、进气控制、排放控制、故障自诊断到底盘的传动系统、转向与制动系统，以及车身、辅助装置等都普遍采用了电子控制技术，因此进一步学习和研究汽车电子控制技术具有现实的学术和工程意义。

1.2国内外研究发展现状

从50年代到70年代末期。

主要是用电子装置改善部分机械部件的性能。

汽车电子设备主要采用分立电子元件组成电子控制器，从而揭开了汽车电子时代的序幕，并由分立电子元件产品向集成电路IC产品过渡。

主要产品有二极管整流式交流发电机、电子式电压调节器、电子式点火控制器、电子式闪光器、电子式间歇刮水控制器、晶体管收音机、数字时钟等。

从70年代到90年代中期。

汽车电子制技术初步开始形成。

其主要特点是在汽车大部分零件和汽车总体设计中，重视机电一体化的思想与技术。

在这一阶段中，大规模集成电路的广泛应用减小了电子产品的体积。

特别是8位、16位微处理器的广泛应用，更提高了电子系统的可靠性和稳定性。

另外，应用电子装置还解决了机械装置所无法解决的复杂的自动控制问题。

从90年代中期预计到2010年。

汽车电子控制技术作为工程技术已经成熟。

在这一阶段中，电子工业为汽车工业提供了大量更先进、灵巧的稳定电源，传感器和具有大容量内存的8位或16位微处理器。

汽车的总体设计将在机电系统协调的基础上进行，并注重汽车机电一体化的整体设计。

汽车电子控制技术的重点将由解决汽车部件或总成的自动控制问题，开始向广泛应用计算机网络与信息技术发展。

使汽车更加自动化、智能化，并向解决汽车与社会融为一体等问题转移[3]。

2系统总体方案及整体框图

2.1设计背景描述

目前随着不同时期不同时代主题的要求，汽车技术也随之发生着翻天覆地的变化，尤其是近几年以来，节能、环保与安全成为全球的新的话题，大量的新型电子控制技术也很快的应用到汽车上，它不再将电子技术作为机械的替代或增补，而是强调总体设计的机电一体化[4]；强调汽车的自动化，智能化，网络化和信息化，只有靠电子技术和不断发展的高科技投入，才能使汽车产品得到更好发展。

2.2设计方案

由于微处理器的单片化，体积大大减小，可靠性高等优点，再配合传感器、、执行器、电子元器件及其零部件来设计汽车的燃油喷射、天窗、转向灯、自动锁及防盗模块的电子控制系统。

系统整体结构框图如图2.1所示。

在系统中ECU（ElectronicControlUnit）电子控制单元，又称“行车电脑”、“车载电脑”等。

从用途上讲则是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机。

它和普通的单片机一样，由微处理器（CPU）、存储器（ROM、、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）等电路组成。

电控单元的功用是根据其内存的程序和数据对空气流量计及各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令。

汽车电动天窗的电子控制模块主要有天窗开关、执行器（驱动电动机）组成。

其中天窗开关将天窗开启或关闭的信号发送至电控单元，电控单元将根据接受的信息对驱动电机发出信号，使电机正传或反转来实现天窗的开启或关闭。

汽车燃油喷射的电子控制模块通过进气管压力传感器、冷却液温度传感器、判缸信号传感器、氧量传感器、节气门位置传感器、曲轴转速及位置传感器、进气温度传感器等检测的参数，对基本喷油脉宽进行修正，确定出最终喷油持续时间及下次喷油的脉宽，并确保气缸的安全性。

汽车自动转向灯模块，由方向盘、角度传感器、、右转向灯、左转向灯组成，当方向盘转动时，方向盘轴上安装角度传感器发出信号到微处理器，控制单元判断方向盘转向角度确定输出控制信号到转向右转向灯或者左转向灯，当汽车方向盘的转动角度超过一定值，转向灯立即打开。

汽车防盗电子控制模块由起动开关、红外线传感器、执行模块组成，其中起动开关的作用为整个防盗系统的开关，当起动开关开启之后，整个防盗系统即进入关闭阶段，反则反之；微处理器将根据传感器发出的信号，判断车体的安全性，决策是否报警；执行模块即是微处理器判断为车体受到威胁的情况时，车体做出的反应，如灯光闪烁，鸣笛等。

汽车车门自动锁模块由车门开关检测模块、车门自动锁执行模块组成，其中车门开关检测模块的作用为整个自动锁模块提供车门的开启或关闭信号，微处理器将根据检测模块提供的信号，决策车门自动锁是否锁止或开启。

3微处理器选型及主电路设计

3.1微处理器介绍

微处理器是发动机电控系统的“大脑”，是电控单元的核心，根据ECU所要实现的基本功能，要求其微机芯片必须满足以下条件:

功能比较强大的指令系统、丰富的实时中断资源、高速输入输出能力、适合复杂的工作环境、综合价格因素等等，因此单片机选型尤其要慎重。

经过资料搜索归纳整理后，分析发现，在己有的电控系统中，大部分采用了专用芯片作为主芯片，特点是价格比较昂贵，而且其通用性较低。

在充分专用芯片和INTEL十六位芯片的基础上，对比发现，INTEL的通用芯片功能比较强大、精确度高，完全可以替代实现专用芯片的控制功能。

而且INTEL十六位芯片在市场上很普及，价格也较低，这样就不仅可降低电控系统的成本，而且使我们设计的电控系统通用性及普及性加强。

此设计选用INTEL公司的80C196KB系列微处理器[5][6]，价格便宜，在市场上容易买到，能满足本发动机现阶段的功能、速度和存储空间的控制要求。

80C196KB单片机硬件总体框图如图3.1所示，本单片机硬件总体结构由14个单元组成，有中央处理单元CPU、时钟发生器、中断控制单元、程序存储器、存储器控制器MCR和从程序记数器SPC以及队列QUEUE，端口3（P3）和端口4（P4）、总线交换协议与端口1（P1）、高速输入输出通道、定时器单元、串行通信单元、D/A转换单元、端口2（P2）多路转换器、端口0（P0），A/D转换单元。

3.1.1内容分析

（1）UI一一中央处理单元CPU

CPU由RALU，CR和RAM组成。

RALU称为寄存器算术逻辑单元，是80C196KB单片机的运算器，主要从事加、减、乘、除四则运算以及“与’夕、“或”、“异或”逻辑操作，它体现了计算机的最基本特征。

CR称为控制器，由指令寄存器和微代码发生器组成。

80C196KB单片机的“程序”存储于片内或片外的程序存储器中，控制器的责任在于从这里取出指令并临时放在指令寄存器中，然后，通过微代码发生器将其翻译成为具有某种功能的控制信号。

RAM称为随机存取存储器，其容量为256B（字节），只能容纳数据，不能够存放程序。

按功能划分，地址单元为OOH一17H的区域称为特殊功能寄存器组SFRS，其用途专一不可它用。

地址单元为18H一OF阳的区域有232个寄存器，位于CPU内部，其地址与功能犹如一般计算机中的累加器。

（2）U2一一时钟发生器

片内单级非门电路和片外石英晶体等组成晶体振荡器，产生一定频率的高频信号并送至二分频与两相波发生电路，在该电路的输出端便可得到时钟信号CLKOUT，其周期也称为“状态周期T”。

（3）U3一一中断控制单元

该单元用于规定中断源并对中断源信号进行检测、登记、屏蔽和优先级中断。

经历上述各环节后，U3的中断发生器负责产生向CPU申请中断的信号。

当中断被响应时，U3通过数据总线送出中断矢量。

.（4）U4一一程序存储器

程序存储器可以是ROM，也可以是EPROM。

当为前者时，该单片机被称为83C196KB/83C198，若为后者时，则被称为87C196KB/87C198。

（5）US一一存储器控制器MCR，从程序计数器SPC和队列QUEUE

由于单片机的片内RAM容量有限，在设计应用系统时，一般需要配置片外数据存储器，有时还孺要配置片外程序存储器。

CPU对这些存储器的管理和使用，都是通过存储器控制器MCR来实现的。

与U1中的主PC相对应，本单元有一个从PC（SPC），其内容和作用与主PC完全一致。

队列QUEUE容量为4B，用来提高程序运行速度。

（6）U6一一端口3（P3）和端口4（P4）

P3和P4均是8位并行接口，在CPU的控制下可向它们输入或输出数据。

P3和P4的最大用途还在于向片外存储器提供16位低址线。

对于80C196KB单片机而言，尚由P3，P4提供16位数据线。

（7）U7一一总线交换协议与端口1（Pl）

本单元支持总线交换协议，允许其他设备获得对总线的控制权。

该协议有三个信号:

HOLD，HLDA，BREQ。

对单片机而言，HOLD为输入信号，HLDA，BREQ为输出信号。

P1为输入输出口，其中的Pl.5，Pl.6，Pl.7分别与HOLD，HLDA，BREQ共用一个引脚，使用时需给予定义。

（8）US一一高速输入输出通道

HSI0一HSI3为高速输入通道，CPU通过它们可以同时接收4个来自外部的脉冲信号,并且随时记录信号中高、低电平出现的时间。

HSI0一HSI3。

为高速输出通道，能够产生和输出宽度与周期均可调节的脉冲波（亦称PWM波）。

（9）U9一一定时器单元

本单元中的T1，T2为两个16位定时器，TZCAPT为定时器2的捕俘寄存器，它们的用途颇为广泛。

WDT称为16位监视跟踪定时器，主要用于检查应用系统的软件故障。

如果对自己设计和投入运行的系统确信无疑，也可以不启用WDT。

（10）U10一一串行通信单元

U10为串行通信服务，它有3个重要寄存器和波特率发生器:

①波特率寄存器BAUD一RATE，其内容决定了数据传送的速率。

②串行接口缓冲器SBUF（RX）/SBUF（TX），用于临时存储接收或待发送的数据。

·

③串行接口控制/状态寄存器SP_CON/SP_STAT，该寄存器用来规定串行接口的工作方式和反映数据通信过程中的状态。

此外，数据的出、入通道分别是端口2（P2）的TXD/P2.0和RxD/P2.1，通过对IOC:

寄存器的有关位进行设置，使其具备斜杠上方功能。

（11）Ull一一D/A转换单元

本单元具有将数字信号转换成为模拟信号的功能。

模拟量的表现形式为周期固定、宽度可变的脉冲波（也称PWM波，但与高速输出通道产生的PwM波有些差别）。

（12）U12一一端口2（P2）多路转换器

P2是一种多功能端口，常根据实际需要而让其做某种用途。

U12可为出入于端口2的信号选择合适的通道。

（13）U13一一端口O（PO）和端口2（P2）

P0为输入口，有ACH7/P0.0一P0.7共8个管脚，可以同时引入模拟量或数字量。

一般情况下，P0口作为输入通道。

P2有TxD/P2.0，RxD/P2.1，EXTINT/P2.2，T2CLK/P2.3，T2RST/P2.4，PWM/P2.5，T2UP一DN/P2.6，T2CAPTURE/P2.7计8个引脚，依次为输出、输入、输入、输入、输入、输出、准双向、准双向口，都具双重功能。

（14）U14一一A/D转换单元

A/D转换单元即模/数转换器，由多路转换器、采样保持器和10位ADC组成，从PO口引入的模拟量被U14转换成为数字量。

3.1.2芯片引脚介绍

80C196KB单片机采用CHMOS制造工艺,有多种型式封装结构,68引脚PLCC封装结构如下图3.2所示。

下面介绍其主要引脚的功能。

图3.280C196KB引脚图

（1）电源线：

5根

Vcc：

主电源电压（+5V）。

Vss:

数字电路地（0V）。

Vref:

A/D转换器的参考电压（5V）。

Vpp:

EPROM型产品的编程电压端。

编程时应接+12.75V;否则接+5V。

VPd:

RAM备用电源电压（5V）。

（2）晶振:

2根

XTAL1:

振荡器的反相放人器输入。

使用外部振荡器时必须接地。

XTAL2:

振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。

当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。

（3）I/O口共有5个8位口

①P0.0一P0.7:

8位高阻抗输入口,可作数字输入口,也可作A/D转换器的模拟输入口（ACHO一ACH7）。

②P1.0一P1.7:

8位准双向I/O口。

③P2.0一P2.7:

8位多功能口。

由于P2口只有很弱的上下拉电阻,因此在使用P2口作为I/O口的时候，需要外接驱动。

④P3.0一P3.7和P4.0一P4.7：

具有漏极开路输出的8位双向口。

这些引脚可用作多数转换的地址/数据总线,它们有很强的内部上拉作用。

（4）控制线

①CLKOUT：

内部时钟发生器的输出。

②/RESET:

复位输入端。

③/EA：

存储器选入端。

/EA=0,访问的是片外的存储器,/EA脚有内部下拉作用,若不外部驱动它,总保持为O。

④/ALE/ADV:

地址锁存允许（ALE）或地址有效输出（/ADV）。

⑤/RD:

对外部存储器的读信号（输出）。

只有读外部存储器时才会激活/RD。

⑥/WR/WRL:

写外部存储器（/WR）或写外部存储器低位字节（/WRL）的输出信号,由CCR选择。

⑦READY:

引脚有微弱上拉电阻,一般需要外接高电平。

⑧BUSWIDTH引脚一般情况下接地即可。

⑨NMI及EXTINT引脚使用时需注意外接上拉电阻,不使用时需接地。

⑩HS1.0一HS1.3:

4个高速输入器的输入；HS0.0一HS0.5：

6个高速输出器的输出。

3.1.3EPROM

EPROM用的是2764。

芯片特点为:

是一种8KX8的紫外线可擦除电可编程的只读存储器电路，由单一的+5V电源供电，工作电流10OmA，维持电流50mA，读出时间最大为250ns，是一种高速大容量的EPROM存储器，采用此存储器作为程序存储器，掉电后内部信息不会丢失因而提高了系统的可靠性。

带锁存器，有13条地址线和8条数据线，带片选使能CS和输出使能0E，26脚封装。

3.1.4RAM

RAM用的是6264，芯片特点为:

8K存储空间，是SKXS的静态随机存储器芯片，采用CMOS工艺制作，单一巧V电源供电，额定功耗为200mw，典型存取时间为200ns。

带锁存器，有13条地址线和8条数据线，带片选使能CS和输出使能OE，26脚封装。

3.2主电路设计

CPU电路包括本微处理器和与之相连的时钟电路和复位电路以及总线驱动电路。

3.2.1时钟电路

该类单片机所需要的时钟信号来源于高频振荡信号，产生高频振荡信号的电路如下图3.3，图3.4所示。

时钟电路采用晶体驱动，用一个石英晶体和两个电容器与单片机的XTALI，XTALZ连接，石英晶体具有感抗特性，它与电容器能够产生并联谐振。

当它们与片内的单级非门相互配合时，便构成了一个完整的振荡信号发生器[7]。

该发生器的能源来自Voc，其振荡频率取决于石英晶体和电容器，设置为16MHZ。

片内单极非门所提供的通道有利于振荡的稳定。

在XTALI端出现的高频振荡信号需要经过图3.4所示二分频与两相波发生电路的加工才能成为有用的时钟信号。

图3.3时钟电路

图3.4时钟信号

3.2.2复位电路

单片机需要复位电路，以便通过它使自身进入复位状态。

所谓复位，就是要让单片机应用系统于正式工作前处于一种特定的状态，只有以该状态为起点，随后的工作情况才有可能是正常与可靠的[8]。

在电源电压vcc、振荡信号发生器均处于稳定状态后，当单片机的RESET引脚保持4个状态周期以上的低电平，接着又处于高电平时，该类单片机便开始执行时间为10个状态周期的复位序列。

复位序列使片内一些寄存器初始化、PSW清零、程序计数器Pc被赋值为2080H。

在此基础上，单片机开始执行首地址为2080H的程序。

由此可见，RESET引脚上出现的低电平便是复位信号。

不经历上述过程，单片机无法进入正常工作状态。

如图3.5，系统采用了上电和手动复位电路。

除具有上电自动复位功能外，还可通过复位按键强迫RESET为低电平。

当系统掉电时，复位电容器里存储的能量可以以二极管为通路迅速放电，为单片机在反复上电的情况下可靠复位提供了保证。

图3.5复位电路

3.2.3存储器电路

包括外部扩展电路在内的EPROM，RAM及存储器译码电路、等待电路本系统扩展了