课程设计自动变速器电控系统的硬件电路.docx

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课程设计自动变速器电控系统的硬件电路

一、课程设计目的······················································2

二、课程设计任务······················································3

三、系统总体的设计方案··············································4

四、电路结构框图、元器件清单······································5

1、车速传感器介绍··················································5

2、发动机转速传感器的介绍·······································8

3、节气门传感器···················································10

4、冷却水温度传感器··············································13

5、MCS-51单片机芯片的介绍····································16

6、电磁阀介绍······················································24

五、软件流程图·······················································28

主要参考资料·························································29

一、课程设计的目的

课程设计是培养和锻炼学生在学习完本门课后综合应用所学理论知识解决实际工程设计和应用问题的能力的重要教学环节，它具有动手、动脑和理论联系实际的特点，是培养在校工科大学生理论联系实际、敢于动手、善于动手和独立自主解决设计实践中遇到的各种问题能力的一种较好方法。

汽车电子控制课程设计是学完《汽车电子控制》课程之后，让学生综合运用单片机、微机原理及应用等知识，进行汽车电子控制系统的设计，以加深对汽车电子控制基本知识的理解，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力，初步培养研制使用汽车电子控制的能力。

通过设计过程，要求学生熟悉和掌握汽车电子控制系统设计的方法、设计步骤，使学生得到汽车电子控制系统设计和应用方面的初步训练。

让学生独立或集体讨论设计题目的总体设计方案、硬件和软件的设计及调试、编写设计报告等问题，真正做到理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力，实现由学习知识到应用知识的过渡。

二、设计任务

选择适当的单片机作为系统的CPU，选择适当的传感器来获取车速信号，发动机信号，节气门信号和冷却水信号，选择适当的换挡电磁阀作为驱动器，设计出自动变速器电控系统的硬件电路。

三、系统的总体设计方案

1、选择车速传感器、发动机转速传感器、节气门开度传感器、冷却水温度传感器来采集信号。

将测定的物理量转变为电信号，并把信号输送到单片机。

2、选择了51单片机作为系统的CPU，将来自传感器的电信号转变成运算处理所需要的信号，即模数转换。

按照芯片中的程序运算处理，输出运算结果电信号，驱动电磁阀。

ECU将汽车在不同使用要求下的最佳换挡规律以自动换档图的形式储存在存储器中。

ECU根据传感器传送来的信号与自动换挡规律比较，如果达到相应的换挡车速，电子控制单元ECU将向换挡阀发出信号，由电磁阀的动作决定压力油通往各换挡阀元件的流向，直至作用于自动变速器中相应的换挡离合器、制动器等执行件上，以最终实现档位的自动变换。

3、电磁阀作为电子控制系统的执行元件也是液压控制系统的信号发生原件.换挡电磁阀的动作可控制液压系统中换挡阀的油路接通位置，以使相应的换挡离合器、制动器等执行元件工作，从而实现自动换挡、调节主油路压力及液力变矩器的锁止功能。

四、电路结构框图、元器件清单

1、车速传感器

车速传感器类型：

常用的传感器有电磁式、霍尔式、光电式。

我们用的是光电式的车速传感器。

光电式车速传感器：

光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。

一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号（开关脉冲）。

发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。

转盘上间断的孔可以开闭照射到光电三极管上的光源，进而触发光电三极管和放大器，使之像开关一样地打开或关闭输出信号。

从示波器上观察光电式车速传感器输出波形的方法与霍尔式车速传感器完全一样，只是光电传感器有一个弱点即它们对油或赃物在光通过转盘传递的干涉十分敏感，所以光电传感器的功能元件通常被设计成密封得十分好，但损坏的分电器或密封垫容器在使用中会使油或赃物进入敏感区域，这会引起行驶性能问题并产生故障码。

光电式速度传感器工作原理

     光电式速度传感器由光学系统及大面积梳状硅光电池组合构成。

将传感器安装在汽车上，镜头对准灯光照射的地面（晴朗天气可以不用灯光照射），如图所示。

  汽车行驶时，地面杂乱花纹通过光学系统，在光电器件上成像，并扫描梳状硅光电池，经广电装换和空间滤波等处理后，广电传感器输出周期性的饿随机窄带信号，该信号的基波频率正比于汽车行驶速度，并且每一周期严格对应地面上走过的一段距离，经过带通跟踪滤波器和整形等预处理后，即可得到随车速变化的脉冲信号。

光电式速度传感器特点。

1.精确度高、密封性好、抗震动性好、检修方便、造价高、信号处理复杂

2.特性曲线

2）结构电路

3）车速信号调理电路图

2、发动机转速传感器

这种传感器用于柴油机上，目的是检测发动机的转速，传感器的结构如图1，在永久磁铁的周围绕有线圈，即采用的是电磁式工作原理，当铁材齿轮在永磁铁附近旋转时，通过线圈的磁力线发生变化，在线圈中就会产生图2所示的感应电压。

图1转速传感器的结构图2传感器的输出波形

1-永磁铁2-线圈3-M14*1.25螺纹4-齿轮

柴油机用转速传感器就装在喷油泵的飞锤齿轮处，当柴油发动机的喷油泵工作时，传感器的齿轮旋转，因此在信号线圈中就会产生交流电压。

交流电压的频率与发动机的转速成正比。

把此交流电压作为输入信号，经转速表内的IC电路放大、整形后就可以使转速表指示出发动机的转速。

图3转速表电路方框图

图3所示的是转速表电路的方框图，当齿轮转动时，对每一个齿，就会产生图4（a）所示的一个周期的电压，此电压经放大、整形电路之后，就变为图4（b）所示的矩形波。

然后再通过单稳态电路变换，使脉宽为一定值，经电流放大器放大后就可以输入到转速表中。

又因输出的脉冲数是根据发动机的转速变化的，所以转速表就能按照脉冲电流的平均值来指示发动机的转速。

图4转速表电路中有关部位的波形

3、节气门传感器

直线性式节气门位置传感器装于节气门及喷油泵等上，用于连续地检测旋转部件。

利用设于传感器内的开关检测出移动原点，因此可准确地检测出绝对角度。

这种传感器安装于被检测件上（例如节气门）通过驱动臂的动作，使动触点在电阻膜上作华东旋转。

电阻膜具有开关输出图形及现行输出图形。

图1是线性式（也叫滑动电阻式）节气门位置传感器的结构。

图2是其电路原理图，图3是其输出特性，其线性输出可改为函数输出。

因为这种传感器的输出信号是电压，所以，它具有以下特点：

检测及处理角度很方便；适于学习控制用，因为它是用开关找出确定绝对角度的原点；可直接安装于发动机上；耐环境能力强；其内设有回位弹簧，与被测定部件容易连接。

下面说明丰田车用节气门位置传感器的工作过程，其结构图如图4所示。

它检测节气门的开度并将其转换成电压信号输入到发动机用控制微机中（ECU）。

当打开节气门时，节气门开度信号动触点（Vta）与怠速信号动触点（IDL）在电阻膜上滑移。

Vc端子上一直加有稳定的5V电压,动触点则依照节气门的开度在电阻体上滑移，由此在Vta端子上就会有与节气门开度成比例的电压输出。

当节气门全关闭时，检测怠速状态的动触点使IDL~E2两个端子导通，从而输出怠速状态信号。

传感器与ECU的连接方法如图5所示。

传感器内阻r的两端一直加有ECU输送来的5V电压，动触点a根据节气门开度的状况在电阻r上滑移，由此改变ECU的Vta端子的电位。

这一电压信号经A/D变换器变换成数字信号，再输入到计算机中去。

从图中可以看出，传感器通过Vta端ECU内部的电阻R1与稳压电源电路相连，通过Vta电阻R2端与E2端子相连，但是因为R1、R2都大于r，所以电流的流经途径是Vc端子→电阻r→E2端子，Vta端的电位并不受电阻R1、R2的影响。

当节气门全闭时，IDL触点闭合，IDL端的电位为0，这样就把节气门全闭的这一情况通知了计算机。

收到Vta端子、IDl端子传来的信号之后，计算机根据这些信号判断出车辆的行驶状态，再决定进行过渡时期的空燃比修正或者是输出增量修正，或是切断油路，或是进行怠速稳定修正。

图1

节气门传感器简化结构图

图2

特性图

图3

图5

4、冷却温度传感器

PN结温度传感器PN结温度传感器是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性，实现对温度的检测、控制和补偿等功能。

实验表明，在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。

根据PN结理论，对于理想二极管，只要正向电压UF大于几个ksT／e（kBT为波尔兹曼常数，e为电子电荷）。

其正向电流I，与正向电压u，和温度T之间的关系可表示为：

珥=q+争h等一（3+手）加r）T

（8）式中，Us,=EJe，E。

为材料在T=一273．15。

C时的禁带宽度（以ev为单位），B和r为常数。

由半导体理论可知，对于实际二极管，只要它们丁作的PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，而又未发生大注入效应的电压和温度范围内，其特性与上述理想二极管是相符合的。

实验表明，对于砷化镓、锗和硅二极管，在一个相当宽的温度范围内，其正向电压与温度之间的关系与式（8）是一致的，如图2所示

实验发现晶体管发射结上的正向电压随温度的上升而近似线性下降，这种特性与二极管十分相似，但晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。

二极管的温度特性只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流除扩散电流成分外，还包括空间电荷区中的复合电流和表面漏电流成分。

这两种电流与温度的关系不同于扩散电流与温度的关系，因此，实际二极管的电压一温度特性是偏离理想情况的。

由于三极管在发射结正向偏置条件下，虽然发射结也包括上述3种电流成分，但是只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电极电流，而另外两种电流成分则作为基极电流漏掉，并不到达集电极。

因此，晶体管的Ic--UBE关系比二极管的I，一U，关系更符合理想情况。

所以表现出更好的电压一温度线性关系。

根据晶体管的有关理沦可以证明，NPN晶体管的基极一发射极电胝u晡与温度T和集电极电流I。

的函数关系与_极管的u，与T和I，函数关系式（8）相同。

因此，在集电傲电流I。

：

恒定条件下，晶体管的基极一发射极电压u。

。

与温度T呈线性关系。

但严格地说，这种线性关系是不完全的，因为关系式中存在非线性项。

PN结温度传感器应用电路如图3所示，图中的R1、R2、D、W1组成测温电桥，其输出信号接差动放大器A1，经放大后的信号输入0—5V数字式电压表（DVM）显示。

放大后的灵敏度10mV／℃。

A2接成电压跟随器，与W2配合可调节放大器A1的增益。

通过PN结温度传感器的工作电流不能过大，以免二极管自身的温升影响测量精度。

一般1二作电流为100～300mA。

采用恒流源作为传感器的-T作电流较为复杂，一般采用恒压源供电，但必须有较好的稳压精度。

精确的电路调整非常重要，可以采用广口瓶装入碎冰渣（带水）作为0。

C的标准，采用恒温水槽或油槽及标准温度计作为100℃或其它温度标准。

在没有恒水槽时，可用沸水作为100℃的标准（由于各地的气压不同，其沸点不一定是100℃，可用O～100℃的水银温度计来校准）。

将PN结传感器插人碎冰渣广口瓶中，等温度平衡，调整W1，使DVM显示为0V，将PN结传感器插人沸水中（设沸水为100℃），调整W2，使DVM实现为100V，若沸水温度不是100℃时，可按照水银温度计上的读数调整W2，使DVM显示值与水银温度计的数值相等。

再将传感器插入0。

C环境中，等平衡后看显示是否仍为0V，必要时再调整W1使之为0V，然后再插入沸水，看是否与水银温度计计数相等，经过几次反复调整即可。

采用PN结温度传感器的数字式温度计，测温范围一50～150℃，分辨率为

0．1℃。

5、MCS-51单片机

MCS-51的信号引脚

MCS-51微处理器采用40引脚的双列直插封装（DIP）方式，如图所示，仔0条引脚中，有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶振引脚，4条控制引脚和3条I/O引脚。

下面分别叙述各引脚的功能。

主电源引脚Vss和Vcc：

Vss（20）接地，Vcc（40）正常操作时接+5V电源。

外接晶振引脚XTAL1和XTAL2：

当外接晶体振荡器时，XTAL1和XTAL2分别接在外接晶体两端；当采用外部时钟方式时，XTAL1接地，XTAL2接外来振荡信号。

引脚RST/VPD,ALE/

、

、

/Vpp。

对于RST/VPD：

当振荡器正常运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平使微处理器复位；VCC掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据。

ALE/

（30）：

当访问外部存储器时，由微处理器的P2口送出地址的高8位，P0口送出地址的低8位，数据通过P0口传送。

：

是程序存储器读选通信号，低电平有效。

EA/VPP（31）：

当EA端保持高电平时，访问内部程序存取器（4KB），但当PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序；当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器（从0000H地址开始），而不管微处理器内部是否有程序存储器。

输入输出引脚P0.0~P0.7（39~~32）：

P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。

在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。

在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1.0~P1.7（1~8）：

P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

P2.0~P2.7（21~28）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在访问外部存储器时，它送出高8位地址。

在对EFROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。

P3.0~P3.7（10~17）：

P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在MCS-51中，这8个引脚还兼有专用功能。

MCS-51的I/O端口

8051共有32根引脚全部为I/O端口，分为4个8位口。

8051单片机的4个端口都是双向的，每个端口都包含锁存器（特殊功能寄存器中P0~P3，地址分别为80H、90H、0A0H、0B0H）、输出驱动器和输入缓冲器。

每个端口的每一根引脚都可以独立地用作输入或输出引脚。

P0端口是三态双向端口，称为数据总线端口，因为只有该端口能直接用于对外部存储器的读/写数据操作。

P0端口还用以输出外部存储器的低8位地址。

P1端口是8位准双向端口，作通用I/O端口使用，在输出驱动器部分，P1端口有别于P0端口，它接有内部上拉电阻。

P1端口的每一位可以独立地定义为输入或者输出，因此，P1端口既可以作为8位并行I/O端口，又可作为8位I/O端口。

P2端口是8位准双向I/O端口，P2端口可作通用I/O端口使用。

P2端口电路中比P1端口多了一个多路转换电路MUX，这又正好与P0端口一样。

但通常应用情况下，P2端口是作为高位地址线使用，此时多路转换开关应倒向相反方向。

当外接程序存储数据时，P3端口给出地址的高8位，此时不能用作通用I/O端口。

P3端口是一个8位的准双向I/O端口。

它具有多种功能：

可以作为一般准双向I/O端口，具有字节操作和位操作两种工作方式；也可以用8条I/O线独立地作为串行I/O端口和其他控制信号。

定时器/计数器的控制寄存器

MCS-51单片机内部的定时器/计数器的结构如图4-3所示，定时器T0由特殊功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特殊功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。

特殊功能能寄存器TMOD用于控制定时寄存器的工作方式，TCON用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，TCOM还用于管理定时器T0和T1的溢出标志等。

程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程，以定义它们的工作方式和控制T0和T1的计数器。

TMOD和TCON这两个特殊功能寄存器的格式如下。

定时器/计数器的工作方式控制字TMOD，字节地址为89H；

1.GATE——门控位

GATE=0以运行控制位TR0（TR1）启动定时器；

GATE=1以外部中断请求信号（INT0和INT1）启动定时器。

2.C/T——定时方式或计数方式选择位

C/T=0定时工作方式；

C/T=1记数工作方式。

3.M1M0——工作方式选择

M1M0=00方式0；

M1M0=01方式1；

M1M0=10方式2；

M1M0=11方式3；

定时器控制寄存器TCON，字节地址为88H，位地址为88H~8FH

4.TF0（TF1）——计数溢出标志

当计数器计数溢出时，该位置1.使用查询方式时，此位作状态位供查询，但应注意查询有效后应以软件方法及时将该位清0；使用中断方式时，此位作中断标志位，在转向中断服务程序时由硬件自动清0.

5.TR0（TR1）——定时器运行控制位

TF0（TF1）=0停止定时器/计数器工作；

TF0（TF1）=0启动定时器/计数器工作；

工作方式

通常，MCS-51单片机有四种工作方式，如下：

1.工作方式0

定时器/计数器0

（1）的工作方式是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH的全部8位和TL的低5位构成，TL的高3位没有使用。

当C/

=0时，多路开关接通振荡脉冲的12分频输出，13位计数器依次进行计数，这就是定时工作方式；当时，多路开关接通计数引脚（T0），外部计数脉冲由引脚T0输入，当计数脉冲发生负跳变时，计数器加1，这就是我们常称的计数工作方式。

在工作方式0下，计数器的计数范围是：

1~8192（213），当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：

（213-计数初值）×晶振周期×12或（213-计数初值）×机器周期，其时间单位与晶振周期或机器周期相同。

2.工作方式1

当M1M0=01时，定时器/计数器处于工作方式1，方式0和方式1的区别仅在于计数器的位数不同，方式0为13位，而方式1则为16位，由TH0作为高8位，TL0为低8位，有关控制状态字（GATE、TF0、TR0）和方式0相同。

在工作方式1下，计数器的计数值范围是：

1~65536（216）

当为定时工作方式1时，定时时间的计算公式为：

（216-计数初值）×晶振周期×12或（216-计数初值）×机器周期，其时间单位与晶振周期或机器周期相同。

3.工作方式2

当M1M0=10时，定时器/计数器处于工作方式2.工作方式0和工作方式1的最大特点就是计数溢出后，计数器全为0，因而循环定时或循环计数应用时就存在反复设置初值的问题，这给程序设计带来许多不便，同时也会影响计时精度。

工作方式2就是针对这个问题而设置的，它具有自动重装载功能，即自动加载计数初值，所以也有的文献称之为自动重加载工作方式。

在这种工作方式下，16位计数器分为两部分，即以TL0为计数器，以TH0作为预置寄存器，初始化时把计数初值分别加载至TL0和TH0中，当计数溢出时，不再像工作方式0和工作方式1那样需要“人工干预”，由软件重新赋值，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL0重新加载。

程序初始化时，给TL0和TH0同时赋以初值，当TL0计数溢出时，置位TF0的同时把预置寄存器TH0中的初值加载给TL0，TL0重新计数。

如此反复，这样省去了程序不断需给计数器赋值的麻烦，而且计数准确度也提高了。

但这种工作方式也有不利的一面，就是这样一来的计数结构只有8位，计数值有限，最大只能到255.所以这种工作方式很适合于那些重复计数的应用场合。

4.工作方式3

当M1M0=11时，定时器/计数器处于工作方式3.在工作方式3模式下，定时器/计数器0和定时器/计数器1的工作方式不同，下面我们分别讨论。

在工作方式3模式下，定时器/计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0.其中TL0既可以作为计数器使用，也可以作为定时器使用，定时器/计数器0的各控制位和引脚符号全归它使用，其功能和操作与工作方式0或工作方式1完全相同。

TH0就没有那么多“资源”可利用了，只能作为简单的定时器使用，而且由于定时器/计数器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定时器/计数器1的控制位TR1和TF1，也就是以计数溢出去置位TF1，TR1则负责控制TH0定时的启动和停止。

由于TL0既能作为定时器也能作为计数器使用，而TH0只能作定时器使用而不能作计数器使用，因此在工作方式3模式下，定时器/计数器0可以构成两个定时器或者一个定时器和一个计数器。

如果定时器/计数器0工作于工作方式3，那么定时器/计数器1的工作方式就不可避免的受到一定的限制，因为自己的一些控制位已被定时器/计数器借用，只能工作在工作方式0、工作方式1和工作方式2下。

在这种情况下，定时器/计数器1通常作为串行口的波特率发生器使用，以确定串行通信的速率，因为已没有TF1被定时器/计数器0借用了，只能把计数溢出直接送给串行口。

当作波特率发生器使用时，只需设置好工作方式，即可自动运行。

如果停止它的工作，需送入一个把它设置为工作方式3的方式控制字即可，这是因为定时器/计数器本身就不能工作在工作方式3，如硬把它设置为工作方式5，自然会停止工作。

6、自动变速器电磁阀工作介绍

1.电磁阀介绍

电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。

电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

2.电磁阀的工作原理

电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同电磁阀的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。

这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

简单的讲，电磁阀是用来开关流体通路或对流体进行换向的基础元件；其内部部件经过精密的机加工，并选择不同的阀体阀芯材料满足不同介质的流通。

电磁阀的对流体通路的开关功能是通过其内部的电磁动铁芯的提升或落下来实现的，而动铁芯的动作是由电磁线圈的通电或断电来完成；

按内部结构可分为膜片式（图一、图二）和活塞式电磁阀（图三）

3.电磁阀的分类

3.1按其断电时电磁阀的状态分常开型和常闭型，

常闭型电磁阀：

电磁线圈断电时，电磁阀呈关闭状态，当线圈通电时产生电磁力，使动铁芯克服弹簧力后被提起，此时电磁阀打开，介质呈通路状态；当线圈断电时，电磁力消失，动铁芯在弹簧力的作用下