汽车ABS轮速传感器耐久性试验台硬件设计.docx
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汽车ABS轮速传感器耐久性试验台硬件设计
HUNANUNIVERSITY
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
汽车ABS轮速传感器
耐久性试验台硬件设计
学生姓名
邹亚群
学生学号
专业班级
电气工程及其自动化2003级1班
指导老师
召炎
院长（系主任）
王耀南
2007年6月7日
汽车ABS轮速传感器耐久性试验台硬件设计
摘要
汽车ABS轮速传感器耐久性试验台的主要作用是监控轮速传感器的工作状态，记录并显示传感器的输出电压、转速和累计工作时间等。
本系统采用8051单片机作为主控制器，利用多路转换开关对轮速信号进行切换，再通过单片机进行控制，并将轮速传感器的工作状态显示在液晶显示屏上。
本文将重点介绍汽车ABS轮速传感器耐久性试验台的硬件电路设计。
首先，本文将概述汽车ABS及其车轮转速传感器的发展，同时介绍了国外的研究状况，并阐述了本设计的容和意义。
其次，本文将对系统设计的总体结构和原理进行分析和描述，并给出具体的接口定义。
再次，本文将详细的介绍系统的硬件设计原理和方法，包括电路的连接及芯片的选型，并给出了电路图。
最后，本文将结合硬件电路要实现的功能来说明对软件系统的要求。
在附录中，本文还将给出一些必要的电路图，供参考之用。
关键词：
汽车ABS；轮速传感器；耐久性测试；硬件设计
TheHardwareDesignOfTheABSWheelSpeedSensorDurabilityTest
Abstract
ThemainroleofABSwheelspeedsensordurabilitytestismonitoringwheelspeedsensorworkingstate,recordingandshowingtheoutputvoltage,speedandtotalworktimeofthesensor.Thesystemuses8051asamaincontroller,amulti-channelswitchonwheelspeedsignalswitching,Thenmicroprocessorcontrol,wheelspeedsensorandthestatusdisplayonthemonitor.ThispaperfocusesonthehardwarecircuitdesignofABSwheelspeedsensordurabilitytest.
First,thispaperwillintroducethedevelopmentofautomotiveABSanditswheelrotatingspeedsensorandthereserchintheworld.AlsoIwillshowthecontentandsomesignificancesofthedesign.
Secondly,wewilldesigntheoverallsystemstructureandprinciplesforanalysisanddescription,andprovidestheinterfacedefinition.Again,thiswillbedescribedindetailthehardwaredesignprinciplesandmethodologies,includingcircuitandconnectingthechipselection,andthecircuitdiagramisgiven.
Finally,thispaperwillbeintegratedwiththehardwaretoachievethefunctionsofthesoftwaretoillustratethesystem.
Intheappendix,thepaperalsogivessomenecessarycircuitdiagramsforreference.
Keywords:
AutomotiveABS,WheelRotatingSpeedSensor,DurabilityTest,HardwareDesign.
1.绪论………………………………………………………………………………………1
1.1本课题背景及研究意义………………………………………………………1
1.2轮速传感器产品及分类………………………………………………………2
1.3汽车用传感器技术的发展趋势………………………………………………3
1.4课题国外研究状况…………………………………………………………6
1.5课题的设计容………………………………………………………………6
2.汽车ABS轮速传感器耐久性试验台设计原理…………………………………………7
2.1汽车ABS轮速传感器产品及工作原理……………………………………..7
2.2ABS轮速传感器耐久性试验台工作原理……………………………………9
2.2.1输出信号频率的测量原理……………………………………………9
2.2.2检测原理……………………………………………………………...10
2.3汽车ABS轮速传感器耐久性试验台硬件系统整体框图………………...10
3.汽车ABS轮速传感器耐久性试验台的硬件设计……………………………………...12
3.1电源设计……………………………………………………………………..12
3.1.1系统的电压转换………………………………………………………12
3.1.2电源的滤波……………………………………………………………12
3.1.3单片机时钟电路设计…………………………………………………13
3.1.4单片机的复位…………………………………………………………13
3.2单片机的选型………………………………………………………………..13
3.2.1嵌入式系统处理器的选择……………………………………………13
3.2.2控制系统单片机的选择………………………………………………15
3.3多路转换开关的选型………………………………………………………..20
3.4电压比较器的选型…………………………………………………………..21
3.5液晶显示器的选型…………………………………………………………..23
3.6输出信号波形整形电路的设计……………………………………………..24
4.看门狗电路X5045介绍………………………………………………………………25
4.1引脚介绍……………………………………………………………………..25
4.2工作原理……………………………………………………………………26
5.汽车ABS轮速传感器耐久性试验台的软件简介……………………………………27
5.1概述…………………………………………………………………………27
5.2对编程环境的要求…………………………………………………………27
5.3软件部分要实现怎样的功能………………………………………………27
6结论…………………………………………………………………………………….28
致……………………………………………………………………………………….29
参考文献………………………………………………………………………………….30
附录……………………………………………………………………………………….31
附录A汽车ABS轮速传感器耐久性试验台硬件电路图………………………………31
1绪论
1.1背景及课题研究的意义
随着世界汽车工业的迅猛发展，舒适性日益成为人们选购汽车的重要依据。
目前广泛采用的防抱死制动系统（ABS）使人们对安全性的要求得以充分的满足。
汽车防抱死制动系统简称为ABS，英文全称是Anti-lockBrakingSystem，是提高汽车被动安全性的一个重要装置。
有人说制动防抱死系统是汽车安全措施中继安全带后的又一重大进展。
汽车制动系统是汽车上关系到乘客安全性最重要的二个系统之一。
随着世界汽车工业的迅猛发展，汽车的安全性越来越为人们重视。
汽车制动防抱死系统是提高汽车制动安全性的又一重大进步。
ABS防抱死制动系统由汽车微电脑控制，当车辆制动时，它能使车轮保持转动，从而帮助驾驶员控制车辆达到安全的停车。
这种防抱死制动系统是用速度传感器检测车轮速度，然后把车轮速度信号传送到微电脑里，微电脑根据输入车轮速度，通过重复的减少或增加在轮子上的制动压力来控制车轮的打滑率，保持车轮转动。
在制动过程中保持车轮转动，不但可保证控制行驶方向的能力，而且，在大部分路面情况下，与抱死车轮相比，能提供更高的制动力量。
ABS可在汽车制动时根据车轮的运动状态自动调节车轮的制动压力，防止车轮抱死，其实质就是使传统的制动过程变为瞬间的控制过程，即在制动时使车轮与地面达到”抱而不死，死而不抱”的状态，其目的是使车轮与地面的摩擦力达到最大，同时又可避免后轮侧滑和前轮丧失转向能力，以使汽车取得最佳的制动效能。
因此ABS具有以下优点：
1.缩短制动距离。
ABS能保证汽车在雨后、冰雪及泥泞路面上获得较高的制动效能，防止汽车侧滑甩尾（松散的沙土和积雪很深的路面除外）；2.保持汽车制动时的方向稳定性；3.保持汽车制动时的转向稳定性；4.减少汽车制动时轮胎的磨损。
ABS能防止轮胎在制动过程中产生剧烈的拖痕，提高轮胎使用寿命：
5.减少驾驶员的疲劳强度（特别是汽车制动时的紧情绪）。
鉴于防抱制动系统（ABS）具有如上的优越性，所以该系统的装车率逐年上升。
车轮转速传感器是当代防抱制动装置[1]（ABS）的三大组成部分（即传感器，控制器，调节器）之一。
其功能是给控制器提供车轮运动信息，作为ABS工作的依据。
轮速传感器由电磁感应式传感器和齿圈两部分组成。
传感器以间隙方式对准齿圈，而齿圈可随车轮或驱动轴一起转动。
当车轮、驱动轴转动时，传感器中产生与车轮转速成正比的交流信号，并将此信号传输至电子控制单元ECU进行运算和处理。
轮速传感器的基本结构主要由磁极、永久磁铁和线圈组成，传感器与交流发电机工作原理相同，当齿圈在永久磁铁产生的磁场中旋转时，随着齿圈与传感器磁极之间的间隙发生周期性的变化，这样就会使齿圈与磁极组成的磁路中的磁阻发生周期性的改变，其结果引起磁通量周期性地增减，在传感器线圈中就会产生正比于磁通量增减速度的感应电压，故一般将此传感器称为电磁感应式轮速传感器，简称为轮速传感器。
实用化的ABS系统中，一般传感器与齿圈之间的正常工作间隙一般在0.5~1.2mm。
以，齿数一般在32一96之间。
目前，电磁感应式传感器尚不具备零速响应特性，可靠工作速度一般在8一15Km/h以上。
据称，著名的ABS供应商TEVES公司正在加紧开发零速度响应的传感器，以扩大ABS系统的可靠工作速度围。
但是，电磁式传感器结构简单，坚固耐用，能够适应恶劣的工作环境，如泥、水、冰、雪等坏境，也能适应冲击、振动、腐蚀、高低温等环境，具有较高的可靠性，因此得到了普遍的应用。
如今的ABS轮速传感器技术的发展，不仅仅是传感器自身的开发，而且更注重于对传感器的互换性、耐久性、可靠性的开发。
因此，针对现阶段汽车ABS轮速传感器工作不稳定、易老化的事实，本设计对ABS轮速传感器的耐久性进行测试，监控轮速传感器的工作状态,能够更好的为ABS中的控制器提供准确信号，有利于更好的实现ABS的功能，具有重大的研究意义。
1.2ABS的发展历程
ABS技术是英国人霍纳摩尔1920年研制发明并申请专利，早在2O世纪3O年代，ABS就已经在铁路机车的制动系统中应用，目的是防止车轮在制动过程中抱死，导致车轮与钢轨局部急剧摩擦而过早损坏。
1936年德国博世（RobertBosch）公司取得了ABS专利权。
它是由装在车轮上的电磁式转速传感器和控制液压的电磁阀组成，使用开关方法对制动压力进行控制。
2O世纪4O年代末期，为了缩短飞机着陆时的滑行距离、防止车轮在制动时跑偏、甩尾和轮胎剧烈磨耗，飞机制动系统开始采用ABS，并很快成为飞机的标准装备。
2O世纪5O年代防抱制动系统开始应用于汽车工业。
1951年Goodyear航空公司将ABS装于载重车上，1954年福特汽车公司在林肯车上装用法国航空公司的ABS装置。
1978年ABS系统有了突破性发展。
博世公司与奔驰公司合作研制出三通道四轮带有数字式控制器的ABS系统，并批量装于奔驰轿车上。
由于微处理器的引入，使ABS系统开始具有了智能，从而奠定了ABS系统的基础和基本模式。
1981年德国的威伯科（WABCO）公司与奔驰公司在载重车上装用了数字式ABS系统。
ABS的市场占有率迅速上升。
2O世纪8O年代中期以后，借助于电子控制技术的进步，ABS的反应更为灵敏、成本更低、安装更方便、价格也更易被中小型家用轿车所接受。
这期间较为典型的ABS装置有博世（Bosch）公司于1979年推出的Bosch2型，大陆特威斯（Teves）1984年推出的Mark2型。
以及博世公司1986年推出的具有防抱制动和驱动防滑功能的ABS／ASR2U型。
机械与电子元件持续不断的发展和改进使ABS的优越性越来越明显，随着激烈的竞争，技术的日趋成熟，ABS变得更精密，更可靠，价格也在下降。
目前，国际上ABS在汽车上的应用越来越广泛．已成为绝大多数类型汽车的标准装备。
北美和西欧的各类客车和轻型货车ABS的装备率已达90％以上，轿车ABS的装备率在60％左右，运送危险品的货车ABS的装备率为100％。
1.3ABS及汽车用传感器的发展趋势
根据国外的一些研究动态和高档轿车的实际应用表明，ABS技术将沿着以下几个方面继续发展：
（1）ABS／ASR和车辆稳定性控制装置的结合[2]。
驱动防滑系统（简称ASR）是对ABS的完善和补充。
ASR系统是能提高汽车在易滑路面上的稳定性和加速性的电子装置。
其作用主要是通过控制发动机扭矩和汽车的制动系统等手段来控制驱动力，防止车轮空转打滑，保持最佳驱动力。
ABS保证了汽车制动过程中方向的稳定性，ASR则保证了汽车行驶过程中（起步、加速时）的方向稳定性和操纵性。
现代的很多轿车中，ABS电子控制装置设有与ASR电子控制装置交换信号的接口。
并且ASR和ABS的主要部件（如电子控制器、轮速传感器、制动压力调节器）可以通用或共用，装有ABS的汽车在装用ASR系统时，只需加装差速制动阀、发动机控制阀和发动机控制缸即可。
由此可见，ABS与ASR结合使用，可以充分利用有关部件，并且汽车的主动安全性将更有保证。
车辆稳定性控制装置（简称VSC）利用两个传感器分别感测汽车横摆角速度和汽车侧向加速度，并将转向角与实际方向进行比较。
当它发现汽车并不按驾车人的意图行驶时，就立即向ASR和ABS发出修正信号，指示它们采取措施使汽车驶向正确的方向。
这些系统尽管功能和结构各异，但工作过程很相似，都是传感器拾取信号[3]，ECU进行计算处理，执行机构采取相应动作。
在这些系统组成中，传感器拾取信号的准确程度直接影响ECU的计算结果，另外，轮速传感器大多数是安装在车轮附近，环境恶劣，特别是对耐热性、耐振性、防磁性、耐腐蚀性有很高的要求，对传感器这些方面性能的改进十分重要。
（2）动态稳定控制系统VDC（或电子稳定控制（ESP）。
VDC主要在ABS／ASR基础上解决汽车转向行驶时的方向稳定性问题。
ABS与电子全控式（或半控式）悬架、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等控制系统在功能、结构上有机地结合起来。
保证汽车在各种恶劣情况下行驶时都具有良好的动态稳定性。
（3）ABS／ASR与自动巡航控制系统（ACC）集成。
自动巡航控制系统（ACC）的目的是在巡航行驶时自动把车速限制在一个设定的速度，并且能够根据前方车辆的行驶状况，自动施加制动或加速，使其保持在一定的安全距离行驶。
在遇到障碍物时，可以自动施加制动，把车速调整到安全围。
由于ABS／ASR和ACC都要用到相同的轮速采集系统，制动压力调节装置以及发动机输出力矩调节装置。
因此ABS／ASR与ACC的集成，形成ABS／ASR／ACC集成化系统，不仅可以大大降低成本，而且可以提高汽车的整体安全性能。
（4）减小体积，降低重量。
为了提高汽车的安全性能，增加了一些装置，汽车的重量也随之增加，对燃料经济性不利。
所以新增设的各种装置必须在保证安全性的前提下，尽量地减少重量。
另外，不论是大型车还是小型车，发动机的安装空间都是非常紧凑的。
因此，也要求ABS控制器的体积尽可能的小一些。
（5）ABS与各种电控装置组合使用。
ABS与电子油门控制系统、电子全控式（或半控式）悬挂、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器、巡航控制系统、全球定位系统等各种电子控制系统的组合使用，可以使汽车的运动始终保持在最佳状态。
随着ABS与新一代制动系统的结合。
如电子液压制动EHB（ElectroHydraulicBrake）、电子机械制动EMB（ElectroMechanicalBrake），ABS有了更快的响应速度，更好的控制效果，而且更容易与其他电子系统集成。
ABS将成为集成化汽车底盘系统中不可缺少的一个节点。
另外，在ABS系统中嵌入电子制动力分配装置EBD（ElectronicBrakeForceDistribution），构成了ABS+EBD系统。
EBD的功能就是在汽车ABS开始制动压力调节之前，高速计算出汽车四个轮胎与路面问的附着力大小，然后调节车轮制动器制动力，达到制动力与附着力的匹配，进一步提高车辆制动时的方向稳定性，同时尽可能地缩短制动距离。
（6）总线技术的应用。
随着电控单元在汽车中的应用越来越多，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要，以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是很有必要的。
大量数据的快速交换、高可靠性及廉价性是对汽车电子网络系统的要求。
在该网络系统中,各处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能，同时在其他处理机需要时提供数据服务。
汽车部网络的构成主要依靠总线传输技术。
汽车总线传输是通过某种通讯协议将汽车中各种电控单元（发动机、ABS、自动变速器等）、智能传感器、智能仪表等联接起来，从而构成的汽车部网络。
其优点有：
减少了线束的数量和线束的容积，提高了电子系统的可靠性和可维护性；采用通用传感器，达到数据共享的目的；改善了系统的灵活性，即通过系统的软件可以实现系统功能的变化。
（7）在ABS系统的基础上扩展成车速记录仪（VehicleSpeedRecorder—VSR）。
又称汽车黑匣子。
该装置通过实时采集的四个车轮轮速信号，再现交通事故发生过程中汽车的实际运行轨迹以及驾驶员对车辆的操作情况，便于公安交通管理部门能准确判断事故的责任。
汽车ABS技术已经得到了全球的公认，ABS改善了汽车的制动效能，缩短了制动距离。
避免了车轮抱死，从而避免了汽车丧失转向能力、失去方向稳定性的现象发生。
可以预计，近期各种车辆都必将装备这种技术。
当然，ABS技术仍有缺陷，比如系统的稳定性还需提高，控制算法还需进一步的研究和改善。
对于汽车用传感器有两大趋势：
一是新的结构设计；二是开发新的原理的传感器，以满足更新换代的需要。
总的发展趋势是多功能化、集成化、智能化。
多功能化是指一个传感器能检测2个或者2个以上的特性参数或者化学参数。
集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。
智能化是指传感器与大规模集成电路相结合,带有MPU,具有智能作用。
新近研发的汽车用传感器具有如下特点:
数字化信号输出、线性化微处理器补偿、传感器信号共用和加工、传感器间接测量、复合传感器信号处理、IC化和精细加工等[4]。
传感器信号输出与控制系统的计算机接口也是一个重要的研究课题。
含有A/D、D/A、I/O驱动、缓冲RAM、程序ROM、MPU,并具有线性、温度补偿以及相应控制程序的灵巧型汽车用传感器引人注目,将使得汽车各系统的元器件数量大大减少,从而降低系统成本,减小体积和减轻质量,并使整个系统更加简单可靠。
总之，随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，汽车传感器市场需求将保持高速增长，微型化，多功能化，集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。
未来的智能化集成传感器，不仅要提供模拟和处理的信号，而且还能对信号做放大和处理。
同时，还能自动进行时漂，温漂和非线形的自校正，具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，保证传感器信号的质量不受影响，即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度。
它还具有结构紧凑，安装方便的优点，从而免受机械特性的影响。
1.4课题的国外研究状况
汽车ABS轮速传感器是一种汽车专用传感器，比一般的传感器要求精度高、耐久性与可靠性好。
目前，国对该传感器的测试大部分是采用不同设备对传感器所需测试的每一项容进行单独测试，主要包括静态测试（对电阻、电感的测量）和动态测试（在电动机转动时对传感器产生的感应输出电压峰峰值的测量），判断其结果，然后统计给出最后结论。
测试过程繁琐，周期长，工作效率过低，难以满足现代化生产测试的要求。
而对ABS轮速传感器进行耐久性的测试，国外的研究比较少。
1.5课题的主要研究容
本设计主要针对汽车ABS车轮转速传感器的耐久性进行测试,主要是对其轮速信号进行检测，判断所测信号频率是否在一定围，让用户更方便的了解车轮转速传感器的工作状态，从而更详细的了解汽车的重要安全设施ABS的工作情况。
本系统采用AT89C52单片机，利用单片机，多路转换开关，电压比较器LM339和液晶显示屏SMG24064来实现系统的检测与监控功能。
研究容如下：
（1）利用AT89C52单片机作为主控制器；
（2）轮速信号的整形滤波电路的设计；
（3）测量轮速传感器输出信号频率的硬件设计；
汽车ABS车轮转速传感器耐久性试验台将实现以下功能：
（1）整形与滤波：
模块对轮速信号进行整形滤波，将正弦信号转化为方波信号。
（2）检测功能：
通过频率检测，能分析所得信号频率是否在所要求的围。
（3）轮速传感器监控与报警：
模块能对轮速传感器工作状态进行监控与报警并能显示其持续工作时间。
2汽车ABS轮速传感器耐久性试验台设计原理
汽车ABS轮速传感器耐久性测试系统采用AT89S52单片机作为主控制器，利用单片机，多路转换开关CD4052，电压比较器LM339和液晶显示屏SMG24064来实现系统的检测与监控功能。
2.1ABS轮速传感器的产品及工作原理
为了更好的了解轮速传感器在ABS中的作用以及对本课题的研究，有必要对轮速传感器的产品及工作原理进行介绍。
轮速传感器，又称转速传感器，转速属于一常规电测参数。
测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的。
但这种传感器存在一些缺点：
第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此
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