现代汽车电控系统课程设计张程.docx

重庆邮电大学移通学院

审定成绩：____________

现代汽车电控系统课程设计

设 计 题 目: 汽车巡航控制系统的设计

单 位（系别）：自动化系
学 生 姓 名：张 程
专 业：电气工程与自动化
班 级：05131202
学 号：2012212752
指 导 教 师：张 姣_______ __

填表时间： 2015年09月

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摘要

 汽车巡航控制系统是一种汽车辅助驾驶系统，汽车巡航控制系统的主要组成部分包括控制器、传感器、操作开关等，驾驶员通过控制器输入命令信号，根据实际需求对目标车速进行设定，而汽车的实际车速通过传感器，反馈给控制器，通过对目标车速和实际车速的对比，对节气门的执行器进行调节，从而使得车速保持稳定，按照目标车速行驶。驾驶员将不需要操控油门，只要把住方向盘就可以了，从而大大减轻了驾驶员的疲劳强度和节省了燃油，同时还能减少交通事故的发生，系统即可自动控制汽车恒速行驶。因此，汽车巡航系统又称为“恒速控制系统”。
本设计根据巡航控制系统的工作原理，从多方面进行了分析、计算。对巡航控制系统的主要零部件进行了设计，在认真分析了巡航控制系统的基本原理，确定了输入输出信号以后，提出了一种闭环控制的巡航控制系统设计方案。由车速传感器采集的车速信号和设定车速的差值作为输入量，实际车速作为输出量。对整个巡航控制系统的电路原理图进行了设计。最后根据所设计的电路原理图和本设计要实现的功能画出了程序流程图，编辑了巡航控制系统的主要程序。本文基本上对汽车巡航控制系统的主要部件做出了比较完整的设计，使巡航控制系统能在普通型轿车得到应用。
【关键词】汽车巡航控制系统传感器工作原理 闭环控制

课程设计要求

题目：汽车巡航控制系统的设计
要求同学们先根据课题内容查找有关资料，包括教材、汽车电器手册、电子
电路的各种教科书、各种汽车说明书、汽车文献、专利资料等。通过阅读相关资料了解汽车巡航控制系统的概念，给汽车带来的好处。了解巡航控制系统的结构与工作原理，设计巡航控制系统，要明确设计该系统的目的，该系统的研究情况，设计系统的结构，每部分采用什么器件，器件的选型及工作原理，结合结构描述系统的工作原理，如何实现巡航控制。
设计要求：
1、 设计报告要包括：设计题目、设计要求，以及课程设计内容。
2、 课程设计内容要包括：摘要、目录、绪论、正文、设计的心得体会与收获，以及设计中阅读的参考文献，正文要包括设计的意义、该系统的研究现状、本文的设计要求，系统结构、工作原理、硬件设计（包括各部分器件选型）及软件设计（控制方法）。
3、 文中的框图及流程图用visio画，电路图用protel画。
4、 文中用到的公式用公式编辑器写。
5、 时间充裕者可用proteus进行某些功能的仿真。

目录

第一章汽车巡航系统的概述 5
第一节简介 5
第二节汽车巡航系统的基本结构 5
一、汽车巡航控制系统的类型 5
二、巡航控制系统的组成 5
三、汽车巡航控制系统的功能 6
四、汽车巡航控制系统的特点 7
第二章巡航控制系统的原理 8
第一节巡航控制系统的基本控制 8
第二节巡航控制系统的工作原理 9
第三章巡航控制系统设计 11
第一节 元器件工作原理 11
一、节气门工作原理 11
二、巡航控制开关工作原理 11
三、开关量信号采集电路的设计 12
四、传感器工作原理 13
五、电控单元工作原理 14
六、执行器工作原理 14
七、微处理器的选择 14
八、电源电路的设计 15
九、开关量信号采集电路的设计 16
十、车速信号采集电路的设计 17
第二节 系统软件设计 18
第三节　如何实现巡航控制 19
总结 20
参考文献 21

第一章汽车巡航系统的概述

第一节简介
汽车巡航控制系统，根据其特点又被称为巡航行驶装置、速度控制(SpeedControl)系统、自动驾驶(Auto-Drive)系统等。目前，汽车巡航控制系统分为巡航控制和自适应巡航控制两大类，后者是前者功能的延伸和扩展。
早在1965年，日本本田汽车公司就已经开始在汽车上使用机械式巡航控制系统。随后不久，德国VDO公司研制成功了气动机械式巡航控制系统。1968年德国奔驰公司开发成功了由分立电子元件组成的巡航控制系统，并装备在莫克利汽车上。到20世纪70年代中期，汽车上已普遍采用模拟计算机控制的巡航控制系统。从1981年开始，汽车便开始数字计算机控制的巡航系统。目前，汽车已普遍采用数字计算机控制的电子控制巡航系统。
汽车巡航控制系统也称为速度控制系统或自动驾驶系统，汽车巡航控制系统实质上就是为减轻驾驶员劳动强度，提高行驶舒适性，保证汽车和发动机都在有利速度范围内运行的自动控制系统。

第二节汽车巡航系统的基本结构
一、汽车巡航控制系统的类型
1. 机械控制系统
2. 晶体管控制系统
3. 模拟集成控制电路系统
4. 微机控制系统
5. 新型汽车基本上都采用了微机控制的汽车巡航控制系统。
二、巡航控制系统的组成
巡航控制系统的基本组成主要有：巡航控制开关、车速传感器、电控单元和执行器四部分。巡航控制系统的组成如图1-1所示。

图1-1
巡航控制系统主要由指令开关、传感器、ECU和执行器组成。ECU有两个信号输入，一个是驾驶员按要求设定的指令速度信号，一个是实际行车中车速的反馈信号。控制器检测到这两个输入信号间的误差后，产生一个送至油门执行器的油门控制信号，从而使油门执行器根据油门控制信号来调节发动机油门的开度，以修正电子式控制装置所检测到的误差，从而使车速保持恒定
三、汽车巡航控制系统的功能
巡航控制系统主要有如下功能：
1. 车速设定。当按下车速设置开关后，就能存储该时间的行驶速度，并能保持这一速度行驶。
2. 消除功能。当踩下制动踏板，上述功能立即消失。但是，上述设置速度继续存储。
3. 恢复功能。当恢复开关则恢复原来存储的车速。
4. 滑行。持续按下开关进行加速，以离开开关时的速度作巡航行驶。
5. 加速。持续按下开关进行加速，以不操纵开关时的车速进入巡航行驶。
6. 速度微调升高。在巡航速度行驶中，当操纵开关以ON~OFF方式变换时使车速稍稍上升。
7. 低速自动消除功能。当车速小雨40Km/h时，存储的车速消失，并不能在恢复此速度。
8. 制动踏板消除功能。在制动踏板上装有两种开关，一个哟节能与对ECU的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。
9. 各种消除开关。除了利用制动踏板消除功能外，还有驻车制动、离合器（M/T）、调速杆。
汽车巡航系统的故障保险功能：
1. 低速自动消除功能 当车速小于设定安全速度时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。 
2. 各种消除开关 消除开关主要有两种，一种用于计算机信号的消除，如消除开关，一种是直接使执行原件停止工作。如离合器、手制动等操作开关的消除作用
四、汽车巡航控制系统的特点
一、巡航控制系统如果在安装与偶自动变速器的汽车上使用。更能发挥其有点。汽车巡航控制系统的主要有点是：
1. 保持车速稳定，无论由于风力和道路坡度引起汽车的行驶阻力怎么变化，只要在发动机功率允许范围内，汽车的行驶速度便可保持不变。
2. 提高汽车行驶时的舒适性。
提高经济性和环保性，在同样的行驶条件下，对一个有经验的驾驶员来说，可节省燃油15%。在巡航控制系统中使用速度稳定器后，可使发动机燃料的供给与功率之间处于最佳的配合，降低了燃油消耗率，大大减少了排气中有害气体成分。延长发动机寿命，可使汽车工作在发动机有利转速范围内，使汽车的供油与发动机功率处于最佳状态。汽车巡航控制系统发展至今已有30多年的历史，经历了机械控制、晶体管控制、模拟式微机控制和数字式微机控制4个阶段。

第二章 巡航控制系统的原理

第一节巡航控制系统的基本控制

在巡航控制系统中，电子控制装置可以根据行驶阻力的变化自动调节发动机节气门的开度，使行驶车速保持恒定，电子巡航控制系统的基本控制原理方框图。如图2-1

图2-1
控制器有两个输入信号，一个是按驾驶员要求选定的设定车速信号，另一个是汽车的实际车速的反馈信号。电子控制器检测这两个输入信号之间的误差后，产生一个送至节气门执行器的节气门控制信号。节气门执行器根据接收的控制信号调节发动机节气门开度以修正电子控制器所检测到的误差，从而使车速保持恒定。实际车速由车速传感器测得并转换成与车速成正比的电信号反馈至电子控制器。在实际控制时，车速误差不能真正降低到零，而是保持在一定的误差范围内，因为当车速误差为零时，行驶阻力的微小变化都将引起节气门开度的变化，容易产生游车。 
通常，将一般情况下车辆在平坦路面上行驶时车速与节气门开度的关系存储在巡航控制系统的电控单元中，以供巡航系统调用。

第二节巡航控制系统的工作原理

电子巡航控制系统主要由控制开关、传感器、巡航控制电控单元(CCS ECU)和执行机构等组成。电子巡航控制系统的构造与零部件布置图如图。如图2-2

图2-2
汽车电子巡航控制系统的各部分结构与工作原理分述如下： 
1.巡航控制开关 巡航控制开关主要由巡航开关、制动开关、离合器开关(仅对手动变速器汽车)或空档启动开关(对于自动变速器汽车)等组成。 
巡航开关是供驾驶员操作巡航控制系统的一套开关，一般安装在转向信号手柄上或方向盘上。它主要由“接通(ON)”、“设置/加速(SET/ACC)”、“恢复/减速(RES/DEC)”和“取消(CANCEL)”等组成。将开关置于“接通”位置时，允许使用巡航系统。当按下“设置/加速”开关时，车辆以此时车速作为巡航车速恒速行驶，而按下“设置/加速”开关不动时，车辆就不断加速，松开按钮， 
系统就按照按钮松开时的设定车速保持恒速行驶。当因踩制动踏板、踩离合器或换挡而使巡航功能消除时，按下“恢复/减速”开关则车速自动恢复到解除巡航时设定的车速值，而按下“恢复/减速”开关不动，车辆就不断减速。当按下“取消”开关时，巡航状态被解除。
2.传感器 巡航控制系统的传感器部分主要包括节气门位置传感器和车速传感器，其功能分别为向巡航控制电控单元提供节气门开度信号和汽车行驶速度信号。 
车速传感器通常与车速里程表驱动装置相连接，或与自动变速器电子控制系统和发动机电子控制系统共用一个车速传感器。如果车速表是电子式的，车速表传感器给出的信号可以直接用作汽车巡航控制系统的反馈信号，因而不必为巡航控制系统另外设置传感器。因实际车速与变速器输出轴的转速成正比，所以专门用于巡航控制系统的车速传感器一般被安装在汽车变速器的输出轴上。车速传感器有光电式、霍尔感应式、磁阻式等多种结构形式，其中最简单且最常用的是磁阻式。设计或选择车速传感器时有一点非常重要，即传感器的频率响应应该大大高于整个系统的频率响应，以免传感器对系统的频率产生很大影响。 
3.巡航控制电控单元(CCS ECU) 巡航控制电控单元是整个巡航控制系统的中枢，它的作用是接收传感器和开关等信号，将信号处理后，产生输出控制信号，驱动执行机构动作，以实现车辆的恒速行驶。电控单元分模拟式电子控制器和数字式电子控制器两种形式。 
进入二十世纪八十年代后，美国、日本的电子巡航控制系统已全部采用数字技术控制器。与模拟系统相比较，数字电路的突出优点是系统中的信号以数字量表示，不会受工作温度和湿度的影响，因此工作稳定、可靠性高。汽车巡航控制器可以采用新近的大规模集成电路技术做成专用集成模块，也可以在微机上编程实现。特别是当汽车上别的系统已有控制用微机时，只需修改一下程序就可将此功能附加上去，因而可节省昂贵的控制硬件。 
4.执行机构 执行机构又被称为伺服器，其作用是接收巡航控制电控单元的控制指令信号，采用可以减速的直流电机以电动或气动方式驱动拉线盘，从而调节节气门开度，使车辆做加速、减速或恒速行驶。执行机构通常分为电动式和气动式两种。 

第三章 巡航控制系统设计

第一节 元器件工作原理

一、节气门工作原理
节气门的作用是控制发动机的进气流量，决定发动机的运行工况。驾驶员通过操作加速踏板来操纵节气门开度。加速踏板和节气门的连接方式有两种：刚性连接和柔性连接。传统油门采用刚性连接，即通过拉杆或拉索传动连接加速踏板和节气门的机械连接方式，因此节气门开度完全取决于加速踏板的位置，即驾驶员的操作意图，但从动力性和经济性角度来看，发动机并不总是完全处于最佳运行工况，而且驾驶员的误操作也给安全性带来隐患。在混合动力车中，由于发动机和电池组成多能源动力系统，刚性连接方式不能实现各动力源之间的能量分配管理，因此，它必将被柔性连接方式所取代。柔性连接方式取消了传统的机械连接，通过电控单元控制节气门快速精确地定位，因此又称为电子节气门。它的优点在于能根据驾驶员的需求愿望以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并具有牵引力控制、巡航控制等控制功能， 提高安全性和乘坐舒适性。
二、巡航控制开关工作原理
1主开关 

主开关(MAIN)是巡航控制系统的主电源开关，位于巡航控制开关的端部，为按键式开关。
2. 控制开关 
当向下推控制开关，设定/减速(SET/COAST)开关接通；当向上推控制开关，恢复/加速(RES/ACC)开关接通；当向后拉控制开关，取消开关(CANCEL)接通。
3.退出巡航控制开关 
除取消开关外，还包括制动灯开关、驻车制动开关、离合器开关 和空挡启动开关。 
(1)制动灯开关 
开关B为常闭开关，当踏下制动踏板时，开关B断开，直接切断巡航控制ECU对巡航控制执行器的控制电路，确保巡航系统停止工作。 
(2) 驻车制动开关 
当使用驻车制动器时，将驻车制动信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU将取消巡航系统的工作。 
(3) 离合器开关 
当踏下离合器踏板时（手动变速器），离合器开关接通，将取消信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU将取消巡航控制系统的工作。 
(4) 空挡启动开关 
当将变速杆移至N(空挡)位时（自动变速器），空挡启动开关接通，将取消信号送至巡航控制ECU，巡航控制ECU将取消巡航控制系统的工作。
三、开关量信号采集电路的设计
在汽车巡航控制系统中，许多控制量都为开关量，即当开关动作时80C51芯片识别高、低电平，并作出相应的控制反应。巡航控制开关主要包括主控开关和制动开关。 
主控开关包括电源开关和巡航开关，其中巡航开关又由 “设置(SET)”、“恢复(RESET)”、“加速（ACC)”、“减速(COAST)”和“取消(CANCEL)”组成。各开关量信号经处理电路处理后分别输入至80C51的P0输入输出口，分别对应P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4引脚。巡航开关各按键均采用复位开关。 
制动开关包括手制动开关和脚制动开关两种。当按下制动开关时信号处理电路的输出为高电平，未按开关时输出为低电平，处理后的信号分别输入至80C51的P0.5和P0.6引脚。
信号处理电路如图 3-1所示。

图3-1信号处理电路图
四、传感器工作原理
车速传感器的输出信号可以是磁电式交流信号，也可以是霍尔式数字信号或者是光电式数字信号，车速传感器通常安装在驱动桥壳或变速器壳内，通过指针摆动来显示汽车行驶速度，或产生交变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线圈接线柱是传感器输出的端子，转化为电流振幅表示车速。
速度信号是巡航控制系统最重要的信号之一，一旦速度信号失常，巡航控制系统就不能正常运行，甚至发生事故。霍尔传感器选用的是Allegro公司的A3144，其三个引出线分别为电源线、地线和输出，A3114 的输出电压根据电机转速的不同，输出占空比不同的方波信号，此芯片的特点是： 
1)抗高温； 
2)高稳定度； 
3)反相电压保护； 
4)需求电压范围广，4.5～24V；
5)集成数字逻辑电路。 
车速信号采集电路如图3-2所示。

图3-2车速信号采集电路
五、电控单元工作原理
它是集成固化了大量的试验数据（发动机万有特性）在里边，这些特性表示发动机在各个工况下最佳的运行状态。当机器实际工作时，把各种传感器（车速传感器、节气门传感器等）检测到的信号通过与ECU中数据的对比，来指挥发动机工作。
六、执行器工作原理
电动式执行器主要由电动机、安全电磁离合器和位置传感器组成。电动机采用直流永磁式电动机，通过改变电动机中电流方向即可改变节气门转动方向。电动机转动时可带动执行元件控制臂转动，控制臂通过控制拉索改变节气门开度。为限定控制臂转动角度，电动机电路装有限位开关。在电动机与控制臂间装有安全电磁离合器。当进行巡航控制时，安全电磁离合器接合，此时电动机旋转可使节气门开度改变；若在巡航控制行驶阶段执行器或车速传感器发生故障，安全电磁离合器立即分离。在电动式执行器中还装有位置传感器，它是一个由滑动变阻器构成的电位计，用于检测执行器控制臂的转动位置，并将信号输入巡航控制ECU中。
七、微处理器的选择
微处理器决定了控制系统的软件开发以及硬件连接方式等一系列的问题，它是整个控制系统的核心部分。对于汽车巡航控制系统来说，在选择微处理器时不但要考虑到性价比等方面的因素，还要考虑到巡航控制系统的特点，即微处理器要有很宽的温度范围和巡航系统的功能完善等问题。本设计选用INTEL公司的80C52单片机。

图3-3

八、电源电路的设计
电源系统是汽车各系统设计的重要环节，如果电源设计不好再好的系统也不能正常发挥作用。现代汽车电气系统普遍采用 12V 电压，而在本设计中直流电机驱动芯片等的电压需求是 12V 和 5V、所以需要将汽车上电源的 12V 电压转变成 5V 电压。 
本设计采用LM7805三端稳压集成电路将汽车电源12V转变到 5V。 
用LM7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7806表示输出电压为正6V，LM7909表示输出电压为负9V。
LM7805集成稳压器的典型应用电路图如图 4-2 所示，是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。C1、C2、C3、C4分别为输入端和输出端滤波电容，R1为负载电阻。当输出电流较大时，LM7805应配上散热板。 
78**系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。

图3-4
九、开关量信号采集电路的设计  
在汽车巡航控制系统中，许多控制量都为开关量，即当开关动作时80C51芯片识别高、低电平，并作出相应的控制反应。巡航控制开关主要包括主控开关和制动开关。 
主控开关包括电源开关和巡航开关，其中巡航开关又由 “设置(SET)”、“恢复(RESET)”、“加速（ACC)”、“减速(COAST)”和“取消(CANCEL)”组成。各开关量信号经处理电路处理后分别输入至80C51的P0输入输出口，分别对应P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4引脚。巡航开关各按键均采用复位开关。 
制动开关包括手制动开关和脚制动开关两种。当按下制动开关时信号处理电路的输出为高电平，未按开关时输出为低电平，处理后的信号分别输入至80C51的P0.5和P0.6的引脚。

图3-5
十、车速信号采集电路的设计
速度信号是巡航控制系统最重要的信号之一，一旦速度信号失常，巡航控制系统就不能正常运行，甚至发生事故。霍尔传感器选用的是Allegro公司的A3144，其三个引出线分别为电源线、地线和输出，A3114 的输出电压根据电机转速的不同，输出占空比不同的方波信号，此芯片的特点是： 1)抗高温； 2)高稳定度； 3)反相电压保护； 4)需求电压范围广，4.5～24V； 5)集成数字逻辑电路

图3-6

第二节 系统软件设计

为了使系统能够快速高效稳定地运行，合理的程序结构、良好的开发环境和软件设计思想是非常重要的。在系统软件的开发过程中，软件设计要保证控制的快速实时性、结构的合理性，并具有发生故障后的快速解脱和排除故障的能力。汽车巡航控制系统的软件整体结构图如图 3-7所示。

图4-2-1 巡航控制系统的主程序流程图
首先，对程序中所涉及到的各模块初始运行状态和相应的控制寄存器等进行初始化。然后，判断“恢复”键是否按下，如果按下则按照原先储存的目标车速巡航，如果没有按下“恢复”键则开始判断“设置”键是否按下。当“巡航”键按下，并且如果此时采样车速在 40km/h～180km/h 范围内，则进入循环执行的主体部分。当没有“加速”或“减速”键按下时，将采样车速设定为目标车速；当有“加速”或“减速”信号输入时，则将修改后的车速设定为目标车速。 
在确定目标速度后，采用模糊 PID 方法控制实际车速，当有“取消”或制动信号输入时，则结束巡航控制程序，否则进行主体部分的循环。
第三节　如何实现巡航控制
1、启动车速巡航车速
将滑动开关A置于ON位置可接通车速控制系统。
2、设定巡航车速
系统启动后，轿车达到所需车速时，按一下按钮B（SET），即可使轿车以此车速持续行驶。
设定巡航车速后，仍可按常规方法用油门踏板进行加速，松开油门踏板后，系统以将车速恢复至设定的巡航车速。但若加速后，车速超过巡航车速10公里/小时以上，并以此车速持续行驶5分钟以上，则必需重新设定巡航车速。
3、降低巡航车速
按压按钮SET，车速降低1.5公里/小时；若按住按钮，则轿车将持续降低车速，一但松开按钮，当时的行驶速度被储存在存储器内。
若在车速于40公里/小时则松开按钮SET，则存值即被删除，此时，若需要，可用按钮SET，在车速超过40公里/小时则重新设定巡航车速。
4、提高巡航车速
无需踩油门踏板，将滑动开关A拔至RES位置即可提高设定的巡航车速。
每按一次开关RES，车速提高1.5公里/小时：若按住开关，则轿车将持续提高车速，一旦松开开关RES，当时的行驶速度被储存在存储器内。
5、暂时关闭巡航控制系统
踩下制动踏板或离合器踏板，或将滑动开关拔至OFF位置，即可暂时关闭系统此时设定的巡航车速仍储存在存储器内。若需要恢复设定的巡航车速，松开制动踏板或离合器踏板，或将开关A 拔至RES即可。
若暂时关闭系统时未存储设定的巡航车速，则可按下述方法，滑动开关A设定一新的巡航车速。先将开关A拔至RES位置，并保持在该位置，直至达到需设定的车速。松开开关，即可将设定的车速储存在系统内。
6、完全关闭巡航控制系统
将滑动开关拔至OFF位置，或轿车处于静止状态时关闭点火开关，则系统将被完全关闭。

总结

通过本次的汽车电子课程设计，我完善了自己对汽车巡航控制的各个知识面，在完成的过程中通过与同学的讨论和对资料的查阅也让自己对各个方面有了更大的提高。
这次的课程设计让我对汽车的巡航系统产生了更加浓厚的兴趣，设计的过程中我查阅了很多的资料，从中了解了许多以前我没有注意到的知识，并且也让我对汽车有了更多的了解，同时培养了我和同学间的交流和默契，总之在这次课程设计中我收获了很多。此外在这次课程设计中，跟家熟练的掌握了visio、word、protel等软件基本操纵、为下一次毕业设计打下了良好的基础。

参考文献

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[2]麻友良，丁卫东.汽车电器与电子控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004
[3]苏玉刚.汽车AMT的系统设计和智能控制技术研究[D].重庆：重庆大学(硕士论文)，2004
[4]寇国瑗.汽车电子巡航控制系统（下）[J].汽车电器，1998