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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1引言
系統(tǒng)仿真是迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，隨著系統(tǒng)仿真的理論方法和應(yīng)用技術(shù)的研究和深入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對實(shí)際系統(tǒng)或假想的的系統(tǒng)進(jìn)行仿真的技術(shù)越來越受到人們的重視?？偨Y(jié)和回顧系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用歷史，系統(tǒng)仿真技術(shù)不僅在航天，航海，原子能，電力等領(lǐng)域進(jìn)一步提高了應(yīng)用水平，而且逐步發(fā)展到應(yīng)用于社會，經(jīng)濟(jì)，交通，生態(tài)系統(tǒng)等各個領(lǐng)域，已成為高科技產(chǎn)品從論證，設(shè)計(jì)，生產(chǎn)試驗(yàn)，訓(xùn)練到更新等生命周期各個階段不可缺少的技術(shù)手段，為研究和解決復(fù)雜的系統(tǒng)問題提供了有效的工具。
目前，電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用主要以微處理機(jī)對各種工作過程進(jìn)行控制為主要特征。微處理機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一種比較簡單、便宜的單片計(jì)算機(jī)。它把中央處理單元（CPU）、存儲器和輸入輸出接口電路集成在一塊芯片上。微處理機(jī)工作時(shí)，通過各種傳感器接受各種輸入信號，經(jīng)過分析、計(jì)算后再向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，控制機(jī)械裝置動作。由于汽車運(yùn)行時(shí)，發(fā)動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)的工作過程相當(dāng)復(fù)雜，因此，要對其進(jìn)行適時(shí)控制，傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)已力不從心，而微處理器在這方面卻能大顯身手。
在本仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本人主要是用單片機(jī)模擬各種傳感器信號，編寫傳感器信號發(fā)生程序。從而可以用此程序來實(shí)現(xiàn)汽車微處理機(jī)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，并且可以檢測微處理機(jī)的工作是否正常。
1.2課題研究的背景與意義
近２０多年來，隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，汽車工業(yè)和汽車技術(shù)取得了長足進(jìn)步。采用電子技術(shù)已經(jīng)成為解決汽車質(zhì)量與性能諸多問題中的最佳方案。應(yīng)用微機(jī)控制發(fā)動機(jī)的噴油與點(diǎn)火就是為了適應(yīng)社會對汽車排放法規(guī)與節(jié)能的要求。目前，多數(shù)轎車都已裝用發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)，對發(fā)動機(jī)各個系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制發(fā)動機(jī)的控制已由早期的模擬裝置發(fā)展成為微機(jī)控制的數(shù)字控制系統(tǒng)。在發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)中，微機(jī)不僅控制點(diǎn)火定時(shí)與噴油系統(tǒng)的空然比，還控制怠速轉(zhuǎn)速，爆燃，增壓壓力，近期和廢棄再循環(huán)以及變速器傳動諸多方面，還增加了自診斷系統(tǒng)，后備系統(tǒng)與保護(hù)裝置，提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性。
現(xiàn)代汽車工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入成熟的發(fā)展階段，世界各大汽車制造商為進(jìn)一步地爭奪汽車銷售市場，不斷加強(qiáng)開發(fā)投資力度，試圖以提高汽車安全性、降低能耗、改善舒適性和增加功能等來推動汽車工業(yè)向高附加值方向發(fā)展。汽車電子技術(shù)是汽車技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，汽車電子化被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命。在現(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，汽車已經(jīng)由單純的機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展為高級的機(jī)電一體化產(chǎn)品，成為所謂的“電子汽車”。
汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志。隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展, 現(xiàn)代汽車技術(shù)與電子技術(shù)、信息技術(shù)融合在一起, 汽車已成為現(xiàn)代科技的載體和結(jié)晶。據(jù)核計(jì)，目前平均每輛車上的電子裝備已經(jīng)占到整車成本的20%-30%，在一些豪華轎車上，使用單片微型計(jì)算機(jī)的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到50個，電子產(chǎn)品費(fèi)用占到整車成本的50%以上?？梢哉f,目前電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到汽車所有的系統(tǒng)并在提高汽車的操縱性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性和自動化程度等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在發(fā)達(dá)國家，汽車已經(jīng)進(jìn)入電子時(shí)代，汽車電子控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代汽車技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注和研究的重點(diǎn)問題。
由此可以看出，現(xiàn)代汽車已不再是傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品，其中汽車的機(jī)械部分的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了極致，汽車?yán)^續(xù)改進(jìn)的空間將集中在傳統(tǒng)汽車技術(shù)和電子技術(shù)的的結(jié)合上，汽車上70%的革新來自汽車電子技術(shù)及產(chǎn)品。然而，由于汽車運(yùn)行的環(huán)境多變，特別是發(fā)動機(jī)所處的環(huán)境惡劣，因此，由發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)引起的故障也相應(yīng)增多。據(jù)相關(guān)從事汽車維修多年的人員表示，現(xiàn)代汽車由于電控系統(tǒng)引起的故障大約占全車故障的70%，特別是新車。發(fā)動機(jī)電子燃油噴射是一項(xiàng)涉及面很廣的技術(shù)，它包括了傳感器技術(shù)、微處理技術(shù)、控制工程等多方面知識。并且，在汽車修理過程中，由于車系、車型的差別，維修人員判定傳感器元件信號及電子控制單元導(dǎo)致的故障很困難。這就給汽車維修和汽車教學(xué)帶來了很大的障礙。而現(xiàn)有的教學(xué)試驗(yàn)臺架絕大部分仍然基于傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，這是制約學(xué)生理論學(xué)習(xí)和提高實(shí)踐能力的一個重要原因。本設(shè)計(jì)通過對發(fā)動機(jī)電子控制部分實(shí)施改制，使之形成可以脫離發(fā)動機(jī)本體試驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用相應(yīng)傳感器來模擬實(shí)際運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)故障診斷，通過故障代碼的分析，查找并排除故障。研制出一套對汽車電子控制系統(tǒng)診斷準(zhǔn)確、操作方便、快速經(jīng)濟(jì)的故障診斷系統(tǒng)，從而把理論教學(xué)與實(shí)踐過程有機(jī)地結(jié)合起來，使理論教學(xué)更直觀，實(shí)踐過程更容易。
1.３ 國內(nèi)外汽車電子系統(tǒng)的半實(shí)物研究狀況
我國仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用開展得比較早，發(fā)展迅速。80年代就建設(shè)了一批水平高、規(guī)模大的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，如射頻制導(dǎo)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)、工程飛行模擬等等，主要應(yīng)用于軍事用途。目前半實(shí)物仿真在工業(yè)、交通優(yōu)化逐步開始應(yīng)用，同時(shí)，半實(shí)物仿真技術(shù)已成為國內(nèi)汽車工程師研究的熱點(diǎn)，已滿足應(yīng)用設(shè)計(jì)周期的縮短、產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高、開發(fā)及設(shè)計(jì)費(fèi)用的減少的要求。
在國外，汽車公司的工程師感到他們需要一種替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的新途徑。他們曾經(jīng)嘗試過的方法所遇到的主要問題還是硬件原型的不完備，整個設(shè)計(jì)在工程化時(shí)需要重新設(shè)計(jì)和重新編程。因此汽車公司的工程師開始尋找一種新的方法來填補(bǔ)傳統(tǒng)與現(xiàn)代的汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)之間的空白，使得需求定義者控制器設(shè)計(jì)人員有一個共同的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
故障診斷(Diagnostics)，是指確定故障的起因，即在不拆卸發(fā)動機(jī)本體或僅拆下個別零件的條件下，查找故障零件部位和查明故障原因的過程。診斷技術(shù)，是指能用于發(fā)現(xiàn)和分析故障元件及故障區(qū)域的技術(shù)。按故障診斷技術(shù)從無到有，與電控燃油噴射技術(shù)的發(fā)展水平相對應(yīng)的診斷技術(shù)可分為人工經(jīng)驗(yàn)診斷、簡單儀器診斷、精密監(jiān)測診斷和人工智能診斷四個階段。
人工經(jīng)驗(yàn)診斷：20世紀(jì)50年代以前，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)較簡單，電控燃油噴射系統(tǒng)還沒有應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)，通過簡單的測試儀表，如轉(zhuǎn)速表、氣壓表、真空表電壓表、電流表等，或者是判定發(fā)動機(jī)是否有異響、是否過熱、有異味等情況。再依靠人工經(jīng)驗(yàn)來完成對的發(fā)動機(jī)故障診斷工作。目前，人工經(jīng)驗(yàn)診斷方法對某些復(fù)雜故障的診斷仍十分有效。
簡單儀器診斷：20世紀(jì)50年代初至70年代末，由于汽油噴射系統(tǒng)開始應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)，傳感器、微處理器技術(shù)、控制工程技術(shù)也隨之在汽車發(fā)動機(jī)上得到應(yīng)用。因此，在汽油噴射系統(tǒng)故障診斷過程中就必須借助相關(guān)傳感器、微處理器及示波器等儀器設(shè)備對發(fā)動機(jī)的工況進(jìn)行檢測，以判定其工作性能的好壞。
精密監(jiān)測診斷：20世紀(jì)80年代初至90年代初，電子技術(shù)的進(jìn)步，對電控燃油噴射系統(tǒng)的控制內(nèi)容更加全面，控制程度更加精確。隨之，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的各種精密診斷設(shè)備得到了快速的發(fā)展，對電控發(fā)動機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確率也有了很大提高。如各種發(fā)動機(jī)分析儀、點(diǎn)火正時(shí)儀、電腦檢測儀以及各種電子化檢測儀表等都是進(jìn)行精密檢測所必備的儀器。
人工智能診斷：20世紀(jì)90年代開始，由于汽車電控燃油噴射技術(shù)的不斷完善，而且車型及其控制技術(shù)又不盡相同。因此，在汽車維修中，故障診斷就成為關(guān)鍵性問題。應(yīng)用人工智能理論與技術(shù)以及現(xiàn)代的信息技術(shù)開發(fā)出的各種故障系統(tǒng)將有助于電控燃油噴射系統(tǒng)故障診斷問題的解決。
1.4半實(shí)物仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來，一些新的科學(xué)分支的出現(xiàn)和發(fā)展及其在設(shè)備故障診斷中的成功應(yīng)用，為汽車故障診斷技術(shù)的發(fā)展開拓了新的途徑。由于汽車電子化的趨勢是從整體上來設(shè)計(jì)全車的控制系統(tǒng)，因此，現(xiàn)代故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)正向著故障專家系統(tǒng)、人工智能故障診斷系統(tǒng)方面發(fā)展，開發(fā)要求是：具有在線更新自診斷功能、故障預(yù)測功能、自我保護(hù)功能，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線信息資源的交流與共想。
1.5本半實(shí)物仿真系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容
（1）半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：具有較強(qiáng)的演示功能，可以實(shí)現(xiàn)隨車故障診斷以及針對不同電子控制系統(tǒng)元件進(jìn)行信號測試；
（2）控制面板的設(shè)計(jì)：能夠?qū)崿F(xiàn)與大眾車系不同測試車輛控制系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)車輛控制信號測試；
（3）車用傳感器信號程序編制：編制曲軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等車用傳感器信號，并進(jìn)行調(diào)試；
（4）實(shí)現(xiàn)相關(guān)教學(xué)功能，可以進(jìn)行噴油和點(diǎn)火演示，使學(xué)生能夠直觀看到發(fā)動機(jī)的噴油和點(diǎn)火，并對不同的演示現(xiàn)象進(jìn)行必要的分析。
第2章 大眾GTX發(fā)動機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)研究
2.1汽車電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用
汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志，現(xiàn)代汽車電子控制技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性, 改善了行駛的穩(wěn)定性和舒適性, 推動了汽車工業(yè)的發(fā)展, 還為電子產(chǎn)品開拓了廣闊的市場, 從而推動了電子工業(yè)的發(fā)展。因此, 發(fā)展汽車電子控制新技術(shù), 加快汽車電子化速度, 是振興和發(fā)展汽車工業(yè)的重要手段。
2.1.1 汽車電子技術(shù)的發(fā)展
世界汽車電子技術(shù)的發(fā)展過程在不同的資料介紹中略有不同，但按照時(shí)間順序大致可以分為以下三個階段：
第一階段 （1960～1975年）：20世紀(jì)60年代晶體管收音機(jī)、晶體管點(diǎn)火裝置的實(shí)用化揭開了電子化時(shí)代的序幕，主要產(chǎn)品有交流發(fā)電機(jī)、電子電壓調(diào)節(jié)器、電子點(diǎn)火控制器等。
第二階段 （1975～1985年）：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車進(jìn)入了微機(jī)控制時(shí)代，汽車上廣泛應(yīng)用集成電路和16位以下的微處理器。
第三階段 （1985年～現(xiàn)在）：高科技的迅速發(fā)展時(shí)期，汽車電子產(chǎn)品的研制開發(fā)競爭十分激烈，主要側(cè)重于汽車性能的進(jìn)一步提高、各種功能的進(jìn)一步完善及減少汽車的質(zhì)量，開始使用32位微處理器。
2.1.2發(fā)動機(jī)功率和排放的閉環(huán)控制系統(tǒng)
電子點(diǎn)火正時(shí)：電子點(diǎn)火正時(shí)是利用專用微機(jī)或大規(guī)模芯片實(shí)行對點(diǎn)火時(shí)刻的最佳控制, 它的關(guān)鍵部件是高精度曲軸位置傳感器、負(fù)荷傳感器、排氣含氧量傳感器、爆然傳感器、進(jìn)排氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器等。
電子控制燃油供給系統(tǒng)。目前使用最普遍的是電子汽油噴射系統(tǒng), 其次是電子式化油器和柴油發(fā)動機(jī)的電子控制等。它們的關(guān)鍵部件除與電子點(diǎn)火正時(shí)系統(tǒng)相同外, 還包括進(jìn)氣流量傳感器、燃油泵和噴油嘴。電子技術(shù)在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用往往是綜合性的, 這樣才易于降低成本, 提高性能。如日本日產(chǎn)汽車公司生產(chǎn)的ECCS系統(tǒng)就同時(shí)具有點(diǎn)火正時(shí)、汽油噴射、廢氣再循環(huán)、怠速控制系統(tǒng)及故障診斷等多種功能。
2.1.3 汽油機(jī)電子綜合控制系統(tǒng)
汽油機(jī)電子控制裝置除完成一般的電子控制汽油噴射裝置的起動噴油量控制、伺服噴油量控制、暖車工況控制外, 還能實(shí)現(xiàn)空燃比反饋控制、點(diǎn)火控制、排氣再循環(huán)控制和二次空氣供給控制、怠速控制等。此外, 新型汽油機(jī)電子控制裝置還裝有自適應(yīng)控制, 智能控制及故障自診斷操作等。汽油機(jī)電子綜合控制已將發(fā)動機(jī)的工作控制在最佳的運(yùn)行狀態(tài)。
此外，電子技術(shù)還應(yīng)用于柴油機(jī)綜合控制系統(tǒng)、汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系、主動懸架、通訊導(dǎo)航、娛樂和乘坐舒適性等方面。
2.2半實(shí)物仿真系統(tǒng)的原理
半實(shí)物仿真系統(tǒng)是一種硬件在線實(shí)時(shí)技術(shù)，它把實(shí)物利用計(jì)算機(jī)接口嵌入到軟件環(huán)境中去，并要求系統(tǒng)的軟件和硬件都要實(shí)時(shí)運(yùn)行，從而模擬整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用半實(shí)物仿真研究汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)能大大加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度，降低成本。本文的目的就是利用實(shí)物實(shí)時(shí)仿真技術(shù)驗(yàn)證發(fā)動機(jī)電子控制控制用的邏輯、算法以及確定各種控制參數(shù)，模擬發(fā)動機(jī)外部物理環(huán)境來調(diào)試、檢測發(fā)動機(jī)性能。
2.2.1半實(shí)物仿真系統(tǒng)的工作流程一般如下
用戶在進(jìn)行實(shí)物仿真系統(tǒng)時(shí)，一般要進(jìn)行“瀑布式”的過程：對實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行建模、進(jìn)行純數(shù)學(xué)建模、對模型進(jìn)行修改、設(shè)計(jì)定型、將模型中部分?jǐn)?shù)學(xué)化的模型用實(shí)物代替作半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真、再修改模型進(jìn)行仿真，最后確定模型。
2.2.2實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的基本組成與原理
半實(shí)物仿真系統(tǒng)屬于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。他是一種硬件在線實(shí)時(shí)技術(shù)，他把實(shí)物利用計(jì)算機(jī)接口嵌入到軟件環(huán)境中去，并要求系統(tǒng)的軟件和硬件都要實(shí)時(shí)運(yùn)行，從而模擬整個系統(tǒng)的運(yùn)行，從而模擬整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)一般由以下幾部分組成。
（1）仿真計(jì)算機(jī)
仿真計(jì)算機(jī)是實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的核心部分，它運(yùn)行實(shí)體對象和仿真環(huán)境的模型和程序。一般來說，采用層次化、模塊化的建模法，將模塊化程序劃分為不同的速率塊，在仿真計(jì)算機(jī)中按速率塊實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行。
（2）物理效應(yīng)設(shè)備
物理效應(yīng)設(shè)備的作用是模擬復(fù)現(xiàn)真實(shí)世間的物理環(huán)境，形成仿真環(huán)境或成為虛擬環(huán)境。物理效應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑多種多樣。
（3）接口設(shè)備
仿真計(jì)算機(jī)輸出的驅(qū)動信號經(jīng)變換后驅(qū)動相應(yīng)的物理效應(yīng)設(shè)備。接口設(shè)備同時(shí)將操作人員或?qū)嵨锵到y(tǒng)的控制輸入信號到仿真計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真。
2.2.3電子控制燃油噴射的基本原理
由內(nèi)燃機(jī)原理知，汽油和空氣必須按一定比例組成的混合氣進(jìn)入氣缸后，才能容易點(diǎn)燃和完全燃燒。理論上完全燃燒一定量的汽油所需的空氣量，可以用化學(xué)當(dāng)量比進(jìn)行計(jì)算。按質(zhì)量計(jì)，對汽油來說，空氣與汽油的比例為14.7：1。
一般用α表示過量空氣系數(shù)，即：
α=
α=1時(shí)稱為標(biāo)準(zhǔn)混合氣，α﹤1稱為濃混合氣，α﹥1稱為稀混合氣。
電子控制汽油噴射裝置（EFI），就是利用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確地控制發(fā)動機(jī)所需的燃油量，保證發(fā)動機(jī)在各種工況下的混合氣的空燃比都在規(guī)定的范圍之內(nèi)。控制器綜合各種不同傳感器送來的信息作出判斷，控制噴嘴以一定的壓力，正確、迅速地把燃油噴射到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管里，與吸入的空氣混合后，進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸，同時(shí)配合電子控制點(diǎn)火在最佳時(shí)刻點(diǎn)燃可燃混合氣。圖3.1所示是電子控制燃油噴射系統(tǒng)的基本原理圖。
汽 油 泵
噴 油 嘴
壓力調(diào)節(jié)器
汽 油 箱
發(fā) 動 機(jī)
傳 感 器
控 制 器
圖 3.1 電子控制汽油噴射的基本原理方框圖
2.2.4 電子控制燃油噴射系統(tǒng)的組成
電控汽油噴射系統(tǒng)主要由燃油供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。
1、燃油供給系統(tǒng)
燃油供給系統(tǒng)的作用是將燃油從油箱中吸出，經(jīng)過加壓濾清后由噴油嘴向發(fā)動機(jī)缸體中噴射。主要由汽油箱、汽油濾清器、電動汽油泵、壓力調(diào)節(jié)器、電磁噴油器等組成。
汽油在電動汽油泵的壓力作用下從油箱中泵出，再經(jīng)濾清器除去氧化鐵、粉塵等固體夾雜物后由燃油管輸送到壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)油壓，使燃油壓力始終高于進(jìn)氣管壓力約0.3Mpa,然后經(jīng)汽油分配管送給各缸電磁噴油器，電磁噴油器根據(jù)發(fā)動機(jī)控制單元的指令將汽油適時(shí)地噴入進(jìn)氣管中。
2、空氣供給系統(tǒng)
空氣供給系統(tǒng)的任務(wù)是按發(fā)動機(jī)各工況的需要，適時(shí)地提供足夠的空氣，并測量進(jìn)入氣缸的空氣量?？諝饬渴怯呻娍貑卧ㄟ^進(jìn)氣壓力傳感器測出的壓力和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器測出的曲軸轉(zhuǎn)速計(jì)算求得。它主要由空氣濾清器、空氣流量計(jì)、節(jié)氣門控制單元、進(jìn)氣歧管等組成。
發(fā)動機(jī)從外界吸入的空氣，經(jīng)空氣濾清器除去雜質(zhì)后，再由節(jié)氣門根據(jù)相關(guān)工況對其進(jìn)氣量進(jìn)行控制，將足夠的空氣量通過進(jìn)氣歧管與燃油混合后或直接送入發(fā)動機(jī)。
3、控制系統(tǒng)的組成和控制原理
控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)發(fā)動機(jī)工況和車輛運(yùn)行狀況確定汽油的最佳噴射量和噴射時(shí)刻，使發(fā)動機(jī)即可獲得較大的動力，又可具備良好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)又能滿足排放的要求。該系統(tǒng)主要由ECU、傳感器和執(zhí)行器組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖3.2所示。
傳感器
I/O
CPU
存儲器
執(zhí)行器
模
擬
信
號
數(shù)
字
信
號
輸出回路
轉(zhuǎn)換器
輸入信號
輸入信號
ECU
圖3.2 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
電子控制單元是電子控制系統(tǒng)的核心部件，它主要由輸入回路、A/D轉(zhuǎn)換器、微型計(jì)算機(jī)和輸出回路等四部分組成。其基本功能如下：
（１）給傳感器提供基準(zhǔn)電壓，將所需輸出的信息轉(zhuǎn)變成控制單元所能接受的信號；
（２）接受傳感器或其他裝置輸入的各種信息；
（３）進(jìn)行存儲、計(jì)算、分析處理信息；存儲該車的特征參數(shù)；計(jì)算出輸出值；存儲運(yùn)算中的數(shù)據(jù)；存儲故障信息；
（４）運(yùn)算分析。根據(jù)信息參數(shù)求出執(zhí)行命令數(shù)值，并將輸出信息與標(biāo)準(zhǔn)值比較；
（５）輸出執(zhí)行命令，把弱信號變?yōu)閺?qiáng)的執(zhí)行命令；
（６）自我修正、自我保護(hù)和自診斷功能；
微機(jī)利用數(shù)字控制，能在較短的時(shí)間內(nèi)處理很多信號，且具有上述功能，能夠進(jìn)行高精度的發(fā)動機(jī)控制。
進(jìn)氣溫度傳感器：它是一個負(fù)溫度系數(shù)電阻，即溫度升高阻值下降。它安裝于進(jìn)氣管道上，是檢測發(fā)動機(jī)吸入空氣的溫度的傳感器。由于吸入空氣溫度的變化會引起空氣密度發(fā)生變化，因此需要進(jìn)行燃油噴射量修正。將進(jìn)氣溫度轉(zhuǎn)變成電信號，送給控制單元，用于各種控制功能的修正。如果該信號中斷，控制單元將啟用一個替代值，但不能準(zhǔn)確感知進(jìn)氣溫度，會導(dǎo)致熱啟動困難，排放升高等故障。
冷卻水溫傳感器也是一個負(fù)溫度系數(shù)電阻，它安裝在發(fā)動機(jī)節(jié)溫器處，直接與發(fā)動機(jī)冷卻水接觸。溫度越低阻值越大，并將冷卻液溫度的高低，轉(zhuǎn)變成電信號，輸出給電控單元，從而控制供油加濃量、點(diǎn)火正時(shí)和怠速轉(zhuǎn)速。該信號是一個較重要的修正信號，如果該信號中斷，控制單元將啟用一個替代值，但不能準(zhǔn)確感知冷卻水溫度，將會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)冷熱啟動困難、油耗增加、怠速自適應(yīng)差、排放升高等故障。
空氣流量計(jì)：空氣流量計(jì)安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門體之間，用來精確地測定吸入發(fā)動機(jī)中的空氣量的多少，作為決定基本噴油量的參數(shù)，確保發(fā)動機(jī)在各種工況下都能獲得最佳的空燃比。根據(jù)測量原理不同，可分為葉片式、卡門渦流式、熱線式和熱膜式等幾種。當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)，可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降、運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)、油耗增加等故障。
節(jié)氣門位置傳感器：節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門體上，是檢測節(jié)氣門開度的傳感器，有線性輸出型和開關(guān)量輸出型兩種形式。它把節(jié)氣門打開的角度轉(zhuǎn)換成電壓信號送到ECU，在節(jié)氣門不同開度下進(jìn)行油量控制，怠速觸點(diǎn)信號用于斷油控制和點(diǎn)火提前角的修正。
氧傳感器：氧傳感器安裝在三元轉(zhuǎn)化器前面和排氣支管或排器管內(nèi)，用來檢測排氣中的氧含量，以確定實(shí)際空燃比與理論空燃比相比是稀還是濃，并向ECU反饋相應(yīng)的電壓信號，ECU根據(jù)此信號，控制噴油量的增加或減少，從而實(shí)現(xiàn)空燃比反饋控制。癢傳感器有氧化鋯和氧化鈦兩種，當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)動機(jī)的排放會增加。
執(zhí)行器有主繼電器和短路繼電器，用來控制系統(tǒng)和燃油泵的電源。
2.3 點(diǎn)火系的組成及原理
現(xiàn)代汽車中的普遍使用了電子點(diǎn)火系統(tǒng)，使點(diǎn)火時(shí)間的控制精度和可靠性發(fā)生了巨大的變化。電子點(diǎn)火系統(tǒng)主要有三大部分組成：檢測發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況的傳感器；處理信號并發(fā)出工作指令的ECU；執(zhí)行ECU指令的執(zhí)行器，包括點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈、分電器和火花塞等等。
發(fā)動機(jī)工作期間，各種傳感器分別將每瞬間發(fā)動機(jī)曲軸位置和轉(zhuǎn)速、負(fù)荷（進(jìn)氣歧管壓力）以及冷卻水溫度等工況信號輸入ECU中。CPU根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信號，在存儲器ROM中檢查到與發(fā)動機(jī)所處工況下對應(yīng)的最佳基本點(diǎn)火提前角和初級線圈通電時(shí)間（閉合角），并根據(jù)冷卻水溫度等信號查出相應(yīng)的點(diǎn)火提前角修正值。據(jù)此，由CPU計(jì)算出最佳的點(diǎn)火提前角，再根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角和曲軸位置傳感器判別出曲軸位置、轉(zhuǎn)角及第幾缸處于壓縮上止點(diǎn)，向點(diǎn)火器發(fā)送點(diǎn)火正時(shí)信號，按所需的通電時(shí)間，先控制功率三極管接通點(diǎn)火線圈電路，經(jīng)一段最佳通電時(shí)間，使一次電流達(dá)到飽和后，再切斷初級線圈電路，在次極線圈中感應(yīng)產(chǎn)生高壓電，直接送往相應(yīng)的火花塞，點(diǎn)燃混合氣。
在點(diǎn)火控制系統(tǒng)中，采用爆震傳感器來檢測發(fā)動機(jī)有無爆燃現(xiàn)象，并將信號送入發(fā)動機(jī)電子控制單元，從而對點(diǎn)火提前角進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火時(shí)刻的閉環(huán)控制，有效地抑制了發(fā)動機(jī)爆燃現(xiàn)象的發(fā)生。
2.4 故障診斷原理
電子控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，ECU輸入、輸出信號的電平都是在規(guī)定的范圍內(nèi)變動。當(dāng)某信號一段時(shí)間內(nèi)不變化或超出規(guī)定范圍時(shí)，故障自診斷系統(tǒng)就會判定為該信號的元件或電路出現(xiàn)故障，并把這一故障以代碼的形式存入內(nèi)部存儲器，同時(shí)點(diǎn)亮儀表盤上的故障指示燈。
2.4.1傳感器的故障診斷
各種傳感器正常工作時(shí)，其輸入ECU的信號數(shù)值都是在一定范圍內(nèi)變化的。
當(dāng)某一傳感器電路出現(xiàn)超出規(guī)定的信號時(shí)，ECU就判定為該電路或傳感器信號發(fā)生故障。例如冷卻液溫度信號，當(dāng)傳感器值異?；虿荒茏R別時(shí)，ECU就可判定冷卻液溫度傳感器出現(xiàn)故障。冷卻液溫度傳感器正常工作時(shí)，其輸出電壓值在0.1～4.8V之間變化；如果輸出電壓低于0.1V（相當(dāng)于冷卻液溫度高于139℃）或高于4.8V（相當(dāng)于冷卻液溫度低于-50℃），CEU檢測到電壓值超出規(guī)定范圍時(shí)，既判定為冷卻液溫度傳感器短路或斷路。
2.4.2 執(zhí)行器的故障診斷
ECU向執(zhí)行器發(fā)出指令信號，如果沒有來自執(zhí)行器的信號信息，則顯示執(zhí)行器故障。因此，在故障診斷時(shí)，常需要增加專用回路來監(jiān)測執(zhí)行器的工作信息。例如：當(dāng)點(diǎn)火回路中的大功率晶體管不能正常工作時(shí)，點(diǎn)火器內(nèi)的點(diǎn)火監(jiān)視器回路就不能把大功率晶體管正常工作信號輸送給控制發(fā)動機(jī)的ECU。如果ECU得不到點(diǎn)火器的監(jiān)控信號，就判定點(diǎn)火系發(fā)生故障。此時(shí)，ECU立即采取措施，使噴油器停止燃油噴射。
如果由于某種原因偶爾出現(xiàn)一次不正常信號，ECU并不會判定為故障。只有當(dāng)不正常的信號持續(xù)一定時(shí)間或多次出現(xiàn)時(shí)，ECU才判定為故障。
2.4.3 線路故障診斷
故障信號的出現(xiàn)，不僅與傳感器或執(zhí)行器本身有關(guān)，還可能與出現(xiàn)故障的整個電路有關(guān)，而ECU在故障診斷系統(tǒng)判定故障時(shí)，只是提供了故障的性質(zhì)和范圍，要最后確定故障的原因，還應(yīng)進(jìn)一步檢查配線、插頭、ECU和相關(guān)元件，才能準(zhǔn)確地找到出現(xiàn)故障的具體位置，從而排除故障。
2.5 半實(shí)物仿真系統(tǒng)的功能要求
為了實(shí)現(xiàn)方便教學(xué)以及汽車電腦檢測等目的，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：
（1）電子控制方面，利用單片機(jī)模擬各種傳感器信號取代傳感器所反饋的信號來控制實(shí)驗(yàn)臺中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。
（2）可以模擬發(fā)動機(jī)電控燃油噴射、電子點(diǎn)火，以滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。
（3）系統(tǒng)要設(shè)置一塊轉(zhuǎn)接板，通過轉(zhuǎn)接板可以與同一車系不同車型的電腦連接，從而檢測汽車電腦工作是否正常。
（4）系統(tǒng)應(yīng)有一個故障診斷端口，通過與發(fā)動機(jī)故障分析儀連接，可以測出各傳感器信號數(shù)據(jù)流，而且可以讀取ECU故障碼，從而排除故障。
2.6半實(shí)物仿真系統(tǒng)的工作原理及過程
在系統(tǒng)使用前，先將從單片機(jī)芯片輸出的傳感器模擬信號輸出端子與跳線接口的輸入端接好，再把所要檢測的汽車電腦的輸入口與轉(zhuǎn)接板上相應(yīng)的輸出口相接。啟動電源，根據(jù)需要來操作不同的功能開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)或檢測汽車電腦工作情況的要求。
（1）模擬發(fā)動機(jī)電控燃油噴射、電子點(diǎn)火，以滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。
當(dāng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)作為教學(xué)演示使用時(shí)，應(yīng)該把一個標(biāo)準(zhǔn)的、控制精確的汽車電腦接入系統(tǒng)。它的輸入端和輸出端分別與轉(zhuǎn)接板和執(zhí)行器相連。然后接通電源，通過操作面板上的功能開關(guān)控制執(zhí)行器的各工況下的工作。
接通電源前，把操作面板上的各控制開關(guān)置于空擋位置。當(dāng)接通電源時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)自動復(fù)位，程序進(jìn)行初始化，此時(shí)，操作面板上轉(zhuǎn)速顯示數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速為800r/min，即怠速工況下的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，在系統(tǒng)的演示功能區(qū)里，噴油器噴油和火花塞開始演示。當(dāng)把操作面板上轉(zhuǎn)速控制開關(guān)置于增擋位置時(shí)，數(shù)碼管顯示的轉(zhuǎn)速會每隔2秒鐘會自動增加50轉(zhuǎn)，而噴油器和火花塞的工作速度會隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸加快，當(dāng)數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速為3500r/min——本實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速便不再增加。相應(yīng)地，執(zhí)行器也對應(yīng)于最高轉(zhuǎn)速工作；相反，當(dāng)置轉(zhuǎn)速控制開關(guān)于減擋位置時(shí)，數(shù)碼管顯示的轉(zhuǎn)速會每隔2秒鐘會自動減少50轉(zhuǎn)，噴油器和火花塞的工作速度會隨著轉(zhuǎn)速的減少逐漸減緩，當(dāng)數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速為600r/min——本實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的最低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速便不再減少。相應(yīng)地，執(zhí)行器也對應(yīng)于最低轉(zhuǎn)速工作。在轉(zhuǎn)速增加或減少的過程中，如果把轉(zhuǎn)速控制開關(guān)置于空擋位置時(shí)，那么實(shí)驗(yàn)臺將會在當(dāng)前轉(zhuǎn)速工況下工作。如果按下操作面板上轉(zhuǎn)速復(fù)位鍵時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺執(zhí)行器就回到怠速工況，隨后再根據(jù)開關(guān)的狀態(tài)繼續(xù)工作。同樣，在操作面板上還有進(jìn)氣溫度控制開關(guān)和水溫控制開關(guān)，當(dāng)它們工作時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將會對應(yīng)于不同的進(jìn)氣溫度和水溫進(jìn)行不同工況下的工作。
執(zhí)行器在工作時(shí)，可以用專用儀器接在故障診斷端子上讀取各信號數(shù)據(jù)流，對汽車電腦的工作進(jìn)行分析，從而就可以對汽車電子控制系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究。
2.7本章小結(jié)
本章主要闡述GTX半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺的基本原理，明細(xì)的講解了車用主要傳感器工作原理和控制過程。從理論上來分析故障發(fā)生的位置和機(jī)理，提出了實(shí)驗(yàn)臺的功能要求，對以后設(shè)計(jì)任務(wù)的切實(shí)開展有明確的指導(dǎo)作用。
第3章 大眾半實(shí)物仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 總體方案的確定
3.1.1 實(shí)驗(yàn)臺車型選擇
在選擇設(shè)計(jì)參照車型時(shí)應(yīng)充分考慮它的代表性，在中國目前的家庭用車中,德國大眾公司的捷達(dá)車系占有很大的比例,而捷達(dá)車系的發(fā)動機(jī)由于采用了五閥電噴這一世界領(lǐng)先技術(shù),它的采用雙頂置凸輪軸，充氣效率大大提高, 同為1.6L的排量，單缸5氣閥比單缸2氣閥發(fā)動機(jī)的功率從53kW提高到74kW。因?yàn)樵O(shè)計(jì)就是要體現(xiàn)理論進(jìn)步的成果，在今后的幾年甚至更長時(shí)間內(nèi)不至于過早的被淘汰。為了使同學(xué)對汽車有一個感性認(rèn)識，所以選擇捷達(dá)車系的捷達(dá)王為參考車型，設(shè)計(jì)故障診斷實(shí)驗(yàn)臺。
為了保證實(shí)驗(yàn)臺具有鮮明的教學(xué)特色以及更好地為汽車工程相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)服務(wù)。提高學(xué)生的工程實(shí)踐動手能力，擬選用捷達(dá)GTX為參考車型。捷達(dá)轎車是大眾汽車有限公司采用德國大眾公司的先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的中級汽車，該車型設(shè)計(jì)先進(jìn)、選材精良、工藝一流，與同級車型比較，其動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性及舒適性均為上乘，在中國的汽車行業(yè)中，有著很大的市場。一汽—大眾汽車有限公司運(yùn)用當(dāng)今德國頂尖發(fā)動機(jī)制造技術(shù)，批量生產(chǎn)20閥電控多點(diǎn)噴射汽油發(fā)動機(jī)，并配以創(chuàng)新的雙頂置凸輪軸，安裝匹配于CT型、GT型捷達(dá)轎車上。多點(diǎn)燃油噴射技術(shù)的應(yīng)用，使燃油得到最充分的燃燒，發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能都得到極大提高。
3.1.2 實(shí)驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
按照該實(shí)驗(yàn)臺的功能要求可以知道，該實(shí)驗(yàn)臺上需安裝的主要硬件設(shè)備有PC機(jī)及其顯示器、噴油裝置、點(diǎn)火裝置、系統(tǒng)電源、汽車ECU、控制面板等其他附屬件。其中控制面板上安裝診斷端子、各種傳感器等。
實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)尺寸主要由點(diǎn)火和噴油裝置、PC機(jī)和顯示器的相對位置決定?？紤]到在教學(xué)實(shí)驗(yàn)或汽車維修過程中學(xué)生或維修人員大都采用站立的姿勢操作故障診斷實(shí)驗(yàn)臺，且為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)用性，操作方便、易于觀察，將實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)成三維一體結(jié)構(gòu)。這在使用過程中將平視噴油和點(diǎn)火的演示，俯視控制面板，且控制面板與水平面成一定角度斜置。按照人機(jī)工程學(xué)的原理，人站立時(shí)的最佳垂直觀察視野值大約為水平線以下65度，所以可以將控制面板設(shè)計(jì)成與水平面成大約25度角安裝，修正為30度。此外，在使用過程中考慮到它移動的方便，可以在臺架底面安裝轉(zhuǎn)向輪。
3.1.3 實(shí)驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)校核
通過上面對實(shí)驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)，可以知道實(shí)驗(yàn)臺的總重量主要由三部分組成：即顯示器的重量約5Kg、主機(jī)重量約15Kg、臺架自重約70Kg，其他部分大約為25Kg，則臺架總重大約為110Kg。臺架由四個轉(zhuǎn)向輪支撐，將四個支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)化為兩根簡支梁上各兩個約束點(diǎn)，這兩根簡支梁分別承受55Kg的均布載荷P。簡化后的力學(xué)模型如圖4.2y
x
P
X
L
FAy
AAA
FBy
B
所示。
圖4.2 實(shí)驗(yàn)臺臺受力分析
對其進(jìn)行受力分析，所得到的剪力圖Q和彎距圖M分別如圖4.3、圖4.4所示。
圖4.3 剪力Q圖
受力較核：
1．求支座的約束力FAy、FBy
由載荷及支座約束力的對稱性可知
FAy = FBy = PL （4.1）
圖4.4 彎矩M(X)圖
2．求任意截面上的內(nèi)力
設(shè)所求危險(xiǎn)截面距支座A的距離為X，由平衡條件可得
∑Fiy = 0
則： FAy－PX－FQ(X) = 0 （4.2）
∑Mio＝0
則： FAyX ―PX2―M(X)＝0 （4.3）
將（4.1）代入（4.2）可得：
FQ(X)＝FAy－PX＝PL－PX （0＜X＜L） （4.4）
將（4.1）代入（4.3）可得：
M(X)＝FAyX－PX2＝PLX－PX2 （4.5）
因?yàn)?彎曲應(yīng)力的最大之發(fā)生在彎矩最大點(diǎn),求彎矩的最大值。即求M(X)的最大值。所以由（4.5）代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得：
當(dāng)時(shí)X = L = 37.9N/m
橫截面上的最大正應(yīng)力公式為：
?。?.6）
其中Wz為彎曲截面系數(shù)
由于該支撐輪處的制作材料選用的是45號鋼板制成。根據(jù)型鋼表可以查得：
則
由參考資料查得， 該鋼板的許用拉應(yīng)力為
許用壓應(yīng)力為
由受力圖可知該支撐架只承受壓應(yīng)力，因此，此時(shí)無需對拉應(yīng)力進(jìn)行校核只需對壓應(yīng)力進(jìn)行校核即可。
由于
所以該支撐架符合要求，所選材料合格。
3.2 實(shí)驗(yàn)臺的制作
3.2.1 臺架的焊接
根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺所用的器材部件確定出試驗(yàn)臺臺架各邊尺寸，在制做過程中要將框架的各邊按照所設(shè)定的進(jìn)行選材，根據(jù)校核，我們選擇45#碳素鋼材作為實(shí)驗(yàn)臺架的基礎(chǔ)材料，采用焊接技術(shù)進(jìn)行連接。我們將選好的材料按實(shí)際設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行選截，由于理論的設(shè)計(jì)尺寸，和現(xiàn)實(shí)中制作的誤差，在截取后還要進(jìn)行尺寸測量，對不符合要求的要采取適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行校準(zhǔn)，以滿足制作的需要。在整個焊接過程中要遵循由簡入煩、由外到內(nèi)、由下至上的原則進(jìn)行。
將鋼料截好之后，按由下到上的順序?qū)⒏鬟吅附釉谝黄穑聪葘⑾碌孛娴母鬟吅附釉谝黄鹬?，再焊接四根立柱，最后焊接上部橫梁。在實(shí)驗(yàn)臺框架各主邊焊接完了后，我們要在框架主邊上焊接或用螺栓連接一些小的部件，用來固定面板。
3.2.2 控制面板的制作
1、材料的選擇
實(shí)驗(yàn)臺有一塊控制面板，用來顯示和操作。為了與臺架更好的連接，選擇與臺架一樣的材料即45號薄鋼板。
2、尺寸的確定
為了使實(shí)驗(yàn)臺整體布局合理、美觀，所以使控制板的長度以框架的長度保持一致，同時(shí)又考慮到安裝在控制板上的各組件的大小及尺寸和方便操作員的實(shí)際操作，操作面板的高度要適當(dāng)。
3、控制面板的布置
考慮到控制板上的布局美觀和線束的簡潔和縮短線束的距離，因此我們按照接線方式和連接形式來確定各組件的安裝位置。在操作板上左側(cè)是顯示器，右側(cè)下方是各種控制開關(guān)和傳感器。
3.2.3組件的安裝
1、在上面我們已經(jīng)將各組件的位置確定了，并且使各組件間保持了一定的間隙，先將各組件在控制板上的位置用鉛筆畫出他們具體的位置，之后，在畫出的組件的位置上用做出是組件固定在控制板上的螺紋孔。然后把各個器件依次用螺栓固定在面板上。
2、把面板組放在臺架上，用螺栓固定。
3、連接線路和管路。
3.2.4 實(shí)驗(yàn)臺的整體合理性
實(shí)驗(yàn)臺的整體合理性：在實(shí)驗(yàn)臺各部安裝完了后，由于控制板上各組件的連接造成了實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)線路的混亂，為了避免實(shí)驗(yàn)時(shí)線路損壞和實(shí)驗(yàn)臺布線的合理性，將實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)的線路按其分布捆成線束，以線束的方式固定，這樣就避免了實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)線路的混亂，使實(shí)驗(yàn)臺總體布局合理。同時(shí)為了使實(shí)驗(yàn)臺整體看起來美觀，將實(shí)驗(yàn)臺框架刷上油漆，就使實(shí)驗(yàn)臺整體看起來整齊美觀了。因?yàn)?，控制板我們選用的是膠合板因此就不可避免的存在邊緣的不整齊和毛邊，為了使控制板美觀，將控制面板半邊用裝飾條包上，這樣就使控制板看起來美觀了。
3.3 硬件的選擇與安裝
3.3.1 實(shí)驗(yàn)臺主要部件的選擇
1、微機(jī)的選擇：本實(shí)驗(yàn)臺主要功能是進(jìn)行點(diǎn)火和噴油的教學(xué)演示和故障診斷，通過微機(jī)系統(tǒng)輸出相關(guān)的診斷結(jié)果。一般的個人電腦都能滿足要求。
2、LED顯示器：該顯示器主要用來顯示轉(zhuǎn)速的變化，普通的8位就可以；
3、電位器：控制精度要求達(dá)到0.1V；
4、單片機(jī)：單片機(jī)是整個實(shí)驗(yàn)臺的控制中樞，所有模擬信號的接收和輸出的發(fā)送都是由它控制，因此要求單片機(jī)控制精度高，傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)。ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能8位89C51單片機(jī)有豐富的硬件資源，在其內(nèi)部增加了閃速可電改寫的存儲器給單片機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用帶來了很大的方便，且芯片價(jià)格非常便宜，近年來的到了廣泛的應(yīng)用；
5、點(diǎn)火系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)：故障診斷實(shí)驗(yàn)臺是以大眾捷達(dá)為參考所設(shè)計(jì)的，因此可以選用原車配件；
6、電源：要求電壓穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。
3.4 實(shí)驗(yàn)臺電路設(shè)計(jì)
內(nèi)部電路中包含有一個按鍵復(fù)位電路和一個扳鍵開關(guān)，采用12MHZ晶振。其中，按鍵復(fù)位電路中有1000歐和8200歐電阻各一個，一個10微法電容；兩個30皮法起振電容。電路使用+5V電源。按照下面電路圖4.7焊接好電路。
圖3.7 內(nèi)部電路圖
3.5 本章小結(jié)
半實(shí)物仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺是該設(shè)計(jì)的主體部分，詳細(xì)闡述了其總體方案的確定，對整個實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行了必要的受力校核，以及相關(guān)重要電器元件的選擇，控制面板的布置。這是下一步進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，電器元件的好壞將影響到軟系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行。
第4章 仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1數(shù)據(jù)采集和分析
4.1.1 數(shù)據(jù)流的采集
要能夠比較精確地模擬發(fā)動機(jī)各傳感器的信號，就需要從所選發(fā)動機(jī)上采集所需的大量的數(shù)據(jù)流，通過數(shù)據(jù)流的分析來確定各傳感器信號的特點(diǎn)，利用奇特點(diǎn)編制出相應(yīng)的控制信號源程序，從而能控制信號的精度。
本實(shí)驗(yàn)臺數(shù)據(jù)流的采集使用了“奧迪大眾VAS—5051B”電腦診斷工具，該電腦診斷系統(tǒng)是一個用計(jì)算機(jī)對汽車進(jìn)行檢測、診斷、編碼等為一體的診斷設(shè)備。將它安裝在微機(jī)上，利用數(shù)據(jù)傳輸線、適配器與車載接口連接后，就可以運(yùn)行。該系統(tǒng)適用于大眾/奧迪/斯克達(dá)等車型，完全可以取代VAG1551/1552，并且有些功能已經(jīng)超過VAG1551/1552，近似于原廠的VAS5051，還可以利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷地升級更新。
該系統(tǒng)除了具備VAG1551/1552所有功能外還有如下特點(diǎn)：
１、通過計(jì)算機(jī)屏幕顯示，避免了類似像VAG1551/1552的繁瑣操作，很多控制已經(jīng)集中成按鈕放在一個頁面上，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可完成操作，使用非常簡便。
２、為配合使用《維修手冊》，本軟件幾乎所有控制按鈕旁都增加了操作的號，實(shí)現(xiàn)了與VAG1551/1552的兼容。
３、在本系統(tǒng)的適配器上增加了指示K/L線的紅色發(fā)光二極管和指示控制模塊通信狀態(tài)的綠色發(fā)光二極管，根據(jù)發(fā)光管的閃爍，用戶能很快判斷計(jì)算機(jī)與適配器、適配器與車上控制模塊之間的工作是否正常。
４、增加了車輛與計(jì)算機(jī)之間的送話系統(tǒng)，解決了因測試電纜加長后講話不便的問題。
５、獨(dú)特的K/L線電子保護(hù)系統(tǒng)，任何錯誤接線都不會損壞適配器。
在采集數(shù)據(jù)流時(shí)，先將儀器與發(fā)動機(jī)診斷端子接好，再啟動發(fā)動機(jī)，然后輸入所要測信號的通道號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在水溫達(dá)到正常即80℃時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，電腦每隔1.3秒會自動記錄一次。用手拉動節(jié)氣門拉索，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速起緩慢勻速地增加到3500r/min左右，這樣反復(fù)多次采集，就可以得到比較準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)的各種信號數(shù)據(jù)。
4.1.2 數(shù)據(jù)流的分析
從所得的數(shù)據(jù)流可以看出，當(dāng)發(fā)動機(jī)怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍為800r/min—920r/min。此時(shí)，各傳感器信號都比較穩(wěn)定；隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，傳感器信號開始變化。轉(zhuǎn)速越高，在相同時(shí)間內(nèi)，曲軸相應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度越大，且如果混合氣的燃燒速率不變，最佳點(diǎn)火提前角則應(yīng)呈線性增加。而在實(shí)際過程中轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于混合氣的壓力和溫度的升高以及擾流的增加，使燃燒速率隨之加快，故最佳點(diǎn)火提前角應(yīng)隨發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而增大，但不是線性關(guān)系。
當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時(shí)，由于轉(zhuǎn)速波動較大，無論是空氣流量計(jì)還是進(jìn)氣歧管壓力傳感器，都不能精確測量進(jìn)氣量。因此，啟動時(shí)，ECU一般不根據(jù)吸入的空氣質(zhì)量來計(jì)算噴油時(shí)間，而是根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻水的實(shí)際溫度由ROM內(nèi)存儲的水溫—噴油時(shí)間圖查出基本噴油脈寬，然后再根據(jù)進(jìn)氣溫度信號和蓄電池電壓信號，進(jìn)行進(jìn)氣溫度修正和蓄電池電壓修正，以此得到啟動時(shí)的噴油脈寬。
根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，可以作出點(diǎn)火提前角、空氣質(zhì)量流量、噴油時(shí)間、節(jié)氣門開度、氧傳感器電壓分別和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖曲線。
（1）點(diǎn)火提前角與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖5.1。
圖5.1 點(diǎn)火提前角與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線
（2）空氣質(zhì)量流量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖5.2。
圖5.2 空氣質(zhì)量流量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線
（3）節(jié)氣門開度與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖5.3。
圖5.3 節(jié)氣門開度與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線
（4）噴油時(shí)間與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖5.4。
圖5.4 噴油時(shí)間與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線
（5）氧傳感器電壓與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖5.5。
圖5.5 氧傳感器電壓與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線
（6）轉(zhuǎn)速信號模擬，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號模擬輸出為60-2脈沖波形，在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出波形的頻率不同。其波形圖5.6如下：
圖5.6 轉(zhuǎn)速信號波形圖
其中，在一個周期內(nèi)每輸出58個對稱脈沖以后，有兩個脈沖寬度的低電平。此波形用定時(shí)器控制輸出。溢出時(shí)間的計(jì)算方法如下：
曲軸每轉(zhuǎn)兩圈為一個周期，這樣對應(yīng)于N r/min的周期T為：
周期T（ms）：
?。?.2）
溢出時(shí)間t（ms）：
（4.3）
定時(shí)器初值TC：
?。?.4）
各轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的周期、溢出時(shí)間和定時(shí)器初值見附錄3。
在轉(zhuǎn)速信號模擬中，采用了AT89C51芯片，12MHZ晶振，在設(shè)計(jì)過程中加有按鍵復(fù)位電路。圖5.7為89C51芯片引腳圖。
4.2仿真系統(tǒng)信號源程序編制
主程序在剛上電時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后讀一次鍵開關(guān)狀態(tài)，由鍵位值決定程序的執(zhí)行方式。當(dāng)p1.0口為高電平時(shí)，執(zhí)行自增程序；當(dāng)p3.0口為高電平時(shí)，執(zhí)行自減程序。在此程序中，最低轉(zhuǎn)速為600r/min，最高轉(zhuǎn)速為3500r/min，當(dāng)p1.0和p3.0都為低電平時(shí)，p1.2口輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)速的波形信號，從而控制執(zhí)行器的工作。
圖５.7 AT89C51引腳圖
在系統(tǒng)初始化時(shí)，將所用的定時(shí)器初值從ROM表中裝入寄存器R3和R4中。
自增程序中使用了定時(shí)器1，控制轉(zhuǎn)速的增加，每隔2秒鐘，轉(zhuǎn)速增加50r/min，當(dāng)增到上限3500r/min時(shí)，便不再增加。
類似于自增程序，每隔2秒鐘，轉(zhuǎn)速減少50r/min，當(dāng)減到600r/min時(shí)，便不再減小。
子程序中使用了定時(shí)器0，以p1.2口為輸出口，控制輸出60-2脈沖信號。系統(tǒng)源程序見附錄。
4.3實(shí)驗(yàn)臺的調(diào)試
4.3.1 程序的調(diào)試
在程序的調(diào)試當(dāng)中，使用了偉福系列E51/S仿真器和RIGOL DS 5062C型示波器。偉福仿真器具有以下先進(jìn)特點(diǎn)：
（1）主機(jī)＋POD組合，通過更換POD，可以對各種CPU進(jìn)行仿真。
（2）具有WINDOWS和DOS兩種操作平臺，其中WINDOWS版本功能強(qiáng)大。有豐富的窗口顯示方式，多方位，動態(tài)地顯示仿真的各種過程，使用極為便利。
（3）雙工作模式
軟件模擬仿真（不要仿真器也能模擬仿真）和硬件仿真。
（4）雙CPU結(jié)構(gòu)，100%不占用戶資源。
（5）雙集成環(huán)境
編輯、編譯、下載、調(diào)試全部集中在一個環(huán)境下。
（6）強(qiáng)大的邏輯分析儀綜合調(diào)試功能。
（7）強(qiáng)大的追蹤器功能。
DS5062C型示波器具有以下特點(diǎn)：
（１）具有兩個信號輸入通道。
（2）有自動捕捉信號功能。
（3）可以截取其中任意一段信號。
（4）可以調(diào)置橫向和縱向的圖相位置。
（5）可以讀取信號周期，發(fā)生頻率。
在程序調(diào)試前，先把仿真器與電腦主機(jī)箱連接好，接通電源，把示波器與89C51芯片的p1.2引腳連接。啟動計(jì)算機(jī)，設(shè)置仿真器，選擇E51/S型仿真頭。調(diào)入所編程序，進(jìn)行編譯，然后執(zhí)行程序。在這里，由于沒有外部扳鍵，在程序中用軟件控制p1.0或p3.0的位狀態(tài)。當(dāng)p1.0與p3.0位都為低電平時(shí)，自動捕捉所得到的信號波形輸出的頻率保持在一定幅度內(nèi)不變；當(dāng)置p1.0位為高電平時(shí)，波形的輸出頻率每隔2秒鐘會增加一點(diǎn)，當(dāng)增到某一頻率時(shí)將不再增加；相反，當(dāng)置p3.0位為高電平時(shí)，波形的輸出頻率將會逐漸減小，當(dāng)降到某一最小頻率時(shí)將保持不變。其中，由于扳鍵的抖動、連接電路的穩(wěn)固性和儀器本身的精度，在波形輸出時(shí)會出現(xiàn)小范圍的波動，屬正常情況。
4.3.2外部電路的調(diào)試
將調(diào)試無誤的程序?qū)懭?9C51芯片的ROM中，接好上電復(fù)位電路和按鍵復(fù)位電路，并將扳鍵開關(guān)與p1.0和p3.0口按照電路圖接好，將信號輸出口p1.2口與汽車電腦入口端子相連，并將汽車電腦的控制端子與點(diǎn)火裝置、噴油器接好。開啟電源，芯片在上電時(shí)自動復(fù)位，如果開關(guān)在空擋位置，則噴油、點(diǎn)火裝置在怠速工況下工作；如果開關(guān)置在p1.0處，則噴油、點(diǎn)火逐漸加快，當(dāng)?shù)侥骋粫r(shí)刻將不再增快；如果開關(guān)置在p3.0處，則噴油、點(diǎn)火速度逐漸減緩，當(dāng)?shù)侥骋粫r(shí)刻就會保持不變。在工作的任意時(shí)刻，可以通過復(fù)位開關(guān)進(jìn)行硬件復(fù)位。
4.4本章小結(jié)
實(shí)驗(yàn)臺軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)流的采集和分析，以及控制系統(tǒng)信號源程序的編制。分析數(shù)據(jù)流時(shí)，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行了圓整處理，這樣所得到的相應(yīng)曲線就是階梯形，使程序的編制簡單，容易理解。
結(jié) 論
本設(shè)計(jì)是對大眾GTX半實(shí)物仿真系統(tǒng)作初步的研究。通過對大眾車系最具代表性車型的基本資料作大量的調(diào)查以及對其實(shí)際工作情況進(jìn)行測量后，完成以下設(shè)計(jì)工作：
1、用單片機(jī)對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)模擬噴油和點(diǎn)火演示及故障診。
2、測量發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)流，利用匯編語言編寫控制信號源程序。
3、 實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件的受力校核。
4、通過AutoCAD軟件繪制實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)示意圖，控制面板布置圖、系統(tǒng)電路圖和零件圖。
由于個人的能力有限，本設(shè)計(jì)只針對一些基本的傳感器信號做了數(shù)據(jù)分析和處理，并對傳感器信號進(jìn)行模擬，可以達(dá)到輔助教學(xué)的目的。如需要進(jìn)行一步精控系統(tǒng)的運(yùn)行，完成故障診斷。
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致 謝
三月的畢業(yè)設(shè)計(jì)快要結(jié)束了，在這三月的設(shè)計(jì)過程中讓我重新的回顧了大學(xué)四年中所學(xué)的知識。畢業(yè)設(shè)計(jì)對于上了四年大學(xué)的我是一次對我所學(xué)知識的一次總結(jié)和考核，真是應(yīng)正那句古話：“書到用時(shí)方恨少”我畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是大眾GTX發(fā)動機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這個設(shè)計(jì)題目涉及到很多知識：電控系統(tǒng)的知識；單片機(jī)的知識；診斷診斷知識；材料力學(xué)；機(jī)械制圖的知識以及電工電子知識等。
正如上面提到的這么多知識要用到畢業(yè)設(shè)計(jì)里，說實(shí)話如果不是多位老師和鮑宇老師的不厭其煩的指導(dǎo)的話，即使再努力的復(fù)習(xí)以前所學(xué)的知識那也會心有余而力不足的。在這里先提前謝謝指導(dǎo)我的每一位老師。衷心希望每位老師都能身體健康，工作順利合家幸福。
這三月的畢業(yè)設(shè)計(jì)里鮑宇老師耐心的指導(dǎo)對于我工程素養(yǎng)培養(yǎng)有很大的幫助，同時(shí)我感覺對于我發(fā)動機(jī)電控知識有很大的提升，動手能力也提高了不少。我設(shè)計(jì)的題目主要是為了方便教學(xué)而設(shè)計(jì)的，無論是是汽車類的高校還是職業(yè)技術(shù)學(xué)校一般用于教學(xué)的電控燃油系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺都未能脫離實(shí)體發(fā)動機(jī)，而我設(shè)計(jì)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)就是為了能脫離實(shí)體發(fā)動機(jī)而進(jìn)行教學(xué)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火、模擬噴油演示、發(fā)動機(jī)學(xué)習(xí)功能、故障診斷功能、以及與車輛結(jié)合分析車輛故障原因的功能。
我深信這三月的畢業(yè)設(shè)計(jì)對于即將跨出大學(xué)的我無疑一次全面的檢驗(yàn)，它讓我更自信的走向社會。迎接新的挑戰(zhàn)。
對應(yīng)于各轉(zhuǎn)速的周期與定時(shí)器初值
附錄
轉(zhuǎn)速信號程序
;************************
;* 主程序及其入口地址 *
;************************
org 0000h ;主程序入口地址
ljmp start
;************************
;* 初始化程序 *
;********