教案課題課題8汽車典型傳感器的控制編程課程單片機授課教師專業(yè)汽車課型新授教案序號23授課時間第十二周教學方法講授教學目標1.掌握軟件程序的含義2.掌握實現(xiàn)目標功能的辦法教學重點難點及解決辦法掌握實現(xiàn)目標功能的辦法通過PPT以及視頻演示的方法展示每條命令的具體含義，以及命令呈現(xiàn)的效果。作業(yè)布置抄寫軟件程序以及各個命令的含義教學后記學生聽課情況學生掌握情況存在的問題審查簽字年月日教學過程教師活動教學內容學生活動組織教學詢問上節(jié)課掌握情況復習提問講授本節(jié)內容總結布置作業(yè)清點人數(shù)記錄詢問上節(jié)課掌握情況汽車上的傳感器是作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)的關鍵部件，也是汽車電子技術領域研究的核心內容之一。根據(jù)汽車傳感器的作用，可以分為溫度、壓力、流量、位置、氣體濃度、速度、光亮度、干濕度、距離、振動等功能的傳感器，它們各司其職，對溫度、壓力、位置、轉速、加速度和振動等各種信息進行實時、準確的測量和控制，一旦某個傳感器失靈，對應的裝置工作就會不正常甚至不工作。因此，傳感器在汽車上的作用是很重要的。振動傳感器是汽車重要的傳感器之一，它能對車輛的特殊頻段的振動進行監(jiān)測，在車輛受到撞擊或者破壞的時候，振動傳感器就會向控制器發(fā)送信號，隨后控制器會發(fā)出報警的聲音。本節(jié)實驗就是利用振動傳感器來模擬汽車防盜報警系統(tǒng)。我們先不加燈光報警和聲音報警，首先讀取一下振動開關的串口通信值。一、實驗用器件ArduinoUNO板及配套USB數(shù)據(jù)線：1套振動開關：1個1k歐的電阻：1個面包板：1個跳線：若干二、硬件連接取出本實驗用到的所有元件后，按照下圖進行連接。完成連接后，給Arduino接上USB數(shù)據(jù)線，供電，準備下載程序。(下圖中電阻使用1kΩ)三、輸入代碼打開ArduinoIDE，在編輯框中輸入下面的樣例代碼。//讀取振動開關的串口通信值intTiltSwitch=7;//定義數(shù)字接口7voidsetup(){pinMode(TiltSwitch,INPUT);//設置數(shù)字7口為輸入接口Serial.begin(9600);//設置串口通信的波特率為9600bps}voidloop(){intValue=digitalRead(TiltSwitch);//定義Value為數(shù)字接口7讀取的值Serial.print("Value=");//串口顯示Value=Serial.println(Value);//串口顯示Value的值delay(50);//延時50ms}輸入完畢后，點擊IDE的“校驗（Verify）”，查看輸入代碼是否通過編譯。如果顯示沒有錯誤，單擊“下載（UpLoad）”，給Arduino下載代碼。之后打開ArduinoIDE中的串口監(jiān)視器，就可以直接從串口中讀取振動開關的狀態(tài)值，并嘗試晃動振動開關，此時在串口中可以直觀的看到振動開關的狀態(tài)值發(fā)生變化。四、代碼學習程序代碼中的Serial.begin(9600)函數(shù)用于初始化串口波特率，也就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，是使用串口必不可少的函?shù)。直接輸入相應設定的數(shù)值就可以了，如果不是一些特定的無線模塊對波特率有特殊要求的話，波特率設置只需和串口監(jiān)視器保持一致即可。我們這里就只是用于串口監(jiān)視器。當串口收到數(shù)據(jù)后，如何在串口監(jiān)視器上進行顯示，就需要用到這兩句語句：Serial.print("Value=")和Serial.println(Value)。print()的解釋是，以我們可讀的ASCII形式從串口輸出。println()與print()區(qū)別就是，println()比print()多了回車換行，其他完全相同。而print()的括號里面寫的是"Value="，此時要注意一點，就是如果括號里寫的是""，那么會顯示""里面的內容，也即""里面寫什么就會原樣顯示，在該程序中Serial.print("Value=")函數(shù)顯示的是Value=。但是如果不加""，Serial.println(Value)就會顯示Value的值，并且換行。因此我們會看到串口像上圖一樣顯示。五、硬件學習1.震動開關本節(jié)實驗所使用的振動開關是內部帶有一個金屬滾珠的滾珠振動開關，如圖所示。振動開關也叫傾斜開關，滾珠開關，它內部有兩個珠子，通過珠子滾動接觸導針的原理來控制電路的接通或者斷開。需要注意的一點是，由于滾珠開關的內部構造，滾珠開關只有一頭是導通的，另一端是不導通的。這也就是為什么，往一端傾斜，會導通，而偏向另外一端傾斜時，不會導通的原因。而連接硬件上，由于需要監(jiān)測其狀態(tài)，振動開關的硬件連接跟按鈕的連接方式相類似，這里不再贅述。2.汽車上的爆燃、碰撞傳感器的應用（1）爆燃傳感器汽油發(fā)動機是利用火花塞產(chǎn)生的電火花將混合氣點燃，使火焰在混合氣中不斷擴展傳播燃燒的，在火焰的傳播過程中，如果壓力和溫度異常升高，某些部位的混合氣不等火焰?zhèn)鞯?，就自行著火燃燒，在整個燃燒室內造成瞬間爆發(fā)燃燒，產(chǎn)生高溫和強大的壓力波，這種現(xiàn)象成為爆燃，發(fā)動機工作時，如果持續(xù)產(chǎn)生爆燃，不但會引起氣缸體、氣缸蓋和進氣歧管等薄壁構件的高頻振動，以及因運動機構的沖擊載荷而產(chǎn)生很大的躁動，最終導致機件損壞，而且火花塞電極或活塞很可能產(chǎn)生過熱、熔損等現(xiàn)象，造成發(fā)動機的嚴重故障，因此必須防止爆燃的產(chǎn)生。爆燃傳感器一般安裝在發(fā)動機氣缸體、火花塞或進氣歧管上，它能夠感應出發(fā)動機各種不同頻率的振動，并將振動轉化成不同的電壓信號。當發(fā)動機發(fā)生爆燃時，爆燃傳感器感應到此變化并產(chǎn)生較大的振幅電壓信號，如圖。來自爆燃傳感器的含有各種頻率的電壓信號輸入ECU中的爆燃信號判別電路。首先需要經(jīng)過濾波電路，將爆燃信號與其他振動信號分離，只允許特定范圍頻率的爆燃信號通過，然后將此信號的最大值與爆燃強度基準值進行比較，如大于基準值，則將爆燃信號電壓輸入ECU，表示發(fā)生了爆燃，由ECU進行處理，如圖。由于發(fā)動機的振動頻繁而劇烈，因此為了使傳感器只檢測到爆燃信號，防止ECU發(fā)生錯誤爆燃判別，判別爆燃信號并非任何時刻都進行，而是有一個判別范圍，如圖。因為發(fā)生爆燃的可能是在點火后的一段曲軸轉角范圍內，因此只有在該范圍內，爆燃傳感器的信號才能輸入比較電路。爆燃的強度則以超過基準值的次數(shù)計量，其次數(shù)越多，則爆燃強度越大；次數(shù)越小，則爆燃強度小，如圖。這里有兩種情況，當發(fā)動機的負荷低于一定值時，一般不會發(fā)生爆燃，這時不宜采用控制爆燃的方式來調整點火提前角，可采用開環(huán)控制的方式控制點火提前角，即此時ECU不再檢測和分析爆燃傳感器輸入的信號，只根據(jù)有關傳感器及既有的數(shù)據(jù)來控制點火提前角。另一種情況是ECU進行閉環(huán)控制，實際點火提前角的控制如圖所示，當任何一缸發(fā)生爆燃時，ECU立即以某一固定值（1.5°-2°曲軸轉角）逐漸減少點火提前角，直至發(fā)動機不產(chǎn)生爆燃為止，然后，在一定時間內，先維持調整過的點火提前角不變。在此期間如果再次發(fā)生爆燃，則繼續(xù)繼續(xù)以固定的值減少點火提前角，若無爆燃發(fā)生，則此段緩沖時間過后，則又開始逐漸以同樣的固定值增大點火提前角，直至爆燃重新發(fā)生，又開始進行上述的反饋控制過程，當然ECU是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，是由ECU對負荷傳感器送來的信號進行分析和判斷的。汽車中的爆燃傳感器主要有共振磁致伸縮式爆燃傳感器和壓電式爆燃傳感器兩種。磁致伸縮式爆燃傳感器應用較早，是一種磁電感應式傳感器，屬于共振型爆燃傳感器，其結構如圖所示，由永久磁鐵、靠永久磁鐵勵磁的強磁性鐵心以及鐵心周圍纏繞的感應線圈和殼體等組成。磁致伸縮式爆燃傳感器安裝在發(fā)動機上，它將發(fā)動機振動的頻率變換成電壓信號，來檢測爆燃強度。其工作原理是：當發(fā)動機的氣缸體出現(xiàn)振動時，外殼和感應線圈繞組隨發(fā)動機振動，磁鐵因彈簧的存在由于慣性而保持不變，這樣磁鐵和感應線圈間便存在相對運動。根據(jù)電磁感應原理，繞組中就會有感應電動勢產(chǎn)生，當頻率在6~9kHz時，傳感器將產(chǎn)生共振，使傳感器感應線圈的感應電壓顯著增大。圖為磁致伸縮式爆燃傳感器的輸出特性曲線。壓電式爆燃傳感器是利用壓電效應原理制作的。壓電效應就是指當沿著一定方向向某些電介質施力而使其變形時，其內部會發(fā)生極化。同時在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電式爆燃傳感器是利用結晶或陶瓷多晶體的壓電效應和硅壓電效應，把爆燃傳到缸體上的機械振動轉變成電信號。壓電式爆燃傳感器從振動方式上可分為非共振型和共振型兩種。共振型爆燃傳感器是由與爆燃幾乎具有相同共振頻率的振子和能夠檢測振動壓力并將其轉換成電信號的壓電元件構成，非共振型爆燃傳感器是用壓電元件直接檢測爆燃信息。（2）壓電式爆燃傳感器的分類a.共振型壓電式爆燃傳感器共振型壓電式爆燃傳感器如圖所示，主要由壓電元件5、振蕩片4、基座3等組成壓電元件5緊密地貼合在振蕩片4上，振蕩片則固定在傳感器的基座3上。振蕩片隨著發(fā)動機的振動而振蕩，波及壓電元件，使其變形而產(chǎn)生電壓信號。當發(fā)動機爆燃時的振動頻率與振蕩片的固有頻率相同時，振蕩片產(chǎn)生共振，此時壓電元件將產(chǎn)生最大的電壓信號。共振型壓電式爆燃傳感器的輸出特性如圖所示，根據(jù)此特性曲線可知該爆燃傳感器在發(fā)動機爆燃時輸出的電壓比較高，因此即可判別發(fā)動機有無爆燃發(fā)生。b.非共振型壓電式爆燃傳感器非共振型壓電式爆燃傳感器由平衡塊、壓電元件、殼體、電氣連接裝置等組成。平衡塊由螺釘固定在殼體上，兩個壓電元件同極性相向對接，輸出電壓由兩個壓電元件的中央取出。這種傳感器與共振型傳感器的結構的不同之處在于它內部沒有振蕩片，而是設置了一個平衡塊。平衡塊以一定的預緊力壓緊在壓電片上。當發(fā)動機發(fā)生爆燃時，發(fā)動機缸體的振動傳到爆燃傳感器殼體上，平衡塊就產(chǎn)生了一個正比于加速度的交變力，殼體與平衡塊之間就產(chǎn)生相對運動，使夾在中間的壓電元件所承受的壓緊力發(fā)生變化，壓電元件承受推壓作用力產(chǎn)生電壓，并作為電信號輸出。非共振型壓電式爆燃傳感器結構簡單，制造時不需要調整。非共振型壓電式爆燃傳感器的結構示意圖如圖所示。非共振型爆燃傳感器在爆燃時的輸出電壓較未爆燃時無明顯增加，具有平緩的輸出特性，不像共振型爆燃傳感器在爆燃時會輸出較高的電壓。爆燃是否發(fā)生是靠濾波器檢出傳感器輸出信號中有無爆燃頻率來判別的。因此，必須將反映發(fā)動機振動頻率的輸出電壓信號輸送給識別爆燃的濾波器中，判別發(fā)動機是否有爆燃產(chǎn)生。（3）共振型壓電式爆燃傳感器與非共振型壓電式爆燃傳感器的比較a.電壓：共振型在爆燃時輸出電壓明顯增大，非共振型輸出電壓增大不明顯。b.測量：共振型電壓易于測量，但傳感器必須與發(fā)動機配套使用；非共振型用于不同發(fā)動機時，只需調整濾波器的頻率范圍就可以工作，不需要更換傳感器，通用性比較強，但爆燃信號的檢測復雜一些。c.共振型爆燃傳感器的輸出波形可以直接觀察出爆燃的波形，即爆燃點，而非共振型的爆燃傳感器需經(jīng)濾波器檢出爆燃的信號。共振型和非共振型爆燃傳感器輸出波形的比較如圖所示。（4）碰撞傳感器碰撞傳感器一般用在安全氣囊系統(tǒng)中，是主要的信號輸入裝置，其作用是在汽車發(fā)生碰撞時，檢測汽車碰撞強度，并將信號輸入安全氣囊ECU，安全氣囊ECU根據(jù)碰撞傳感器傳送的信號來決定是否引爆氣體發(fā)生器使氣囊充氣，提高乘員的乘坐安全性。碰撞傳感器按其功用的不同可分為碰撞信號傳感器和安全傳感器。平時所講的碰撞傳感器其實是指碰撞信號傳感器，也有稱為碰撞強度傳感器、觸發(fā)碰撞傳感器，其作用是將汽車碰撞時的強度信號輸入SRSECU，用于判斷是否需要引爆氣囊，一般采用機電結合式結構或機械式結構。正面的碰撞傳感器常安裝在散熱器支架內，側面的碰撞傳感器安裝在B柱內。安全傳感器又稱為碰撞防護傳感器、防護傳感器或保險傳感器，一般安裝在SRSECU內部，其功用是防止氣囊在非碰撞情況下發(fā)生錯誤引爆。安全傳感器與觸發(fā)碰撞傳感器申聯(lián)，且一般采用電子式結構。正面和側面碰撞傳感器以及安全傳感器的安裝位置、連接關系如圖所示。按照結構的不同來分，碰撞傳感器可分為機械式碰撞傳感器、機電式碰撞傳感器、電子式碰撞傳感器。常見的機械式碰撞傳感器有阻尼彈簧式碰撞傳感器，沒有電子設備，只靠機械力控制氣囊電路的接通和切斷。電子式微撞傳感器沒有電器觸點，目前常用的有電阻應變式碰撞傳感器和壓電效應你感器兩種。電阻應變式碰撞傳感器在發(fā)生碰撞時其應變電阻發(fā)生受形，使電阻發(fā)生變化，傳感器輸出信號電壓發(fā)生變化，當電壓值超過預定值時，氣囊被觸發(fā)；壓電效應式碰撞傳感器在碰撞時其壓電晶片輸出電壓發(fā)生委化，當變化的電壓達明預定值時，氣囊被觸發(fā)。機電結合式碰撞傳感器是利用機械的運動（滾動或轉動）來控制電器觸點動作，再由觸點斷開和接合來控制氣囊電路的接通和切斷，常見的有滾珠式碰撞傳感器、滾軸式品碰撞傳感器和偏心錘式碰撞傳感器。（5）碰撞傳感器的主要類型a.滾軸式碰撞傳感器滾軸式碰撞傳感器由止動銷、滾軸、滾動觸點、固定觸點、底座和片狀彈簧等零件構成，如圖所示。片狀彈簧5的一端固定在底座6上，另一端略微彈起。滾軸2可沿片狀彈簧5滾動，滾動觸點3固定在滾軸2上，可隨滾軸一起滾動并引出傳感器的一個電極。固定在片狀彈簧5上并與之絕緣的固定觸點4接傳感器的另一個電極。汽車未碰撞時，傳感器處于靜止狀態(tài)，此時滾軸在彈起的片狀彈簧作用下，靠向止動銷一側，滾動觸點與固定觸點形成的開關處于斷開狀態(tài)，傳感器電路不接通，無碰撞信號輸入。當汽車碰撞且減速度達到碰撞強度設定值時，滾軸由于慣性產(chǎn)生的慣性力大于片狀彈簧的彈力，滾軸就會克服片狀彈簧的彈力壓下片狀彈簧向右滾動，使?jié)L軸上的滾動觸點與片狀彈簧上的固定觸點接觸，將傳感器電路接通。豐田、本田和三菱汽車安全氣囊系統(tǒng)就采用了滾軸式碰撞傳感器。b.偏心錘式碰撞傳感器偏心錘式碰撞傳感器又稱為偏心轉子式碰撞傳感器，其結構如圖所示，主要由偏心錘1、偏心錘臂2、轉動觸點臂3、轉動觸點6與13、固定觸點10與16、回位彈簧19、擋塊9和殼體4與12等組成。轉子總成由偏心錘1、轉動觸點臂3及轉動觸點6、13組成，安裝在傳感器軸上。偏心錘1偏置安裝在偏心錘臂2與15上；轉動觸點臂3、11兩端固定有觸點6、13，觸點隨觸點臂一起轉動。兩個固定觸點10、16絕緣固定在傳感器殼體上，并用導線分別將傳感器接線端子7、14與5、17連接。當傳感器處在靜止狀態(tài)時，在復位彈簧彈力作用下，偏心錘與擋塊保持接觸，轉子處于靜止狀態(tài)，轉動觸點與固定觸點處于斷開狀態(tài)，如圖a所示。當汽車遭受碰撞時，偏心錘的慣性力矩大于復位彈簧的彈力力矩，慣性力矩就會克服彈簧力矩使轉子總成轉動，從而帶動轉動觸點臂轉動，使轉動觸點與固定觸點接觸，接通SRS氣囊的搭鐵回路，如圖b所示。豐田雷克薩斯LS400轎車使用此種碰撞傳感器。c.滾球式碰撞傳感器滾球式碰撞傳感器亦稱偏壓磁鐵式碰撞傳感器，如圖所示，該傳感器主要由固定觸點1、滾球