汽车电子控制课程设计
1. 设计意义
近年来，在市场和政策的支持下，我国汽车工业从规模到水平均飞速发展。但是，我们的汽车核心技术研发水平仍未能跟上产业的发展速度，其中发动机技术，作为汽车技术的一大核心，更是亟待我们突破的一个领域。而发动机测试技术，又对于发动机整体技术研发有着重要意义。
发动机测试技术是汽车测试技术的一个重要组成部分。进行发动机测试时，一般都在专用的试验台上进行，称为发动机试验台架。将台架硬件设备与相关的数据采集处理系统、测试控制系统、人机交互平台等联合开发，形成发动机台架试验系统。
发动机台架性能试验是衡量发动机动力性(转速、转矩和功率)和经济性(燃油消耗)的必要手段。因而发动机台架试验系统是各种发动机研制与生产过程中一套必不可少的设备。发动机生产安装完成以后用它进行质量检查，在发动机的研制工作中用它对发动机的性能进行定量分析。发动机台架试验系统水平的高低将直接影响到台架试验能否如实地反映发动机的性能，能否提供发动机设计和改进的依据，因此，它对提高发动机的性能和质量具有较重要的影响。
2. 发动机台架试验系统方案设计
在实际应用中，发动机台架试验一般主要完成以下几类试验：发动机性能试验、耐久性、可靠性试验、出厂试验、定期抽查试验、研究性试验。具体试验中，使用测功机，利用各种方法给发动机提供阻力矩，控制其转速，然后利用传感器将各个反应发动机运行状况的非电量转化为电量，用数据采集卡采集，通过微控制器，将数据发送到上位机，进行显示，同时各种数据也用于测功机的控制系统，对发动机工况进行调节。反应发动机运行情况的被测量主要包括，发动机转速，扭矩，水温，机油温度，排气温度，进气温度，进气压力等。
2.1. 设计要求与方案选择
本设计要求为设计发动机台架实验的基本物理量（发动机转速，扭矩，水温，机油温度，排气温度，进气温度，进气压力）等的测试和控制，实现最小配置的发动机台架试验系统。
根据这一要求，比较单片机测试系统与单片机—PC二级计算机测试系统： 单片机具有体积小，重量轻，价格低廉，应用方便等特点，采用单片机来构造系统能够满足系统的基本要求，实现系统的基本功能。但是单片机系统在功能的扩展和性能改进的方面存在有一定的局限，尤其是在数据处理能力，显示能力以及绘图功能等方面与PC机系统相比存在相对不足。利用PC机和单片机构成二级测试系统，单片机完成数据采集，PC机来实现数据的处理，分析及显示工作，可提高系统的数据处理及显示能力。
因此，发动机台架测试系统根据测控具体功能需求和实际条件，选择单片机—PC二级计算机系统，即由测控单片机和调度管理计算机构成两级计算机系统。
2.2. 测试系统布置框图
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发动机台架是基于PC机、数据采集板、油耗仪和测功机等外围硬件设备，完成各种发动机性能试验的测试设备，由传感器和测试仪组成。基本结构如图所示：
发动机台架建立在基础之上，减少发动机振动对实验的影响，为被测试发动机匹配的冷却水箱、燃油箱、进排气管内装有各种传感器，可将发动机转速，水温，机油温度，排气温度，进气温度，进气压力等信息转化为电信号输出。发动机与水力测功器主轴相连，测功机可根据控制要求给发动机提供一定阻力矩。
水力测功器是利用物体在水中运动产生摩擦阻力吸收发动机功率的一种测功装置。水通过进水管两侧同时进入两侧的进水环室，然后由定子上的进水孔进入涡流中心。转子使水在涡流室做旋转运动，通过与外壳的摩擦，使外壳摆动。控制阀控制出水量以调节水层厚度，水层越厚，水与外壳的摩擦力矩越大，吸收功越多，此时外壳摆动角度也大，测力计上的读数也增加。这样，发动机输出的机械能被水吸收变为热能并将扭矩传递到外壳上，由测功器测出。
硬件实验台架之外，还需测控系统来对传感器信号进行转换、处理、显示，并且根据试验意图通过油门及测功器控制发动机运行工况。对于一个具体的测控系统，
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通常是由传感器、变换及测量装置、记录及显示装置、驱动控制装置和实验结果的分析处理装置等组成。
传感器将被测对象的某种信息采样出来，并将其转换成电信号。由于它处于检测系统的输入端，所以它的性能直接影响着整个检测系统的工作可靠性。
变换及测量装置，其作用是把传感器送出的电信号变换成具有一定功率的电压或电流信号，以便推动下一级的记录及显示装置。如电桥电路、调制电路、解调电路、阻抗匹配电路、放大电路、运算电路等。在这一装置里，可以对一些简单信号进行测量、比较，即把要测的量与某一标准量进行比较，获得被测量与标准量若干倍的数量概念，对于传感器送出的变化频率很低、近似直流的信号，为了传输方便，可在这一装置里把它调制成高频放大信号等。所有的模拟量测量都要经过上述过程的转化后，信号才能进入单片机系统。
数据处理装置，是用来对测试所得的结果(曲线或数据)进行分析、运算、处理。如对大量数据的数理统计分析，曲线的拟合，动态测试结果的频谱分析、幅值谱分析或能量谱分析等。
测控系统的结构框图如下：
发动机 水力测功器 发动机转速 油 冷却水温 门 阻力功 机油温度 扭矩 执 （出水量） 排气温度 行 器 进气温度 进气压力
测控单片机（下位机） PC上位机
2.3. 系统功能分析
发动机台架试验系统主要有如下功能：
1)发动机相关试验数据的自动检测功能：系统能够在线测控发动机试验参数（发动机转速，扭矩，水温，机油温度，排气温度，进气温度，进气压力等）；测量控制结果要满足精度要求。
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2)抗干扰能力：由于发动机室的点火线圈产生的高频电压可达1.5—3万伏，系统要具备良好的抗干扰能力；发动机室常常环境恶劣，需要下位单片机有较强的环境适应性。
3)显示功能：能够实现所有发动机测量数据的集中显示；全部参数的实时显示；转速、扭矩、功率、温度和压力等信号的实时曲线显示。
4)自动报警：能够进行故障提示，紧急情况停车报警。
5)要求进行各种发动机性能试验：能够进行发动机负荷特性试验、外特性试验、速度特性试验、瞬时特性试验等；
6)操作功能：人性化的界面，通过键盘和鼠标点击按钮完成参数输入和控制。 7)记录功能：能够实时记录发动机试验过程的数据并在以后重现历史数据报表和曲线。
3. 传感器选择及接口电路设计
发动机台架测试的条件控制及结果获得都极大地依赖传感器。试验系统需要温
度传感器、压力传感器、扭矩传感器、转速传感器等多个类别的传感器，其选用对系统成本和试验效果均有巨大影响。
传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试系统的工作质量。工程中应用的传感器种类繁多，往往一种被测量可应用多种类型的传感器来检测。因此，合理地选用传感器也是系统设计中的一个重要部分。在进行传感器的选型方面，本设计在保证传感器的精度和灵敏度的前提下，从以下几个方面进行了考虑:
1) 尽量选用市场上供货较多、比较成熟、性能稳定的传感器，以保证所选择的传感器具有通用性和稳定的性能。
2) 避免采用安装复杂或对发动机曲轴转动和测功装置有影响的传感器安装方式。尽量采用非接触测量方式的传感器。 3) 尽量采用性能价格比高的传感器。 4) 尽量避免采用模拟式传感器，以保证所选择的传感器具有较高的抗干扰能力和较高的信噪比，在发动机测试现场较恶劣的环境中能够可靠地应用。
3.1. 温度传感器
温度测量是发动机测试的主要项目之一，在发动机动力性测试领域，主要涉及到的需要测量温度有排气温度、机油温度、冷却水温度和进气温度。温度可以用温度计来的测量，温度计可分为接触式和非接触式两大类。
检测发动机温度主要用接触式温度传感器，温度传感器常用的有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性度差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。
因此，低温传感器一般选择铂热电阻或铜电阻，测温范围为0—200℃左右；高温传感器一般使用热电偶，测温范围为O～1000℃左右。发动机试验台架系统所用主要温度传感器选用如下：
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1)排气温度测量：发动机排气温度是表征缸内燃烧状况的重要参数。如果燃烧期滞后并延长，以致排气门开启后继续燃烧，就会造成排气温度过高，其后果是影响充气系数，减少发动机寿命，影响排放等。通过监测排气温度，并设置报警上限，可以很好的掌握发动机运转状况。排气温度一般在几百至一千度之间，所以采用K型热电偶作为测温元件。
2)冷却水温度测量：冷却水温度很好的反映了发动机汽缸温度。温度过高会使润滑油因油温升高而变得过稀，各润滑部位的油膜不易形成或被破坏，各配合副表面将出现半干摩擦甚至是干摩擦，容易造成润滑油烧焦、积炭而失去润滑功能，造成发动机过热，影响发动机工作性能。发动机过热，同时也使进入气缸的空气受热膨胀，空气密度降低，导致充气系数下降，使燃烧过程不正常，从而油耗增加，功率下降，排气管冒黑烟。同样，冷却水温度过低也指示了发动机存在问题。温度过低表明活塞、气门、气缸壁等零件温度过低，会造成压缩终了的温度下降，燃烧条件恶化，燃料燃烧不完全，发动机工作粗暴、振动、响声大，且排气管大量冒出烟雾，造成环境污染。
水温传感器一般安装在缸体水道或节温器上。系统测量时，冷却水温度相对较低，使用PT100铂电阻，为负温度系数的热敏电阻。ECU中的固定电阻R与传感器的热敏电阻串联组成一分压器。接通点火开关，ECU首先通过固定电阻R给传感器输出一个5V(或12 V)的参考电压，热敏电阻的阻值变化时，固定电阻R所分得的电压值(即传感器的信号电压)随之变化，见下图所示。
当温度变低时，热敏电阻的电阻值增大，电路中的电流减小，ECU检测到的信号电压增高，热敏电阻的阻值逐渐减小，电路中的电流增大，固定电阻上的电压逐渐增大，因此ECU检测到的信号电压逐渐降低，根据信号ECU将逐渐修正喷油量。
以冷却水温传感器为例，电阻式温度传感器的电路简图如下
热敏电阻
3)机油温度测量：机油温度也是反映发动机性能及运转工况的重要标志。造成机油温度过高的常见原因：一是缸套活塞组件磨损，燃烧室内的高温高压气体窜入油底壳；二是机油散热器堵塞，机油的冷却与流通能力下降；三是机油泵磨损，泵油量下降，机油的循环散热能力下降等。所以同样设置了机油温度上限，用于监控是否出现异常状况。系统针对的发动机机油温度在100℃左右，同样使用了热敏电阻，
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