基于單片機的汽車自動變速箱電磁閥測試儀的研究與實現

張 珉，王中訓，婁 陽，劉寶軍

(煙臺大學 光電信息科學技術學院，山東 煙臺 264005)

基于單片機的汽車自動變速箱電磁閥測試儀的研究與實現

張 珉，王中訓，婁 陽，劉寶軍

(煙臺大學 光電信息科學技術學院，山東 煙臺 264005)

在一臺自動變速檔汽車中，變速箱是其最重要的部件之一，它的好壞關乎到整臺汽車的性能，而變速箱的關鍵恰恰是電磁閥。然而電磁閥的性能通常不易觀察得到，需要詳細測試得之。傳統測試方法不能高效快捷地得到結果，常常費時費力。為了更方便快捷、科學、準確地測試電磁閥，設計一個基于STC12C5A60S2單片機的由壓力傳感器、流量傳感器組成的測試儀，具有極其重要的研究價值。單片機控制電平，通過T0、T1定時器和內部晶振控制時間，通過A/D實現模數轉換，數據輸出到PC上進行分析。充分利用STC12C5A60S2的軟、硬件資源，使電磁閥的測試方案合理、價格廉價。而STC12C5A60S2單片機特有PWM輸出、A/D轉換的功能，更符合本系統設計需要，科學準確地測試出電磁閥的壓力、流量等數據。

電磁閥；STC12C5A60S2單片機；傳感器；A/D轉換器

0 引言

隨著當今電子控制技術以及計算機科學技術的發展，汽車上采用計算機來控制的東西越來越多，包括自動變速箱[1]。電子控制自動變速器(Electronic Control Transmission，ECT)中的電磁閥是整個變速系統中的重要執行器，自動變速箱結構很繁雜，所以它直接或間接造成了90%以上自動變速箱故障。因此，研發一種可以準確、快速、簡單易用的電磁閥檢測設備已經成為當務之急。當前國產轎車上裝備的自動變速器均采用電子控制系統，在實際的維修工作中，這方面的故障率比較高。換擋電磁閥的質量好壞不但會影響到汽車的行車安全，更會對駕駛人的生命安全產生極大威脅，另外耗油量大量增加卻沒提高行車速度，這與國家現行政策提倡環保和低碳生活相違背。因此研究并設計一個實用的測試儀是十分必要的。

1 檢測儀的設計

1.1 系統的整體設計

系統軟件設計主要是通過C語言編程實現單片機STC12C5A60S2后信號轉換相對PWM占空比圖變量傳送到計算機測量傳感器[2]。系統上電，PWM信號驅動電磁閥模擬工作之后，此時傳感器已經測得流量和壓力，通過串口發送到單片機，隨之單片機對模擬數據進行數字轉換，并且串口傳輸到PC，PC根據數據繪制坐標圖，然后對測試圖與標準圖進行對比，即可很方便地判斷該電磁閥的性能，系統流程圖如圖1所示。

圖1 系統流程框圖

系統的硬件結構為：單片機連接電磁閥和傳感器，控制電磁閥的開關，讀取傳感器采集的數據，是本系統的核心；PC負責獲取經單片機處理過的有效數據并繪制曲線，是本系統的“臨門一腳”，它們各司其職，有機結合在一起，使本系統科學高效地工作。

圖3 測量電流原理圖

圖2 入口壓力電路圖

1.2 硬件設計

本系統采用STC12C5A60S2單片機[3]，STC12C5A60S2/ AD/PWM系列單片機是一種單時鐘/機器周期(1 T)的單片機，而且是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。相對于普通51單片機，STC12C5A 60S2單片機特有的PWM、PCA(可編程計數器陣列)功能，內部集成MAX810專用復位電路，還具有A/D轉換[4]，10位精度ADC，共8路，轉換速度可達250 k/s(每秒25萬次)，這樣使得該單片機成為本測試系統的不二之選。

通過壓力傳感器測試電磁閥的入口壓力和出口壓[5]，圖2為入口壓力電路圖，傳感器采集到的信號是很微弱的，必須經過整流、放大才能被STC12C5A60S2所利用，因此加入了TLV2254放大電路和電阻電容組成的整流電路，之后信號會被傳輸到STC12C5A60S2。

圖3為測量電流原理圖，在P3處將電磁閥接入電路中，將對電流的測量轉換為對電壓的測量，D3處不加穩壓管[6]。

此外本系統中串口電路采用MAX232轉換芯片、RS232C串口通信；采用7805三端穩壓集成電路；測量壓力環節采用TLV2254放大器；測量溫度環節采用AD8200放大器以及DS18B20溫度傳感器。

2 開發工具

LabWindows/CVI是一種交互式C語言開發平臺[7]，它的交互式編程方法、集成化開發環境、豐富的庫函數和函數面板大大增強了實用性。它可以在多個操作系統下運行，是以ANISC為核心的虛擬儀器開發環境，將測控技術與強大的C語言有機結合使用。本軟件主要用于各種儀表測試、控制和信息處理軟件故障分析等用途，相比開發工具LabVIEW，它更適合用于大型的、復雜的軟件測試。LabWindows/CVI在功率計系統、溫度控制系統、過程控制系統以及故障診斷和醫學領域中起著重要的作用[8]。

Altium Designer 是原Altium(Protel軟件開發商)公司推出的集成的電子產品開發系統，主要運行在Windows操作系統。本軟件是可以開展原理圖設計、電路仿真、自動路由、PCB的繪制編輯、輸出的信號完整性設計和技術集成以及拓撲分析，并為設計者提供一種新的解決方案，使設計者可以輕松設計。Altium Designer在本設計的原理圖設計、印刷電路板設計方面功不可沒。

3 仿真測試及分析

模擬變速箱的車型為福特e40d，變速箱代碼為040，專用電纜接頭為04X203(早期型號)和04X205(1995年及以后)[9]。首先將電磁閥固定住，接通充足的汽油，此時電磁閥是閉合的，然后把所有的傳感器都安裝到準確的位置，將單片機與PC通過串口線進行連接，用上位機控制單片機系統，之后電路通電。一段時間后可以看到隨著電路的通斷，電磁閥可以控制汽油有規律地流出。在數據采集結束后，根據系統流程，得到數據并繪制出相應的曲線，如圖4所示。

圖4 優質電磁閥電流壓力曲線

當出現如圖4所示情況時，曲線代表流過電磁閥的電流，直線代表電磁閥的壓力(此處僅測試電流)。由此可得電流壓力曲線是成線性關系的。多次檢測后當電流值與占空比呈線性關系時，可以說明電磁閥的工作穩定性比較好。

如圖5所示，曲線代表流過電磁閥的電流，由此可得電流壓力曲線不是呈線性的。當電磁閥的電流結果呈現出非線性時，需要再進行多次測試確認，若對檢測結果不滿意，就需重啟系統，重復測試。若依然不呈線性就說明電磁閥是劣質的，并找出相干原因[10]。

4 結論

整體上本系統還是非常具有實用性的，然而，該系統還不完善，測試的變量很少只有電流和壓力，需要進一步提高：增加測試變量、增加電磁閥測試設計的電氣特性，電磁閥電路或開路改進以能及時、準確地反映傳輸設備狀態， 提高和完善本測試儀的實用性。

圖5 劣質電磁閥電流壓力曲線

[1] 劉漢濤. 汽車自動變速器精品學習教程[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[2] 何思奇. 電磁閥全自動測試系統的設計與實現[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學, 2009.

[3] 黃惟公，鄧成中.單片機原理與接口技術(C51版)[M].成都：四川大學出版社，2011.

[4] 劉晉，王政林，薛凱方. 基于STC12C5A60S2單片機的LED顯示屏硬件設計[J]. 微型機與應用, 2011, 30(22): 24-27.

[5] 杜克銘, 姚燕, 李景涌. 基于STC89C52的多路溫度傳感器標定系統[J]. 電子技術應用, 2009, 35(4):152-155.

[6] 張學慶. 流量測量的意義及流量傳感器的現狀[J]. 石油化工自動化, 2006 (5): 99-101.

[7] 嚴保康, 周鳳星. 真空電磁閥測試系統的研究與應用[J]. 電子技術應用, 2012, 38(1):57-59.

[8] 余九洲. 基于虛擬儀器的電磁閥特性測試研究[D]. 長春：長春理工大學, 2011.

[9] 邱緒云, 楊福廣, 阮久宏. 汽車驅動防滑控制硬件在環仿真系統設計[J]. 電子技術應用, 2009, 35(12):71-74.

[10] 劉志忠, 陳建國. 自動變速器電控系統的分析與診斷[J]. 汽車電器, 2006 (4): 29-34.

Automobile automatic transmission solenoid valve tester based on single chip microcomputer

Zhang Min, Wang Zhongxun, Lou Yang, Liu Baojun

(Institute of Science and Technology for Opto-Electronics Information, Yantai University, Yantai 264005, China)

In an automatic transmission car, the gearbox is one of the most important components. The good or bad quality has an effect on the whole performance of vehicles, and the key of the gearbox is the solenoid valve. However, the performance of the solenoid valve is not easy to get, and it need detailed test. Traditional test methods can’t work effectively and fast, and often waste too much time. Therefore, in order to test solenoid valve more conveniently and accurately, it has very high research value to study and design a tester based on STC12C5A60S2 microcontroller based tester, consisting of pressure sensor and flow sensor. It is nothing but single chip microcomputer controls level, controls time through the T0 T1 timer and internal crystal vibration, uses the A/D converter to gain analog-digital conversion, and then outputs data to PC for analyzing. Using fully its software and hardware resources it makes the test planning of solenoid valve reasonable and cheap price. What’s more, STC12C5A60S2 MCU’s PWM outputting and A/D conversion are unique function, which will be more suitable for the system design and test pressure and flow of the solenoid valve and other data scientifically and accurately.

solenoid valve; STC12C5A60S2 MCU; sensor; A/D converter

TN212

A

1674-7720(2016)04-0034-03

張珉，王中訓，婁陽，等．基于單片機的汽車自動變速箱電磁閥測試儀的研究與實現[J].微型機與應用，2016，35(4)：34-36.

2015-10-30)

張珉(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：物聯網和無線傳感器網絡。E-mail:zhangmace@163.com。

王中訓(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：LDPC編碼和水下通信。

婁陽(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：LDPC編碼和FPGA等。