基于鼓式制動器失效的溫度監測預警系統設計

李強

（重慶交通大學）

當重型貨車在緊急制動或下長坡連續制動時，制動鼓與制動蹄之間產生大量的熱能，不僅造成制動鼓工作表面力學性能和組織穩定性下降，而且導致摩擦片摩擦因數隨溫度的升高而降低[1-2]。當制動器的工作溫度超過300℃后，摩擦因數出現非穩定的大幅度下降，摩擦力矩急劇下降[3]2。目前對于貨車制動器熱衰退現象的判斷只能依靠駕駛員的駕駛經驗進行預判并采取措施避免，由于該方法針對不同駕駛員隨機性較大，預判成功率難以保證。為了進一步提高貨車的制動安全性，文章提出一種制動器溫度監測預警方案，該方案可實現鼓式制動器溫度的實時顯示和預警，經過仿真驗證，得到了預期效果。

1 硬件電路設計

基于系統的性能和存儲空間需求，選用MCS-51系列單片機AT89C52作為系統的主控單片機。選用12 MHz為時鐘電路中的晶振頻率，系統復位方式選用上電復位。

出于經濟性和可靠性以及響應時間的綜合考慮，選用K型熱電偶為該系統的溫度傳感器。熱電偶特性可由線性公式（1）[3]28來近似。

式中：V變——K型熱電偶的電壓變化率，V變=41mV/℃；

Vo——熱電偶的輸出電壓，mV；

tr——測量點的溫度，℃；

tamb——周圍溫度，℃。

熱電偶溫度較高的一端置于制動鼓溫度變化處，作為溫度輸入采集點；熱電偶溫度較低的一端作為信號輸出點，信號形式為直流電壓。

本方案采用MAX6675作為系統的溫度處理器，來解決熱電偶應用于溫度檢測時需進行模擬信號放大、A/D轉換、溫度補償與數字化輸出接口等軟硬件設計問題，很大程度簡化了熱電偶的應用設計[4]18。

LM016L為16×2數碼液晶顯示器，2行每行顯示16個字符，其控制器HD44780與液晶屏集成在一起。HD44780的控制端口分別是RS（數據/命令選擇端）、RW（讀寫控制端）和E端（使能信號）。RS=0時，配合RW實現命令讀寫；RS=1時，配合RW實現顯示數據的讀寫[5]。在該系統中，單片機的數據口P0與LM016L的數據接口D0～D7和8個10 kΩ上拉電阻連接。通過P2口控制 LCD，P2.0～P2.2分別連接液晶顯示器LM016L的 RS，RW，E 端；VDD，VSS，VEE 分別接電源和地。

當K型熱電阻檢測到的溫度高于300℃時，經過單片機處理后P2.3變為低電平蜂鳴器便發出報警聲音，提示駕駛者減速降擋，運用發動機動力制動或安全停車。制動器溫度監測預警系統硬件電路，如圖1所示。

圖1 制動器溫度監測預警系統硬件電路截圖

2 軟件設計

2.1 軟件工作流程

該系統的軟件工作流程為：熱電偶實時采集制動器溫度數據；MAX6675對溫度數據進行處理，并將處理后的12位數字溫度量以串行方式發送給單片機；數字溫度量通過單片機的軟件算法處理得到溫度值；編譯程序控制單片機實現LM016L液晶屏溫度顯示功能，溫度超過300℃時報警，系統工作流程圖，如圖2所示。

圖2 制動器溫度監測預警系統工作流程圖

2.2 數據采集

單片機讀取MAX6675數字信號的通信模式為SPI串行通信，該系統的單片機不帶SPI串行接口，因此用軟件來模擬串行時鐘、數據輸入和輸出等操作。MAX6675與單片機的串行通信過程為：片選信號（CS）電平由高變低時，MAX6675停止轉換信號并在時鐘信號（SCK）的作用下，SO（串行數據輸出）輸出轉化數據；CS電平由低變高時，MAX6675就會進入下一個新的轉換過程。一個完整串行接口讀取操作需要16個時鐘周期，在SCK的下降沿讀取數據。MAX6675的輸出數據為16位。MAX6675在SCK的下降沿輸入數據、上升沿輸出數據，則取SCK輸出的初始狀態為0，即先置P1.1=0，使MAX6675輸出1位數據（單片機接收1位數據），再置SCK=1，使MAX6675接收1位數據（單片機發送1位數據），由此便傳送完1位數據。

2.3 數據處理

MAX6675使用標準的SPI串行外設總線跟MCW接口，而且MAX6675只能作為從設備。D14～D3為12位數據，其最小值為0，對應的溫度值為0；最大值為4 095，對應的溫度值為1 023.75℃。由于MAX6675內部經過了激光修正，因此，轉換后的數字量與對應溫度值具有較好的線性關系。溫度值（T/℃）與數字量（M）的關系，如式（2）所示。

由式（2）可知，第1步要得到數字量，第2步要得到溫度值，但也可以簡化為，直接得到溫度值再進制轉換[4]21。先將非數據位的數據清零，再將16位數據全部右移3位得到轉換后的數字量，最后再計算得到溫度值。

溫度轉換程序如下：

2.4 顯示與報警

通過編寫程序控制單片機使LM016L顯示屏上，第1行顯示“Brake Lining”（剎車片），第2行顯示“Temp：×××”（溫度值），來表示當前剎車片的溫度。顯示與報警部分包含延時函數、顯示位置函數、顯示字符函數、判斷溫度是否≥300℃及顯示溫度函數。

主程序如下：

3 仿真分析

用KEIL μVision4編寫源程序，編譯成功后生成“.Hex”文件，并將該文件加載到硬件電路的U1單片機中。單擊play按鈕，系統開始仿真，通過單擊MAX6675的T-或T+按鈕來降低或升高熱電偶檢測溫度，觀察并記錄熱電偶和液晶顯示溫度值的變化關系，如表1所示。當溫度升高到300℃時，蜂鳴器會發出預警聲音提示駕駛員進行安全操作，防止危險情況的發生。運行Proteus ISIS 7.8軟件開始進行仿真，分別選取在25℃和300℃時的仿真結果，如圖3所示。

表1 熱電偶溫度與液晶顯示溫度關系 ℃

圖3 LM016L液晶顯示器仿真試驗結果顯示界面

根據表1中采集到的熱電偶值與液晶顯示溫度數據，利用MATLAB工具軟件cftool曲線擬合工具箱進行1階擬合，得到的關系曲線斜率為1.012，具有非常好的線性度，證明液晶顯示溫度與實際熱電偶值誤差較小，處于可控范圍內。利用MATLAB軟件繪制熱電偶值與液晶顯示溫度的擬合曲線，如圖4所示。

圖4 熱電偶值與液晶顯示溫度擬合曲線

在圖4中可以直觀地看出，該溫度預警系統的熱電偶檢測值與顯示溫度值幾乎重合，不僅表明該系統能達到預警的目的，而且表明了系統顯示的準確性和可靠性。

4 結論

文章通過對制動失效的原因分析，開發出一套制動器溫度檢測系統，并完成了該系統的硬件、軟件設計和仿真。雖然液晶顯示溫度有一定的微小偏差，但考慮到制動器的熱衰退溫度是一個大概的范圍值，因此該誤差可以忽略不計。文章對基于制動失效分析的制動器溫度預警系統的開發設計工作，不僅為制動安全輔助系統提供了技術支撐，而且為汽車主動安全系統提供了理論基礎。