基于Proteus的同步器倾斜性检测系统设计

陈 涛，梅 凯

(湖南机电职业技术学院 电气工程学院，湖南 长沙 410151)

基于Proteus的同步器倾斜性检测系统设计

陈 涛，梅 凯

(湖南机电职业技术学院 电气工程学院，湖南 长沙 410151)

为了满足同步器总成检测要求，文章设计了一套基于同步器齿毂齿套倾斜性检测系统。文章不仅完成同步器倾斜性检测系统机械结构、硬件、软件的设计，还介绍了所研制的计算机和单片机控制的汽车同步器总成倾斜量检测系统、检测原理及试验仿真。此外，还提出基于Proteus的系统开发方法，应用Proteus进行原理图设计，根据Proteus中的电子元件特性模拟了检测系统的微位移传感器，并利用Proteus与Keil的联合调试进行仿真分析，得出仿真数据。相比于其他检测装置，该系统在检测精度和自动化方面更臻完美。

齿毂与齿套；单片机控制；倾斜量；检测系统；Proteus

汽车同步器由于能够使汽车实现平稳换挡，在汽车领域得到广泛应用。随着自动挡的汽车越来越多，同步器的产量和质量的要求也越来越高，手动检测的方法从效率和精度上都不能满足大批量生产的需求，因此急需一种标准化的检测设备，用来实现快速、自动地测量齿毂与齿套之间的倾斜量。现有的同步器主要部分为齿毂与齿套，为了便于装配以及长时间的滑动顺畅，安装后的齿毂和齿套之间要有0.5mm～1.4mm倾斜量。此外，因为倾斜量过大可能导致掉档、无法抵档等严重问题，所以齿套相对于齿毂倾斜量的检测是非常重要的检测过程。

1 装置结构及检测原理

现今，企业常用的检测方法是手动检测：一只手按住齿毂，另一只手向上抬齿套，通过百分表打表测量齿套翘起的高度来运算齿毂和齿套之间的倾斜量，每个同步器需要在三处（120°间隔）不同的位置分别检测，检测倾斜量是否一致，只要有某一处超出给定倾斜量范围的将给予剔除。其手动检测方法如图1所示。

图1 企业同步器齿毂齿套倾斜量检测图

为了实现精确检测，设计了同步器齿毂齿套倾斜量检测平台（如图2所示）。现将该检测平台各主要部分及检测原理逐一作介绍。

按具体功能的不同，该检测平台可分为三部分：第一部分为感应区和上顶下压装置，由微位移传感器、多种型号气缸和众支撑架等组成。该部分是检测平台的核心，通过它们可以很方便地把齿套相对齿毂的倾斜量以电信号的形式反映出来。第二部分为判断区，将转化的数字信号与公司给定倾斜量范围进行比较，作出合格与否的判断。第三部分为处理执行区，含有ADC0832型A/D转换器、放大电路和AT89C51型单片机，这部分的作用是根据传入的电信号，单片机将按预设的程序向下一级传出指令，以控制旋转电机的停转，另外，还含3个光电传感器、57BYG型电动机和与之适配的HB202M型驱动器，通过光电传感器控制电机旋转角度来实现三点检测。

图2 同步器齿毂齿套倾斜量检测平台

1.1 感应区和上顶下压装置

如前所述，这一部分被用于检测齿套倾斜量，具体的运动过程为：齿毂与齿套匹配后放置于旋转台上；升降气缸将顶压件推出，压住齿毂不动；施压气缸动作，伸出活塞杆压住齿套的一端；顶升气缸动作，伸出的活塞杆将齿套的另一端顶起，此时，齿套与水平面形成的高度差即为所测的倾斜量Δ（如图3所示）；倾斜量通过微位移传感器反映出来，并转换成电信号传送到测量电路系统，经调制、放大、滤波、解调输送到上单片机。

图3 倾斜量实验平台

1.2 判断区

文章介绍齿毂齿套的倾斜量检测，采用CN10-SGCW 10数字式位移传感器。该传感器工作原理：当顶升气缸活塞杆推动齿套，传感器的弹性体在推力作用下产生弹性变形，使得其内部的电阻应变片也随同变形而导致阻值发生变化，再经A/D转换电路把该电阻变化转换为相应的数字电信号。基于这一原理，利用Proteus中1k的电位器阻值的变化来模拟传感器中电阻应变片的变化，通过ADC0832将模拟的电信号转换成数字信号发送至单片机由于51单片机，单片机调用程序，作出判断。其主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

1.3 处理执行区

处理执行区的主要功能：完成一点的检测后，把从上一区输入的较弱的电信号通过单片机输出脉冲信号来控制驱动器驱动步进电机运行，直到传感器检测片感应到光电传感器而停止转动。

2 实验与仿真

2.1 关于顶升气缸的说明

为了得到合适的顶升气缸型号，文章进行如图3所示实验装置设计。其中，动态信号分析仪用于振动、冲击、压力等力学量（转换成电量）的测量分析。S型称重传感器用于测量固体间的拉力和压力。由于实验平台主要支撑齿毂，而检测过程中，齿毂受力保持固定不动，不产生倾斜，因此不予考虑。对于齿套倾斜量Δ，虽然动态信号分析仪测量一次就能测出传感器的动态响应曲线，但是笔者只对倾斜量的始末端进行考量，因此，我们取初始和末端两个静态过程进行分析。

根据静态平衡方程有：

其中：G为齿毂重力，单位N；F1为实验平台对齿毂的支撑力，单位N；F2为顶升气缸对齿毂的推力，单位N；F3为称重传感器对齿毂的支撑力，单位N；S为气缸活塞面积，单位mm2；P为气缸系统压力，根据设计取0.6MPa；n为安全系数，一般气缸垂直安装取0.5，水平安装取0.7。

经读取称重传感器检测数据和计算，S=6.94mm2；F3=2.7N，因此选择缸径为8mm2，行程为50mm的气缸，确定气缸型号为Festo公司的DSNUP-8-50-P。

2.2 实例测试

为了完善设计功能、优化结构，现取赣州某公司20套型号为MF65B 5/R齿毂齿套总成进行人工倾斜量检测，每套测试三个点，分别记为第一、二、三点，共打表60次，然后将获取的数据以Matlab曲线描绘出来（如图5所示）。从图中不难发现，各点的倾斜量处于无序的状态，均是随机数。

图5 Matlab曲线描绘公司实测数据

2.3 Proteus仿真

Proteus是英国Labcenter公司开发的一款EDA仿真工作软件，是先进的电子应用系统设计和实时交互仿真、PCB设计的平台。与传统单片机仿真软件，如EWB，Propel和Or-CAD等相比，它在元器件选择、电路连结、源程序的输入及调试、仿真结果输出等各个方面都有独特的优势。该软件包含了51，PIC，AVR，ARM7等系列单片机(嵌入式系统)的仿真模型，并提供了功能强大的虚拟测试仪器。仿真和程序调试时，能够很好地与第三方软件兼容，具有强大的原理图绘制功能。另一方面，工程机械的控制系统中，经常要使用力传感器、角度传感器、位移与速度传感器等这类接收机械设备作业过程中产生的机械特性变化信号的传感器。虽然Proteus元件库中没有上述传感器，但是可以在Proteus软件中用能输出相同信号机理的其他电路来替换该传感器电路，调试成功后，在最终完成的设计中，只需用该传感器电路接到替换电路的接口上即可。

文章以齿毂齿套倾斜量检测平台为例说明这种基于Proteus的系统开发方法。根据检测平台的工作原理以及作业工况，检测系统必须对同步器齿毂齿套倾斜量实时检测，特别是当超出公司给定倾斜量范围时，要予以警报。系统采用AT89C51单片机为控制核心，利用软件的ISIS工具绘制电路原理图并进行电路仿真。硬件电路中应包含以下4大功能区。

（1）数据采集模块。通过ADC0832将模拟的电信号转换成数字信号发送至单片机由于51单片机是将0～5v的模拟电压量转换为0～255级的数字量，因此程序设计时用A/D转换得到的数据乘以顶升气缸额定顶升量再除以255来表示当前齿套的倾斜量。

（2）液晶显示模块。将采集到的电压信号经过单片机处理，显示在LCD12864液晶显示屏上。首先通过字模软件对将显示的汉字、数字进行取模，再调用程序显示在液晶屏。

（3）按键模块。系统中设计了一组按键。其中，K1完成液晶屏从监控界面进入设置界面，并在设置界面上显示当前检测对象的倾斜量；K2完成从设置界面返回至监控界面。K3为检测系统开始检测，K4为停止检测。

（4）蜂鸣器报警模块。在同步器齿毂齿套倾斜量检测过程中，当检测到的倾斜量超出公司预定值时，蜂鸣器开始报警，提示检测倾斜量不合格。其仿真原理图如图6所示。

图6 仿真原理图

2.4 软件设计

KeilC51是德国开发的单片机编译器，它集编辑编译，仿真于一体，支持汇编、PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用，是非常强大的开发工具。在μVision4的仿真功能中有两种仿真模式：软件模拟模式和目标板仿真调试模式。KeilC51软件可以通过设置与Proteus联机调试。

本系统采用KeilC51软件，用C语言进行程序设计。单片机完成整个系统的控制功能，其程序包括主程序和子程序。子程序主要实现各个功能，包括LCD显示子程序、按键设置子程序、中断子程序、报警子程序、延时子程序等。

3 结语

文章在完成同步器齿毂齿套倾斜量检测平台的设计后，将Proteus软件与具体工程实践相结合，从原理图布局、实时仿真、调试整个开发过程都在Ptoteus中完成，实现检测系统的机电一体化设计。由仿真结果显示，该设计不但可以完成检测系统的开发，减少劳动力成本，提高检测精度。另外，还在很大程度上避免了硬件测试的复杂过程，在省去各种精密仪器仪表使用的同时，大大降低了系统开发成本并极大提高研发速度，能够很好地解决嵌入式系统开发周期比较长的问题，使得该系统设计对比其他检测装置，更具一定优越性。

［1］贾玉灵，刘雅丽，石刚.汽车同步器总成间隙的研究与探讨［J］.价值工程，2012，25（3）：23-25.

［2］周同磊，汽车变速器同步器［J］.现代零部件，2009，（3）：92-94.

The Design of Synchronizer's Tilting Detection System Based on Proteus

CHEN Tao，MEI Kai
（School of Electrical Engineering，Hunan Mechanical Vocational and Technical Institute，Changsha，Hunan 410151，China）

In order tosatisfy testing requirementsofsynchronizerassembly，thispaperdesignsasetof tilting detection system based on synchronizer's gear hub and gear sleeves.This paper not only finishes the design of detection system'smechanical structure，the hardware and software，also introduces the development of computer and single-chip microcomputer control of automobile synchronizerassembly's tilting testsystem，testprincipleand testsimulation.In addition，itputs forward themethod of system development based on Proteus.Proteus is used for schematic design，according to the characteristics of electronic componentsofProteussimulation testsystem ofmicro displacementsensor，and uses the Proteussimulation analysiswith the Keil jointdebugging，in theend,itdeducesthesimulation data.Comparedwithotherdetection device，thissystem ismoreperfectin terms ofaccuracyandautomation.

synchronizer'sgearhub and gearsleeves；single-chipmicrocomputer control；tilting；detection system；proteus

TP242.2

A

2095-980X(2016)08-0026-03

2016-07-07

陈涛（1987-），女，湖南岳阳人，硕士，主要研究方向：机电一体化。