基于AT89S51控制的液压避险制动系统的设计

2018-05-28艾卫东苗勇

汽车实用技术 2018年9期

艾卫东¹，苗勇²

（1.河南省工业科技学校，河南新乡 453000；2.苗勇精工汽车修理有限公司，河南新乡 453000）

前言

目前车辆进入千家万户，新手驾驶员和女性驾驶员越来越多，由于驾驶的熟练度不够，他们在驾驶车辆时表现出比较紧张的心理状态；根据加拿大著名学者塞里（Hans Selye）最早提出系统的应激学说，人在紧张的状态下驾驶车辆，在车辆的前方突然出现紧急情况时，他们的心理状态从紧张变为慌张，由于慌张会产生误操作，有可能把油门当做刹车使用；此时他们因为慌张，把油门当做刹车的误操作后的心理状态，促使他们的心理状态从慌张变为惊慌，由于惊慌引起人心理的本能反应，他们的手会在方向盘上作出毫无意义的动作，这反而会造成更有害的行为，酿成了不该发生的悲惨事故。为此，笔者设计了一套安装在方向盘上、副驾驶上及后排座扶手上，易于手动操作的避险按钮，在驾驶员紧张的心理状态下多了避险的心理准备；一旦驾驶的过程中出现紧急情况，他们心理状态由紧张变为慌张，也可以使车辆在最短的距离停下来，避免了驾驶员从慌张的心理状态变为惊慌的心理状态，酿成不该发生的事故；次系统不但驾驶员易于操作，而且坐在后排座和副驾上乘客也易于操作。

1 避险制动系统硬件设计

AT89S51控制的避险制动系统总体框图如图1所示，系统由两个子系统组成，一是以单片机AT89S51为核心电控系统，它主要包括液压信号检测、紧急避险信号输入、复位信号输入、液压过低报警、避险时信号输出；二是以液压储能器为核心的高压加压装置、液压管路、电磁阀们为主的避险制动液压系统。液压系统和控制系统的管路及线路在箱体外，核心部件集中安装一个箱体内，放在副驾驶室脚窝出，易于拆装和复位。电控系统通过液压系统、驾驶员或乘坐人员的动作产生的信号进行分析、判断后，发出信号控制液压系统的四个电磁阀和发动机的供油电路（或电动汽车的高压供电电路），在使汽车动力系统停止后快速制动，避免事故发生。

图1 避险制动系统框图

1.1 系统的主要硬件——液压系统介绍

液压系统组成的框图见图2所示，由手动液压泵、液压储能器、液压压力开关、两位两通电磁阀（常闭）、两位两通电磁阀（常开）及各种管接头组成。手动液压泵最大输出压力为 70MPa，储油量 0.9升，尺寸为 700×200×70.重量为17Kg；液压储能器容积1升，储能最大压力31.5MPa，重量3.5Kg；根据 ZB/T T 24008-1990 汽车液压制动主缸技术条件，制动主缸提供 7.3MPa的液压压强；手动液压泵与液压储能器能满足制动总泵提供的液压压强；依据汽车行业标准QC/T3112008《汽车制动主缸性能要求及台架试验方法》，采用的液压压力开关作为避险制动系统的压力传感器²，在液压压强低于6MPa时断开、液压压强高压6MPa时闭合。避险制动系统不工作时四个电磁阀保持原有的状态，此时车辆保持车辆原有的制动状态；避险制动系统工作时，为了避免避险液压系统的高压制动油倒返给总泵，此时串联在制动总泵液压管路中的二个电磁阀切断车辆制动管路和制动总泵的联系。

图2 液压系统框图

1.2 系统的主要硬件——电控系统介绍

电控系统的组成框图见图3所示，有液压压力开关、避险按钮开关、复位按钮开关、单片机控制器、液压压力报警器、常开电磁阀继电器、常闭电磁阀继电器、两位两通电磁阀（常开）、两位两通电磁阀（常闭）组成。单片机采用AT89S51，它具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间，它与我们通常意义上的微机原理类似，具有强大的工控能力，并且其价格便宜，其单片售价不超过5元；避险按钮开关共4个，分别按照在方向盘上，副驾驶及后排座的扶手处；常开电磁阀与常闭电磁阀各两个，常开电磁阀装在从制动总泵的两个高压出油口，常闭电磁阀安装在液压储能器的出油口。

图3 电控系统框图

2 避险刹车系统的基本功能

液压储能器压力低与6MPa报警，提醒驾驶员利用手动液压泵进行液压系统加压。

带有装在方向盘上的手动避险刹车按钮，符合人在惊慌时刻的本能反应，用手来进行避险刹车，简单方便，易于操作。

本系统为坐在副驾和后排座的乘员在驾驶员惊慌时给乘客提供刹车避险功能。

避险刹车系统的功能不受车辆其他系统的影响，可以在不改变原有车辆结构的情况下进行安装和拆卸。

系统起作用后，需要手动操作液压回流到手动液压泵的储油罐之后，才能操作复位按钮开关，车辆才能重新复位。

3 避险刹车系统的工作原理

新手或女性驾驶员驾驶车辆时心理高度紧张，当他们发现车辆前方或后方出现紧急情况下，心理状态由紧张变为慌张，此时一方面会把油门当做刹车的误操作，另一方面会发出尖叫声引起车辆其他乘员的注意，此时驾驶员能够很方便在方向盘上操作避险制动按钮，同时坐在副驾驶及后排座的乘员也很方便操作装在扶手的避险制动按钮；在电控系统的控制功能的作用作用下，控制系统发出控制信号，在控制信号的作用下驱动液压电磁阀，同时切断车辆的动力系统；液压电磁阀的打开与关闭使储存的高压液压进入车辆的制动分泵，强大的液压制动力使车辆制动。当危险解除后，通过手动液压泵进行制动液压回收，制动管路的液压油回收到储油罐后，通过复位按钮进行系统复位，待系统复位后再通过手动液压泵加压，为下次车辆的避险做准备。

3.1 液压系统的工作原理

液压系统的液压原理图见图4所示，其工作过程是利用手动液压泵1给液压管路加压到10MPa，10MPa液压储存在油压储能器2中，通过液压开关3检测油压储能器2中压力是否小于 6MPa；车辆正常行驶时，系统保持原状态，常开电磁阀4、5切断液压储能罐1的高压与制动分泵活塞缸8、9相通，常闭液压电磁阀6、7接通与制动总泵与制动分泵活塞缸8、9相通，此时车辆的避险刹车系统与车辆刹车系统互不影响，车辆制动有制动总泵控制。当避险液压系统工作时，常闭电磁阀6、7动作变成断开状态，切断制动分泵活塞缸8、9与制动总泵的管路，制动总泵不再控制制动；同时常开电磁阀4、5动作变成接通状态，接通制动分泵活塞缸8、9与液压储能器2的高压，10MPa高压快速的使制动分泵活塞缸8、9动作，实现避险刹车。当完成避险刹车后，驾驶员需通过手动液压油泵1的泄压阀把制动管路的高压液压油回收到其储油罐1中；回收完毕后，制动分泵活塞8、9归位，制动释放，油压电磁阀4、5、6、7复位原有状态，车辆重新回到由制动总泵控制的正常制动状态。

图4 液压系统原理图

3.2 电控系统的工作原理

电控系统的电路原理图见图5所示，压力传感器信号通过AT89S51的P1.0端口输入，当避险液压单元的压强大于6MPa时，信号为高电平1，当避险液压单元的压强小于或等于6MPa时，信号为低电平0；S1、S2、S3、S4为避险系统的刹车按钮，当他们中任何一个或几个按下时，向AT89S51的P1.1端口输入低电平信号0；复位按钮S按下时，AT89S51的RST端口为高电平1信号，AT89S51的控制单元重新复位；AT89S51的XTAL1，XTAL2两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器，电路中的微调电容选择为 30pF，晶体的振荡频率为 12MHz。避险控制系统的控制逻辑见表1所示。

当P1.0端口输入信号为低电平1时，P1.1端口输入信号为高电平1时，AT89S51的输出端口P0.0为低电平，报警器不工作；AT89S51的P2.7、P2.0的输出端口为高电平，两个开关三极管截止，两个继电器保持原有状态，从而四个电磁阀保持原有状态，避险刹车系统处于待命状态。

表1 避险控制系统的控制逻辑

当P1.0端口输入信号为低电平1时，P1.1端口输入信号为高电平1时，AT89S51的输出端口P0.0为低电平信号0，报警器不工作；AT89S51的P2.7、P2.0的输出端口为高电平，两个开关三极管截止，两个继电器的触头K1、K2保持原有状态，从而四个电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4保持原有状态，避险刹车系统处于待命状态。

当P1.0端口输入信号为低电平0时，P1.1端口输入信号为高电平1时，AT89S51的输出端口P0.0为脉冲信号，报警器报警，提醒驾驶员对液压储能器加压；AT89S51的P2.7、P2.0的输出端口为高电平，两个开关三极管截止，两个继电器保持原有状态，从而四个电磁阀YV1、YV2、YV3、YV4保持原有状态，避险刹车按钮失效。

当P1.0端口输入信号为低电平1时，P1.1端口输入信号为高电平0时，AT89S51的输出端口P0.0为低电平信号0，报警器不工作；AT89S51的P2.7、P2.0的输出端口为低电平，两个开关三极管闭合，两个继电器电磁线圈通电触头 K1闭合、K2断开，从而四个电磁阀保 YV1、YV2、YV3、YV4通电，切断发动机的油路，驾驶员无论加多大油门，发动机熄火，避险刹车快速实现车辆制动。

只有当车辆避险系统工作后，才会出现P1.0、P1.1端口输入信号都为为低电平0，AT89S51进入一个死循环，报警器工作；AT89S51的P2.7、P2.0的输出端口为低电平，两个开关三极管闭合，两个继电器电磁线圈通电触头 K1闭合、K2断开。此时只有驾驶员把制动管路的高压液压油回收到其储油罐，按下复位按钮S，AT89S51的各输出端口才能恢复到原有的状态。

图5 电控系统的原理图

4 系统软件设计

本系统采用C语言进行开发，其流程图见图6所示，系统初始化后，AT89S51检测 P1.0是否为高电平 1，如果P1.0=0，AT89S51的输出端口P0.0=1，报警提醒驾驶员对液压系统加压。如果P1.0=1，检测P1.1是否为高电平1，如果是高电平P1.1=1，AT89S51的输出端口P2.0=1，P2.7=1，系统保持原状态；如果不是高电平P1.1=0，AT89S51的输出端口P2.0=0，P2.7=0，系统保持工作；如果不是高电平P1.1=0，AT89S51的输出端口P2.0=0，P2.7=0。