本次設計對汽車防抱死系統進行簡單的設計，針對車速、輪速兩個信號進行分析，并根據最佳滑移率計算。采用對比實時滑移率對比分析，ECU控制制動器進行制動力調節使滑移率在制動過程處于最佳范圍,保證系統具有良好制動性能。

汽車的制動液壓調節器主要包含以下幾個部件：調壓電磁閥、電動液壓柱塞、儲液室、低壓儲能室、電動液壓泵、單向閥等。在制動系統進行常規制動時，調壓電磁閥和電動液壓泵不通電，進液電磁閥狀態為流通，出液電磁閥狀態為斷流。這種方式的制動主要依靠自制動主缸輸出的制動液在進液電磁閥的驅動下進入制動輪缸，改變制動輪缸的壓力，實現汽車的常規制動。一旦需要進行防抱死制動，電子控制單元，也就是 ECU系統，會對車輪轉速傳感器輸入的速度信號進行判定，如果判定結果為需要進行制動防抱死，則控制制動輪缸相應的進液或出液電磁閥進行通電換位 ，并自動判斷處理，實現防抱死。其技術實質就是將傳統制動過程轉變為瞬態控制過程 。當汽車制動時 ，其車輪速度會明顯限于車身的速度 ，這種情況就會導致車輪在地面的滑移，若量化指標為滑移率，則防抱死系統就是根據車輪相對地面的滑移率進行瞬時制動。當滑移率為18%到22%時，制動性能最佳，汽車防抱死控制器就是將滑移率控制在最佳范圍內，保證汽車不會因制動而發生側滑或者甩尾等現象

  本次設計的目的是建立一種單輪車輛制動防抱死系統ABS的車輛模型。利用51單片機用Proteus將ABS工作過程及原理仿真出來，通過對制動過程的模擬仿真，探討不同因素對ABS 性能的影響。從而找到一種更有效的制動系統，為汽車制動系統的設計開發提供參考。在過去，對于汽車 ABS 的產品開發中，主要依靠大量的實車試驗，這樣會造成開發周期和費用的大大增加。為了降低研究防抱制動系統的費用，提高研究效率，本文使用仿真軟件 proteus 對 ABS 進行數據仿真，減少不必要的實車試驗操作，得到了在防抱制動時具體參數的變化過程�；�于AT89C51單片機建立ABS模型。

2 設計方案

本次設計對汽車ABS系統的電控部分進行設計并仿真，主要針對系統的控制策略、軟件算法和硬件電路，不涉及其液壓系統的具體結構、尺寸。汽車ABS系統的電控部分主要可分為三大部分，即信號采集與輸入、運算處理與執行動作。本次設計的運算處理部分采用 8 位的 51 單片機，執行動作部分采用LCD燈亮或滅模擬表示制動器對制動壓力的調節。

本次設計需要采集輪速、車速信號，輪速傳感器、車速傳感器的輸出信號為模擬信號可以被單片機讀取。進行輸入信號模擬的方案有：

采用ADC0809芯片進行 A/D 轉換，其優點是更接近真實汽車ABS系統工作時信號輸入處理情況。但硬件設計復雜，接線麻煩，且設計擴展，而本實驗主要是實現功能演示，故此方案不好。

采用可編程電機模擬，使數字信號達到模擬信號的效果，用程序計算單位時間（1s）內脈沖數量模擬輪速（電機轉動快慢不同脈沖數不同），即單位時間脈沖數=輪速。

本次課設主要是為了實現汽車ABS系統功能的設計仿真，著重強調功能實現過程，因此采用方案二，可減輕設計仿真難度。

本次設計需要顯示輸入車速、輪速、滑移率、里程，其顯示方案有：

LED顯示：LED數碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數碼管了。原理易懂但控制相對LCD復雜。

LCD顯示：1、是字符型液晶，顯示字母和數字比較方便2、控制簡單3、成本較低，編程簡單格式單一。

綜上，為了簡化編程，所以選擇方案二。

汽車ABS實現功能的目的是去控制制動器制動大小以控制輪胎的運動狀態，使輪胎在最佳運動狀態。模擬實現驅動方案有：

完整表示ECU控制制動器制動壓力調節的過程。仿真更真實但實現功能復雜，設計難度大。

用led燈的亮或者不亮，表征ABS工作時制動器制動壓力的調節過程（增壓、減壓、保壓）；此方案及其簡單，但是卻能將ABS的工作原理表示出來，設計難度大減。

綜上，為了簡化電路設計和編程，所以選擇方案二。

汽車在制動過程中，當制動器制動力大于輪胎-道路附著力時，車輪就會抱死滑移。只有汽車具有足夠的制動器制動力，同時地面又能提供較大的附著力時，汽車才能獲得較好的制動效果。

在汽車制動時，除車輪旋轉平面的縱向附著力外，還有垂直于車輪旋轉平面的側向附著力。在汽車制動過程中，縱向附著力決定汽車的縱向運動，影響汽車的制動距離；側向附著力決定汽車的側向運動，影響汽車的方向穩定性和轉向操縱能力。

當汽車勻速行駛時，實際車速V (即車輪中心的縱向速度)與車輪速度 (即車輪滾動的圓周速度)相等，車輪在路面上的運動為純滾動運動。然而，在汽車實際運行過程中，當駕駛員踩下制動踏板后，在制動器摩擦力矩的作用下，車輪的角速度減小，實際車速與車輪速度之間就會產生一個速度差，輪胎與地面之間就會產生相對滑移。輪胎滑移的程度用滑移率slip來表示。車輪滑移率是指實際車速與車輪速度之差同實際車速的比值，公式如下。

     （1-1）

當=時，滑移率slip=0，車輪自由滾動；

當=0時，滑移率slip=1，車輪完全抱死滑移；

當>時，滑移率0<slip<1，車輪既滾動又滑移。

試驗證明，在地面附著條件差(例如在冰雪路面上制動)的情況下，由于道路附著力很小，使可以得到的最大地面制動力減小。因此，在制動踏板力(或制動分泵壓力)很小時，地面制動力就會達到最大附著力，車輪就會抱死滑移。在制動過程中，車輪抱死滑移的根本原因是制動器制動力大于輪胎-道路附著力。

滑移率大于理想滑移率后的區域稱為非穩定制動區域或非穩定區，如圖所示。

橫向附著系數是研究汽車行駛穩定性的重要指標之一。橫向附著系數越大，汽車制動時的方向穩定性和保持轉向控制的能力越強。

當滑移率為零時，橫向附著系數最大；隨著滑移率的增加，橫向附著系數逐漸減小。當車輪抱死時，橫向附著系數接近于零，汽車將失去方向穩定性和轉向控制能力，其危害極大。

綜上所述，為了獲得最佳制動性能，應將滑移率控制在18%到22%范圍內。

本次設計采用 AT89C51 單片機，由于AT89C51 單片機的定時/計數器個數有限，因此使用外部中斷0來采集計數單位時間電機編碼器產生的脈沖個數，采集定時器0中斷0.1ms，中斷1000次，共1s，計數1s內內脈沖個數并除以2后作為汽車輪速。

方式如下：

外中斷每中斷 1 次使程序中車速的計數變量 count 加 1，內部定時器0中斷0.1ms，定時器0每中斷0.1ms ，Time1ms加1，當Time1ms=1000，即計數得到1s內電機總脈沖速。通過換算即可得到輪速的值。同時，使用單片機 P1口讀取車速；使用 P0 口控制 LCD 模塊顯示實時的車速值、輪速值與滑移率值行駛里程；使用 P1.5-P1.7 端口輸出 控制LED燈亮、滅，模擬制動器工作過程。

具體的連接關系如下圖：

AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

2．管腳說明：
VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。
P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。
P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

本次課設采用電磁感應式車輪轉速傳感器，電磁感應式車輪轉速傳感器運用電磁感應原理，在被測軸端安裝一個軟磁性鐵質齒輪，齒輪與被測物體同軸旋轉，在齒輪的外圓周安裝探頭。探頭由一個圓柱形永磁體鐵芯與線圈組成，線圈繞在鐵芯上，當齒輪的齒對著探頭時，鐵芯的磁通變大，當齒輪的齒槽對著探頭時，鐵芯的磁通變小。當齒輪旋轉時，鐵芯的磁通周期變化，在探頭磁通增大時線圈輸出正脈沖，在探頭磁通減小時線圈輸出負脈沖，經整形放大器輸出方波脈沖信號。原理圖如下：

由于 Protues 仿真中無法實現實際車速的輸入和電磁感應式車輪轉速傳感器的仿真，因此采用編碼電機單位時間內脈沖數計算來模擬電磁感應式車輪轉速傳感器的信號輸出，通過調節電機的轉速，即可模擬不同輪速。其電路設計見下圖：

輪速電路設計

本次設計的車速傳感器采用霍爾式傳感器，所選型號為 A3144 霍爾傳感器。霍爾傳感器A3144是Aleg MicroSystems公司生產的寬溫、開關型霍爾效應傳感器，其工作溫度范圍可達-40℃~150℃。它由電壓調整電路、反相電源保護電路、霍爾元件、溫度補償電路、微信號放大器、施密特觸發器和OC門輸出級構成，通過使用上拉電路可以將其輸出接人CMOS邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩定性好、靈敏度高等特點。

A3144 霍爾傳感器

由于 Protues 仿真中無法實現實際車速的輸入和霍爾式傳感器的仿真，因此采用3個按鍵模擬產生3個不車速（8m/s,10m/s,15m/s），即可模擬不同車速。其電路設計

見下圖：

車速模擬輸入

本次設計采用 LM016L 作為顯示模塊，顯示車速、輪速和滑移率、里程。LM016L 稱 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，能夠同時顯示 16x02 即 32 個字符。

顯示模塊

制動器工作（增壓減壓保壓）表述模塊

但汽車開始剎車時ABS才開始工作，故需要剎車控制，剎車模擬仿真如下。

綜上所述，設計 AT89C52 單片機的電路仿真圖如下：

系統總電路設計

2.4系統軟件設計

主程序流程圖

滑移率計算過程子程序流程圖

Abs控制制動液壓制動調節過程子程序流程圖

輪速讀取流程圖

車速讀取流程圖

2．5 keil程序調試

在 Keil 中完成軟件程序的編寫之后，進行程序代碼的查錯和編譯。Keil 的編譯結果

如下圖：

Keil 的編譯結果

2．6 Proteus仿真調試并檢驗系統計算數據是否滿足理論值

（1）當車速v1=8 m/s ，輪速v2= 6 m/s

滑移率 s=[(v1-v2)/v1]*100%=[(8-6)/8]*100%=25%

此時s>22%，即此時制動器制動力過大，需要減少制動壓力。而仿真中模擬減壓過程led燈亮，仿真正確！

（2）當車速v1=10 m/s ，輪速v2= 8 m/s

滑移率 s=[(v1-v2)/v1]*100%=[(10-8)/10]*100%=20%

此時22%>s>18%，即此時制動器制動力合適，不需要增減制動壓力。制動液壓只需保持住壓力就可。而仿真中模擬保壓過程led燈亮，仿真正確！

（3）當車速v1=15 m/s ，輪速v2= 13 m/s

滑移率 s=[(v1-v2)/v1]*100%=[(15-13)/15]*100%=13%

此18%>s，即此時制動器制動力小了，需要增加制動壓力。而仿真中模擬增壓壓過程led燈亮，仿真正確！

結論分析

本次設計的目的是建立一種單輪車輛制動防抱死系統ABS的車輛模型。利用51單片機用Proteus將ABS工作過程及原理仿真出來，通過對制動過程的模擬仿真，探討不同因素對ABS 性能的影響。從而找到一種更有效的制動系統，為汽車制動系統的設計開發提供參考。在過去，對于汽車 ABS 的產品開發中，主要依靠大量的實車試驗，這樣會造成開發周期和費用的大大增加。為了降低研究防抱制動系統的費用，提高研究效率，本文使用仿真軟件 proteus 對 ABS 進行數據仿真，減少不必要的實車試驗操作，得到了在防抱制動時具體參數的變化過程。基于AT89C51單片機建立ABS模型。

在此次設計中，再結合其余兩位組員的仿真結果來看，不同輸入模擬方式和不同計算滑移率會得到不同的結果，可見不同參數變化對仿真結果影響較大。

分析仿真結果，從直觀上可以看到ABS防抱制動系統可以將滑移率始終控制在20%附近，有效的縮短了制動行程，避免車輛發生抱死拖滑的現象。從而保證了汽車制動時行駛的穩定性和操縱性，為汽車的行駛安全保駕護航。

此外本次設計，還利用知網等網絡資源查詢了一些，對ABS制動效果起作用的其它的影響因素。如不同輪胎，ABS的不同布局方式等。這里詳細引用如輪胎對其的影響，作簡要補充。

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2021-4-2 16:43 上傳

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