红外车用雨量传感器测试装置的设计
收稿日期:2009-04 作者简介:杨李箭(1984—),男,硕士研究生,主要从事检测技术与自动化装置方面的研究;张美凤(1949—),女,副教授。
红外车用雨量传感器测试装置的设计
杨李箭,张美凤,姚 骏
(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)
摘要:介绍一种基于STC12C5404AD 单片机的红外车用雨量传感器测试装置的设计原理、制作方法。该测试装置利用转盘反射的机理,对红外车用雨量传感器进行测试。
关键词:STC12C5404AD;雨量传感器;测试装置
中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2009)10-0060-02
D esi gn of Test D ev i ce of I nfrared Autom oti ve Ra i n Sen sor
Y ANG L i 2jian,Z HANG Mei 2feng,Y AO Jun
(School ofM echatr onic Engineering and Aut omati on Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China )
Abstract:The p rinci p le and design method of test device of infrared aut omotive rain sens or are intr oduced in this paper,which is based on STC12C5404AD single 2chi p m icr ocomputer .The test device,based on dial reflex mechanis m ,is app lied in the test of infrared aut omotive rain sens or .
Key words:ST C12C5404AD;rain sens or;test device
笔者设计的基于转盘反射机理的红外车用雨量传感器测试装置如图1所示,具有可操作性高、可重复性强、测试装置简单、安装调试方便、占地小等优点。图1也是国外车用雨量传感器型号为“VW 1JO 955559”的技术规范上的测试装置原理图
。
图1 测试装置原理图
图1中被测件代表红外雨量传感器,技术规范上
对测试装置的要求是:转盘上绘有黑白两色(其中黑色扇区为30度),转盘到被测件的距离为30mm ,转盘的转速为30～60r/m in,转速的快慢代表雨量大小,越快表示雨量越大。
笔者根据测试装置的原理图和技术规范要求,对该测试装置进行了一些功能扩展和实现。传感器感知测试装置信号的大小以后发命令给雨刮控制器,雨刮控制器根据信号大小驱动刮水电机工作在停止、间歇、低速、高速这4个档位上。
1 系统的总体设计1.1 设计原理和功能
测试装置采用的设计原理是:测试台的转盘由黑
色区域和白色区域组成,黑色区域能吸收红外光,白色区域能反射红外光。转盘转动过程中,黑色区域吸收红外光,引起红外反射量的减少,转盘转动一周,引起红外雨量传感器敏感端面各处红外反射光照度不均匀变化,根据接收端接收到的红外光照度变化来判断转盘的转速大小。转盘的转速就相当于雨量的大小,转盘的旋转速度由一个步进电机控制。
根据技术规范要求,设计的雨量传感器测试装置
具有以下功能:电机可控制转盘在5～250r/m in 之间
做任意速度调节;同步发出信号和采集信号来控制雨刮控制器的驱动电机;采用上下位机的通信对采集的信号进行处理;转盘和被测件之间的距离可以调整。1.2 总体结构设计整个测试装置设计主要分为底座、支架、转盘的设计。
金属板底座应有一定的重量,使装置不宜倾倒,底座最好能做表面绝缘处理。金属支架用于固定待测传感器;支架由支柱和传感器槽构成;应能调节传感器槽的位置(即调节传感器端面到转盘的距离)。转盘的
?
06?仪表技术 2009年第10期
直径至少要和传感器直径一样大。2 硬件电路设计
测试装置的硬件电路结构如图2所示,以8位单
片机STC12C5404AD 为核心
。
图2 硬件电路结构图
单片机输出的控制信号通过电机驱动器ST -24HB 来实施步进电机的控制,驱动器上的2个引脚控
制转速:一个接地,另一个给一定时间的脉冲电流,电机便可连续转动起来;改变脉冲电流的时间间隔,就可改变转速。控制转向的2个引脚分别接高、低电平,只需反接就可改变方向。
通过不同按键可控制电机运行状态,即控制电机的启/停、调速、单步运行(旋转一圈),以方便测试的需要。增加串口通信的目的是增加调速的方便性,并显示信号的处理结果。
当转盘转速达到一定量时,雨量传感器就会接收到信号,此时LED 灯闪烁。雨量传感器将输出相应的信号,此时单片机对此输出信号进行采集,对数据进行分析就可找出转速与占空比的对应关系,即转速越快占空比越小。2.1 微处理器
微处理器选择宏晶科技生产的ST C12C5404AD,它是增强型8051内核,内部集成MAX810专用复位电路,1个时钟/机器周期,速度比普通8051快8～12倍。它具有4K B 可编程的非易失性F LASH 程序存储器,同时有512B 的RAM ,15个通用I/O 口,8路10位ADC,4通道捕获/比较单元(PCA /P WM /CCU ),由于4路PCA 也有4个定时器,所以共有6个16位定时器。它同时具有超低功耗、超强抗干扰,其温度工作范围为-40℃～85℃,由于采用小引脚封装(D I P20),所以其价格与低档单片机相当,性价比极高,而且具有I SP 功能,下载十分方便,内部功能完全满足设计的需要。2.2 步进电机
步进电机选择的是14H28-05-04A 二相步进电
机:电压10V 、电流0.5A 、最大静转矩为9.8×10-3
N ?m 、步距角为1.8度、步距角精度为±5%。
值得注意的是:步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。如果要
使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速慢慢升到高速)。2.3 电机驱动器
步进电机驱动器选择ST -24HB 电机驱动器,该细分驱动器采用美国高性能专用微步距电脑控制芯片,细分数可根据用户需求专门设计,开放式微电脑可根据用户要求把控制功能设计到驱动器中,组成最小控制系统。该控制器适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波
技术,使电机运行精度高,振动小,噪声低。2.4 串行通信
本系统利用ST C12C5404AD 中的串口资源和时钟资源及电平转换芯片MAX232实现与上位PC 机的串口通信,用来发送和接收数据以控制电机的转速及计算信号的占空比。3 软件设计
系统软件设计主要包括系统主程序、串行中断子程序、A /D 转换子程序和控制电机子程序的设计。系统的主程序流程如图3所示
。
图3 主程序流程图
主程序开始后,先对单片机STC12C5404AD 进行
初始化设置,启动系统时钟,使控制电机脉冲的定时器进入工作状态,并开启所有中断。如果外部有中断如按键或串行发送,就进行中断响应:控制电机子程序。根据按键不同使电机处于不同的控制状态,根据串行发送的数据不同来控制电机的转速。
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正常给出、干扰检测器工作异常、干扰投放前陀螺跟踪异常、偏移电路故障等。
2.3 建立故障树
建立故障树是故障分析中最关键的一个部分,故障树建造的完善程度将直接影响定性分析和定量分析的准确性。建树人员必须对系统的工作机理和过程非常熟悉了解,才能找出系统故障和导致故障的各个因素之间的逻辑关系。
本研究以导弹抗干扰失败现象为顶事件,然后分析顶事件发生的直接的、必要的和充分的原因,得出5个次级定顶事件。通过层层追溯到达故障树分解极限,最后将故障树分解为若干底事件,如图1所示。
A事件:目标背景差;B事件:导弹供电供气故障;
C事件:干扰投放过早;D事件:偏移3电路故障;
E事件:偏移2电路故障;F事件:偏移1电路故障;
G事件:干扰识别器启动异常;H事件:干扰识别器退出异常;
I事件:干扰识别指令未传达到逻辑组件;J事件:干扰投放过晚;
K事件:近区检测器故障;L事件:发射筒漏线;M事件:脱落插头接触不良; N事件:发射机构第25点未接地
图1 导弹抗干扰系统故障树2.4 故障树定性分析
故障树定性分析的主要目的,是为了找出导致顶事件发生的原因和原因组合,识别导致顶事件发生的所有故障模式,迅速找到故障点,指导故障诊断和维修方案。
以此故障实例进行故障树分析,在一一排除其他各种故障因素后,确定脱落指令提前发出是导致导弹抗干扰失败的原因,且导弹发射前A2插座第XX点就已经断线。因此,故障定位为:发射架与装筒导弹对接的A2插座第XX点断线,造成导弹供电后脱落指令在筒内提前给出,使导弹时序发生错乱,造成U2信号提前达到近区启动门限,发出近区指令,封锁了抗干扰通道,导致抗干扰失败。
3 结论
针对故障的表现特征,利用故障树分析法进行了故障分析,找到了故障点。在对A2插头上受损的接触点重新焊接处理后,装配到发射架上使用,故障消除。后经过多次的循环试验,故障没有再次出现,说明故障树分析法理论正确,利用它可以快速定位故障点。
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(郁菁编发)
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当转盘转速到达一定时,红外雨量传感器就会产生信号,转速不同输出信号也不同,此时通过单片机自带的A/D对信号进行采集,并对数据进行处理分析。红外雨量传感器有信号输出时,LED灯就闪烁。
4 结论
现用该测试装置对8个雨量传感器样品进行测试,测试出来的平均结果是:当测试装置的电机15r/m in时,刮水电机开始间歇转;30r/m in时,刮水电机开始低速转;85r/m in时,刮水电机开始高速转。刮水电机工作在停止、间歇、低速、高速4个档位时,对应的红外雨量传感器输出信号的波形图分别为图4、5、6、7。
图4 停止档
图5
间歇档
图6 低速档
图7 高速档
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(郁菁编发)