基于SCM的电控发动机故障模拟设置模块设计

基于ＳＣＭ的电控发动机故障模拟设置模块设计　袁越阳，盛夕清，鲁植雄，赵兰英　（南京农业大学工学院，江苏南京２１００３１）　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｍｏｄｕｌｅ　Ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＣＭ　ＹＵＡＮ　Ｙｕｅ—ｙａｎｇ，ＳＨＥＮＧ　Ｘｉ—ｑｉｎｇ，ＬＵ　Ｚｈｉ—ｘｉｏｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｌａｎ～ｙｔｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｉｉｎｇ　２１００３１，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：针对发动机的控制系统电路，为了更好地　掌握其在不同故障发生情况下所表现出来的各种现　象，设计了一款基于ＡＴＭ８０５１单片机的模块化电　路，并将其应用于设置发动机各种可能发生的电子　故障，达到了预期效果。　关键词：发动机故障模拟；硬件设计；软件设计　中图分类号：Ｕ４７２．４２　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌｏＯｌ一２２５７（２００８）０７—００３８一Ｏ３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｉａｇｎｏｓｅ，　ｍａｓｔｅｒ　ａｎｄ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｏｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｙｍｐｔｏｍｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ’ｓ　ｍｕｌｔｉｆａｒｉｏｕｓ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　ｆｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｏｄｕｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＡＴＭ８０５　１　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｕｌｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｉｎ　ｅａｃｈ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒ—　ｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｔｏ　ｓｅｔ　ａ　ｔｒｏｕｂｌｅｓｏｍｅ　ｆａｉｌ—　ｕｒｅ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ　ｔｒｏｕｂｌｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ；ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　

０　引言　随着现代汽车性能的提高，电子控制技术在发　动机上的应用程度越来越高，复杂的电子系统在提　高了发动机性能的同时也带来了新的问题Ｌ１］，发动　机在温度高、油污多、震动大等恶劣环境下工作，其　电子线路很容易受到震动、摩擦、老化等影响，从而　容易导致各种电子故障。为此，设计了一款基于　ＡＴＭ８Ｏ５１单片机，用于设置发动机电气故障的电　子电路和软件程序。将其用在发动机故障台架上，　

收稿日期：２００８—０３—１１　・　３８　・　

使学生能实时地了解各种故障下发动机的运行工作　及练习检测各种故障的方法［２］，有助于学生更进一　步了解各种电控发动机的工作原理与性能，提高对　各种发动机故障的判断处理能力和经验。　

１　系统组成及主要功能　如图１所示，故障设置系统主要以单片机　传感器　电子　控制器　

］　一号输入口｛Ｉ　受控端口　Ｉ　ｆ　Ｉ莓裂营曾Ｊ　

积蠹积　—　匿丽困　动机正ＣＵ　故障设置端　数码显示ｆ　————　＝一一ＩＡＴＭ８０５１Ｉ　—　一　ｌ　ｌ　单片机ｋ：＝　＝＝ｒ　Ｉ键扫描　————　兰　

ＡＴＭＳＯ５１为控制处理中心；键扫描部分是系统进　行各种操作的“人一机”界面；电源部分对ＡＴＭ８０５１　单片机、数码显示部分和受控端口部分提供工作电　源；由数码显示部分来完成对操作监视功能；受控端　口部分用来控制各个输入输出信号线路的工作状　态；故障设置端完成各种故障的设置：信号线路开　路、短路和信号幅度变化。设置时，只需通过键盘输　入相应的故障代码，按确定键即可，同时所设故障可　通过清除键删除，信号模拟模块可以模拟温度、转速　和节气门位置等传感器的输出信号［３］。　

２硬件电路设计　２．１　电源电路　电源电路采用常用的基本调整管稳压电路，如　图２所示，利用晶体管的电流放大作用，将稳压管稳　压电路的输出电流放大后，再作为负载电流Ｌ４］。该　电路输入电压为汽车蓄电池的标准电源直流ｌ２　Ｖ，　经Ｑ　（Ｄ８８０复合三极管）和ＺＤ　（６．２　Ｖ稳压管）稳　压放大输出为５　Ｖ的稳定电压。电容Ｃ１，Ｃ２主要　滤除由发动机本身工作时产生的１２Ｖ电源干扰，　《机械与电子￣２００８（７）　

维普资讯 http://www.cqvip.com １０３　图２电源电路　’　Ｃ４以增大该电路的带负载能力；通过Ｒ　提供Ｑ　的　偏置导通基极电压和ＺＤ　的稳压工作电流；ｃ３，ｃｓ　主要用来去除纹波。　２．２键扫描矩阵　如图３所示，该键扫描电路是由一个４×３的矩　阵电路，ＳＣＡＮ—ＩＮ１￣ＳＣＡＮ—ＩＮ４为键扫描矩阵的　输入口，ＳＣＡＮ—ＯＵＴ１～ＳＣＡＮ—ＯＵＴ３为键扫描矩　阵的输出口，电容Ｃｌｚ，Ｃｌ。，Ｃｌ　实现在硬件上完成部　分去抖动和防干扰功能。　——＿。。０。—一　—　—　—　—　－＿■■一　＿Ｊ■　－　广＿＜ＳＣＡＮ　ＩＮ２　—＿ｏ　３。—一　４　５。。　．　－＿■■一　．＿一■　－Ｊ　ｌ、二二二二—＝二—一　—＿ｏ　６。—＿１　７　８　——ｒ＿Ｊ广＜ｓｃＡＮ—ＩＮ４　－＿■■一　－Ｊ■二＝二　＃　９　、ｕ…１…■　／ｏ　Ｔ　ｎＴＴ１’０　、………　／０　＾。　ｎＴ　Ｔ个０　工　。ｐＦ　工　。　工　。ｐＦ　ｉ　ｉ　ｉ　图３键扫描电路　２．３显示驱动电路　如图４所示，数据经ＢＣＤ解码芯片由反向驱动　器驱动共阳极数码显示管，三极管Ｑ　，Ｑ。，Ｑ　以２５　ｍｓ为周期（由软件设计）轮流地选通点亮对应的数　Ｑ，　Ｑ，　图４数码显示电路　《机械与电子３２００８（７）　码管。为保证三极管在未选通时可靠的截止，其基　极均下拉一个１０　ｋｌ２的电阻。　２．４故障设置与受控端口驱动电路　“ＤＡ”“ＤＢ”“ＤＣ”“ＤＤ”４个信号由ＣＰＵ输出　给四一十六译码器译码输出，经信号驱动集成电路驱　动相应继电器工作，另３路信号“幅度控制选择”、　“对地短路选择”和“对电源短路选择”经驱动放大　后驱动另３个继电器工作。ＲＬ１工作时，通过电阻　器ＲＶ１来调节信号幅度。每个继电器都并联一个　反向放电二极管，再串联一个旁路电容可滤除继电　器工作时产生的杂波。继电器的工作电源由１２　Ｖ　蓄电池直接供电。众所周知，导致汽车发动机故障　的因素很多，有的故障其原因可达几十个Ｌ５］，本电路　模块共预备了１６对端口，其它未连接端口在必要的　条件下亦可扩展成此类控制端口。　２．５　ＡＴＭ８０５１单片机外围电路　如图５所示，复位电路采用常见的积分电路以　保证每次在上电之后能可靠地复位；时钟电路采用　１２　ＭＨｚ晶体振荡器。／ＥＡ接高电平选用内部　ＲＯＭ为程序存储空间。　

Ｉ　ＳＣＡＮ　ＩＮ１）　Ｐ１０　４０　ｌ　ＳＣＡＮ＿ＩＮ２　Ｐｌｌ　Ｐ００（ＡＤ０）ｌ　ＤＰＡ　Ｊ　ＳＣＡＮ＿ＩＮ３　Ｐ１２　Ｐ０１（ＡＤｌＪ７　ＤＰＢ　＝　Ｉ　ＳＣＡＮ＿ＩＮ４）＿＿｝　Ｐ１３　Ｐ０２　Ｄ２）　ＤＰＣ　ＮＣ　Ｐ１４　Ｐ０３（一Ｊ）３　ＤＰＤ　Ｉ　ＳＣＡＮ＿ＯＵＴ１　Ｐ１５　Ｐ０４（ＡＤ４）Ｊ　ＤＣＳ１　

、，Ｉ　ＳＣＡＮ＿ＯＵＴ２　Ｐ１６　Ｐ０５（ＡＤ５）　ＤＣＳ２　’ｌ　ＳＣＡＮ　ＯＵＴ３　Ｐ１７　Ｐ０６　Ｊ）６）　ＤＣＳ３　

尼　ｌ０　ＲＳＴ　Ｐ０７　Ｄ７）　

ｌ０　ｋＱ　Ｐ３０（ＲＸＤ）　／ＥＡ／ＶＰＰ　Ｐ３１（１ＸＤ）ＡＬＥ／ＰＲＯ＜？　万３０　Ｇ＝　

Ｐ３２（佃　ｆ０）／ＰＳＥＮ　Ｄｌ　ＮＣ　｝一　Ｐ３３（／ｉｓｒｒＤ　Ｐ２７（ＡＤ１５）　Ｇ　ＮＣ＞÷｝　Ｐ３４㈤Ｐ２６（ＡＤ１４）　：　对地短路选择　ＮＣ　Ｐ３５ｃｒ１）Ｐ２６（ＡＤ１３）　对电源短路选　ＮＣ　Ｐ２６（／ＷＲ）Ｐ２４（ＡＤ１２）　幅度控制选择　Ｐ３７（／ＲＤ）　Ｐ２３（ＡＤ１１）　ｌ…ｘｌ　１２　ＭＨｚ１９　ＸＬＡＩ．１　Ｐ２２　Ｄ１０）　上…。上　２０　）订１＾Ｉ．２　Ｐ２１　Ｄ９）　－ｏＴ　Ｔ　Ｊ专　Ｇ　Ｄ　Ｐ加　Ｄ８】　

图５单片机外围电路　３　软件设计　３．１主程序设计　如图６所示，系统以故障代码的形式来表示，以　方便确定故障的类型和范围［６］，首先是对所有输入　输出接口、键扫描和数码显示进行初始化，并启动键　扫描时钟中断０和数码显示时钟中断１。然后在主　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 程序中，当输入键后，ＣＰＵ将对所输键码是否是数　字键而进行有效检验；如果输入清除键（“＊”字键），　

Ｎ　Ｙ　

～　

返回　图６主程序流程　ＣＰＵ则清除所设故障和显示内容，并恢复初始正常　状态；如果输入设定键（“＃”字键），ＣＰＵ则根据之　前所输入第１、第２键码来选通四一十六译码器译码　输出口，并由驱动集成电路驱动相应的继电器工作，　从而选通将要设置故障的端口，随后再根据３键代　码所代表故障来确定键后对所选端口是否是信号线　开路、对地短路、对电源正极短路及模拟信号的幅度　变化等操作，最后程序又返回到键查询状态。　３．２键扫描程序设计　本键扫描采用单键单次有效，即用户每次只充　许按下一个按键，且从按下到松开按键只算作一次　有效操作。该键盘采用４×３的矩阵键盘，如图３所　示，首先ＡＴ８９Ｃ５１单片机的Ｐ１５，Ｐ１６，Ｐ１７在时钟　中断０发生时依次轮流输出一个低电平，ＣＰＵ通过　检测Ｐ１０，Ｐｌｌ，Ｐ１２，Ｐ１３　４个端口以确定是否有键　被按下，若ＣＰＵ读得Ｐ１０，Ｐｌｌ，Ｐ１２，Ｐ１３仍然是高　电平，则说明没有任何键按下，经３个扫描周期的连　续查询后方可确信无键按下。当ＣＰＵ读得某端口　为低电平则保存好此时的行输出值和列输入值，并　与下２个周期的这个时刻来作比较，以确定是否是　因干扰而引起错误信息，利用这种方法可以有效地　去抖防干扰。当ＣＰＵ确认有某个键按下后，计算　出所按键盘的键代码并保存到键码缓冲存储器里　面。其所采用计算公式：　键码＝３×行序号＋列序号　然后ＣＰＵ一直等到该键松开后，并经过３个扫　描周期的确认才开始下一轮键检测。本程序由时钟　中断０来完成，中断发生时间为３　ｍｓ，确定一个键　有效的最小时间为：　・　４０　・　３　ｍｓ×３（行列数）×３（确认次数）＝２７　ｍｓ　３．３显示程序设计　在中断发生时间为２５　ｍｓ的时钟中断１程序　中，当ＣＰＵ获得有效数字输入键后，立即更新原数　码管的显示内容，显示相应的数字按键码。显示从　右至左依次左移，直到３个数字键码输入完毕；按　“＃”字键确定所设故障后，保留原显示内容以便提　示所设故障；按“＊”字键清除故障后，初始化程式使　数码管ＤＰ１、ＤＰ２和ＤＰ３只显示一个“０”。采用中　断来运行显示程序，具有很好的实时性。所显数字　代表的意义是第１、２个数字为发生故障部件代码　（由用户个人设定具体故障），第３个数码表示具体　故障，“Ｏ”表示开路，“１”表示对地短路，“２”表示对电　源短路，“３”表示信号幅度有问题。