基于单片机的汽车空气调节器_开题报告

    早期的汽车上只装有温度传感器、机油压力传感器等几个最基本的信息采集单元，随着汽车工业发展和电子技术的不断更新，大量的传感器应用在汽车上，21 世纪以来无论是我国还是世界上汽车传感器市场都在大幅度增长。目前世界上的传感器种类在 2000种以上，而运用在汽车上的传感器数量占总的传感器数量的 73%以上，加之能源消耗、生态环境和人们对汽车功用要求的进一步提高，使得运用在汽车上的传感器的数量逐年增长，所以汽车传感器市场存在着很大的发展潜力 。

(一) 国内研究现状

     国内的传感器技术相对于国外起步较晚,而且国内在传感器技术上的创新不足，限制了传感器在国内的发展。国内的传感器技术主要表现在：

（1） 核心技术不足， 缺乏创新能力,国内的传感器技术严重的滞后于发达国家，大多企业的自主开发能力与创新能力差，国内使用的大部分技术仍然是国外上世纪淘汰的技术，在传感器科研水平上国内落后于国外10 年左右；

（2） 传感器新品种欠缺，规格不全。目前国内的传感器种类大约占国外传感器数量的三分之一，传感器的种类不能满足市场需求，而且数字化、微型化、集成化、智能化的新品传感器较少；

（3） 制造工艺落后。工艺直接影响产品的质量,良好的工艺稳定性和可靠性可以大幅度的提高产品的质量，而国内的工艺比较落后，相应的限制了传感器的应用领域和发展,一些高精度高性能的传感器需要依靠进口来满足国内市场需求；

（4） 技术性人才匮乏，投资力度不足。传感器技术属于技术密集型产业，高技术密集型的产业相应的要求人才密集，而国内在传感器技术方面的技术性人才和研发性人才相对较少，并且政府在对传感器的研究方面的科研投资不足， 设备落后， 致使传感器产业发展动力不足。

     汽车空气流量传感器主要有卡门涡旋式空气流量传感器、 翼片式空气流量传感器和热式空气流量传感器，由于卡门涡旋式空气流量传感器和翼片式空气流量传感器是对进气体积的测量，在得出进气质量的时候需要测量大气压力和进气温度计算出进气的密度，因此其测量精度不高，所以很快被热式空气流量传感器代替。 热式空气流量传感器大约经历了三十多年的发展，最初在 BOSCH 公司开发的 LH-Jetronic 系统中应用了热线式空气流量传感器，其测量结果与大气的压力和进气温度无关，不需要进行密度修正，因此测量精度明显提高。 由于进气中含有大量的污染物在经过热线时会沉淀在热线上，所以热线式空气流量传感器增加自洁功能，发动机停止工作时，对热线供电，产生瞬时高温去除热线上的沉淀物，但是其效果不是很理想。1996 年 BOSCH 研制出热膜式空气流量传感器，最初将加热铂电阻印刷在玻璃或者陶瓷上，最后发展到将加热电阻固定在微硅片上，这类传感器的响应速度明显增快，测量精度有所提高，测量范围广，所以被广泛的应用于汽车电控燃油喷射系统 。

    随着电控燃油喷射系统在国内的广泛应用，空气流量传感器的研究在国内也越来越重视，国内的空气流量传感器大致经历了以钨丝作为传感单元的空气流量传感器，因其寿命短所以很快就被淘汰了，接着出现铂电阻做的空气流量传感器， 铂电阻性能稳定，但是国内铂电阻工艺相对落后，因此限制了在高端车上使用。 现如今国内采用 BOSCH探头做的空气流量传感器，探头跟其他几个电阻组成惠斯通电桥，这种传感器反应速度快，测量精度高，目前在国内用的这类传感器大都依靠进口来满足市场需求。

（二）国外研究现状

    传感器技术在国外发展已经相当成熟，无论是在军用方面还是在民用方面都取得了很大的成就，其主要表现在：

（1） 传感器的研究、生产、应用速度快，发达国家十分重视传感器新技术的开发。例如美国某公司每年投资在传感器开发上的经费达数千万美元甚至更多， 而且其相应的设备及生产线等更新速率越来越快；

（2） 传感器的品类多，应用领域广泛。伴随着电子产业的发展，无论是工业、 农业还是其他的产业都朝着智能化、数字化、人性化等方向发展，所以国外的大部分领域都涉及到了传感器，例如工业测量与控制、家用电器、科学仪器、医疗保健、环境保护、信息处理、汽车、宇宙开发、等等其他领域；

（3） 传感器的制造工艺先进，产品品质好。产品工艺良好的稳定性、可靠性才能保证研制的新技术应用在实际中，多数的企业在工艺研究上加大投资，依靠工艺来保证技术的领先；

（4） 传感器的发展趋势可观。新材料、高分子材料等在传感器上的应用使得传感器的性能不断改善，并且新的技术的应用使得传感器的单一性能有所转变， 如今的传感器朝着多功能化、集成化、智能化方向发展。

     

空气流量传感器的技术问题

 发动机电子控制燃油喷射系统的关键技术,是对发动机的空气进气量的准确测量,使得空气进气量与喷油量处于最佳比例。在车用空气流传感器中,由于热式流量传感器具有无机械传动,无需压力补偿,响应速度快,测试灵敏度高等优点。因此,热式空气流量传感器发展非常迅速,且在汽车领域开始得到广泛的应用。

温差热膜式流量传感器其主要内容如下: 由于进气管中空气流速范围与热膜式流量传感器测试量程不匹配,并且在进气管中的空气流动状态为湍流,不能满足温差热膜式流量传感器的测试条件。研究中通过在内燃机进气管中设置取样流道,测试取样流道中的流速,间接反映进气管中空气质量流量。通过取样流道中的结构参数设计,可控制测试段的流速,使其满足温差流量传感器的测试流量要求。同时使整个流速范围内测试段保持层流。 研究了传统热膜式流量传感器,通过商业软件对流量传感器在各种状态下的温度分布、测试范围和测试精度进行了模拟,得到了较为合理的测试电阻的位置及其布局和芯片的结构。其可测流速范围为0-5m/s。采用半导体工艺研制出了温差横膈膜式流量传感器芯片,控制电路和信号输出电路分别为两组惠斯通电桥,分别为保证加热电阻的加热温度和测试电阻信号输出。通过测试分析初步验证了理论分析的正确性。并在内燃机的进气质量流量为8～370Kg/h时,得到放大后信号电压为0V～3.1V,并且呈现很好的单调性。分析了加热电阻的温度和宽度对测试精度和测试范围的影响。还针对带有横膈的膜热膜式流量传感器的测试范围较窄的问题,提出二次差分的测试方法,该方法大大扩大了流量的测试范围,但同时降低了其测试精度。 提出了一种基于玻璃的流量传感器,由于玻璃的热导率较小,不需要构造横膈膜或隔热桥,可直接在玻璃衬底上溅射薄膜电阻,因此,该传感器具有制备工艺简单和耐流体冲击能力强的优点。但是其工作功耗大,测试精度也相应的降低。采用流体软件模拟了各种情况下的温度场,得到内燃机进气管的质量流量与输出信号电压的关系。在实验上验证了模拟趋势的正确性,确认该模拟具有一定实践指导性。芯片的流速测试范围可达到10m/s,在内燃机的进气质量流量为8～370Kg/h时,输出电压为0V～1.4V。 创新性的提出了一种新颖的集成微沟道流量传感器,通过微沟道的导向作用,达到增加横膈膜上的强迫对流换热效果,从而提高传感器的测试精度。通过降低取样流道中的流速与内燃机进气管中的流速比,实现降低流体的击波压力,且保证了测试精度。模拟了流量传感器在各种状态下的温度分布、测试范围和测试精度,得到了理想的电阻布局方式和芯片结构。与传统热膜式流量传感器相比,其最大信号输出提高了25%,在内燃机的进气质量流量为370Kg/h时,输出信号电压可以达到3.86V。但其测试范围有一定程度的缩小,其芯片表面最大测试流速为3m/s。 分析了各种流量传感器在测试过程中的动态特征。内燃机进气管中的流动处于非稳定状态,呈周期型变化。模拟了正负阶跃脉冲气流下三种传感器的延迟特性。非稳态流动中,影响传感器响应时间的主要因素为流场稳定分布的延迟时间、衬底(或者横膈膜)热平衡分布的延迟时间和加热电阻温度补偿延迟时间。在正阶跃脉冲气流下,三种传感器的响应时间分别1.4ms,2.5ms和1.2ms。在负阶跃脉冲气流下,三种传感器的响应时间分别1.5ms,2.5ms和1.5ms。 研究了环境温度对流量传感器的输出电压信号的影响。随着环境温度的增加,电压信号明显减弱,这会给流量计中作过程中带来很大的误差。随着环境温度的降低其饱和现象越显著,甚至影响到传感器的测试量程。通过电路控制使得加热电阻与进口空气之间的温差保持恒定值。通过模拟得到信号输出电压的误差大大减小,但不能完全避免误差。这是因为随着温度升高,流体的热导率越高,强迫对流越大,固体热导率小,导致信号电压越大。

二、^范文提纲

1汽车空气调节器研制课题的概述

1.1 课题的背景及来源

1.2 国内外的研究主要状况

1.2.1 翼片式空气流量调节器原理

1.2.2卡门涡旋式空气流量调节器原理

1.2.3热式空气流量调节器的基本原理

1.3课题研究的主要内容

2 系统总体设计

2.1 逐次逼近比较法的原理

2.2 硬件部分

2.3 软件总体方案

3 硬件设计

3.1 测量电路

3.1.1 NTC热敏电阻

3.1.2 单臂直流电桥原理

3.1.3 集成运算放大器（HA17741）

3.2信号处理电路

3.2.1 电压比较器（LM331）

3.2.2 D/A转换器（DAC0832）

3.2.3 AT89S51单片机

3.3  执行电路

软件设计

4.1 程序总流程图

4.2模块说明

4.2.1初始化

4.2.2主程序

4.2.3 逐步逼近比较模块

4.2.4 判断模块

4.2.5 步进电机正转驱动程序

4.2.6 步进电机反转驱动程序

4.2.7 延时程序

5 制作与调试

5.1 硬件电路的布线与焊接

三、参考文献

（10篇以上）

（1）麻友良、丁卫东《汽车电器与电子控制系统》，北京:机械工业出版社：2002.8

（2）赵学敏《汽车电控系统构造与维修》，北京：国防工业出版社：2003.1

（3）杨生辉，董宏国《汽车维修电工手册》，北京：电子工业出版社：2005.1

（4）郁有文《传感器原理及工程应用》，西安：西安电子科技大学出版社：2003.7    

（5）姜志海《单片微型计算机原理和应用》，北京：机械工业出版社：2007。    

（6）沙占友《集成传感器应用》，北京：中国电力出版社：2005。

（7）田良《综合电子设计与实践》，南京：东南大学出版社：2003.3 。

（8）胡键《单片机原理及接口技术》，北京：机械工业出版社： 2004.10。

（9）李东江、宋良玉《现代汽车用传感器及其故障检修技术》，北京:机械工业出版社：1999

（10）李东生《Protel 99SE电路设计技术入门与应用》，北京：电子工业出版社：2002

（11）侯伯亨、顾新《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路的设计》，西安：西安电子科技大学出版社： 2000

（12）孙燕《Protel 99 设计与实例》，北京：机械工业出版社：2000

（13）林占江《电子测量技术》，北京：电子工业出版社： 2003.9

（14）徐爱钧、彭秀华《单片机高级语言C51应用程序设计》，北京：电子工业出版社 ：2001.4

（15）G.W.Hunter, J.C.Xu, L.Evans, A.Biaggi-Labiosa, B.J.Ward, S.Rowe,D.B.Makel, C.C.Liu, P.Dutta, G. M.Berger, R.L.Vander Wal, 《The Developmentof Micro/Nano Chemical Sensor Systems for Aerospace Applications》，SPIE Newsroom,June,2010