單片機教學(xué)實(shí)訓臺的研發(fā)與應用

　隨著(zhù)微機控制技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應用，汽車(chē)普遍采用了微機控制系統，汽車(chē)的動(dòng)力性、安全性、舒適性、經(jīng)濟性都得到了顯著(zhù)的提高?，F代汽車(chē)的維修要求維修人員具備更專(zhuān)業(yè)的技術(shù)和更高的維修操作技能。在汽車(chē)電器專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，單片機應用技術(shù)是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是中央處理控制單元(ECU)，它是學(xué)生掌握汽車(chē)電器維修技術(shù)的關(guān)鍵。本文結合汽車(chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的具體工作過(guò)程，選取單片機在現代汽車(chē)技術(shù)上典型性和代表性的應用——發(fā)動(dòng)機冷卻水溫度測控系統和汽車(chē)車(chē)軸轉速系統作為切入點(diǎn)，采取“解剖一個(gè)麻雀”的方法，研究開(kāi)發(fā)了單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺模擬教學(xué)設備，不僅破解汽車(chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的單片機及汽車(chē)電子技術(shù)教學(xué)難題，還將典型工作任務(wù)與工作過(guò)程應用到單片機項目課程教學(xué)實(shí)踐。
一、單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺的組成和基本原理
1.單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺的基本組成
單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺主要由汽車(chē)發(fā)動(dòng)機冷卻水溫測控系統和汽車(chē)車(chē)軸轉速系統兩個(gè)教學(xué)項目組成。整個(gè)硬件配置有發(fā)動(dòng)機熱交換裝置、車(chē)軸轉速檢測裝置、中央處理控制單元(ECU)、動(dòng)態(tài)數字/模擬顯示、語(yǔ)音報警、冷卻風(fēng)扇控制電路、操作按鈕以及信號測試端口等組成。
2.單片機項目實(shí)訓的基本原理
（1）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機冷卻水溫測控系統。加熱器加熱水箱，模擬發(fā)動(dòng)機水溫上升過(guò)程。傳感器檢測到發(fā)動(dòng)機水溫信號產(chǎn)生模擬電壓，經(jīng)A/D轉換成數字信號輸入單片機CPU，根據其內部預先存儲的數據和編制的程序進(jìn)行數學(xué)計算和邏輯判斷后實(shí)時(shí)顯示水溫。當水溫上升到70℃時(shí)，模擬指示燈開(kāi)始指示；水溫上升到88℃，低速降溫繼電器動(dòng)作，啟動(dòng)冷卻風(fēng)扇開(kāi)始降溫，低速模擬燈旋轉指示；水溫上升到93℃，高速降溫繼電器動(dòng)作，高速模擬燈旋轉指示；水溫上升到95℃，超溫報警器報警，加熱器停止加熱，水溫開(kāi)始下降。當水溫降到93℃時(shí)，風(fēng)扇高速繼電器斷開(kāi)；水溫降到88℃，風(fēng)扇低速繼電器斷開(kāi)，冷卻風(fēng)扇停止運行。當水溫自然冷卻到70℃，加熱器再次加熱，一個(gè)工作循環(huán)結束。
（2）汽車(chē)車(chē)軸轉速系統。電機轉動(dòng)帶動(dòng)測量齒輪，模擬汽車(chē)車(chē)速變化過(guò)程。傳感器檢測到車(chē)速信號經(jīng)整形放大處理后轉換成脈沖波輸入單片機CPU，根據其內部設置的程序進(jìn)行數學(xué)計算和分析后對汽車(chē)車(chē)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監控顯示，當實(shí)際車(chē)速值大于人工預設值120Km/h時(shí)，語(yǔ)音報警超速提示。車(chē)速測量范圍為0——240Km/h。
（3）故障診斷系統。通過(guò)操作選擇按鈕Ⅲ方式，人工設置相關(guān)故障，數字燈閃爍并顯示故障代碼。
二、單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺研發(fā)與制作
筆者在開(kāi)發(fā)設計單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺的前期階段，考慮到以前的實(shí)訓臺架只是制作測試端子，不能形象地反映單片機項目教學(xué)的工作過(guò)程與控制原理，實(shí)訓中還必須另外找電控原理圖才能實(shí)施查故排故的專(zhuān)業(yè)訓練。結合汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的工作特點(diǎn)，將單片機兩個(gè)訓練項目的整套原理圖直接制作在教學(xué)實(shí)訓臺的立面上，從而能直觀(guān)、形象地反映發(fā)動(dòng)機水溫與汽車(chē)車(chē)速的測控原理。設備上采用的傳感器、繼電器、冷卻風(fēng)扇、接插件甚至連面板標識都來(lái)源于汽車(chē)，針對汽車(chē)電器的工作過(guò)程進(jìn)行項目教學(xué)，學(xué)生學(xué)習起來(lái)就會(huì )感到有親切感，不會(huì )陌生。另外在面板上的控制原理圖上嵌入安裝了測量信號端子，可對發(fā)動(dòng)機水溫和車(chē)速的各種參數進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和動(dòng)態(tài)分析，方便了單片機的項目教學(xué)，并使查故排故訓練現場(chǎng)化，創(chuàng )建真實(shí)教學(xué)環(huán)境。
教學(xué)的環(huán)節有：項目電路設計、PCB板制作、電子元件插件焊接、硬件測試、軟件編程參數修改、程序調試與燒錄、故障處理排除、工作頁(yè)的撰寫(xiě)等。
1.單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺的研制工作
（1）汽車(chē)市場(chǎng)調研、專(zhuān)家研討，結合汽車(chē)類(lèi)專(zhuān)業(yè)具體工作過(guò)程，確定教學(xué)項目。對項目的組成、系統結構與功能進(jìn)行技術(shù)分析，為研制做好準備工作。
（2）整體方案研究，明確項目研發(fā)的目標、任務(wù)、關(guān)鍵技術(shù)及解決方案。
（3）制定技術(shù)路線(xiàn)與詳細設計內容，包括硬件軟件、實(shí)訓臺外觀(guān)鈑金、材料采購、電子PCB板的打樣等，設計力求科學(xué)合理。
（4）委托生產(chǎn)廠(chǎng)家按要求進(jìn)行加工制作，力求制作過(guò)程實(shí)用美觀(guān)、盡量降低生產(chǎn)成本。
（5）實(shí)訓設備現場(chǎng)裝配、硬件測試、軟件調試、系統聯(lián)機試驗。
（6）作為教學(xué)平臺設置各種故障，不斷總結、完善提高。
2.單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題
（1）教學(xué)項目的選取要具有代表性、經(jīng)典性和實(shí)用性。
（2）臺架結構堅實(shí)、元件布局合理、外形美觀(guān)、實(shí)用。
（3）面板操作簡(jiǎn)單、人機界面友好，實(shí)現模塊化設計，預留項目教學(xué)擴展功能接口。
（4）信號實(shí)現隔離，具備防干擾措施，確保安全可靠。
（5）ECU板采用單片機教學(xué)系統，設計總線(xiàn)方式，滿(mǎn)足現場(chǎng)查故排故要求。
三、單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺的關(guān)鍵技術(shù)和診斷功能
1.單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺的關(guān)鍵技術(shù)
（1）發(fā)動(dòng)機冷卻水溫與車(chē)速的實(shí)時(shí)檢測、動(dòng)態(tài)模擬及數字顯示。
（2）車(chē)速測量（齒輪脈沖測速）精度+1齒距，能測量0～20km/h低轉速。
（3）發(fā)動(dòng)機水溫模擬加熱及冷卻裝置。
（4）ECU板采用單片機控制處理系統及總線(xiàn)驅動(dòng)電路。
（5）實(shí)訓臺人機智能界面能夠生動(dòng)形象地反映發(fā)動(dòng)機的水溫、車(chē)速傳感器、執行機構及顯示裝置與中央處理控制單元(ECU)的工作關(guān)系和測控原理，針對故障進(jìn)行診斷處理。
2.單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺故障診斷功能
（1）故障設置以后，透過(guò)觀(guān)察窗可以直觀(guān)的觀(guān)察發(fā)動(dòng)機水溫、車(chē)速測控及顯示等各故障的實(shí)際現象。針對汽車(chē)等專(zhuān)業(yè)的具體工作過(guò)程，方便快捷地與檢測儀器連接，讀出故障代碼、進(jìn)行元件測試等。
（2）可以斷開(kāi)傳感器與中央處理控制單元(ECU)的連接設置斷路故障，也可接地—設置短路故障，或者模擬相應的信號輸入ECU單元，代替傳感器的信號設置模擬故障。故障的查處即可以在實(shí)物上又可以在面板上進(jìn)行檢測。
（3）通過(guò)萬(wàn)用表或儀器儀表對檢測信號進(jìn)行測量和波形動(dòng)態(tài)分析，可對發(fā)動(dòng)機的水溫、車(chē)速傳感器、執行機構、顯示報警裝置、中央處理控制單元(ECU)板進(jìn)行定量檢查與測試，從而查找并排除故障。
四、單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺在項目教學(xué)中的運用實(shí)例
1.常見(jiàn)故障實(shí)例：發(fā)動(dòng)機水溫異常
故障現象：汽車(chē)在行駛途中發(fā)動(dòng)機水溫變化劇烈，溫度顯示不穩定。
原因分析：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機水溫測控系統采用了反饋控制環(huán)節，發(fā)動(dòng)機水溫的高低決定冷卻風(fēng)扇轉速的快慢。水溫應始終恒定在85～90℃之間，以免造成發(fā)動(dòng)機溫度不正常而降低發(fā)動(dòng)機運行功效。
2.診斷與排除
（1）現場(chǎng)檢查，按下啟動(dòng)按鈕，水箱被加熱，隨著(zhù)水溫的上升，溫度開(kāi)始劇烈變化，造成風(fēng)扇繼電器頻繁接觸閉合與斷開(kāi)，確定風(fēng)扇控制電路正常。
（2）斷開(kāi)水溫傳感器與中央處理控制單元(ECU)的連接插件，用儀器測量實(shí)訓臺面上的溫度信號端子，發(fā)現傳感器的溫度曲線(xiàn)呈現負溫度系數的動(dòng)態(tài)特征，說(shuō)明傳感器良好，不需更換。
（3）模擬相應的信號輸入ECU單元，發(fā)現發(fā)動(dòng)機水溫顯示正常。按下復位按鈕，故障代碼消失，由此排除ECU板出錯可能。
（4）經(jīng)排查后發(fā)現傳感器插頭上導線(xiàn)與中央處理控制單元(ECU)的連接插件插頭接觸不良，然后焊接好并裝復后試車(chē)，故障排除，車(chē)況正常。
單片機項目教學(xué)實(shí)訓臺的研制成功使得單片機項目課程教學(xué)不再是教學(xué)的難點(diǎn)。作為一個(gè)教學(xué)實(shí)訓載體，培養學(xué)生成為即懂汽車(chē)，又懂單片機技術(shù)的復合型高技能人才。