单片机教学实训台的研发与应用

　随着微机控制技术在汽车领域的广泛应用，汽车普遍采用了微机控制系统，汽车的动力性、安全性、舒适性、经济性都得到了显著的提高。现代汽车的维修要求维修人员具备更专业的技术和更高的维修操作技能。在汽车电器专业教学中，单片机应用技术是其中的重点和难点，尤其是中央处理控制单元(ECU)，它是学生掌握汽车电器维修技术的关键。本文结合汽车类专业的具体工作过程，选取单片机在现代汽车技术上典型性和代表性的应用——发动机冷却水温度测控系统和汽车车轴转速系统作为切入点，采取“解剖一个麻雀”的方法，研究开发了单片机项目教学实训台模拟教学设备，不仅破解汽车类专业的单片机及汽车电子技术教学难题，还将典型工作任务与工作过程应用到单片机项目课程教学实践。
一、单片机项目教学实训台的组成和基本原理
1.单片机项目教学实训台的基本组成
单片机项目教学实训台主要由汽车发动机冷却水温测控系统和汽车车轴转速系统两个教学项目组成。整个硬件配置有发动机热交换装置、车轴转速检测装置、中央处理控制单元(ECU)、动态数字/模拟显示、语音报警、冷却风扇控制电路、操作按钮以及信号测试端口等组成。
2.单片机项目实训的基本原理
（1）汽车发动机冷却水温测控系统。加热器加热水箱，模拟发动机水温上升过程。传感器检测到发动机水温信号产生模拟电压，经A/D转换成数字信号输入单片机CPU，根据其内部预先存储的数据和编制的程序进行数学计算和逻辑判断后实时显示水温。当水温上升到70℃时，模拟指示灯开始指示；水温上升到88℃，低速降温继电器动作，启动冷却风扇开始降温，低速模拟灯旋转指示；水温上升到93℃，高速降温继电器动作，高速模拟灯旋转指示；水温上升到95℃，超温报警器报警，加热器停止加热，水温开始下降。当水温降到93℃时，风扇高速继电器断开；水温降到88℃，风扇低速继电器断开，冷却风扇停止运行。当水温自然冷却到70℃，加热器再次加热，一个工作循环结束。
（2）汽车车轴转速系统。电机转动带动测量齿轮，模拟汽车车速变化过程。传感器检测到车速信号经整形放大处理后转换成脉冲波输入单片机CPU，根据其内部设置的程序进行数学计算和分析后对汽车车速进行实时监控显示，当实际车速值大于人工预设值120Km/h时，语音报警超速提示。车速测量范围为0——240Km/h。
（3）故障诊断系统。通过操作选择按钮Ⅲ方式，人工设置相关故障，数字灯闪烁并显示故障代码。
二、单片机项目教学实训台研发与制作
笔者在开发设计单片机项目教学实训台的前期阶段，考虑到以前的实训台架只是制作测试端子，不能形象地反映单片机项目教学的工作过程与控制原理，实训中还必须另外找电控原理图才能实施查故排故的专业训练。结合汽车专业的工作特点，将单片机两个训练项目的整套原理图直接制作在教学实训台的立面上，从而能直观、形象地反映发动机水温与汽车车速的测控原理。设备上采用的传感器、继电器、冷却风扇、接插件甚至连面板标识都来源于汽车，针对汽车电器的工作过程进行项目教学，学生学习起来就会感到有亲切感，不会陌生。另外在面板上的控制原理图上嵌入安装了测量信号端子，可对发动机水温和车速的各种参数进行实时测量和动态分析，方便了单片机的项目教学，并使查故排故训练现场化，创建真实教学环境。
教学的环节有：项目电路设计、PCB板制作、电子元件插件焊接、硬件测试、软件编程参数修改、程序调试与烧录、故障处理排除、工作页的撰写等。
1.单片机项目教学实训台的研制工作
（1）汽车市场调研、专家研讨，结合汽车类专业具体工作过程，确定教学项目。对项目的组成、系统结构与功能进行技术分析，为研制做好准备工作。
（2）整体方案研究，明确项目研发的目标、任务、关键技术及解决方案。
（3）制定技术路线与详细设计内容，包括硬件软件、实训台外观钣金、材料采购、电子PCB板的打样等，设计力求科学合理。
（4）委托生产厂家按要求进行加工制作，力求制作过程实用美观、尽量降低生产成本。
（5）实训设备现场装配、硬件测试、软件调试、系统联机试验。
（6）作为教学平台设置各种故障，不断总结、完善提高。
2.单片机项目教学实训台拟解决的关键问题
（1）教学项目的选取要具有代表性、经典性和实用性。
（2）台架结构坚实、元件布局合理、外形美观、实用。
（3）面板操作简单、人机界面友好，实现模块化设计，预留项目教学扩展功能接口。
（4）信号实现隔离，具备防干扰措施，确保安全可靠。
（5）ECU板采用单片机教学系统，设计总线方式，满足现场查故排故要求。
三、单片机项目教学实训台的关键技术和诊断功能
1.单片机项目教学实训台的关键技术
（1）发动机冷却水温与车速的实时检测、动态模拟及数字显示。
（2）车速测量（齿轮脉冲测速）精度+1齿距，能测量0～20km/h低转速。
（3）发动机水温模拟加热及冷却装置。
（4）ECU板采用单片机控制处理系统及总线驱动电路。
（5）实训台人机智能界面能够生动形象地反映发动机的水温、车速传感器、执行机构及显示装置与中央处理控制单元(ECU)的工作关系和测控原理，针对故障进行诊断处理。
2.单片机项目教学实训台故障诊断功能
（1）故障设置以后，透过观察窗可以直观的观察发动机水温、车速测控及显示等各故障的实际现象。针对汽车等专业的具体工作过程，方便快捷地与检测仪器连接，读出故障代码、进行元件测试等。
（2）可以断开传感器与中央处理控制单元(ECU)的连接设置断路故障，也可接地—设置短路故障，或者模拟相应的信号输入ECU单元，代替传感器的信号设置模拟故障。故障的查处即可以在实物上又可以在面板上进行检测。
（3）通过万用表或仪器仪表对检测信号进行测量和波形动态分析，可对发动机的水温、车速传感器、执行机构、显示报警装置、中央处理控制单元(ECU)板进行定量检查与测试，从而查找并排除故障。
四、单片机项目教学实训台在项目教学中的运用实例
1.常见故障实例：发动机水温异常
故障现象：汽车在行驶途中发动机水温变化剧烈，温度显示不稳定。
原因分析：汽车发动机水温测控系统采用了反馈控制环节，发动机水温的高低决定冷却风扇转速的快慢。水温应始终恒定在85～90℃之间，以免造成发动机温度不正常而降低发动机运行功效。
2.诊断与排除
（1）现场检查，按下启动按钮，水箱被加热，随着水温的上升，温度开始剧烈变化，造成风扇继电器频繁接触闭合与断开，确定风扇控制电路正常。
（2）断开水温传感器与中央处理控制单元(ECU)的连接插件，用仪器测量实训台面上的温度信号端子，发现传感器的温度曲线呈现负温度系数的动态特征，说明传感器良好，不需更换。
（3）模拟相应的信号输入ECU单元，发现发动机水温显示正常。按下复位按钮，故障代码消失，由此排除ECU板出错可能。
（4）经排查后发现传感器插头上导线与中央处理控制单元(ECU)的连接插件插头接触不良，然后焊接好并装复后试车，故障排除，车况正常。
单片机项目教学实训台的研制成功使得单片机项目课程教学不再是教学的难点。作为一个教学实训载体，培养学生成为即懂汽车，又懂单片机技术的复合型高技能人才。