摘 要

汽车等速万向节为汽车传动部件的重要部分，其性能的好坏决定整个汽车传动系统的好坏。密封罩作为等速万向节的一部分，内部存储了润滑脂，密封罩可以防止外部杂物的进入，其性能决定了润滑脂对等速万向节的润滑性能，故对密封罩性能的检测具有重要的意义。密封罩低温试验台测控系统，是针对密封罩在低温条件下的性能的测控系统，该测控系统能够模拟等速万向节在汽车中的实际运行条件并对密封罩的性能进行一个试验。本设计主要是模拟实际的密封罩低温试验台测控系统，使用STC89C51单片机作为其控制部分进行测控系统的搭建，实现等速万向节在一定温度条件下转动并监控的功能。

本设计的密封罩低温试验台测控系统为实际测控系统的一个模拟情况，实现的功能与实际测控系统一致，主要是为了更多地对密封罩低温试验台测控系统有进一步的了解，并对该系统的运作作一个详细的模拟与实现。

关键词：汽车等速万向节；密封罩低温试验测控系统；STC89C51

Abstract

Automobile constant speed universal joint is an important part of automobile transmission parts, and its performance determines the whole driving system.Seal cover as part of the patterned constant speed universal joint, the internal storage, grease seal cover can prevent external sundry, its performance determines the grease lubrication performance of patterned constant speed universal joint, thus the performance of the seal cover detection is of great importance.Seal cover low temperature test rig measurement and control system, it is in view of the seal cover under the condition of low temperature measurement and control system, the performance of the measurement and control system to simulate patterned constant speed universal joint in cars and the actual operation conditions on the performance of the seal cover for a test.This design is mainly simulated the actual seal cover low temperature test rig measurement and control system, using STC89C51 microcontroller as the control part of the construction of the measurement and control system, realize the patterned constant speed universal joint in a certain temperature under the condition of rotation and the function of the monitor.

The design of the seal cover low temperature test rig measurement and control system for measurement and control system of a simulated actual situation, the implementation of the function is consistent with the actual measurement and control system, mainly for low temperature test rig measurement and control system for the sealing cover more have further understanding of, and the operation of the system a detailed simulation and implementation.

Keywords:automobile constant velocity universal joint;Low temperature test and control system of sealed cover;STC89C51

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 密封罩低温试验台技术参数 2

1.3 技术方案选择 2

1.4 设计完成的内容 3

第2章 硬件设计 4

2.1 STC89C51芯片及其最小系统 4

2.2 遥控器 6

2.3 滑台限位传感器 8

2.4 活塞位置传感器 9

2.5 滑台驱动电机 9

2.5.1 滑台驱动电机选型 10

2.5.2 五线四相步进电机 11

2.5.3 ULN2003 12

2.6 气缸驱动 12

2.7 步进电机 13

2.7.1 步进电机选型 13

2.7.2 四线双极性步进电机 14

2.7.3 TC1508S芯片 16

2.8 低温箱 16

第3章 软件设计 18

3.1 上位机设计 18

3.2 下位机程序清单 20

3.2.1 遥控控制程序清单 20

3.2.2 步进电机程序清单 30

第4章 测控系统调试 38

第5章 总结 40

参考文献 41

致谢 42

第1章 绪论

课题研究背景及意义

随着社会经济的迅速发展，汽车工业的发展也十分迅猛，人们对汽车的性能需求越来越高，特别是对汽车的安全性能有了更高的追求。基于对汽车有更好的动力性、操作性和舒适性，FF和4WD型车问世。这种车型的车辆的前轮必须具有转向和驱动两种功能，当前轮作为转向轮时，要求车轮能在一定的转角范围内任意偏转某一角度；当前轮作为驱动轮时，要求半轴在车轮偏转过程中以相同的角速度不断地把动力从主减速器传到车轮。在这样两个轴线不重合，并且位置还经常变化的两轴间传递动力的机械结构就是等速万向节。而固定在等速万向节的外套和中间轴上，带有褶皱的密封零件就是汽车等速万向节的密封罩，它形成了一个空间来存储润滑脂，用于防止润滑脂漏出或外物浸入。

图1.1 汽车等速万向节

等速万向节的密封罩用密封润滑脂防止水、泥等杂物浸入，一旦发生破坏，由于密封罩内润滑不良，等速万向节内部会产生磨损，很快就会产生异常的声音。密封罩常常暴露在空气环境中，容易受到损伤，同时现场活动角旋转在伸缩疲劳等工作条件苛刻的环境下使用，使用温度环境在-40℃—100℃，所以研究汽车等速万向节的密封罩在低温条件下的性能是有必要的，有利于汽车安全性和转向性能的提升。本设计旨在搭建汽车等速万向节密封罩的低温试验台测控系统，来测试密封罩在低温环境下的使用性能，以确保密封罩在等速万向节结构中的安全性。

汽车等速万向节密封罩低温试验台的测控系统设计是实现在低温条件下对工作的等速万向节的密封罩进行脆裂试验的功能，观察等速万向节的密封罩是否脆裂。试验台控制等速万向节的长度伸缩、转速以及偏转的角度，能够模拟汽车在实际环境下的运行状态，所以能够对汽车等速万向节密封罩的安全性能有一个监测，确保使用的密封罩是安全的。

密封罩低温试验台技术参数

1.密封罩可在-40±3℃的温度条件下进行耐久性测试；

2.工件转速0-1200r/min可调，最佳使用速度范围：0-200r/min；

3.水平方向摆角≤45度；

4.轴向滑移行程50mm；

5.测试过程可以进行监控，可以显示温度、次数等试验参数。

技术方案选择

如下图为密封罩低温试验台结构图，本设计的测控系统包含低温箱、滑台驱动电机、步进电机、气缸控制部分、滑台限位传感器以及上位机控制部分。设计方案如图1.3。

图1.2 密封罩低温试验台结构图

图1.3 密封罩低温试验台设计方案

密封罩低温试验台总体设计方案如上图，下位机控制中心的选择有两种方案：一是使用单片机作为下位机控制部分；二是使用PLC作为下位机控制部分。使用PLC作为控制部分，相对于单片机成本比较高，并且控制逻辑不易修改，灵活性不如单片机。基于以上几点本设计选用单片机作为下位机控制部分。对于上位机的选择，选择LABVIEW作为上位机，LABVIEW使用图形化编程语言，使用简便。

设计完成的内容

由于试验条件的有限，本设计实物制作为该测控系统的模拟情况，旨在实现该测控系统的控制功能。具体实现的功能如下：

1. 使用遥控器作为滑台驱动电机和气缸驱动装置的控制器，遥控器可以控制滑台驱动电机的前进、后退和停止，以及控制气缸驱动装置的启停；
2. 使用限位传感器保证试验在安全范围内工作；
3. 使用活塞位置传感器控制气缸的行程，进而控制等速万向节偏转的角度；
4. 上位机选择LABVIEW实现对步进电机转速和运行状态的控制；
5. 低温箱选择达到温度标准的成品低温箱，模拟低温工作环境。

第2章 硬件设计

本章将根据设计方案和试验要求进行硬件设计，完成硬件部分的选型和说明，硬件设计图如下图。由硬件设计图可知，本章选用的硬件有：单片机、遥控器、滑台限位传感器、活塞位置传感器、滑台驱动电机、气缸驱动、步进电机和低温箱。单片机选用STC89C51单片机，选用的遥控器为红外无线遥控器，滑台限位传感器选用的是限位开关，活塞位置传感器使用的是磁性开关，滑台驱动电机和步进电机使用的是公司成熟产品，气缸驱动使用的是电磁阀。

图2.1 硬件设计框图

2.1 STC89C51芯片及其最小系统

由80C51单片机内部组成图可知，STC89C51芯片内部包含1个串行口，2个外部中断口，2个定时口并且内含时钟电路。STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。选用此芯片作为本设计的控制芯片。

图2.2 80C51单片机的内部组成

STC89C51单片机最小系统包含2个电路，一是时钟电路，一是复位电路，电路图如下图。时钟电路的晶振选用的是11.0592MHz石英晶体，电容33pF；复位电路采用按键复位的方式，通过按按键实现单片机的复位。

图2.3 89C51单片机最小系统

2.2 遥控器

遥控器控制的功能如下：按键正控制五线四相步进电机正转，按键反控制五线四相步进电机反转，按键OFF1控制关闭步进电机，按键ON2控制启动气缸驱动装置即电磁阀，按键OFF2控制关闭电磁阀。该部分的实现是通过红外线传感系统完成的。

红外线传感系统由两部分组成，红外发射装置和红外接收装置。红外发射装置由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成，生活中选用的设备为一个简单的遥控器，其设计如图2.4。红外接收装置由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成，选用的设备为红外传感接收头，如图2.5。为了使信号更好地从发射端发送出去，将二进制数据信号调制成脉冲信号，通过红外发射管发射。信号的调制方法有通过脉冲宽度的脉宽调制，即PWM；通过脉冲串之间的时间间隔的脉时调制，即PPM。本设计使用的是脉时调制方法。

图2.4 遥控器设计图

图2.5 红外接收头

红外遥控器用载波的方式传送二进制编码，将遥控信号，即二进制脉冲码调制在一定频率的载波上，然后经缓冲放大将信号传送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去。本设计选用的载波频率为38KHz。

根据红外遥控器的载波频率选用一定的红外接收头对红外信号进行接收并解码，本设计选用的是塑料封装的红外接收头。该红外接收头具有三个引脚，电源正VCC，电源负GND和数据输出VOUT。

传送的数据格式如下图。数据格式包含了引导码、用户码、数据码和数据反码，总共32位数据。数据反码用于对数据的纠错。本设计主要是采集数据码和数据反码，然后通过对数据码进行应用，并通过数据反码进行纠错来实现一定的功能。

图2.6 红外通信数据格式

解码方式使用的是PPM，即脉时调制的方式。用户码和数据码的每一位为‘0’或‘1’，这种调制方式是利用脉冲的时间间隔来区分这两位，具体区分时序图如下图。即接收端采集一段时间的低电平后，通过计时器采集高电平的时间然后根据高电平的时间来区分位‘0’和位‘1’。

图2.7 红外通信位定义

使用红外传感来对步进电机进行控制，包含控制步进电机前进、后退以及停止；另外还需对气缸驱动部分进行启停控制，故只需要对五个按键的编码进行解码即可实现对步进电机和气缸驱动的控制。

红外接收设备连接电路图如下图，I/O数据口连接单片机的P3.2口。VCC引脚接5V电源，GND接地端。

图2.8 红外接收设备电路原理图

2.3 滑台限位传感器

滑台限位传感器选用的是行程开关（限位开关），实物如图2.9。行程开关是通过与机械运动部件的碰撞从而使其触头动作的开关类器件，这种触头动作可以实现接通或者分段控制电路，故能实现一定的控制。选用2个行程开关，分别安装在滑台的最前端和最后端，当机械在滑台上滑动至滑台边界处时，与行程开关碰撞，导致其触头动作，根据这个动作产生的信号，控制机械停止运行，以保证试验的安全性。实物制作中用一个开关，产生一个开关量来模拟滑台上机械与行程开关碰撞的过程，用一个指示灯来显示此过程是否产生。其电路图如图2.10，控制端连接单片机的P3.2口。

图2.9 行程开关

图2.10 行程开关控制电路图

2.4 活塞位置传感器

气缸活塞位置传感器为磁性开关，如图2.11为其实物图。其在气缸系统的工作原理：气缸外部的霍尔开关即磁性开关固定不动，其位置可调，气缸内部活塞上装有磁环，磁环是随活塞移动的，当活塞上磁环移动到霍尔开关的位置时，霍尔开关输出一个信号，即到位信号。本设计在气缸前端固定一个磁性开关，然后让一个磁性开关位置可调，通过调节2个磁性开关的位置来控制气缸内活塞移动的距离，进而控制等速万向节偏转的角度。本设计实物制作使用开关来模拟磁性开关产生的到位信号，当开关按下一次表示活塞到位一次，即等速万向节偏转一个角度。电路图如图2.12，接线端口连接P2.0口。

图2.11气缸感应传感器磁性开关

图2.12 磁性开关控制电路图

2.5 滑台驱动电机

滑台驱动电机包含两个部分，一是驱动电机，二是驱动模块电路。本节内容包含两大部分，一部分为实际电机的选型，一部分为实物制作选择的模拟电机及其介绍。由于条件的限制，本设计的电机为模拟的电机，旨在实现该测控系统的控制功能，故选用了小功率电机。驱动电机选择为五线四相步进电机，驱动模块使用的芯片为ULN2003。

2.5.1 滑台驱动电机选型

步进电机的选择需要考虑负载与步进电机的驱动能力。本节将对步进电机选型进行核算。对于等速转动的物体需要考虑摩擦负载的影响，一般情况下，选择静力矩为摩擦负载的2-3倍。滑台驱动部分属于滚珠丝杆传动方式，滑台驱动电机驱动螺杆转动，带动螺母等速位移，从而实现驱动滑台前进与后退。滑台驱动电机需要安装减速器，选择减速比GL=100:1的减速器，滑台上可动部分的总重量以300kg来模拟计算，实际质量小于300kg，丝杆螺距查阅相关国家标准，选择M16x2，即螺距为2mm。由下面公式计算电机驱动轴所需的最小的转动惯量。其中BP为丝杆螺距，W为可动部分总重量，GL为减速比，代入计算可得J=3N.M，实际选择滑台驱动电机型号为：86BYG250D。该步进电机图片如下图，其电机扭力为8.5N.M满足试验要求，电流为5.6A。

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