單片機項目教學實訓臺的研發與應用

隨著微機控制技術在汽車領域的廣泛應用，汽車普遍采用了微機控制系統，汽車的動力性、安全性、舒適性、經濟性都得到了顯著的提高。現代汽車的維修要求維修人員具備更專業的技術和更高的維修操作技能。在汽車電器專業教學中，單片機應用技術是其中的重點和難點，尤其是中央處理控制單元(ECU)，它是學生掌握汽車電器維修技術的關鍵。本文結合汽車類專業的具體工作過程，選取單片機在現代汽車技術上最具典型性和代表性的應用——發動機冷卻水溫度測控系統和汽車車軸轉速系統作為切入點，采取“解剖一個麻雀”的方法，研究開發了單片機項目教學實訓臺模擬教學設備，不僅破解汽車類專業的單片機及汽車電子技術教學難題，還將典型工作任務與工作過程應用到單片機項目課程教學實踐。

一、單片機項目教學實訓臺的組成和基本原理

1.單片機項目教學實訓臺的基本組成

單片機項目教學實訓臺主要由汽車發動機冷卻水溫測控系統和汽車車軸轉速系統兩個教學項目組成。整個硬件配置有發動機熱交換裝置、車軸轉速檢測裝置、中央處理控制單元(ECU)、動態數字/模擬顯示、語音報警、冷卻風扇控制電路、操作按鈕以及信號測試端口等組成。

2.單片機項目實訓的基本原理

(1)汽車發動機冷卻水溫測控系統。加熱器加熱水箱，模擬發動機水溫上升過程。傳感器檢測到發動機水溫信號產生模擬電壓，經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行數學計算和邏輯判斷后實時顯示水溫。當水溫上升到70℃時，模擬指示燈開始指示;水溫上升到88℃，低速降溫繼電器動作，啟動冷卻風扇開始降溫，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，水溫開始下降。當水溫降到93℃時，風扇高速繼電器斷開;水溫降到88℃，風扇低速繼電器斷開，冷卻風扇停止運行。當水溫自然冷卻到70℃，加熱器再次加熱，一個工作循環結束。

(2)汽車車軸轉速系統。電機轉動帶動測量齒輪，模擬汽車車速變化過程。傳感器檢測到車速信號經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行數學計算和分析后對汽車車速進行實時監控顯示，當實際車速值大于人工預設值120Km/h時，語音報警超速提示。車速測量范圍為0——240Km/h。

(3)故障診斷系統。通過操作選擇按鈕Ⅲ方式，人工設置相關故障，數字燈閃爍并顯示故障代碼。

二、單片機項目教學實訓臺研發與制作

筆者在開發設計單片機項目教學實訓臺的前期階段，考慮到以前的實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的工作過程與控制原理，實訓中還必須另外找電控原理圖才能實施查故排故的專業訓練。結合汽車專業的工作特點，將單片機兩個訓練項目的整套原理圖直接制作在教學實訓臺的立面上，從而能直觀、形象地反映發動機水溫與汽車車速的測控原理。設備上采用的傳感器、繼電器、冷卻風扇、接插件甚至連面板標識都來源于汽車，全方位針對汽車電器的工作過程進行項目教學，學生學習起來就會感到有親切感，不會陌生。另外在面板上的控制原理圖上嵌入安裝了測量信號端子，可對發動機水溫和車速的各種參數進行實時測量和動態分析，方便了單片機的項目教學，并使查故排故訓練現場化，創建真實教學環境。

教學的環節有: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、工作頁的撰寫等。

1.單片機項目教學實訓臺的研制工作

(1)汽車市場調研、專家研討，結合汽車類專業具體工作過程，確定教學項目。對項目的組成、系統結構與功能進行技術分析，為研制做好準備工作。

(2)整體方案研究，明確項目研發的目標、任務、關鍵技術及解決方案。

(3)制定技術路線與詳細設計內容，包括硬件軟件、實訓臺外觀鈑金、材料采購、電子PCB板的打樣等，設計力求科學合理。

(4)委托生產廠家按要求進行加工制作，力求制作過程實用美觀、盡量降低生產成本。

(5)實訓設備現場裝配、硬件測試、軟件調試、系統聯機試驗。

(6)作為教學平臺設置各種故障，不斷總結、完善提高。

2.單片機項目教學實訓臺擬解決的關鍵問題

(1)教學項目的選取要具有代表性、經典性和實用性。

(2)臺架結構堅實、元件布局合理、外形美觀、實用。

(3)面板操作簡單、人機界面友好，實現模塊化設計，預留項目教學擴展功能接口。

(4)信號實現隔離，具備防干擾措施，確保安全可靠。

(5)ECU板采用單片機教學系統，設計總線方式，滿足現場查故排故要求。

三、單片機項目教學實訓臺的關鍵技術和診斷功能

1.單片機項目教學實訓臺的關鍵技術

(1)發動機冷卻水溫與車速的實時檢測、動態模擬及數字顯示。

(2)車速測量(齒輪脈沖測速)精度+1齒距，能精確測量0～20km/h低轉速。

(3)發動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驅動電路。

(5)實訓臺人機智能界面能夠生動形象地反映發動機的水溫、車速傳感器、執行機構及顯示裝置與中央處理控制單元(ECU)的工作關系和測控原理，針對故障進行診斷處理。

2.單片機項目教學實訓臺故障診斷功能

(1)故障設置以后，透過觀察窗可以直觀的觀察發動機水溫、車速測控及顯示等各故障的實際現象。針對汽車等專業的具體工作過程，方便快捷地與檢測儀器連接，讀出故障代碼、進行元件測試等。

(2)可以斷開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物上又可以在面板上進行檢測。

(3)通過萬用表或儀器儀表對檢測信號進行測量和波形動態分析，可對發動機的水溫、車速傳感器、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、單片機項目教學實訓臺在項目教學中的運用實例

1.常見故障實例:發動機水溫異常

故障現象:汽車在行駛途中發動機水溫變化劇烈，溫度顯示不穩定。

原因分析:汽車發動機水溫測控系統采用了反饋控制環節，發動機水溫的高低決定冷卻風扇轉速的快慢。水溫應始終恒定在85～90℃之間，以免造成發動機溫度不正常而降低發動機運行功效。

2.診斷與排除

(1)現場檢查，按下啟動按鈕，水箱被加熱，隨著水溫的上升，溫度開始劇烈變化，造成風扇繼電器頻繁接觸閉合與斷開，確定風扇控制電路正常。

(2)斷開水溫傳感器與中央處理控制單元(ECU)的連接插件，用儀器測量實訓臺面上的溫度信號端子，發現傳感器的溫度曲線呈現負溫度系數的動態特征，說明傳感器良好，不需更換。

(3)模擬相應的信號輸入ECU單元，發現發動機水溫顯示正常。按下復位按鈕，故障代碼消失，由此排除ECU板出錯可能。

(4)經排查后發現傳感器插頭上導線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，故障排除，車況正常。

單片機項目教學實訓臺的研制成功使得單片機項目課程教學不再是教學的難點。作為一個教學實訓載體，培養學生成為即懂汽車，又懂單片機技術的復合型高技能人才。

(作者單位:廣東省深圳技師學院)