Материал: Разработка датчика давления воздуха в контурах тормозной системы

Разработка датчика давления воздуха в контурах тормозной системы

Содержание

Введение

1. Обзор датчиков давления различных производителей

1.1 Обзор датчиков давления фирмы Measurement Specialties

.2 Анализ протоколов обмена электронных систем, применяемых на автомобилях

. Разработка структурной схемы проектируемого устройства

3. Разработка принципиальной схемы

3.1 Разработка модуля микроконтроллера

.2 Тактовый генератор

.3 Разработка модуля индикатора

.4 Подключение драйвера CAN интерфейса

.5 Подключение датчика давления

.6 Разработка схемы питания

. Разработка программного обеспечения датчика давления

4.1 Общие сведения о CAN сетях

.2 CAN сети и их разновидности

.3 Основные стандарты CAN

.4 Протоколы высшего порядка (HLP)

.5 Описание протокола SAE J1939

.6 Алгоритм работы основной программы микроконтроллера

5. Технико-экономическое обоснование дипломного проекта

5.1 Расчет затрат на стадии НИОКР

5.2 Расчет затрат на стадии производства

5.3 Расчет годовых эксплуатационных расходов

5.4 Определение экономически эффективного варианта устройства

6. Раздел по ресурсо- и энергосбережению

. Раздел по охране труда

7.1 Воздействие шума на организм человека

7.2 Способы борьбы с шумом

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Современный автомобиль состоит из четырех основных агрегатов: двигателя внутреннего сгорания (ДВС), кузова, шасси и ходовой части. Эти агрегаты состоят из различных функциональных систем, которые обеспечивают выполнение главной функции автомобиля - перевозку грузов и пассажиров. Для того, чтобы перевозки были безопасными, а для пассажиров и комфортными, чтобы агрегаты, узлы, блоки, системы работали безотказно, на автомобиле широко используются электротехнические устройства и средства электронной автоматики.

Грузовые автомобили, выпускаемые Минским автозаводом, в настоящее время уже оснащаются различными интеллектуальными агрегатами и системами с микропроцессорным управлением с целью повышения безопасности, эффективности, комфортности, экологичности.

В серийных моделях уже применяются электронные системы управления двигателем, пневмоподвеской, антиблокировочной и противобуксовочной системой, коробкой переключения передач. Диагностика неисправностей и отображение информации о работе электронных систем автомобиля является необходимым условием для профилактики и предупреждения аварийности электронных систем и машины в целом. Актуальной также является внедрение автоматического управления микроклиматом кабины автомобиля.

В перспективных моделях МАЗ класса ЕВРО-4 предполагается дальнейшее расширение применения микроконтроллеров для повышения уровня «интеллекта» и эффективности различных систем автомобиля, а также интеграция отдельных электронных узлов в единую информационно-управляющую сеть. Внедрение интегрированных решений напрямую определяет конкурентоспособность нового семейства МАЗ, так как в автомобилях ведущих зарубежных производителей подобные системы уже применяются.

Целью дипломного проекта является разработка датчика давления воздуха в контурах тормозной системы, являющегося частью бортовой мультиплексированной электронной системы, управления и коммутации на основе интерфейса CAN для автомобилей МАЗ.

1. Обзор датчиков давления различных производителей

1.1 Обзор датчиков давления фирмы Measurement Specialties

Компания Measurement Specialties занимается разработкой и производством датчиков и сенсорных систем для точного измерения физических величин, таких как давление, температура, положение, усилие, ускорения. Компания использует самые передовые технологии: пьезорезистивные, электрооптические, электромагнитные, емкостные; применяет специальные интегральные схемы (ASICs), микроэлектромеханические системы (MEMS), пьезоэлектронные полимеры и тензоэлемен-ты для обеспечения качественной работы приборов и снижения стоимости. В данной статье будет дан краткий обзор датчиков давления, выпускаемых компанией Measurement Specialties.

Всю номенклатуру датчиков давления можно разделить на пять категорий:

–       датчики для монтажа на печатную плату;

–       датчики для жёстких условий;

–       серия кремниевых тензодатчиков Microfused;

–       серия датчиков Schaevitz;

–       серия миниатюрных тензодатчиков.

Датчики предназначены для измерения абсолютного, относительного и дифференциального давления. Область применения включает в себя: медицинское оборудование, системы охлаждения, системы нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха, гидравлические и пневматические системы, промышленное оборудование и другие области, где необходимо точное измерение давления.

Датчики для монтажа на печатную плату

Все датчики данной категории имеют кремниевый чувствительный элемент, выполненный по MEMS-тех-нологии. Кристалл представляет собой кремниевую рамку с мембраной, полученной при помощи глубинного анизотропного травления (рисунок 1.1). Кристалл расположен на подложке из боросиликатного стекла. Можно выделить два различных конструктивных подхода к определению давления:

а)в подложке имеется протравленное отверстие для подачи давления с двух сторон мембраны;

б)без отверстия, измеряется разность давления между внешним давлением Р1 и фиксированным давлением с обратной стороны мембраны.

Рисунок 1.1 - Структура кристалла

Принцип действия основан на пьезорезистивном эффекте, то есть изменении сопротивления чувствительного элемента при деформации, вызванной внешним воздействием, -давлением. Для этого на мембране n-типа располагаются четыре тензоре-зистора р-типа, полученных диффузией бора через маску (рисунок 1.1 б). Для создания точного профиля тензорезистора в маске формируется рисунок посредством фотолитографии. Соединение между тензорезисторами осуществляется посредством низкоомного р+-диффузионного слоя. Это позволяет уменьшить эффект теплового гистерезиса. Электрическую изоляцию и внешнюю защиту мембраны выполняет тонкий слой оксида кремния. Датчики данного класса предназначены для использования в некоррозийной окружающей среде. Диапазон измеряемых давлений от 1 до 500 psi (psi - фунт на квадратный дюйм, 1 psi = 0,07 атм.). Выпускаются в пяти разновидностях корпусов: TO-5, TO-8, 8 pin 0,600" DIP, 6 pin 0,600" DIP и корпус для поверхностного монтажа (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Общий вид датчиков давления для монтажа на печатную плату

В данной категории можно выделить несколько серий специального назначения. Серия 1620 разрабатывалась для измерения кровяного давления. Чувствительный элемент представляет собой кремниевый пьезорезистивный элемент на керамической подложке. Толстоплёночный резистор с лазерной подгонкой, расположенный на керамической подложке, предназначен для термокомпенсации. Данная серия имеет удобный пластиковый корпус. Давление от внешней мембраны к чувствительному элементу передаётся посредством диэлектрического геля, который также обеспечивает электрическую и механическую защиту. Общий вид и конструкция приведены на рисунке 1.3. Диапазон давления от -50 до 300 мм. рт. ст. Общая ошибка составляет 1%. Все параметры данной серии соответствуют требованиям AAMI (Ассоциации по развитию медицинского оборудования).

Серия ARES предназначена для измерения низкого давления. Можно выделить четыре диапазона: от 0 до 5 мм. рт. ст.; от 0 до 10 мм. рт. ст.; от 0 до 15 мм. рт. ст.; от 0 до 1 psi. Датчик имеет малый пластиковый корпус, удобный для монтажа на печатную плату (рисунок 1.4). Высокая чувствительность к низкому давлению в совокупности с малым размером датчика делают его идеальным для использования в системах контроля окружающей среды, медицине, расходомерах. В датчике реализована система цифровой коррекции ошибки и система усиления сигнала, поддерживающая аналоговый сигнал.

Рисунок 1.3 - Общий вид и конструкция серии 1620

Рисунок 1.4 - Общий вид датчика серии ARES

Основные характеристики некоторых серий датчиков данной категории приведены в обобщённой таблице.

Датчики для жёстких условий

Чувствительный элемент датчиков для жёстких условий располагается на Т-образной головке, защищённой нержавеющей сталью марки AISI 316. Для дополнительной защиты применяется вторая мембрана, выполненная из того же металла, что

•с низким диапазоном давления от 0 до 5 psi;

•ультрастабильные с высоким диапазоном давления от 0 до 5000 psi. Общий вид датчиков данного класса представлен на рисунке 1.5. Основные характеристики некоторых серий датчиков данной категории приведены в обобщённой таблице.

Рисунок 1.5 - Внешний вид датчиков давления для жёстких условий

Серия кремниевых тензодатчиков Microfused

Компания Measurement Specialties является общепризнанным мировым лидером в области кремниевой технологии тензодатчиков давления со стеклянным соединением, получившей название Microfused™ (см. рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Устройство преобразователя давления Microfused

Датчики, изготовленные по данной технологии, имеют внешнюю металлическую мембрану, на обратной стороне которой размещается тензоэлемент (см. рисунок 1.7), впаянный в стекло при высокой температуре. В результате датчик имеет высокую надёжность и стабильность продолжительный период времени. Датчики Microfused™ успешно прошли жёсткие испытания - 10 млн. циклов в течение нескольких лет.

Рисунок 1.7 - Общий вид тензоэлемента

Таблица 1.1 - Параметры некоторых серий датчиков давления фирмы Measurement Specialties

Одной из последних серий данного класса, анонсированной компанией Measurement Specialties, являются преобразователи давления М5100. В корпусе данного класса расположена специальная интегральная схема (ASIC), обеспечивающая дополнительную термокомпенсацию. Благодаря этому диапазон термокомпенсации возрастает до -40...+125°С. Диапазон измеряемых давлений от 0 до 10 000 psi. M5100 имеет защиту выхода от перегрузки по напряжению до 30 Vdc (standard outputs) или 16 Vdc (ratiometric output). Общая ошибка, включающая линейность, гистерезис и дополнительную температурную погрешность, составляет ±1%. Основные характеристики некоторых серий датчиков данной категории приведены в обобщённой таблице.

Серия датчиков Schaevitz

Преобразователи давления, выпускаемые под маркой Schaevitz, имеют чувствительный элемент, выполненный по технологии BFSG (тензоэле-мент, жёстко скрепленный с поверхностью фольги). Преобразователи данного класса специально разрабатывались для применения в экстремальных условиях:

–    высокое давление,

–       высокая вибрация и соударения,

–       высокая температура,

–       радиация.

Ключевой особенностью Schaevitz BFSG преобразователей давления является специальная защита внешней мембраны и чувствительного элемента - OTS (overtravel stop). Защита позволяет использовать данные преобразователи на больших давлениях без повреждения. Она также позволяет достигать максимального разрешения в заданном диапазоне давления с минимальными помехами.

Принцип преобразователя - суммирующая внешняя мембрана, соединённая посредством стержней, работающих на сжатие, с двойным кантилевером, входящим в четырёх-плечный мост Уинстона. Такая конструктивная особенность позволяет создавать преобразователи давления для жёстких условий с долговременной стабильностью. Кроме того, данная конструкция обеспечивает превосходную термоизоляцию и защиту от вибрации и ударов. Данный факт позволяет использовать эти преобразователи давления в военной и аэрокосмической областях. Общий вид датчиков представлен на рисунке 2.8. Основные характеристики некоторых серий датчиков данной категории приведены в обобщённой таблице.

Рисунок 1.8 - Общий вид датчиков Schaevitz

Серия миниатюрных тензодатчиков

Миниатюрные датчики разработаны для областей применения, где размер и масса критичны. Датчики данного класса имеют корпус из нержавеющей стали. Работают по такому же принципу, что и датчики для жёстких условий, то есть имеется внешняя мембрана, защищающая чувствительный элемент от повреждений. Одним из основных достоинств данной категории является улучшенная защита от вибраций и ударов. Минимальные размеры и отличные характеристики обусловливают применение в таких специфических системах, как аэрокосмические системы, системы с особыми требованиями по безопасности.

Рисунок 1.9 - Общий вид серии EPXT

Наиболее ярким представителем данной категории является серия EPXT. Диапазон давления составляет от 0 до 15 000 psi. Рабочие температуры -55...+255°С, при этом температурная компенсация осуществляется в диапазоне -40...+ 150°С. Ошибка составляет всего 0,2...0,5% всей температурной шкалы. Общий вид серии EPXT продемонстрирован на рисунке 1.9. Основные характеристики некоторых серий датчиков данной категории приведены в обобщённой таблице.

1.2 Анализ протоколов обмена электронных систем, применяемых на автомобилях

1.2.1 Протокол CAN для автомобильных сетей передачи данных

Протокол CAN был разработан инженерами фирмы R.Bosch GmbH для применения на автомобилях [4]. Протокол соответствует международным стандартам ISO 11898 [5] и ISO 11519 [6], практически используется несколькими производителями электронного оборудования. Протокол CAN признан автомобильными производителями США и Европы, используется на современных легковых автомобилях, грузовиках, автобусах, сельскохозяйственном транспорте, в морском оборудовании, для автоматизации производства [7].

Протокол CAN поддерживает метод доступа CSMA/CD-A к сети с равноранговыми узлами. Пакет данных имеет размер не более 8 байт и передается по последовательной шине. 15-битовый циклический контроль избыточности обеспечивает высокий уровень целостности данных.

Используемый в настоящее время протокол CAN версии v2.0 состоит из двух частей: версия v2.0A со стандартным форматом кадра и v2.0B с расширенным форматом кадра. Версия v2.0A идентична предыдущей версии v 1.2 и использует 11-битовое поле идентификатора. В версии v2.0B ноле идентификатора - 29 бит. Расширенный формат кадра необходим для совместимости с существующим коммуникационным протоколом J1850. Функции протокола CAN реализуются в микропроцессоре со встроенным контроллером CAN. Первыми на рынке появились контроллеры CAN с внешними драйверами для шины. В настоящее время производятся несколько типов CAN-контроллеров, которые можно разделить на три группы в зависимости от поддержки ими расширенного формата кадра:

контроллеры v2.0A. Поддерживают только стандартный формат, не могут работать в сети, где передаются и кадры расширенного формата;

контроллеры v2.0B, пассивные. Поддерживают только стандартный формат, но могут работать в сети, где передаются и кадры расширенного формата;

контроллеры v2.0B, активные. Поддерживают операции с кадрами стандартного и расширенного форматов.

Контроллеры CAN классифицируются также как полные или базовые, в зависимости от организации буферизации данных.

Полный CAN-контроллер имеет некоторое количество (обычно 14) специализированных буферов для временного хранения сообщений. При инициализации CAN-контроллера можно сконфигурировать его, указать, какой кадр будет поступать в какой буфер.

1.2.2 Архитектура протокола CAN

В стандартах Международной организации стандартизации для протоколов CAN ISO 11898 (высокая скорость обмена) и ISO 11519 (низкая скорость обмена) регламентируется уровневая структура в соответствии со стандартами LAN (локальные сети) ISO8802-2 и 8802-3. Протокол CAN относится к двум нижним уровням модели ВОС, как показано на рисунке 1.10.