MCS_51单片机在汽车ABS控制中的应用研究

MCS-51单片机在汽车ABS控制中的应用研究

仝秋红，王伟力，张 磊

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 7100）

摘 要 针对汽车ABS控制系统，应用MCS-51系列单片机做为ECU控制器，分析了汽车ABS控制的特点，制定控制方案，对其I/O口﹑定时/计数器﹑中断等进行了编程与设计，在KEIL的μVision2上对程序进行了调试和仿真，仿真结果基本达到了要求。

关键词 ABS；控制；单片机；KEIL；仿真 中图分类号 TP43；U463.5

The Research on the Application of the MCS-51 Single Chip Microcomputer to Automobiles′ ABS Control System

Tong Qiuhong, Wang Weili, Zhang Lei

(School of Automobile, Chang’an University, Xi′ an 7100, China)

Abstract The MCS-51 single chip microcomputer is used as the ECU controller. This paper analyzes the characteristics of the ABS control, constitutes the controlling scheme, programs and designs the I/O port, timer/counter, interrupt etc. The program is debugged and simulated on the KEILµVision2 with a desired result obtained.

Keywords ABS; control; single chip microcomputer; KEIL; simulation

现代汽车中ABS（anti lock brake system）防抱死制动系统的应用已经相当普遍。而ABS系统在汽车上的应用，使得汽车的制动性能尤其是安全性能得到了大大的提高。

研究表明，一般的制动系统，汽车在制动时，车轮被制动到抱死状态，车轮将在路面上进行纯滑动，而此时的纵向附着系数就不能达到最大，汽车将不能获得最大的制动力，在这种情况下，汽车的制动距离将不能达到最短，而且由于横向附着系数接近于零，意味着车轮将完全丧失横向附着力，如果汽车受到横向外力的作用，汽车就很容易发生横向滑动，使汽车失去方向制动力。ABS防抱死制动系统使得车轮在汽车制动的过程中不被抱死，主要是通过对车轮的制动压力进行调节，将车轮的滑移率控制在能够出现峰值附着系数的较小范围之内，

收稿日期：2005-11-03

作者简介：仝秋红（1963—），女，博士，副教授。研究方向：计算机应用。

使车轮的纵向附着系数达到最大，使汽车能够获得最大的制动力，缩短汽车的制动距离，并且使车轮保持较大的横向附者系数，汽车将具有较大的横向附着力，使汽车能够保持较强的方向控制能力。此外ABS系统的应用可以保持制动过程的转向操纵力，减轻驾驶员的紧张程度，延长轮胎的使用寿命。

1 控制系统设计

ABS制动系统的工作原理是，当车轮制动到趋于抱死时，使一部分制动液从制动轮缸中流出，减小轮缸的制动压力，在制动压力减小到使车轮抱死趋势消除时，保持制动轮缸的制动压力，当车轮在汽车惯性的作用下加速到一定程度时，再增大制动轮缸的制动压力，当车轮又被制动到趋于抱死时，再减小制动轮缸的制动压力，如此制动压力在制动过程中反复进行减小、保持和增大的调压循环。

控制系统包括：

车辆转速传感器：输出矩形波，单位时间的脉

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冲数代表汽车的车轮转速。

调压器：通过电磁阀调节制动主缸向制动轮缸流动制动液，即对制动轮缸的制动压力进行调节。电磁阀的工作包括加压、保压、减压3种操作。

电控单元（ECU）：实时采集车轮转速，并计算汽车行驶速度，判断是否启动ABS，启动后输出对电磁阀的调节信号。

控制车轮的角速度时，预选一个角减速度的门限值，当实测的角速度超过此门限值时，控制器发出指令，开始释放制动系压力，即电磁阀使制动缸减压，使车轮得以加速旋转，再预选一个角加速度门限值，当车轮的角加速度到达此门限值时，控制器再发出指令，使制动力开始增大，电磁阀动作，增加制动气缸的压力。

2 控制方案

由于ABS控制系统的非线性，实际中多采用逻辑门控制方式，即采用加、减速度门控制。

汽车在制动时，滑移率若能保持在15%，则汽车的刹车距离最短。滑移率在10%-20%，为最佳的刹车效率区间。但在实际当中，要准确地控制滑移率非常复杂，由于滑移率的计算与车轮中心的纵向速度（即车身速度）有关，而从传感器得到的只是车轮的转速度，而汽车在制动过程中，车速与轮速并不相等，通过轮速求出车速，在准确性与实时性上，都不能满足控制的要求，因而实际当中，是以角加速度及角减速度作为主要控制量，在有些系统中，再以滑移率作为比较量进行控制的。 3 控制器设计

控制器采用MCS-51系列单片机8051来实现，8051单片机包含有一个8位的CPU、2个16位定时计数器、5个中断源、4个8位并行I/O口、一个串口，另外片内还包含有256字节RAM及4K ROM，体积小，重量轻，电源单一，功耗低，功能强大，其温度适应范围为：

民品（商业用）：0～70。 工业用：-40～85。 军用品：-55～125。

非常适合做实时控制使用，一般市场多为工业品，其稳定性、抗干扰性能都优于一般的微处理芯片。 8051控制电路如图1所示。 W7807稳压器5V稳压器5V常开电磁阀常闭电磁阀123456781312U?P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728W7807 9432车速传感器R10B11ACD0D1D2D374LS151Y51514311911716控制8051AH1GGND78RXDTXDALE/PPSEN10113029IN0IN1IN2ADC0809IN3IN4IN5IN6IN7ABCD0D1D2D3D4D5D6D7252423171415818192021Q0Q1Q274L373EOC7START6OED7D6D5D4D3D2D1D0GU?ABS警报灯123456781312151431P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR监控8051AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728U?NOTALE22OE9故障诊断回路CLK10U?1911716DQQCKU?NORRXDTXDALE/PPSEN10113029NOR 图1 8051控制电路图 系统采用了HSRI控制逻辑，即仅以车轮加（减）速度作为控制参数。制动开始时8051根据采集到的轮速信号判断是否启动ABS，若此时车速

小于10km/h便仍然采用常规制动而不启动ABS，当大于10km/h时，ABS启动进入等待状态，直到车轮角减速度达到下门限（减速度门限），此时向

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电磁阀发出控制信号使制动轮缸压力减小，再经过一段时间，车轮加速度达到上门限（加速度门限），说明此时制动压力偏小，便再次向电磁阀发出控制信号再次增加轮缸制动压力。等待再次达到下门限，循环以上的控制，直至车速低于10km/h（对于车速是否低于10km/h通过车轮速度是否第3次低于6km/h来判断）便终止ABS，返回常规制动，因为此时车速已经很低，就算车轮抱死对汽车的稳定性影响也不是很大，而且此时继续执行ABS的话，还会增加制动距离。

系统ECU采用两片8051AH控制器，一片为控制8051，进行车轮转速信号的采集，车轮转速合角加速度的计算及分析控制等工作，另一个为监控8051，主要检测电路是否接线良好以及传感器，电磁阀和回液泵电动机工作是否正常。

控制8051AH和监控8051AH各接线。 监控8051AH中断INT0：接受汽车的制动信号，当汽车制动产生时，其中断服务程序从监控8051AH的P0.0端输出一下降沿的脉冲。

监控8051AH的P0.0：监控8051AH的P0.0接控制8051AH的INT0端，其产生的下降沿使控制8051AH的INT0触发，控制8051AH产生INT0中断。

控制8051AH中断INT0：设定为下降沿触发，其中断服务程序将控制8051AH的定时/计数器T0设定为计数状态，对车轮速度（或角加速度）脉冲进行采集，T1设定为定时状态，对车轮速度的采样时间进行控制。

控制8051AH定时/计数器T0：T0被设定为计数工作状态，通过74LS151集成电路数据选择器接轮速传感器，每20ms进行一次速度信号采集。

控制8051AH定时/计数器T1：设定为定时状态，每20ms产生溢出中断，溢出中断服务程序中将T0采集到的速度脉冲值读入内存，并调用速度计算程序。

通过速度计算程序算出车轮速度（角加速度），并进行判断，当车速低于10km时不启动ABS，进行常规制动，当车速大于10km时，启动ABS控制程序。

ABS控制程序根据加速度是大于还是小于门限值进行减压，保压和加压的循环控制，控制信号通过P1.0，P1.1输出。

将T0重新初始化，进行下一轮的速度采集。 控制8051AH的P1.0，P1.1：输出相应的控制信号。控制8051AH的P1.0接液压调节系统的常开阀，控制8051AH的P1.1接液压调节系统的常闭阀。

监控8051AH的P1口：接电磁阀监控回路，通过A/D转换读入阀电压，若发现电压不正常，则使P1.1输出相应的控制信号，使ABS警报灯亮，同时转入常规制动。

4 汇编程序的调试与仿真

系统的控制程序是用汇编语言编制的，而对汇编程序的编辑、汇编、调试、仿真用KEIL软件来实现。德国KEIL的µVision2，是在世界上占有巨大市场的8051MPU的编译器，它提供了集成开发环境IDE，把编辑、编译、汇编、连接、调试等各阶段都集成在一个程序内，文中先用编辑器编写程序，接着调用编译器进行编译、连接后进行了仿真运行。仿真运行的结果基本达到了设计要求。

5 结束语

MCS-51系列单片机具有体积小、重量轻、温度适应范围广的优点，其强大的程序开发能力使它能适应各种复杂的控制状况，特别适合于汽车上的各种电控设备，该文将其应用于汽车ABS的控制系统，是对该系统进行开发研究的一种尝试。 参考文献

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