Маршрутный компьютер-тестер для автомобилей

СОДЕРЖАНИЕ Введение 1 Функциональные возможности МКТ 2 Выбор и обоснование схемы электрической структурной МКТ 3 Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной МКТ 3.1 Выбор элементной базы и разработка схемы электрической принципиальной МКТ 3.2 Описание принципа работы и настройка МКТ 4

Расчетная часть 4.1 Расчет потребляемой мощности МКТ 4.2 Расчет надежности МКТ 5 Конструкторская часть 5.1 Описание конструкции МКТ 5.2 Определение уровня унификации МКТ 6 Технологическая часть 6.1 Разработка техпроцесса сборки и монтажа МКТ 7 Организационно-экономическая часть 7.1 Оценка технического уровня МКТ 7.2 Расчёт затрат на техническую подготовку производства 7.3

Расчёт затрат на разработку и отладку программы 7.4 Расчёт себестоимости МКТ 7.5 Расчёт стоимости оборудования и капитальных затрат 7.6 Экономическая эффективность внедрения МКТ 8 Безопасность и экологичность 8.1 Анализ условий труда по факторам опасности и вредности, тяжести и напряжённости трудового процесса 8.2 Методы и средства улучшений условий труда и оптимизации трудового процесса 8.3

Электро и пожарная безопасность 8.4 Экологичность разрабатываемого устройства 9 Экспериментальная часть 9.1 Макетная сборка МКТ 9.2 Подсистема маршрутного компьютера-тестера Заключение Список используемой литературы ВВЕДЕНИЕ Как-то незаметно к нам подкрался новый век – век информационных технологий. И кто бы мог подумать, ну хотя бы лет десять назад, что компьютеры займут такие основательные

позиции в нашей жизни. Компьютер сегодня перестал быть вещью самодостаточной, вызывающей восторг и удивление, это повседневный инструмент для решения широкого круга задач. Компьютер нашел место и дома, и на работе. А чем автомобиль хуже? Тем более, что для многих автомобиль – и работа, а зачастую и второй дом. Да и вообще за последние несколько лет в продукции автомобильного производства заметно прибавилось

электронной начинки, а автомобилисту все сложнее управляться с ней в одиночку. Именно для желающих жить с комфортом везде и всегда, в том числе и в собственном автомобиле, для этого необходимы специальные устройства, которые способны заметно облегчить нелегкую жизнь автомобилиста. Называются такие устройства бортовыми или маршрутными компьютерами. В настоящее время на автомобилях широко применяются электронные блоки управления (ЭБУ) двигателями

типа Бош М1.5.4 (N), Январь-5.1.x ВС5.1, Январь-2. Работу этих блоков невозможно проконтролировать без специальных приборов, которые всегда желательно иметь "под рукой". Однако даже простейшие из них довольно сложны и поэтому недешевы. Кроме управления двигателем, вышеназванные ЭБУ, вырабатывают сигналы с датчиков скорости и расхода топлива, которые выведены в салон автомобиля на специальный разъем для подключения маршрутного компьютера.

Маршрутный компьютер позволяет отобразить различные параметры: время в пути, время в движении, пройденный путь, общий расход топлива, расход топлива на холостом ходу, текущую скорость, а также широкий спектр величин, рассчитанных на их основе (средняя скорость пути, средняя скорость движения и т.д.). Технически возможно, а экономически целесообразно объединить маршрутный компьютер и диагностический тестер в одно устройство. Целью дипломного проекта является разработка маршрутного компьютера-тестера

для автомобилей (МКТ), который устанавливается в салоне автомобиля на штатное место, предусмотренное для бортового компьютера. 1 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МКТ Маршрутный компьютер является мозгом машины и у него можно спросить, что в машине не работает или не попадает в заданные пределы нормы. Хотя, конечно, это не полный анализ, который может произвести квалифицированный мастер, но все же большую часть о состоянии машины выяснить можно.

Количество функций современного бортового компьютера измеряется десятками, а для некоторых моделей переваливает за сотню. Возможности: - отображает все доступные параметры системы - управляет доступными исполнительными механизмами - регулирует СО - показывает неисправности с текстовой расшифровкой ошибок! - сбрасывает вышеуказанные ошибки - показывает идентификационные данные блока управления - пройденное расстояние от начала маршрута (в метрах). - время нахождения на маршруте (включенное зажигание). - время

нахождения в движении (скорость движения не равна нулю). - текущая скорость движения автомобиля (в км/час). - средняя скорость движения на маршруте (в км/час). - общий расход топлива на маршруте (в литрах). - средний расход топлива на маршруте (в литрах на 100 км). - мгновенный расход топлива (в литрах в час). - остаток топлива в баке - пробег на остатке. - время разгона в указанном диапазоне скоростей Мгновенные параметры Самое первое, на что способен бортовой компьютер, это отображать мгновенные параметры:

текущее время, скорость автомобиля, обороты двигателя, температуру двигателя, температуру в салоне и температуру наружного воздуха, остаток топлива в баке, бортовое напряжение и т.д. Многие возразят, что большинство этих значений можно увидеть по показанию индикаторов на панели приборов, и окажутся не правы. Точность показаний штатных систем оставляет желать лучшего, а самое главное, не поддается коррекции. Скажем, при установке колес большего диаметра скорость вашего автомобиля при тех

же оборотах двигателя будет выше. Однако штатный спидометр ничего не знает о ваших новых колесах и будет отображать неверную информацию. В то время, как большинство бортовых компьютеров позволят внести коррективы в работу и сообщат вам об истинном значении скорости. Маршрутные параметры С бортовым компьютером становится доступной информация о текущем расходе топлива, среднем расходе на 100 км, расходе топлива за текущую поездку, времени поездки, пройденном пути.

Некоторые бортовые компьютеры умеют не только отображать информацию о совершенной поездке, но и помогут запланировать новую. Например, сообщат время, необходимое для преодоления пути, рассчитают рекомендуемую скорость, сообщат о нужном количестве бензина или о количестве километров, которые удастся преодолеть на остатке топлива. Контроль над ситуацией Возможность увидеть на экране ряд параметров – это приятно. Однако важно не только увидеть, но и вовремя среагировать на нештатную ситуацию.

Здесь крайне полезной окажется возможность бортового компьютера постоянно контролировать ряд параметров и при необходимости оперативно сигнализировать об их изменении. При нарушении работы системы охлаждения или в просто очень жаркий день можно не заметить, что температура двигателя превысила норму, в этом случае есть большой риск "закипеть", что в конечном итоге обернется серьезными проблемами для автомобиля. Бортовой компьютер ни на секунду не потеряет контроль

над ситуацией и немедленно предупредит вас о перегреве двигателя звуковым сигналом. Точно так же он проконтролирует и предупредит о превышении рекомендуемой скорости движения, о значении бортового напряжения, о необходимости очередного техобслуживания. Существуют системы, сохраняющие работоспособность автомобиля даже в случае выхода из строя того или иного датчика, чтобы вы могли добраться до автосервиса или гаража и устранить неисправность.

Стратегия состоит в том, что при возникновении неисправности в цепи какого-то датчика компьютер заменит сигнал этого датчика на постоянное значение, хранящееся в памяти (Fale Safe Mode – параметр по умолчанию). При переходе в режим ограниченной управляемости двигатель продолжает работать, хотя и с меньшей эффективностью. Некоторые системы управления настолько "сообразительны", что водитель даже может не заметить, что продолжает ехать с неисправностью.

Только горящая сигнальная лампочка говорит о том, что с двигателем не все в порядке, либо его параметры работы не соответствуют принятым нормам. При неисправности особо важных датчиков, определяющих режим работы двигателя, его экономичность и экологичность, таких как датчик расхода воздуха или датчик давления в коллекторе, температурный датчик – компьютер может ограничить динамические характеристики двигателя. После устранения неисправности система возвращается к нормальному функционированию.

Сервисные функции и диагностика двигателя Для владельцев автомобилей с инжекторными двигателями бортовой компьютер превращается в личного автомеханика, который перед каждой поездкой произведет диагностику двигателя и узлов автомобиля и сообщит о наличии неполадок и причинах, вызвавших их. Как работает бортовой компьютер Автомобильный компьютер является прямым родственником настольной персоналки и работают они по схожей схеме. Компьютер получает некоторые исходные данные, обрабатывает их по заданной

программе и выводит на экран в форме, понятной любому пользователю. Исходные данные В случае с персональным компьютером все достаточно ясно. Данные вводятся с клавиатуры, сканера или считываются с носителей информации, например, жесткого диска. Откуда же берет информацию бортовой автомобильный компьютер, и что она собой представляет? Все очень просто. Современный автомобиль кишит разного рода датчиками, актуаторами и блоками управления.

Бортовой компьютер подключается в цепь датчиков, таких как уровень топлива, скорости, к цепи зажигания, к колодке диагностики, к датчику расхода топлива и другим системам. То есть вся информация, которой оперирует бортовой компьютер, была в автомобиле и до появления оного. Но увидеть мы могли лишь ее малую часть. Обработка данных Здесь стопроцентная аналогия с обычным компьютером.

В памяти автомобильного бортового компьютера заложена программа, которая обрабатывает полученные данные. Скажем, получив информацию с датчика уровня и датчика расхода топлива, компьютер дает возможность спрогнозировать пробег на остатке топлива. Так же и по ряду других параметров. Самое главное, на что стоит обратить внимание при разработке компьютера, это возможность вносить поправки в полученные данные. Как уже говорилось, бортовой компьютер сам ничего не замеряет, всю информацию о

процессах, происходящих с вашим автомобилем, он получает от штатных систем. Как правило, информация эта обладает большой погрешностью. Как следствие, все значения, вычисленные на основании неверных данных, будут иметь мало общего с действительностью. Программа хорошего бортового компьютера позволяет подстроить показания по расходу топлива, расчету скорости, пробегу и т.д. Отсутствие данной функции не позволит получить достоверную информацию от вашего

бортового компьютера. Отображение информации Немаловажную роль играет способ отображения полученной и вычисленной информации. А это напрямую зависит от типа установленного дисплея. Дисплей может быть цифровой, трех- или четырехразрядный. Для большей информативности этих дисплеев может быть два. Также встречаются модели с жидкокристаллическим дисплеем, похожие на те, что устанавливаются в мобильные

телефоны. Бортовые компьютеры с этим типом дисплея наиболее удобны, однако цена их значительно выше. 2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ МКТ Алгоритм функционирования и особенности построения практически любого диагностического тестера начального уровня, работающего по протоколу KWP2000 и подключенного к К-линии, следующие: 1) Производится опрос клавиатуры и, в случае необходимости, модификация выбранного

режима работы. Количество кнопок управления не превышает 4 штуки и выбор режима работы, которое осуществляется с помощью меню. 2) Формируется запрос на ЭБУ, соответствующий заданному режиму работы. Виды запросов весьма многообразны, однако их содержание (за небольшим исключением, например запросов на изменение состояния исполнительных механизмов) постоянно. 3) Ожидается ответ от ЭБУ и осуществляется прием данных при его получении.

Длина принимаемого сообщения не превышает 128 байт. 4) По истечении времени ожидания или завершении приема данных производится анализ сложившейся ситуации и в соответствии с ней возможна модификация заданного режима работы. 5) При необходимости обновляется информация на индикаторе с преобразованием полученных из ЭБУ данных. Информация для пользователя должна выводиться в удобной форме, т.е. в виде развернутых буквенно-

цифровых сообщений и подсказок, что требует применения знакосинтезирующего индикатора как минимум с 1 строкой на 16 символов (лучше 2*20). Объем информации для отображения в развернутом виде очень большой, что влечет за собой увеличение памяти для ее хранения. Полученные из ЭБУ данные, в некоторых случаях, должны быть пересчитаны по несложной формуле (точность вычислений при этом может быть невелика) и преобразованы из двоичной формы в символьный формат.

6) Делается пауза, т.к. согласно протокола, запросы на ЭБУ должны выдаваться не раньше 100 мс по окончании предыдущего сеанса обмена, и все повторяется сначала. Алгоритм функционирования и особенности построения маршрутного компьютера примерно следующие: 1) Постоянно производится подсчет времени, импульсов с датчиков расхода топлива и скорости, а также измерение длительности между импульсами с датчика скорости.

2) Производится опрос клавиатуры и, в случае необходимости, модификация выбранного режима работы. Количество кнопок управления не превышает 4 штуки и выбор режима работы осуществляется с помощью меню. 3) Обновляется информация на индикаторе с преобразованием накопленных первичных данных. Информация для пользователя должна выводиться в удобной форме, т.е. в виде развернутых буквенно-цифровых сообщений и подсказок, что требует применения знакосинтезирующего индикатора как минимум с 1 строкой

на 16 символов (лучше 2*20). Объем информации для отображения в развернутом виде очень большой, что влечет за собой увеличение памяти для ее хранения. Первичные данные должны быть пересчитаны по несложным формулам (точность вычислений при этом может быть невелика) и преобразованы из двоичной формы в символьный формат. 4) Делается пауза, т.к. исходя из психофизиологических особенностей человека частота обновления информации

не должна превышать 10Гц, и все повторяется сначала. Как видно из вышесказанного, между функционированием устройства в режиме тестера или маршрутного компьютера много общего, что позволяет совместно использовать аппаратные и программные ресурсы. С точки зрения построения программы, учитывая большой объем текстовых сообщений, все их желательно вынести за пределы внутреннего сравнительно небольшого

ПЗУ микроконтроллера. Т.к. между обновлениями информации существует большая пауза (не менее 100 мс), а количество одновременно отображаемых символов невелико, то эти данные могут быть размещены во внешнем ПЗУ с последовательной выборкой и извлекаться оттуда по мере необходимости. Развивая эту идею, можно вынести во внешнее ПЗУ сами запросы, описание формул для пересчета различных параметров, а также и весь сценарий работы с меню.

Таким образом, в микроконтроллере остается программа-монитор, которая осуществляет: • инициализацию устройства; • обработку прерываний; • опрос клавиатуры; • вывод на жидкокристаллический индикатор; • передачу и прием данных из буфера по К-линии; • формирование временных задержек; • выдачу звуковых сигналов; • считывание данных из внешнего ПЗУ, их интерпретацию и преобразование. Такой подход и применен в предлагаемом устройстве, что позволяет легко наращивать и видоизменять набор

контролируемых параметров, не затрагивая микроконтроллера. Схема электрическая структурная представлена на чертеже АКВТ.230101.ДП00.10Э1. Маршрутный компьютер-тестер состоит из следующих компонентов: микроконтроллер; интерфейс подключения к К-линии; пульт управления; дисплей; ПЗУ. МКТ подключается к системе электрооборудования автомобиля в соответствии со схемой включения предусмотренной

для бортового компьютера. 3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ МКТ 3.1 Выбор элементной базы и разработка схемы электрической принципиальной МКТ Задание для дипломного проектирования предусматривает создание МКТ, представленного на схеме электрической структурной АКВТ.230101.ДП00.10Э1. Для того, чтобы МКТ обеспечивал выполнение своих рабочих функций с необ¬ходимыми

параметрами, используются в качестве элементной базы инте¬гральные микросхемы (ИМС) и дискретные элементы. В настоящее время существуют несколько вариантов логик цифровых микросхем: транзисторно-транзисторная логика ТТЛ, металл-окисел-проводник МОП и эммиторно-связная логика ЭСЛ. Отметим, что микросхемы МОП разрабатывали после внедрения в аппаратуру первых серий ТТЛ, поэтому во многом копировали их структуру. Большое распространение получили микросхемы

КМОП – комплиментарные полевые транзисторы со структурой МОП. Микросхемы КМОП почти не потребляют электроэнергию от источника питания во время ожидания. При обработке сигналов ток потребления микросхем тем выше, чем выше быстродействие схемы. Микросхемы ТТЛ также как и КМОП отвечают таким требованиям, как минимальное потребление энергии, но КМОП имеют наименьшие габариты и вес. Микросхемы логики

КМОП целесообразно использовать в бортовых условиях работы. ЭСЛ – это самая быстродействующая логика, но является самой спорной. Потребителей отпугивает очень большая рассеиваемая мощность. Основным требованием к блоку является обеспечение минимального потребления электроэнергии, высокая надежность и минимальные габаритные размеры. Маршрутный компьютер тестер рассчитан на бортовые условия

эксплуатации, что следует учитывать при выборе элементной базы. Выбор микроконтроллера: В качестве микроконтроллера выбираем микроконтроллер AT89S53, 8-ми разрядный микроконтроллер с Flash памятью объемом 12 Кбайт семейства AT89S. Использование микроконтроллеров АТ89 позволяет получить более высокие результаты при создании микроконтроллерных систем в плане снижения

энергопотребления (за счет полностью статической структуры) и сокращения аппаратных затрат. AT89S53 наиболее подходит к разрабатываемому блоку и сочетает в себе все функции ранее разработанных МК семейства AT89S. Поддерживает пословную и постраничную запись, используемую при программировании, а так же и побайтную запись, что очень важно при программировании. Микроконтроллеры серии АТ89, изготовлены по КМОП (CMOS) технологии.

Основные преимущества перед другими моделями: 1) Совместимость с ИС семейства MCS 51 2) 12 Кбайт внутрисистемно-программируемой загружаемой Flash памяти: 3) Последовательный SPI- совместимый интерфейс для загрузки программ 4) Ресурс: 1000 циклов записи/ стирания 5) Напряжение питания от 4 В до 6 В 6) Полностатический режим работы: от 0 Гц до 24

МГц 7) Трехуровневая защита программирования памяти 8) Встроенная 256 х 8 бит RAM 9) 32 программируемые линии I/O 10) Три 16 – ти разрядных таймера/ счетчика 11) 9 источников прерывания 12) Программируемый последовательный канал UART 13) Последовательный SPI – совместимый интерфейс 14) Экономичные режимы ожидания (Idle) и отключения (Power – down) 15)

Пробуждение из режима отключения (Power Down) по прерыванию 16) Программируемый следящий таймер 17) Двойной указатель данных 18) Флаг отключения питания Описание: AT89S53 представляет собой экономичный, высокопроизводительный, 8-ми разрядный CMOS микроконтроллер с, загружаемой, программируемой и стираемой ROM памятью объемом 12 Кбайт. Производится с применением технологии энергонезависимой памяти с высокой

плотностью размещения, разработанной корпорацией Atmel, и имеет совместимость с, широко используемым, стандартным набором инструкций, и расположением выводов стандарта 80С51. Наличие встроенной Flash памяти с поддержкой функции загрузки позволяет производить внутрисистемное перепрограммирование программного кода посредством последовательного SPI – интерфейса, или с помощью стандартного программатора энергонезависимой памяти.

Благодаря объединению универсального, 8-ми разрядного CPU и загружаемой Flash памяти на одном кристалле, микроконтроллер Atmel AT89S53 имеет высокую производительность, гибкость в применении, и конкурентоспособную себестоимость для широкого спектра встраиваемых систем управления. Загружаемая Flash память имеет возможность изменения одного байта за раз, а обращение к ней производится

посредством последовательного SPI интерфейса. Удержание активного уровня сигнала инициализации RESET принудительно переводит шину SPI в режим последовательного программирующего интерфейса и обеспечивает возможность записи, или чтения программной памяти, в случае, если бит 2 блокировки (Lock bit 2) не был активирован.