拖拉机自动换挡控制系统设计

拖拉机自动换挡控制系统设计
摘要:介绍了拖拉机自动换挡控制系统的结构组成和功能应用,并进行了软硬件设计。

硬件系统以AT89C52单片机为核心,采用C51高级语言进行软件开发。

该控制系统能够采集数据信号,得到拖拉机当前运行状态,根据得到的换挡规律进行计算,从而确定最佳换挡点,控制换挡油缸进行自动换挡,极大地改善了拖拉机燃油经济性、生产效率以及舒适性。

关键词:拖拉机;自动换挡;控制系统;单片机
0引言目前,国内外自动换挡控制系统在汽车上的应用已经十分普遍,各种技术趋于成熟。

在美国、日本等发达国家,自动变速控制系统的装车率已经达到或超过80%。

自动换挡控制系统操纵自动变速器自由、准确地执行自动换挡,从而实现自动变速,使汽车的动力性、燃油经济性、操纵性以及其他性能得到大幅度改善。

虽然自动换挡技术在汽车上已大量应用,但对于拖拉机仍处于起步阶段,发展及应用尚不成熟。

目前,国内拖拉机大多采用传统手动机械式变速箱,如果拖拉机以低速大牵引力作业,在需要换挡时就必须中断动力,这意味着要使拖拉机停车和重新起步,会影响机组的生产效率。

另外,拖拉机与汽车相比,不仅在结构制造方面不同,而且工况复杂多变,分为道路运输和田间作业,导致换挡复杂。

因此,合理借鉴汽车自动换挡控制技术,着重解决拖拉机变速箱自动换挡控制技术,减轻驾驶员的劳动强度是大力推广农业机械必须考虑的问题,由此能够达到提
高拖拉机燃油经济性、生产效率的目的。

1控制系统组成及功能
拖拉机自动换挡控制系统由硬件部分和软件部分组成。

硬件部分由前向通道电路、单片机电路和后向通道电路组成;软件部分主要由51单片机C语言编写的软件程序组成,主程序由初始化模块程序、信号采集处理模块程序、控制执行模块程序、显示模块程序等组成。

硬件部分实现的功能:一是数据采集功能,利用传感器采集发动机转速n数字量、供油拉杆位移l和油门开度α模拟量等数据;二是显示功能,显示当前挡位d和发动机转速n,来判断当前车辆运行状态;三是控制执行功能,单片机根据得到的换挡规律和采集的即时数据进行计算对比,发出执行命令,控制电磁阀的开启,驱动换挡油缸实现自动换挡;四是反馈功能,对于换挡系统误差进行诊断,及时调整与改善系统工作状态。

软件部分实现的功能:单片机在接收到换挡信号后,根据程序指令,将结合发动机转速n、油门开度α和供油拉杆位移l这3个参数来决定是否进行换挡。

如果需要换挡,及时确定出最佳换挡点以及最佳换挡时刻。

2硬件设计
控制系统的硬件框图如图1示。

单片机电路由AT89C52芯片、74HC573驱动的LED显示灯(拖拉机状态指示电路)以及输入输出电路组成。

硬件系统以AT89C52单片机为中央处理器,它是低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的EPROM(可反复擦写的只读
程序存储器)和256bytes的RAM(随机存取数据存储器),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统和引
脚完全兼容,片内置8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,32个可编程I/O口线,3个16位定时/计数器。

在12MHz晶振下,其采样时间为1μs,外接TCL2543A/D转换器时完成1次A/D转换仅需10μs,完全满足换挡系统要求。

2.1数据信号的采集发动机转速信号是数字量(开关量),处理起来比较容易。

采用JX71C磁电式转速传感器测量发动机的转速,当曲轴旋转时带动齿轮旋转。

根据电磁感应原理,在传感器内部线圈的两端产生一个电压脉冲信号,发动机曲轴转动1周时就产生z(齿数)个电压脉冲信号。

利用单片机在单位时间内对脉冲进行计数,再经过软件计算可获得转速数据,即n=N/zTc()式中n—转速(r/min);N—采样时间内所计脉冲个数;Tc—采样时间(min);z—测速码盘的齿数。

通常取z=60,那么1s内产生的脉冲个数N就是发动机转速n,即n=N/(zTc)=N/60 ×(1/60) =N(r/min)。

油门开度可采用霍尔油门开度位置传感器,它将油门踏板开度转换为电子信号给ECU,连杆与加速踏板一起转动,输出端电压根据连杆转动角度而变化,根据不同的油门开度,产生变化的油门开度模拟量。

供油拉杆位移的测量可使用直线位移传感器,其功能在于把直线机械位移量转换成电信号。

为了达到这一效果,通常将可变电阻滑
轨定置在传感器的固定部位,通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。

传感器滑轨连接稳态直流电压,允许流过微安培的小电流,滑片和始端之间的电压与滑片移动的长度成正比。

将传感器用作分压器可最大限度地降低对滑轨总阻值精确性的要求,因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。

2.2显示功能该电路工作时,拖拉机换挡信号经过一个光电耦合器输入到单片机P1.3口,其目的是避免干扰信号。

P0口控制U1和U2两个锁存器74HC573驱动的LCD,可显示拖拉机所处的挡位以及发动机的当前转速和拖拉机所处的换挡模式,从而使驾驶员了解拖拉机的即时运行状态。

2.3控制执行单片机根据各传感器所采集的拖拉机当前数据,按照预先存储在ROM中的换挡规律,经过计算比较就可得到当前状态下最佳的油门开度及合理的挡位,使发动机的转速接近最佳调速特性范围。

最后,单片机由P2口控制电磁阀的开断,从而控制换挡油缸进行自动换挡。

3软件设计软件程序设计采用C51高级语言,主程序由初始化程序init()、延时子程序delay_ms()、信号采集程序signal()、A/D转换子程序ad()、控制执行程序control()、LCD显示子程序display()等组成。

在主程序中,通过对各个功能模块程序进行调用来完成对自动换挡的控制。

软件主控流程图如图2所示。

完成系统的初始化,以便系统能够正常运行,并检测系统是否能正常工作。

在初始化模块中,首先对AT89C52内部的各专用寄存器进
行初始化;然后,对各芯片功能管脚的选择进行设置,并对P1口和P2口初始化。

4结论
1)用51C语言开发单片机系统比用汇编语言开发速度快,可大大缩短开发周期,实验操作简单,并且维护方便。

2)在拖拉机上采用自动换挡,控制系统硬件实现简单方便。

通过带有符合拖拉机工况换挡策略的单片机控制,根据相应的换挡模式,能够实现不同工况的自动换挡功能,并且可以获得拖拉机机组最佳动力性能匹配。

在我国,自动换挡控制系统技术真正用于拖拉机上的基本属于空白。

因此,对拖拉机自动换挡控制系统进行设计,可大大改善拖拉机燃油经济性和最佳动力性。

参考文献:[1]葛安林.车辆自动变速理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1993:153
-166.
[2]白鹤,张文春,周志立.电控机械式自动变速器在拖拉机上的应用[J].农业机械学报,2007,38(4):187-190.
[3]田全忠.现代大功率拖拉机自动换挡控制系统[J].拖拉机与农用运输车,2001(3):3-5.[4]陈永东.电控机械式自动变速器换挡规律的研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.
[5]韩玉敏.重型拖拉机自动变速器换挡优化方法[J].农机化研究,2007(2):66
-69.
[6]张宏坤,范巨薪,牛明奎.单片机在电控机械式自动变速系统中的应用[J].计算机应用,1999(10):15-17.
[7]杨为民.电控机械式自动变速箱在拖拉机上的应用探讨[J].拖拉机与农用运输车,2001(4):23-24.
[8]李国政.拖拉机机械变速箱自动换挡控制技术研究[D].北京:中国农业大学,2004.
[9]高爱云,付主木,张文春.拖拉机机械式自动变速器动力性换挡研究[J].农业机械学报,2006,19(4):114-116.。