汽車剎車片厚度檢測系統(tǒng)設(shè)計

韓賢賢，姚毅超，趙紫薇，金 浩

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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研究與設(shè)計

汽車剎車片厚度檢測系統(tǒng)設(shè)計

韓賢賢，姚毅超，趙紫薇，金 浩

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

安全駕駛汽車最重要的是擁有良好的汽車制動剎車系統(tǒng)，剎車系統(tǒng)中損耗磨損最大、更換最頻繁的部件是剎車片。設(shè)計了一套基于單片機的厚度檢測系統(tǒng)用于實時檢測剎車片厚度，該系統(tǒng)采用直探頭的超聲波探頭，利用超聲波測距原理來實時監(jiān)測剎車片厚度，并通過液晶顯示屏將當(dāng)前剎車片的厚度顯示出來。設(shè)計的剎車片厚度檢測系統(tǒng)測量誤差在0.06 mm以內(nèi)，在允許范圍內(nèi)。

安全駕駛；厚度監(jiān)測；超聲波；剎車片；測量誤差

1 研究背景

根據(jù)我國交通管理部門統(tǒng)計，2016年全國機動車數(shù)量已達(dá)2.9億輛，其中汽車1.94億輛，有3.1億汽車駕駛?cè)恕?jù)紅十字會報道，自從汽車被發(fā)明以來，有3 000萬人因為交通事故而喪生，每年有50萬人死于交通事故。該報告還預(yù)測，截至到2020年，由交通事故造成死亡的人數(shù)將高于由各種疾病造成的死亡人數(shù)[1]。

汽車的發(fā)展和普及確實給人們的生活帶來很多方便，但與此同時也給人們的生活帶來很多的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，在已知的各種交通事故中，由于剎車片磨損過度導(dǎo)致汽車制動系統(tǒng)失效而造成交通事故的案例占有很大比例。為了保護汽車駕駛?cè)藛T的自身安全，提高安全駕駛能力，汽車安全技術(shù)逐漸成為汽車行業(yè)最重要的研究方向之一。汽車所有系統(tǒng)中最重要系統(tǒng)之一的剎車制動系統(tǒng)，是為了使行駛中的汽車能夠及時剎車減速而設(shè)計的。如果剎車系統(tǒng)發(fā)生故障，車上人員的安全將受到很大的威脅，而剎車片是汽車制動系統(tǒng)中最重要的部分，剎車片的性能將對汽車的安全性產(chǎn)生直接影響。

國內(nèi)外已對汽車剎車片進行了大量研究，但這些研究主要集中在壽命、抗磨損及摩擦性能上。在實際使用中，剎車片的磨損和壽命往往是參考剎車片的設(shè)計值，或者是根據(jù)汽車維修師傅的經(jīng)驗來確定的，這樣就存在一定的安全隱患，設(shè)計開發(fā)監(jiān)測剎車片摩擦磨損狀態(tài)系統(tǒng)具有實際意義。

2 超聲波測厚方法及原理

目前，國內(nèi)外在工業(yè)領(lǐng)域所使用的測厚技術(shù)有很多種，但每一種都有其優(yōu)缺點和適用范圍。由于超聲波測量厚度的方法具有廣泛的適用性且靈敏度高，故本系統(tǒng)采用超聲波測量厚度的方法測量剎車片的厚度[2]。要實現(xiàn)超聲波和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換需要超聲波的發(fā)生和接收裝置，本系統(tǒng)采用超聲波探頭來實現(xiàn)這種功能。

2.1 超聲波探頭測厚工作原理

超聲波探頭產(chǎn)生和接收超聲波的原理是壓電效應(yīng)，在壓電晶片的兩端加載超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生交變電壓。兩塊間隔一定、面積相同的金屬極板固定在壓電晶片上，當(dāng)產(chǎn)生的交變電壓加在晶片兩端時，固定的金屬極板兩端會產(chǎn)生相同電量但電荷相反的電場，在電場的作用下壓電晶片發(fā)生形變。在超聲波發(fā)射過程中，使壓電晶片發(fā)生形變的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)；在超聲波接收過程中，壓電晶片收到回波信號產(chǎn)生形變，由此產(chǎn)生交變電場，稱為正壓電效應(yīng)[3]。

在工業(yè)應(yīng)用中，超聲波探頭根據(jù)用途不同可分為很多種，有直探頭、斜探頭、帶曲率探頭、聚焦探頭、表面波探頭等。不同的超聲波探頭適用于不同的環(huán)境，應(yīng)按照需要選取。由于本系統(tǒng)需要測量剎車片厚度，安裝探頭時探測晶片的正下方一般應(yīng)與聲束方向垂直，故選取直探頭的超聲波探頭[4]。

考慮到厚度測量的精確性，在選擇超聲波探頭時還需要考慮探頭的信號衰減程度以及溫度變化對超聲波信號的影響。

2.2 超聲波測厚方法

實心等厚物體的厚度可通過超聲波來測量，超聲波還能夠測量內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)物體的厚度，對于不是等厚結(jié)構(gòu)的物體也可以測量其邊緣的厚度。測量厚度時需根據(jù)使用超聲波的類型、探頭在待測物體上的位置，以及超聲波探頭的類型來選取不同的測厚方法。由于本系統(tǒng)采用的是直探頭的超聲波探頭，因此可采用脈沖回波的方法進行厚度的測量。

使用單片機控制發(fā)射電路，在超聲波探頭上加載一定頻率的脈沖信號，根據(jù)壓電效應(yīng)，探頭上會產(chǎn)生超聲波。超聲波通過整個待測物體從另一個表面發(fā)射回來，被探頭感知接收。根據(jù)相關(guān)知識可以查出超聲波在不同物體中的傳播速度，也可求出超聲波在發(fā)射和接收到超聲波信號回波的時間差ΔT，因此待測剎車片厚度D可以根據(jù)下面的公式求得。

(1)

ΔT=TA-TB

(2)

式中：V為波速；ΔT為超聲波發(fā)射后到接收到超聲波回波所經(jīng)過的時間差；TA為底波的返回時間；TB為界面波的返回時間。

超聲波工作原理如圖1所示，從待測物體上表面返回的超聲波回波記為B，從被測物體下表面返回的超聲波記為A，則超聲波從上表面反射回的超聲波B到下表面反射超聲波A所經(jīng)歷的時間差為ΔT。將超聲波B作為超聲波前沿，超聲波A作為超聲波后沿，這樣我們可以得到方波信號，其稱之為閉門脈沖信號。利用晶振產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號和閉門脈沖信號進行與運算，得到的脈沖信號可經(jīng)過計數(shù)部分求出ΔT的值[5]。

圖1 超聲波工作原理

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

汽車剎車片厚度檢測的硬件系統(tǒng)控制芯片采用單片機STC89C52。其主要控制的電路包括單片機最小系統(tǒng)、1602液晶顯示電路、按鍵電路、電源電路、超聲波發(fā)射接收電路，整個硬件系統(tǒng)最重要的電路部分是超聲波發(fā)射和接收電路。超聲波回波信號十分微弱，單片機接收之前必須進行信號放大，考慮到外界噪聲和雜波信號干擾，還需要加入濾波電路。

3.1 單片機控制模塊

STC89C52作為本設(shè)計系統(tǒng)的主控部件，其為51系列單片機中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，制造技術(shù)采用CMOS工藝，是一款性能較高的單片機。片內(nèi)含8K bytes可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)。片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征。

3.2 超聲波發(fā)射模塊

本系統(tǒng)超聲波回波的質(zhì)量取決于發(fā)射電路產(chǎn)生超聲波信號的強弱，信號強弱主要由超聲波發(fā)射電路設(shè)計的優(yōu)劣決定，壓電晶片的有關(guān)參數(shù)決定了超聲波的發(fā)射頻率[6]。超聲波發(fā)射電路如圖2所示。

在接通電源時，電容C15的兩端初始電壓為零，故經(jīng)過74HC14后輸出為高電平，在隨后過程中，電容經(jīng)過電阻R21、R16進行充電。充電過程中，當(dāng)VI=VT+時，74HC14輸出為低電平，這時電容C15放電。放電過程中，當(dāng)VI=VT-時，74HC14輸出為高電平，這時電容C15充電。如此反復(fù)充電放電，電路一直在振蕩。電位器R12可以調(diào)節(jié)電路的振蕩頻率，通過74HC14反相放大后輸出電路反復(fù)振蕩產(chǎn)生脈沖。電阻R17有加速MOS快速關(guān)斷的作用。隨著電壓VDD的接入，電感L1的電流不斷增加，能量不斷增加，不斷反復(fù)，最終形成交變電流。由于二級管具有單向?qū)ǖ奶匦?，可使產(chǎn)生的交變電流變成直流電。用單片機控制發(fā)射電路向超聲波探頭發(fā)送電壓脈沖信號，進而產(chǎn)生超聲波。

圖2 超聲波發(fā)射電路

3.3 超聲波接收模塊

3.3.1 回波信號放大電路

通過一個放大電路對微弱的超聲波回波信號進行放大，三級放大器采用阻容耦合的方式，通過三極管組成的三級高通放大器進行放大[7]。

3.3.2 選頻濾波電路

通過選頻濾波電路去掉雜波噪聲的干擾，得到所需要的回波信號，以便于以后的計數(shù)測量。通過調(diào)節(jié)電阻和滑動變阻器可以改變選頻濾波電路通頻帶的寬度，有利于選出所需要的回波信號，減少外界干擾，提高測量寬度的精確性。

3.3.3 波形調(diào)制電路

圖3 波形調(diào)制電路

圖4 計數(shù)脈沖波形實現(xiàn)

3.4 液晶顯示模塊

在實際工業(yè)中，大多數(shù)系統(tǒng)都需要一個良好的人機交互界面，由于本系統(tǒng)并不需要顯示很多的信息量，故采用液晶1602來顯示厚度和簡單的說明信息。圖5所示為液晶顯示模塊，可通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R1來調(diào)節(jié)液晶屏1602的背光亮度。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

前面已經(jīng)介紹了該檢測系統(tǒng)的總體框架和硬件系統(tǒng)，作為一個完整的系統(tǒng)僅有硬件是不夠的，還需要強大的軟件系統(tǒng)作為其支持，軟件系統(tǒng)是該系統(tǒng)不可或缺的一部分。主程序軟件流程圖如圖6所示。

圖6 主程序軟件流程圖

超聲波測厚系統(tǒng)開機后，在系統(tǒng)正式運行前需要對系統(tǒng)進行初始化。啟動發(fā)射脈沖前需要關(guān)閉單片機的所有終端，所有計數(shù)器均需要清零。

系統(tǒng)初始化完成以后，由單片機控制超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生一定頻率的超聲波，并通過超聲波接收電路接收經(jīng)過待測工件發(fā)射回來的超聲波信號，經(jīng)過放大電路對回波信號進行放大，再經(jīng)過濾波電路消除噪聲的影響，經(jīng)過波形調(diào)理電路得到閉門脈沖，最后與閉門脈沖的晶振進行與運算，用計數(shù)器對處理的信號進行計數(shù)。計數(shù)器需要判斷計數(shù)結(jié)束時間，結(jié)束后需將計數(shù)器的數(shù)據(jù)傳入主控單片機進行剎車片厚度的計算，最后通過液晶屏1206顯示出來。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖7所示為整個系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)，其中將超聲波的發(fā)射和接收集成在一個模塊上，該模塊上有獨立的主控芯片，運算出剎車片的厚度后，通過P1口與STC89C52采用I2C的通訊方式進行通信，超聲波模塊通過P1口進行供電。

一個全新的剎車片厚度為10 mm，剎車片的極限厚度為4 mm，本文采用4 mm、7 mm、10 mm三種剎車片進行試驗，試驗效果如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

圖8 試驗效果

該試驗對三種磨損程度不同的剎車片分別進行了三次測量，最后求平均值即為待測剎車片的厚度，如果剎車片過薄則提示有危險。由試驗數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)的厚度測量結(jié)果和實際待測剎車片的厚度存在誤差，但誤差均在0.06 mm以內(nèi)，為可接受范圍。

在測量時，超聲波探頭不能與待測物體表面完全吻合，使得超聲波無法垂直于待測物體表面?zhèn)鞑?，測量精度受到影響，產(chǎn)生測量誤差；同時由于PCB布線時不可避免地存在板間電容，會對選頻濾波電路的頻率造成影響，進而影響對回波信號的頻率選擇，產(chǎn)生測量誤差；另外，超聲波探頭的選擇、待測剎車片的表面粗糙程度、測量時的外界溫度等均會對測量結(jié)果生產(chǎn)影響，也會導(dǎo)致產(chǎn)生一定的測量誤差。

6 結(jié)束語

設(shè)計了基于超聲波的汽車剎車片厚度監(jiān)測系統(tǒng)，介紹了超聲波測量厚度的原理，從硬件和軟件兩個方面對該系統(tǒng)進行闡述，給出了關(guān)鍵的電路圖、軟件流程圖及系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)。利用該系統(tǒng)分別對4 mm、7 mm、10 mm三種剎車片進行了測量，得到試驗數(shù)據(jù)并進行了誤差分析。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Design of An Auto Brake Pad Thickness Detection System

HAN Xian-xian，YAO Yi-chao，ZHAO Zi-wei，JIN Hao

(College of Traffic and Transportation Engineering，Harbin Heilongjiang 150040，China)

A good braking system is very important for safe driving of a car.In a braking system，brake pads suffer the maximum wear loss and are the most frequently replaced parts.A thickness detection system based on single chip microcomputer is designed，and this system uses the ultrasonic probe of a direct probe to realize real-time monitoring of brake pad thickness based on the ultrasonic distance measurement principle and displays the current brake pad thickness on the LCD screen.The measurement error of the designed thickness detection system is controlled within 0.06 mm，within the allowable range.

safe driving；thickness monitoring；ultrasonic wave；brake pads；measurement error

2017-03-27

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新型項目

韓賢賢(1994-)，女，江蘇人，本科，學(xué)生，主要從事汽車服務(wù)工程的研究，E-mail：792697343@qq.com。