基于CAN总线的车载空气质量监控系统的设计与研究

发布时间：2017-08-29 05:10

  本文关键词：基于CAN总线的车载空气质量监控系统的设计与研究

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【摘要】：随着汽车电子技术的发展,各种车载电子控制单元被开发出来,以提高汽车性能,改善其舒适性、安全性。然而车内空气污染依然严重危害驾乘人员的身体健康。因此设计安全方便、多功能的车载空气质量监控系统具有重要意义。首先,对监控器进行了总体方案设计。将监控器分为监测单元与执行单元,两者通过CAN总线通信,监测单元将采集的空气污染物浓度发送给执行单元,如果污染物浓度超过设定值执行单元将驱动电机转动,带动风扇净化装置排出污染物。在硬件设计时,监控器采用MQ138半导体气体传感器,以及自带ADC和CAN控制器的STM32微控制器。监测单元包括MQ138信号采集、CAN通信、下载调试和触屏电路;执行单元包括CAN通信、直流电机驱动、电机测速、串口通讯等硬件电路。监测单元基于多任务内核μC/OS-II进行软件设计,创建的任务主要包括ADC采集、CAN数据发送等。其次,利用基于模型的设计完成执行单元的功能,实现PID调速。首先将微控制器MCU的驱动程序封装在simulink库模块中,在模型文件中搭建simulink框图实现电机测速算法设计,利用自动生成代码工具将算法下载到MCU中运行以获得速度响应。然后估算电机传递函数,以此为模型调节PID参数。最后将直流电机PID调速算法框图下载到MCU中运行即可。结合串口完成了MATLAB与MCU协同工作,以此实现了方便实时的软硬件联合调试。最后,制作监控器,并完成试验。实验结果表明,当车内空气污染物浓度超过设定值时,会输出相应占空比的PWM。电机PID调速可使速度误差在±0.3r/min范围内,精度达0.3%,控制性能良好。
【关键词】：车内空气质量 CAN 监控系统 基于模型的设计 PID调速
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 注释表12-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.2 汽车电子单元开发的进展15-17
• 1.2.1 CAN总线技术15-16
• 1.2.2 基于模型设计的开发方法16-17
• 1.3 车内空气质量监控系统的研究现状17-18
• 1.4 研究内容与论文结构18-20
• 第二章 车载空气质量监控系统的硬件设计20-35
• 2.1 系统整体方案设计20-21
• 2.2 主要元器件的选用21-26
• 2.2.1 气体传感器的选用21-22
• 2.2.2 微控制器MCU的选型22-24
• 2.2.3 电机驱动芯片的选型24-25
• 2.2.4 触摸屏的选型25-26
• 2.3 CAN通信协议概要及其实现26-30
• 2.3.1 CAN协议的层次与标准26
• 2.3.2 CAN的报文格式26-28
• 2.3.3 CAN位时序28
• 2.3.4 CAN在STM32上的实现28-30
• 2.4 硬件电路设计30-34
• 2.4.1 气体传感器电路30-31
• 2.4.2 CAN收发电路31
• 2.4.3 USB转串口一键下载电路31-32
• 2.4.4 STM32最小系统电路32-33
• 2.4.5 触摸屏电路33-34
• 2.4.6 电机驱动电路34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 系统软件设计35-49
• 3.1 系统程序设计35-38
• 3.2 μC/OS-Ⅱ在STM32上的实现38-41
• 3.2.1 μC/OS-Ⅱ基本功能的实现39-40
• 3.2.2 将μC/OS-Ⅱ移植到STM32上40-41
• 3.3 传感器采集驱动程序设计41-42
• 3.4 CAN通信驱动程序设计42-45
• 3.5 触摸屏驱动程序设计45-46
• 3.5.1 液晶屏显示程序设计45
• 3.5.2 触摸程序设计45-46
• 3.6 在应用编程功能46-48
• 3.7 本章小结48-49
• 第四章 基于模型设计的PID调速49-59
• 4.1 基于模型设计的流程与优势49-50
• 4.2 PID算法原理与应用50-51
• 4.3 基于模型设计的PID调速的实现51-57
• 4.3.1 MCU与MATLAB/SIMULINK串口通讯的实现52
• 4.3.2 测速子系统52-53
• 4.3.3 电机传递函数的估算53-55
• 4.3.4 PID参数的调节55-56
• 4.3.5 基于模型设计的PID调速框图56-57
• 4.4 串口调试交互组件57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 仿真分析与实验测试59-69
• 5.1 STM32硬件平台的测试59-60
• 5.2 系统软件测试60-65
• 5.2.1 辅助功能的测试60-62
• 5.2.2 监控器测试62-64
• 5.2.3 气体浓度标定与测量64-65
• 5.3 基于模型设计的PID调速的仿真与实验65-68
• 5.3.1 MATLAB串口通讯与动态绘图的测试65
• 5.3.2 电机速度测量的分析与改进65-66
• 5.3.3 PID参数的调节与优化66-68
• 5.3.4 实物效果68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 工作总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：751470