隨著微機控制技術(shù)在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，汽車普遍采用了微機控制系統(tǒng)，汽車的動力性、安全性、舒適性、經(jīng)濟性都得到了顯著的提高?，F(xiàn)代汽車的維修要求維修人員具備更專業(yè)的技術(shù)和更高的維修操作技能。在汽車電器專業(yè)教學(xué)中，單片機應(yīng)用技術(shù)是其中的重點和難點，尤其是中央處理控制單元(ECU)，它是學(xué)生掌握汽車電器維修技術(shù)的關(guān)鍵。本文結(jié)合汽車類專業(yè)的具體工作過程，選取單片機在現(xiàn)代汽車技術(shù)上典型性和代表性的應(yīng)用——發(fā)動機冷卻水溫度測控系統(tǒng)和汽車車軸轉(zhuǎn)速系統(tǒng)作為切入點，采取“解剖一個麻雀”的方法，研究開發(fā)了單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺模擬教學(xué)設(shè)備，不僅破解汽車類專業(yè)的單片機及汽車電子技術(shù)教學(xué)難題，還將典型工作任務(wù)與工作過程應(yīng)用到單片機項目課程教學(xué)實踐。
一、單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺的組成和基本原理
1.單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺的基本組成
單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺主要由汽車發(fā)動機冷卻水溫測控系統(tǒng)和汽車車軸轉(zhuǎn)速系統(tǒng)兩個教學(xué)項目組成。整個硬件配置有發(fā)動機熱交換裝置、車軸轉(zhuǎn)速檢測裝置、中央處理控制單元(ECU)、動態(tài)數(shù)字/模擬顯示、語音報警、冷卻風(fēng)扇控制電路、操作按鈕以及信號測試端口等組成。
2.單片機項目實訓(xùn)的基本原理
（1）汽車發(fā)動機冷卻水溫測控系統(tǒng)。加熱器加熱水箱，模擬發(fā)動機水溫上升過程。傳感器檢測到發(fā)動機水溫信號產(chǎn)生模擬電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入單片機CPU，根據(jù)其內(nèi)部預(yù)先存儲的數(shù)據(jù)和編制的程序進(jìn)行數(shù)學(xué)計算和邏輯判斷后實時顯示水溫。當(dāng)水溫上升到70℃時，模擬指示燈開始指示；水溫上升到88℃，低速降溫繼電器動作，啟動冷卻風(fēng)扇開始降溫，低速模擬燈旋轉(zhuǎn)指示；水溫上升到93℃，高速降溫繼電器動作，高速模擬燈旋轉(zhuǎn)指示；水溫上升到95℃，超溫報警器報警，加熱器停止加熱，水溫開始下降。當(dāng)水溫降到93℃時，風(fēng)扇高速繼電器斷開；水溫降到88℃，風(fēng)扇低速繼電器斷開，冷卻風(fēng)扇停止運行。當(dāng)水溫自然冷卻到70℃，加熱器再次加熱，一個工作循環(huán)結(jié)束。
（2）汽車車軸轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。電機轉(zhuǎn)動帶動測量齒輪，模擬汽車車速變化過程。傳感器檢測到車速信號經(jīng)整形放大處理后轉(zhuǎn)換成脈沖波輸入單片機CPU，根據(jù)其內(nèi)部設(shè)置的程序進(jìn)行數(shù)學(xué)計算和分析后對汽車車速進(jìn)行實時監(jiān)控顯示，當(dāng)實際車速值大于人工預(yù)設(shè)值120Km/h時，語音報警超速提示。車速測量范圍為0——240Km/h。
（3）故障診斷系統(tǒng)。通過操作選擇按鈕Ⅲ方式，人工設(shè)置相關(guān)故障，數(shù)字燈閃爍并顯示故障代碼。
二、單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺研發(fā)與制作
筆者在開發(fā)設(shè)計單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺的前期階段，考慮到以前的實訓(xùn)臺架只是制作測試端子，不能形象地反映單片機項目教學(xué)的工作過程與控制原理，實訓(xùn)中還必須另外找電控原理圖才能實施查故排故的專業(yè)訓(xùn)練。結(jié)合汽車專業(yè)的工作特點，將單片機兩個訓(xùn)練項目的整套原理圖直接制作在教學(xué)實訓(xùn)臺的立面上，從而能直觀、形象地反映發(fā)動機水溫與汽車車速的測控原理。設(shè)備上采用的傳感器、繼電器、冷卻風(fēng)扇、接插件甚至連面板標(biāo)識都來源于汽車，針對汽車電器的工作過程進(jìn)行項目教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來就會感到有親切感，不會陌生。另外在面板上的控制原理圖上嵌入安裝了測量信號端子，可對發(fā)動機水溫和車速的各種參數(shù)進(jìn)行實時測量和動態(tài)分析，方便了單片機的項目教學(xué)，并使查故排故訓(xùn)練現(xiàn)場化，創(chuàng)建真實教學(xué)環(huán)境。
教學(xué)的環(huán)節(jié)有：項目電路設(shè)計、PCB板制作、電子元件插件焊接、硬件測試、軟件編程參數(shù)修改、程序調(diào)試與燒錄、故障處理排除、工作頁的撰寫等。
1.單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺的研制工作
（1）汽車市場調(diào)研、專家研討，結(jié)合汽車類專業(yè)具體工作過程，確定教學(xué)項目。對項目的組成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行技術(shù)分析，為研制做好準(zhǔn)備工作。
（2）整體方案研究，明確項目研發(fā)的目標(biāo)、任務(wù)、關(guān)鍵技術(shù)及解決方案。
（3）制定技術(shù)路線與詳細(xì)設(shè)計內(nèi)容，包括硬件軟件、實訓(xùn)臺外觀鈑金、材料采購、電子PCB板的打樣等，設(shè)計力求科學(xué)合理。
（4）委托生產(chǎn)廠家按要求進(jìn)行加工制作，力求制作過程實用美觀、盡量降低生產(chǎn)成本。
（5）實訓(xùn)設(shè)備現(xiàn)場裝配、硬件測試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)機試驗。
（6）作為教學(xué)平臺設(shè)置各種故障，不斷總結(jié)、完善提高。
2.單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺擬解決的關(guān)鍵問題
（1）教學(xué)項目的選取要具有代表性、經(jīng)典性和實用性。
（2）臺架結(jié)構(gòu)堅實、元件布局合理、外形美觀、實用。
（3）面板操作簡單、人機界面友好，實現(xiàn)模塊化設(shè)計，預(yù)留項目教學(xué)擴展功能接口。
（4）信號實現(xiàn)隔離，具備防干擾措施，確保安全可靠。
（5）ECU板采用單片機教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計總線方式，滿足現(xiàn)場查故排故要求。
三、單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺的關(guān)鍵技術(shù)和診斷功能
1.單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺的關(guān)鍵技術(shù)
（1）發(fā)動機冷卻水溫與車速的實時檢測、動態(tài)模擬及數(shù)字顯示。
（2）車速測量（齒輪脈沖測速）精度+1齒距，能測量0～20km/h低轉(zhuǎn)速。
（3）發(fā)動機水溫模擬加熱及冷卻裝置。
（4）ECU板采用單片機控制處理系統(tǒng)及總線驅(qū)動電路。
（5）實訓(xùn)臺人機智能界面能夠生動形象地反映發(fā)動機的水溫、車速傳感器、執(zhí)行機構(gòu)及顯示裝置與中央處理控制單元(ECU)的工作關(guān)系和測控原理，針對故障進(jìn)行診斷處理。
2.單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺故障診斷功能
（1）故障設(shè)置以后，透過觀察窗可以直觀的觀察發(fā)動機水溫、車速測控及顯示等各故障的實際現(xiàn)象。針對汽車等專業(yè)的具體工作過程，方便快捷地與檢測儀器連接，讀出故障代碼、進(jìn)行元件測試等。
（2）可以斷開傳感器與中央處理控制單元(ECU)的連接設(shè)置斷路故障，也可接地—設(shè)置短路故障，或者模擬相應(yīng)的信號輸入ECU單元，代替?zhèn)鞲衅鞯男盘栐O(shè)置模擬故障。故障的查處即可以在實物上又可以在面板上進(jìn)行檢測。
（3）通過萬用表或儀器儀表對檢測信號進(jìn)行測量和波形動態(tài)分析，可對發(fā)動機的水溫、車速傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、顯示報警裝置、中央處理控制單元(ECU)板進(jìn)行定量檢查與測試，從而查找并排除故障。
四、單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺在項目教學(xué)中的運用實例
1.常見故障實例：發(fā)動機水溫異常
故障現(xiàn)象：汽車在行駛途中發(fā)動機水溫變化劇烈，溫度顯示不穩(wěn)定。
原因分析：汽車發(fā)動機水溫測控系統(tǒng)采用了反饋控制環(huán)節(jié)，發(fā)動機水溫的高低決定冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的快慢。水溫應(yīng)始終恒定在85～90℃之間，以免造成發(fā)動機溫度不正常而降低發(fā)動機運行功效。
2.診斷與排除
（1）現(xiàn)場檢查，按下啟動按鈕，水箱被加熱，隨著水溫的上升，溫度開始劇烈變化，造成風(fēng)扇繼電器頻繁接觸閉合與斷開，確定風(fēng)扇控制電路正常。
（2）斷開水溫傳感器與中央處理控制單元(ECU)的連接插件，用儀器測量實訓(xùn)臺面上的溫度信號端子，發(fā)現(xiàn)傳感器的溫度曲線呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)的動態(tài)特征，說明傳感器良好，不需更換。
（3）模擬相應(yīng)的信號輸入ECU單元，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機水溫顯示正常。按下復(fù)位按鈕，故障代碼消失，由此排除ECU板出錯可能。
（4）經(jīng)排查后發(fā)現(xiàn)傳感器插頭上導(dǎo)線與中央處理控制單元(ECU)的連接插件插頭接觸不良，然后焊接好并裝復(fù)后試車，故障排除，車況正常。
單片機項目教學(xué)實訓(xùn)臺的研制成功使得單片機項目課程教學(xué)不再是教學(xué)的難點。作為一個教學(xué)實訓(xùn)載體，培養(yǎng)學(xué)生成為即懂汽車，又懂單片機技術(shù)的復(fù)合型高技能人才。