轿车智能后扰流板控制系统设计
目 录
摘要 1
Abstract 1
1 绪论 1
1.1 本课题的研究意义 1
1.2 轿车后扰流板技术国内外的研究现状 2
1.3 本论文的研究内容 3
2 轿车后扰流板控制系统结构原理分析 4
2.1 控制系统结构原理 4
2.2轿车后扰流板概述 4
2.3后扰流板的结构原理 5
3 轿车智能后扰流板系统硬件总体设计 7
3.1 控制系统硬件电路图 7
3.2 单片机的选择 8
3.3 AT89C51 9
4 轿车智能后扰流板系统软件总体设计 11
4.1 软件设计总体方案 11
4.2 高速行驶软件程序设计 12
结 论 15
致 谢 16
参 考 文 献 17
1 绪论
1.1本课题的研究意义
随着高速公路路网的日益完善，以及构建节能生态型社会的要求，汽车化社会更需要节约能源，降低排放，增加安全性。通过扰流板设计可以改善车体流场的尾流结构，在车辆高速行驶时可以明显降低油耗，减少二氧化碳排放。为了吸引目标顾客，各车企的车型配置精彩纷呈，通过不同配置来体现多元化、个性化，从而使具备运动化、流线型以及个性风格的扰流板在SUV等车型获得了越来越多的应用。从而使得汽车所配置的后扰流板得到了快速的发展，随着计算机技术和控制技术的发展，现在完全可以实现对扰流板的智能控制，对其控制系统的设计具有重要的意义。
1.2轿车后扰流板技术国内外的研究现状
从1960年代开始单座位赛车的性能开始因为引进扰 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
aike.com/sowiki/%E8%BF%9B%E6%89%B0?prd=content_doc_search>流翼而大增。自1968年起，F1车队开始实验以粗糙的空力设备来增进轮胎在赛道上的抓地力。而这些初期的设计是非常简陋的，常常于比赛时自赛车上掉落，还造成许多意外。经过30年长期的发展，现在，空气动力学已是赛车设计中最重要的一个部分，这一点我们可以从1991~1997年的Williams车队与1998~2001年的McLaren车队，他们的赛车都是由同一个人所设计，这个人就是鼎鼎大名的Adrian?Newey。
随着流体动力学理论的不断发展，计算机技术的不断突破，从70年代开始欧美的汽车设计人员将计算机流体动力学原理运用到汽车设计中，并且取得了很多重要的进展。随着研究的深入，在使用附加装置优化车辆的气动特性方面也获得了很大的突破。
1974年，G．W．Hirt基于N．S方程(Navier-Stokes equations)，研究有限差分法在紊流模拟中的应用。不过由于计算机水平的限制和模型的不完善，该研究只
针对简单的外形。1980年，C．Berta等应用面元法研究车辆外形对气动特性的影响。但是该方法忽略了流体的粘性，只能应用到车身前部形状的研究。若要完整的分析车身周围的气流，需要考虑流体的粘性特性。1988年，KrainH发表了一篇关于扩散器的论文，论文阐述了扩散器的结构和原理，随后扩散器在赛车中得到了广泛的应用，极大的推动了汽车空气动力学的发展。
九十年代，很多汽车公司和学者都利用数值模拟方法进行了大量的实验，人们意识到通用的湍流模型不能满足精确的模拟需要。许多学者总结前人的经验，在优化数值算法上进行了大量的研究。1995年，首篇详细阐述地面效应的论文发表，该论文分析了地面效应的产生原理以及如何利用地面效应改善车辆的操稳性，开启了空气动力学应用的新篇章。
据德国奥迪公司风洞试验的结果表明：当汽车在时速超过60 km/h，空气阻力就会大量消耗发动机的能量，影响车速。随着高速公路的快速发展，现今汽车的时速已达100 km/h左右，车速越快，阻力越大，升力也就随着增大，其上升气流就会将汽车托起，减少车轮与地面附着力，使汽车飘浮，稳定性变差，易发生交通事故。
二十一世纪以来，众多欧美厂商在民用车的空气动力学以及CFD方法在车辆研发过程中的应用做了很多研究和实践。2000年美国通用公司的Rajneesh使用自动优化技术对车辆的气动下压力进行了研究。2004年Volvo公司的SimoneSebben对前轮扰流板的气动特性进行了仿真，结果表明前轮扰流板可以减少4％的气动阻力，但扰流板本身会带来一些额外的阻力，其形状设计和安装位置需要进一步研究。2005年标致公司的Alexis cotto等人对轿车的CFD模拟进行了实验研究分析，对L32Taguchi、Central Composite和Optimal HypercubeSampling三种研究方法进行了对比分析。2005年克莱斯勒公司的AN．C．F利用CFD方法对车辆侧窗和天窗的噪声进行了研究，研究发现了车速，车厢容积以及车窗开口大小对风振的影响，并给出了相应的控制措施。
我国工业发展起步较晚，汽车空气动力学方面的研究从80年代开始。吉大的傅立敏教授在传播和介绍国外对汽车空气动力学的方法和成果上做了很多工作。80年代后期，湖南大学的谷正气教授开始利用风洞进行空气动力学研究。
90年代，湖南大学对计算流体力学开展了进一步的研究，1996年完成了车身CAD数据逆向工程，由三维坐标仪测出汽车的CAD数据，并在此基础上生成网格。随后网格生成软件3DGIRD由姜乐华博士开发出来，它可以根据实际情况自动设定网格的密度。
过去我国在轿车使用中比较忽视尾翼的安装，这是由于当时车速不高，尾翼减阻、省油作用不十分明显。但是近几年，随着我国大批高速公路和许多大中城市高架路、高等级道路的建设及投入使用，车速有了较大的提高，汽车尾翼的作用显得越来越重要。以排气量为1.8 L的一般轿车为例，如果装上尾翼，空气阻力系数降低20%，在一般道路上行驶，耗油量减少或许不明显。如果在高速公路上，以120 km/h的速度行驶，则能省油14%，此时汽车尾翼的作用就很明显了。一个根据车身的宽度，经过精确计算制作而成的尾翼，不但能使车辆在高速行驶时更加稳定和安全可靠，而且能减少汽车在行驶中的空气阻力和提高车速、节省油耗。
吉林大学对国产公共汽车、货车等做了具体的空气动力学研究和模拟，同时她也对尾流的原理和影响做了深入的研究。1994年傅立敏教授对在货车上使用附加装置优化气动特性方面做了深入研究，结果发现在车辆上方加装导流罩和在车辆后方加装扰流板均可以明显的降低空气阻力。
扰流板的研究也取得了一些收获，朱江波对微型箱式客车的扰流板进行了数值研究，吕立坤用数值方法分析了扰流板对车辆气动特性的优化作用，付强总结了车辆扰流板安装间隙与角度对车辆气动特性的影响。国内对扰流板的研究大多基于扰流板对车辆流场的优化作用，从而达到优化尾流降低风阻系数的目的。但是对扰流板产生负升力的研究很少，所以利用扰流板增加车辆稳定性的研究也比较缺乏。
轿车智能后扰流板的硬件设计的目的是使得相应的控制命令能够传达给后扰流板，从而控制后扰流板的运动，达到最高效率的效果。在本论文中，需要采用可编程器件进行控制，而单片机以其相对强大的功能和低廉的价格成为首选。
P3.7 RD 外部RAM读选通
摘要 1
Abstract 1
1 绪论 1
1.1 本课题的研究意义 1
1.2 轿车后扰流板技术国内外的研究现状 2
1.3 本论文的研究内容 3
2 轿车后扰流板控制系统结构原理分析 4
2.1 控制系统结构原理 4
2.2轿车后扰流板概述 4
2.3后扰流板的结构原理 5
3 轿车智能后扰流板系统硬件总体设计 7
3.1 控制系统硬件电路图 7
3.2 单片机的选择 8
3.3 AT89C51 9
4 轿车智能后扰流板系统软件总体设计 11
4.1 软件设计总体方案 11
4.2 高速行驶软件程序设计 12
结 论 15
致 谢 16
参 考 文 献 17
1 绪论
1.1本课题的研究意义
随着高速公路路网的日益完善，以及构建节能生态型社会的要求，汽车化社会更需要节约能源，降低排放，增加安全性。通过扰流板设计可以改善车体流场的尾流结构，在车辆高速行驶时可以明显降低油耗，减少二氧化碳排放。为了吸引目标顾客，各车企的车型配置精彩纷呈，通过不同配置来体现多元化、个性化，从而使具备运动化、流线型以及个性风格的扰流板在SUV等车型获得了越来越多的应用。从而使得汽车所配置的后扰流板得到了快速的发展，随着计算机技术和控制技术的发展，现在完全可以实现对扰流板的智能控制，对其控制系统的设计具有重要的意义。
1.2轿车后扰流板技术国内外的研究现状
从1960年代开始单座位赛车的性能开始因为引进扰
aike.com/sowiki/%E8%BF%9B%E6%89%B0?prd=content_doc_search>流翼而大增。自1968年起，F1车队开始实验以粗糙的空力设备来增进轮胎在赛道上的抓地力。而这些初期的设计是非常简陋的，常常于比赛时自赛车上掉落，还造成许多意外。经过30年长期的发展，现在，空气动力学已是赛车设计中最重要的一个部分，这一点我们可以从1991~1997年的Williams车队与1998~2001年的McLaren车队，他们的赛车都是由同一个人所设计，这个人就是鼎鼎大名的Adrian?Newey。
随着流体动力学理论的不断发展，计算机技术的不断突破，从70年代开始欧美的汽车设计人员将计算机流体动力学原理运用到汽车设计中，并且取得了很多重要的进展。随着研究的深入，在使用附加装置优化车辆的气动特性方面也获得了很大的突破。
1974年，G．W．Hirt基于N．S方程(Navier-Stokes equations)，研究有限差分法在紊流模拟中的应用。不过由于计算机水平的限制和模型的不完善，该研究只
针对简单的外形。1980年，C．Berta等应用面元法研究车辆外形对气动特性的影响。但是该方法忽略了流体的粘性，只能应用到车身前部形状的研究。若要完整的分析车身周围的气流，需要考虑流体的粘性特性。1988年，KrainH发表了一篇关于扩散器的论文，论文阐述了扩散器的结构和原理，随后扩散器在赛车中得到了广泛的应用，极大的推动了汽车空气动力学的发展。
九十年代，很多汽车公司和学者都利用数值模拟方法进行了大量的实验，人们意识到通用的湍流模型不能满足精确的模拟需要。许多学者总结前人的经验，在优化数值算法上进行了大量的研究。1995年，首篇详细阐述地面效应的论文发表，该论文分析了地面效应的产生原理以及如何利用地面效应改善车辆的操稳性，开启了空气动力学应用的新篇章。
据德国奥迪公司风洞试验的结果表明：当汽车在时速超过60 km/h，空气阻力就会大量消耗发动机的能量，影响车速。随着高速公路的快速发展，现今汽车的时速已达100 km/h左右，车速越快，阻力越大，升力也就随着增大，其上升气流就会将汽车托起，减少车轮与地面附着力，使汽车飘浮，稳定性变差，易发生交通事故。
二十一世纪以来，众多欧美厂商在民用车的空气动力学以及CFD方法在车辆研发过程中的应用做了很多研究和实践。2000年美国通用公司的Rajneesh使用自动优化技术对车辆的气动下压力进行了研究。2004年Volvo公司的SimoneSebben对前轮扰流板的气动特性进行了仿真，结果表明前轮扰流板可以减少4％的气动阻力，但扰流板本身会带来一些额外的阻力，其形状设计和安装位置需要进一步研究。2005年标致公司的Alexis cotto等人对轿车的CFD模拟进行了实验研究分析，对L32Taguchi、Central Composite和Optimal HypercubeSampling三种研究方法进行了对比分析。2005年克莱斯勒公司的AN．C．F利用CFD方法对车辆侧窗和天窗的噪声进行了研究，研究发现了车速，车厢容积以及车窗开口大小对风振的影响，并给出了相应的控制措施。
我国工业发展起步较晚，汽车空气动力学方面的研究从80年代开始。吉大的傅立敏教授在传播和介绍国外对汽车空气动力学的方法和成果上做了很多工作。80年代后期，湖南大学的谷正气教授开始利用风洞进行空气动力学研究。
90年代，湖南大学对计算流体力学开展了进一步的研究，1996年完成了车身CAD数据逆向工程，由三维坐标仪测出汽车的CAD数据，并在此基础上生成网格。随后网格生成软件3DGIRD由姜乐华博士开发出来，它可以根据实际情况自动设定网格的密度。
过去我国在轿车使用中比较忽视尾翼的安装，这是由于当时车速不高，尾翼减阻、省油作用不十分明显。但是近几年，随着我国大批高速公路和许多大中城市高架路、高等级道路的建设及投入使用，车速有了较大的提高，汽车尾翼的作用显得越来越重要。以排气量为1.8 L的一般轿车为例，如果装上尾翼，空气阻力系数降低20%，在一般道路上行驶，耗油量减少或许不明显。如果在高速公路上，以120 km/h的速度行驶，则能省油14%，此时汽车尾翼的作用就很明显了。一个根据车身的宽度，经过精确计算制作而成的尾翼，不但能使车辆在高速行驶时更加稳定和安全可靠，而且能减少汽车在行驶中的空气阻力和提高车速、节省油耗。
吉林大学对国产公共汽车、货车等做了具体的空气动力学研究和模拟，同时她也对尾流的原理和影响做了深入的研究。1994年傅立敏教授对在货车上使用附加装置优化气动特性方面做了深入研究，结果发现在车辆上方加装导流罩和在车辆后方加装扰流板均可以明显的降低空气阻力。
扰流板的研究也取得了一些收获，朱江波对微型箱式客车的扰流板进行了数值研究，吕立坤用数值方法分析了扰流板对车辆气动特性的优化作用，付强总结了车辆扰流板安装间隙与角度对车辆气动特性的影响。国内对扰流板的研究大多基于扰流板对车辆流场的优化作用，从而达到优化尾流降低风阻系数的目的。但是对扰流板产生负升力的研究很少，所以利用扰流板增加车辆稳定性的研究也比较缺乏。
轿车智能后扰流板的硬件设计的目的是使得相应的控制命令能够传达给后扰流板，从而控制后扰流板的运动，达到最高效率的效果。在本论文中，需要采用可编程器件进行控制，而单片机以其相对强大的功能和低廉的价格成为首选。
P3.7 RD 外部RAM读选通
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