CN114415022A - 一种多功能便携式发动机故障检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种多功能便携式发动机故障检测仪，包括系统故障检测与显示模块、电源控制模块、便携式箱体；内置的MCU通过CAN总线读取发动机ECM输出的数据，并在外接显示屏上将各个参数实时显示出来，MCU经过判断对超出阈值的参数进行报警，另外可通过外置按键控制发动机进行紧急停机、DPF再生和油压调节；将数据储存下来，传输到上位机实现进一步故障分析；电源控制模块用于控制测控系统电路电源的通断，以及控制发动机的点火启动；测试仪便携箱将检测所需系统测控面板、电线和电子元器件全部封装进箱内；本发明实用便携，可以随时随地的对发动机进行离线检测，在面板的显示屏上可以直观的读取发动机的各项参数指标，能够快捷地排查发动机出现的故障。
Description
技术领域
本发明涉及发动机测试控制领域，具体为一种多功能便携式发动机故障检测仪。
背景技术
大型挖掘机等工程车装备在使用过程中，如果柴油发动机出现故障时，通常可以在挖掘机等整车的控制面板上获得发动机出现故障的提示信息，然而，在发送机送检和维修的过程中，通常是将发送机拆下来，与整车分离后进行检测。在与整车离线的情况下，如何获得发动机的系统相关参数及检测故障，这是一个在实际应用过程中的技术问题。目前，国内尚没有相关的技术发明。本发明技术提出的一种离线发动机故障检测仪是在发动机出现故障后进行离线检测的一种设备，通过数据线连接发动机和检测仪，利用检测仪控制发动机的点火启动，启动后发动机将转速值、机油压力值、燃油压力值、水温值、增压温度值、燃油温度值、柴油微粒过滤器(Diesel Particulate Filter，DPF)的工作情况等数据通过检测仪的显示屏显示出来，可以同时实时读取各个参数的具体数值，也可以通过显示屏的故障报警看出具体故障的位置，设计使用显示屏更加实用便捷、清晰明了。本发明通过控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)总线进行数据接收与控制指令的发送，安全可靠。另外，本发明设计使用电可擦编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，EEPROM)进行检测数据的存储，一方面可以将存储的多组数据通过程序处理实现进一步地故障分析并在屏幕上显示出来，另一方面存储芯片可以进行数据的断电保存，可以将在外检测的数据保存下来，在回到修理厂后通过串口或无线传输的方式将数据传到上位机，在上位机上处理数据实现进一步地远程发动机离线故障分析。发动机故障检测仪制作成便携式箱体结构，可以实现在修理厂外、在故障发生的现场进行初步的实时发动机故障检测。
本发明技术具有相应的控制功能，例如紧急停机按键和DPF手动再生按键。当发动机出现严重故障发生危险时，可以按下紧急停机按键让发动机停止工作。DPF手动再生的工作原理如下：柴油发动机的颗粒捕集器是一个过滤颗粒物的大滤芯，它将发动机产生的所有黑烟等杂质全部收集，从而降低了颗粒物的排放，但是颗粒捕集器中收集到的黑烟越来越多，慢慢的就会导致排气背压高，从而影响发动机的动力。为了使发动机能够持续的正常工作，就需要把这些收集到的黑烟通过排气加热的方式烧掉，这一过程叫再生。而DPF再生分为主动再生和被动再生，主动再生是发动机运行到中等及以上负荷时自动执行，例如跑高速、跑省道，发动机都会自动执行行车再生，被动再生是在城市工况、堵车等低速低负荷工况运行一段时间后，需要司机停车后按下车上的再生按钮来执行DPF再生，通常当再生指示灯点亮后就可以执行原地再生。本发明的发动机故障测试仪可以监测发动机DPF的工作情况，在DPF堵塞严重时，显示屏会进行警示，此时按下DPF手动再生按键，可以实现被动再生。DPF再生不仅仅可以进行废气处理，保护环境，更重要的是可以清理颗粒物，防止发动机的排气管道发生堵塞，起到一定的维护与保养作用，进一步地可以提高发动机的工作性能，延长使用寿命。
目前也存在一些发动机故障测试仪的案例，例如专利号为CN202021421615.9的实用新型专利。设计的是一款安全性高的发动机测试仪外壳，不涉及检测电路。专利CN210051545U的实用新型专利设计的是一款发动机检测箱，主要是对发动机出现的故障进行检测，但其面板做成翻转式的不利于内部芯片及线路的保护，整体设计安全性降低，另外，其设计仅可简单的数据接收与显示，与之相比，本发明技术不仅可以对发动机系统进行故障检测和显示，还具有一定的数据分析和控制功能，可对故障发动机做出紧急处理，还具有DPF再生功能，进一步地，还可以对发送机参数进行修改，通过对比，本发明设计的功能更加完善，在实用便捷的同时尽可能的满足发动机紧急故障测试的更多需要。
通过对比，可以发现本发明的多功能便携式发动机故障检测仪具有很大的优势，不需要将发动机拆出即可检测发动机的各项参数，显示故障的具体原因。本发明能够在线下实现对高压供轨发动机、中压供轨发动机和低压共轨发动机的本机数据进行实时检测、监测、传输和参数修改。另外，本发明技术设计的多功能便携式发动机故障检测仪不仅可以对汽车等道路行驶车辆的发动机进行故障检测，也可以应用于非道路行驶车辆的发动机故障检测，例如：工程机械类叉车、挖掘机、装载机等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种款多功能便携式发动机故障检测仪；本发明采用特殊塑料制成立方体箱子，便于携带的同时可以很好的保护内部的测控面板和线路，数据传输采用CAN总线标准接口连接发动机和检测仪，测控面板采用显示屏实时直观的显示出各项数据，电源控制电路采用按钮和继电器进行按键启动；发动机故障检测仪的整个箱体设计便携、灵活，数据线路连接更加通用、普适，测试面板显示简洁明了，控制测试更加安全可靠。
本发明包括系统故障检测与显示模块、电源控制模块和便携式箱体。所述的电源控制模块、系统故障检测与显示模块均设置在便携式箱体内；电源控制模块用于外接蓄电池进行测试供电、通过连接发动机的启动马达模块启动马达进行发电机的点火、控制供电电源的通断状态；系统故障检测与显示模块用于实现对发动机控制模块(Engine ControlModule，ECM)的控制检测功能及发动机内置传感器反馈数据的显示功能。
所述的便携式箱体包括封装便携箱、系统测控面板、底层电磁继电器固定面板；所述封装便携箱将检测所需系统测控面板、电线和电子元器件全部封装进立方体箱体内，便于外出携带并且方便测试；系统测控面板用于固定系统故障检测与显示模块、用于控制单片机模块的停机按键、DPF手动再生按键、油门调节按键和显示模块的显示屏，固定电源控制模块的发动机点火启动接线柱、电源正负极接线柱、启动按钮、开关按钮，以及CAN总线接口；底层电磁继电器固定面板，用于放置电源控制模块的电磁继电器及各模块之间的接线，电磁继电器固定在底层面板上，底层面板四角设置四根支撑柱用于固定系统检测面板。
作为优选，所述封装便携箱为立方体结构，选用质量轻、结实抗摔的塑料制成。
作为优选，所述电磁继电器通过螺丝和螺母固定在电磁继电器固定面板上。
所述的系统故障检测与显示模块包括单片机模块和屏幕显示模块。
所述的单片机模块通过CAN总线与发动机控制模块(Engine Control Module，ECM)相连接、通过杜邦线与屏幕显示模块相连接；屏幕显示模块包括显示屏，在显示屏上实时显示内置的MCU接收到的数据；
通过按下停机按键给MCU电平信号，经过MCU处理通过CAN总线控制发动机进行停机；在DPF进行自动再生时出现故障后，按下DPF手动再生按键使得MCU发送指令给发动机控制模块(Engine Control Module，ECM)进行手动DPF再生；通过按下上下油门调节按键来模拟实际车辆驾驶的油门大小，进而可以对发动机的油门压力进行检测；
所述单片机模块为内置的微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)及相关附加元器件组成的最小系统，用于数据接收、处理、判断、控制；
CAN总线数据接口是用于发动机和检测仪直接的通信，通过数据接口的连线发动机ECM将相关参数传给单片机模块内置的MCU并在显示屏上实时显示出来，MCU将接收到的数据与程序设定的参数阈值进行对比，对于超出阈值的参数，MCU会在显示屏上显示文字进行报警，同时设置停机按键、DPF手动再生按键和油门调节按键，按下对应按键，借助数据接口的连线经过MCU的处理后，对发动机进行相关功能的控制。
进一步的，MCU与上位机相连接，将存储的数据传到上位机上实现进一步故障分析。
所述单片机模块包括MCU、按键复位装置、SWD接口、USART串口、CAN总线驱动芯片和外置EEPROM，用于接收数据并在屏幕上实时显示；还可以发送信号控制发动机实现相关操作，同时数据可存储在EEPROM中，实现进一步故障分析；检测结束后，通过USART串口直接连接电脑或把无线模块接到USART端口进行无线传输的方式，将被存储的数据传到上位机；作为优选，采用51系列单片机或者STM32系列单片机。
所述单片机模块的SWD接口引出用于程序烧录，后期可更新程序进行功能升级。所述单片机模块的USART串口可以直接与上位机相连进行数据传输，同时串口可以与无线模块相连，进行功能扩展，用于数据的无线传输。所述单片机模块的CAN总线驱动芯片用于CAN总线接口与MCU进行高速数据收发的连接。所述单片机模块的外置EEPROM是指带电可擦除可编程只读存储器，是一种掉电后数据不丢失的存储芯片，可将采集的发动机相关参数储存起来，后期上传至电脑进行数据分析，EEPROM芯片繁杂、应用广泛。
作为优选，屏幕显示模块采用点阵液晶显示屏、薄膜场效应晶体管液晶显示屏(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT LCD)或者有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示屏。所述停机按键、DPF手动再生按键、油门调节按键均使用的是自复位触动按键，按下按键松手后可回弹复位。所述CAN总线数据接口采用的是通用九孔CAN总线接线头。
电源控制模块包括发动机点火启动接线柱、电源正负极接线柱、启动按钮、开关按钮、底层面板固定的电磁继电器；其中所述发动机点火启动接线柱是连接到发动机的启动马达上进行点火启动的；电源正负极接线柱用于外接蓄电池进行系统供电；按下启动按钮控制电磁继电器启动马达进行发电机点火；开关按钮用于控制供电电源的通断状态。
所述发动机点火启动接线柱使用的是红色的旋转螺母接线柱，可旋紧螺母固定连接发动机启动马达的导线。所述电源正负极接线柱，分别为一红一黑的旋转螺母接线柱，可与蓄电池正负极相连的导线固定连接。所述启动按钮是自复位按钮，按下后松手可回弹复位，一端连接电源正极另一端连接电磁继电器的控制端。所述开关按钮是自锁按钮，按下不会弹为ON，再按一次回弹原位为OFF。
所述底层面板固定的电磁继电器控制端连接启动按钮和电源负极，被控端连接电源正极与启动马达，通常处于断开状态，按下开关按钮后电源给电，再当按下启动按钮时，电磁继电器控制被控端闭合，马达启动。
本发明的有益效果是：
(1)系统故障检测与显示模块，设计显示屏实时显示各项参数指标，清晰明了，对出现故障的位置可以一目了然，另外采用了通用的CAN总线数据接口，可以针对多种发动机随时随地进行故障检测，普适性高，同时设置了EEPROM存储，可将检测的数据存储在内，之后连接电脑上传数据实现进一步分析。
(2)电源控制模块，正负极接线柱接到蓄电池后，可通过自锁按钮控制电源的通断，启动按钮通过电磁继电器间接控制发动机的点火，前后利用电磁进行隔离，整体设计简洁明了、安全可靠。
(3)便携式箱体结构，检测面板、处理电路、电源电路封装在一个箱体内，可以很好的保护内部电路，安全可靠，箱子体积很小，便携灵活。
附图说明
图1为本发明的发动机故障检测仪箱体结构；
图2为本发明的发动机故障检测仪爆炸图；
图3为本发明的系统测控面板；
图4为本发明的发动机故障检测仪系统框图；
图5为本发明的单片机模块与显示屏和控制按键连接电路图；
图6为本发明的无线传输模块通过USART端口与MCU线路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种多功能便携式发动机故障检测仪，包括系统故障检测与显示模块、电源控制模块和便携式箱体，电源控制模块、系统故障检测与显示模块设置在便携式箱体内；电源控制模块用于外接蓄电池进行测试供电、通过连接发动机的启动马达模块启动马达进行发电机的点火、控制供电电源的通断状态；
便携式箱体包括封装便携箱1、系统检测面板2和底层电磁继电器固定面板3；将检测所需系统检测面板、电线和电子元器件全部封装进封装便携箱1内，便于外出携带并且方便测试；系统检测面板用于实现测试仪对发动机的控制功能及发动机内置传感器反馈数据的显示功能；底层电磁继电器固定面板3用于放置电源控制模块的电磁继电器4及检测面板背部的接线，电磁继电器4固定在底层面板上，本实施例中底层面板四角设置四根支撑柱用于固定系统检测面板。系统检测面板2的四角由4个六边形螺母和4个弹簧振片固定在底部的四个支撑柱上。
本实施中底层电磁继电器固定面板距离箱子底部0.5cm～1cm。底层电磁继电器固定面板由箱底的螺丝进行固定，先固定好底层面板，再延长10cm～15cm作为四个支撑柱用于固定顶部系统检测面板。
本实施例中封装便携箱1整体为立方体结构选用质量轻、结实抗摔的特殊塑料制成，用于保护内部的系统检测面板2和电磁继电器固定底板3；封装便携箱为长20cm～40cm、宽10cm～30cm、高10cm～30cm的立方体结构。本实施例中箱体设计的长为35cm、宽为25cm、高为15cm，整体设计轻巧便于携带。
如图3所示，系统测控面板用于固定系统故障检测与显示模块用于控制单片机模块的停机按键6、DPF手动再生按键7、油门调节按键8和显示模块的显示屏5，固定电源控制模块的发动机点火启动接线柱12、电源正负极接线柱10、启动按钮9和开关按钮13，以及CAN总线接口11；
如图4所示，所述的系统故障检测与显示模块包括单片机模块和屏幕显示模块。
所述的单片机模块通过CAN总线与发动机控制模块(Engine Control Module，ECM)相连接、通过杜邦线与屏幕显示模块相连接；屏幕显示模块包括显示屏，在显示屏上实时显示内置的MCU接收到的数据；
通过按下停机按键给MCU电平信号，经过MCU处理通过CAN总线控制发动机进行停机；在DPF进行自动再生时出现故障后，按下DPF手动再生按键使得MCU发送指令给发动机控制模块(Engine Control Module，ECM)进行手动DPF再生；通过按下上下油门调节按键来模拟实际车辆驾驶的油门大小，进而可以对发动机的油门压力进行检测；
所述单片机模块为内置的微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)及相关附加元器件组成的最小系统，用于数据接收、处理、判断、控制；
CAN总线数据接口是用于发动机和检测仪直接的通信，通过数据接口的连线发动机ECM将相关参数传给单片机模块内置的MCU并在显示屏上实时显示出来，MCU将接收到的数据与程序设定的参数阈值进行对比，对于超出阈值的参数，MCU会在显示屏上显示文字进行报警，同时设置停机按键、DPF手动再生按键和油门调节按键，按下对应按键，借助数据接口的连线经过MCU的处理后，对发动机进行相关功能的控制。
MCU与上位机相连接，将存储的数据传到上位机上实现进一步故障分析。
单片机内置的MCU与显示屏和控制按键的连接电路如图5所示，通过控制MCU与显示屏连接的各个IO口，可以实现数据在屏幕上的实时显示；控制按键一端连接MCU的IO口，另一端接地，按下按键，MCU通过IO口检测到低电平后做出相应的反应；MCU外接EEPROM芯片用于数据存储；另外本电路预留了SWD程序烧录端口，方便程序更新功能升级，同时预留了USART串口可以连接到电脑端读取EEPROM存储的数据实现进一步故障分析。
电源控制模块包括发动机点火启动接线柱、电源正负极接线柱、启动按钮、开关按钮、底层面板固定的电磁继电器；其中所述发动机点火启动接线柱是连接到发动机的启动马达上进行点火启动的；电源正负极接线柱用于外接蓄电池进行系统供电；按下启动按钮控制电磁继电器启动马达进行发电机点火；开关按钮用于控制供电电源的通断状态。
所述发动机点火启动接线柱使用的是红色的旋转螺母接线柱，可旋紧螺母固定连接发动机启动马达的导线。所述电源正负极接线柱，分别为一红一黑的旋转螺母接线柱，可与蓄电池正负极相连的导线固定连接。所述启动按钮是自复位按钮，按下后松手可回弹复位，一端连接电源正极另一端连接电磁继电器的控制端。所述开关按钮是自锁按钮，按下不会弹为ON，再按一次回弹原位为OFF。
所述底层面板固定的电磁继电器控制端连接启动按钮和电源负极，被控端连接电源正极与启动马达，通常处于断开状态，按下开关按钮后电源给电，再当按下启动按钮时，电磁继电器控制被控端闭合，马达启动。
如图6所示，这是BLE4.0低功耗高速率蓝牙传输模块通过USART端口与MCU进行连接的电路图，通过蓝牙无线传输，发动机故障检测仪可以将之前检测并保存下来的数据传给上位机，实现进一步故障分析。
工作时，将检测仪的电源正负极接线柱接到蓄电池的正负极两端，进行供电连接；将启动接线柱和负极接线柱接到发动机的启动马达处，进行点火启动连接；利用数据线连接检测仪的CAN总线数据接口和发动机的数据接口，进行数据传输；USART串口可以直接与上位机连接进行数据传输，也可以作为无线传输模块的接口，借助无线通信的方式进行数据传输。
本发明的具体的工作方式是：在线路连接完毕后，按下开关按钮，供电导通，此时按下启动按钮使得电磁继电器闭合，发动机的启动马达进行点火启动，然后发动机开始工作，之后发动机上的多种传感器进行数据监测，发动机的ECM收集各个传感器的数据通过数据线输出给外接显示装置，此时连接发动机的检测仪将根据接收的数据实时作出反应，在屏幕上实时显示发动机转速值、机油压力值、燃油压力值、水温值、增压温度值、燃油温度值、DPF情况等参数，一些参数在超过设定的阈值后，屏幕上相应的位置会发出警告，检测的同时数据会被存储在EEPROM芯片中，检测结束后可通过USART串口通信或无线通信的方式将检测仪与电脑端连接，读取存储的数据进行更加详细的分析。
本实施例使用STM32F103T系列单片机，在满足设计要求、实现相关功能的前提下，选择性价比更高的单片机作为检测仪的MCU；屏幕由于考虑到成本问题，可以选用相对便宜的点阵液晶显示屏，又因为需要同时显示多个参数，故屏幕选择尺寸不能过小；EEPROM是可断电存储芯片，根据所需存储数据量的大小选择合适的芯片，本实施选用了AT24C02芯片进行测试；CAN总线驱动芯片用于CAN总线接口与MCU进行高速数据收发的连接，选用适当的芯片即可，本实施选用了TJA1050芯片。无线传输模块可以选择蓝牙传输、WIFI传输、ZIGBEE传输等方式，结合使用场景与所需实现的功能，本实施例选用的是BLE4.0低功耗高速率蓝牙传输模块，传输速率高、功耗低、传输距离远，成本较低。本实施例所用芯片仅用于本次测试，但不仅局限于这些芯片，能够满足要求的相关芯片均可酌情选用。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种多功能便携式发动机故障检测仪，包括系统故障检测与显示模块、电源控制模块、便携式箱体；所述的电源控制模块、系统故障检测与显示模块均设置在便携式箱体内；电源控制模块用于外接蓄电池进行测试供电、通过连接发动机的启动马达模块启动马达进行发电机的点火、控制供电电源的通断状态；系统故障检测与显示模块用于实现对发动机控制模块ECM的控制检测功能及发动机内置传感器反馈数据的显示功能；
其特征在于：所述的便携式箱体包括封装便携箱、系统测控面板、底层电磁继电器固定面板；所述的封装便携箱将检测所需系统测控面板、电线和电子元器件全部封装进箱体内；系统测控面板用于固定系统故障检测与显示模块、用于控制单片机模块的停机按键、DPF手动再生按键、油门调节按键和显示模块的显示屏，固定电源控制模块的发动机点火启动接线柱、电源正负极接线柱、启动按钮、开关按钮，以及CAN总线接口；底层电磁继电器固定面板，用于放置电源控制模块的电磁继电器及各模块之间的接线，电磁继电器固定在底层面板上，底层面板四角设置四根支撑柱用于固定系统检测面板；
所述的系统故障检测与显示模块包括单片机模块和屏幕显示模块；单片机模块通过CAN总线与发动机控制模块ECM相连接、通过杜邦线与屏幕显示模块相连接；屏幕显示模块包括显示屏，在显示屏上实时显示内置的MCU接收到的数据；
所述的电源控制模块包括发动机点火启动接线柱、电源正负极接线柱、启动按钮、开关按钮和电磁继电器；
通过按下停机按键给MCU电平信号，经过MCU处理通过CAN总线控制发动机进行停机；在DPF进行自动再生时出现故障后，按下DPF手动再生按键使得MCU发送指令给发动机控制模块ECM进行手动DPF再生；通过按下上下油门调节按键来模拟实际车辆驾驶的油门大小，对发动机的油门压力进行检测。
2.根据权利要求1所述的多功能便携式发动机故障检测仪，其特征在于：所述的单片机模块包括MCU、按键复位装置、SWD接口、USART串口、CAN总线驱动芯片和外置电可擦编程只读存储器EEPROM。
3.根据权利要求2所述的多功能便携式发动机故障检测仪，其特征在于：所述的SWD接口引出用于程序烧录，后期可更新程序进行功能升级；所述的USART串口直接与上位机相连进行数据传输，同时串口能与无线模块相连，进行功能扩展，用于数据的无线传输；所述的CAN总线驱动芯片用于CAN总线接口与MCU进行高速数据收发的连接。
4.根据权利要求1所述的多功能便携式发动机故障检测仪，其特征在于：所述的单片机模块选用51系列单片机或者STM32系列单片机。
5.根据权利要求1所述的多功能便携式发动机故障检测仪，其特征在于：所述的屏幕显示模块采用点阵液晶显示屏、TFT LCD显示屏或者OLED显示屏。
6.根据权利要求1所述的多功能便携式发动机故障检测仪，其特征在于：所述的CAN总线数据接口采用的是通用九孔CAN总线接线头。
7.根据权利要求1所述的多功能便携式发动机故障检测仪，其特征在于：所述的发动机点火启动接线柱是连接到发动机的启动马达上进行点火启动的；电源正负极接线柱用于外接蓄电池进行系统供电；按下启动按钮控制电磁继电器启动马达进行发电机点火；开关按钮用于控制供电电源的通断状态。
8.根据权利要求1所述的多功能便携式发动机故障检测仪，其特征在于：所述的封装便携箱选用质量轻、结实抗摔的塑料制成。
9.根据权利要求1所述的多功能便携式发动机故障检测仪，其特征在于：所述的电磁继电器通过螺丝和螺母固定在电磁继电器固定面板上。
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