（机械制造及其自动化专业论文）智能车速里程表的设计.pdf

东北大学硕士学文摘要 智能车速里程表的设计 摘要 在车辆高速行驶过程中，车速里程表是为驾驶员及时提供动态驾驶信 息的重要仪表，它的好坏直接影响到车辆行驶安全。而传统的车速里程表 存在两大缺陷：一是用软轴驱动的传统车速里程表在车辆高速行驶状态下， 软轴高速旋转，山于软轴钢丝应力极限的限制，常常造成钢丝软轴的疲劳 断裂，从而使车速旱程表失效；二是由于软轴布线过长，出现形变过大和 运动迟滞现象，导致动态指示迟钝或指示错误。为了更加及时可靠的为驾 驶员提供动态驾驶信息，保证车辆行驶安全，克服传统软轴驱动车速里程 表故障率高、动态指示迟钝等问题，运用先进的电子技术、传感器测量技 术和计算机智能技术，改进传统的里程表是非常必要的。 本文介绍的智能车速罩程表是以a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机系统和磁电式转速 传感器相结合的车速罩程测量系统。此外，本仪器还采用了具有保护功能 的x 5 0 4 5 型可编程控制电路；采用了串行控制液晶显示模块；采用了c 5 1 编程工具进行软件设计。系统设计充分考虑了信号处理电路及显示电路的 可靠性。该装置的特点是：故障率低、测量稳定可靠、动态显示及时准确、 应用对象广。 本文首先介绍了汽车仪表的发展过程和趋势以及车速里程表的发展和 现状。其次，根据系统要求制定出传感器、单片机、液晶显示模块等重要 器件的选择方案。接着，根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统， 该系统能够实现数据采集、车速里程的实时显示和存储等功能。最后，介 绍了和系统硬件配套的软件设计过程。 关键词传感器单片机车速里程表x 5 0 4 5 液晶显示器 东北大学硕士学文 a b s t r a c t t h e d e s i g no fi n t e l l i g e n ts p e e d m i l e o m e t e r a b s t r a c t t h e s p e e d m i l e o m e t e ri sa ni m p o r t a n ti n s t r u m e n tt o s u p p l yd y n a m i c c o m m u n i c a t i o nint h ep r o c e s sv e h i c l er u ni nh i g hs p e e d t h eq u a l i t yo fi t d i r e c t l ya f f e c t st h es a f e t yo fv e h i c l ed r i v e b u tt h et r a d i t i o n a ls p e e dm i l e o m e t e r e x i s tt w os e r i o u sb l e m i s h e s ：t h ef i r s ti st h a tt h et r a d i t i o n a ls p e e dm i l e o m e t e r u s u a l l yl a p s ew h e nt h ev e h i c l er u ni nh i g hs p e e d ，b e c a u s et h es t e e lw i r e so fs o f t s t a l kw i l lt i r e da n db r e a ka ss o o na ss t r e s so v e r s t e pi t se x t r e m el i m i t t h e s e c o n di st h a td y n a m i cs h o w i n go ft h et r a d i t i o n a ls p e e dm i l e o m e t e ri ss l o w n e s s o rm i s t a k eb e c a u s et h el o n gs t e e lw i r e so fs o f ts t a l kw i l lm e t a m o r p h o s ea n dl a g i nh i g hs p e e d i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v eo nt h et r a d i t i o n a ls p e e dm i l e o m e t e ri n o r d e rt oo v e r c o m et h eb l e m i s ho fh i g hb l o o e yr a t ea n ds l o wm a n i f e s t a t i o n f h e i n t e l l i g e n ts p e e dm i l e o m e t e ri nt h et h e s i sw a sm a d eb yc o m b i n i n ga m c s 一518 - b i tm i c r o c o n t r o l l e rs y s t e ma n das p e e dt r a n s d u c e r m o r e o v e r ，t h e x 5 0 4 5a n dl c dw a r ei n t r o d u c e di nt h es y s t e m t h es o f t w a r ew a sd e s i g n e db y c 51 l a n g u a g e t h es t a b i l i t yo fe l e c t r o c i r c u i tw a sw i l lr e g a r d e di nt h ed e s i g no f t h es y s t e m t h ei n s t r u m e n th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l ed e s i g n ，r e l i a b l e p e r f o r m a n c e ，a c c u r a t ed i s p l a ya n dv a r i o u sa p p l i c a t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ：f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s a n dt h et r e n d so ft h ea u t o m o b i l em e t e ra r ep r e s e n t e da n ds t a t et h ed e v e l o p m e n t a n dt h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h es p e e dm e t e r s e c o n d ，c h o o s et h ec o m p o n e n t a c c o r d i n gt ot h en e e do fs y s t e m t h e nc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e s y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e m ，t h es y s t e mc anc a r r yo u tt h ep r o c e s s i n go ft h e d a t a ，s a v i n ga n ds h o w i n gi m m e d i a t e l y k e yw o r d s t r a n s d u c e r ，m i c r o c o n t r o l l e r ，m i l e m e t e r ，x 5 0 4 5 ， l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在沦文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 蓦务7 - 日期：卅f 1 、1 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被套阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 为了正确使用汽车，保证行车安全和提高可靠性，汽车上都或多或少的使用 各种仪表，汽车仪表是安全行驶和经济行驶不可缺少的装置。随着汽车的发展， 汽车速度的提高，汽车的结构日趋复杂而开始安装了仪表。在2 0 世纪初至2 0 世 纪3 0 年代期间汽车安装上了车速里程表。 人们对汽车性能愈来愈高的要求在很大程度上促使汽车仪表内部结构、性能 和功能的不断革新。进入2 0 世纪8 0 年代后，电子技术、新材料技术和信息技术 的不断进步及新型传感器、电子显示器件的出现，汽车仪表电子化尤其迅速。 1 2 汽车仪表的发展过程和趋势 根据仪表的工作原理，内部结构和显示方式，汽车仪表的发展过程可以分为 个阶段：传统仪表阶段，现代电子仪表阶段，智能化信息系统阶段【2 6 l 。 1 2 1 传统仪表阶段 这个阶段是从2 0 世纪初到2 0 世纪3 0 年代，在此阶段中汽车开始安装各种仪 表如车速罩程表、水温表、燃油表、机油压力表、电流表( 电压表) 和发动机 转速表等，这些确定了现代仪表板的基本结构。 这个阶段汽车上的传感器和仪表基本上都是机械式或电磁机械式的，汽车仪 表功能单一，仅仅显示传感器的信息以向驾驶员提供自身的状态参数，更多的是 为安全性着想，信启、量少，整个仪表系统的精度低，可靠性较差，体积较大，视 认性不好，容易使驾驶员疲劳。 1 2 2 现代电子仪表阶段 随着汽车电气设备不断增加，电气系统也变得越来越复杂，传统仪表已经远 远不能满足现代汽车新技术、高速度、人性化的要求。因此，汽车仪表的发展过 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 程中现代电子仪表逐步取代了传统仪表。 汽车仪表的电子化是随着半导体技术的不断进步而获得迅速发展。电子显示 式仪表的开发始于2 0 世纪6 0 年代，但是电子元气件还达不到装车实用的水平。 7 0 年代后半期，随着半导体及显示器件技术的进步，出现了荧光显示管，发光二 极管，1 9 7 8 年电子显示仪表问世。进入8 0 年代后，各种电子显示器在汽车上不断 得到应用( 见表1 1 ) 。9 0 年代初期世界上已有6 0 种以上的车型使用电子仪表。从 内核上，单片机的广泛应用使汽车仪表由模拟仪表向数字仪表发展；从外观上， 逐渐形成了数字显示为主流的显示方式。外形设计现代派的追求和内部结构、显 示元器件的电子化，大大推进了汽车仪表技术的重大变革。 表1 1 汽车电子仪表的发展 t a b l e l 1 1 d e v e l o p m e n to f a u t oe l e c t r o n i cp a n e l 时间国家公司仪表类型 1 9 7 9 英国阿斯通马丁电子仪表 1 9 8 1 日本丰田电子仪表 1 9 8 2日本 三菱液晶式仪表 1 9 8 4日本半田彩色液晶式仪表 1 9 8 5日本丰田全彩色阴极射线显示 1 9 8 6 日本丰田虚拟式仪表 1 9 8 6 关国通用示波管豳像显示 1 9 8 9 日本丰田模拟电子仪表 1 2 2 1 现代电子仪表的特点 现代电子仪表可分为模拟式、数字式和混合式仪表，主要优点如下： 1 ) 电子仪表能提供大量复杂的信息。随着人们对汽车各方面要求的提高，汽 车行驶和各部分：i ：作状态的信息显著增加，汽车电子化仪表能迅速、准确、醒目、 直观的以多种方式显示信息，显示的信息量大。 2 ) 电子仪表体积小、重量轻，可以减少占用宝贵的车内空间。电子式仪表盘 不仅能适应各种传感器或控制系统的电子化，而且可实现小型、轻量化，这样既 能节省汽车仪表盘附近的宝贵空间，还能处理日益增多的信息容量。 3 ) 显示图形设计的自由度高，可以使汽车仪表盘造型更加美观。电子仪表盘 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 能够实现数字、文字、图形等多种显示方式，造型设计自由度高，能满足实现汽 车现代化的需要。 4 ) 具有高精度和高可靠性。由于实现汽车仪表的电子化，可为司乘人员提供 高精度的数据信息，也可免除传统仪表中那些可动部分，从而改善并提高了仪表 的可靠性。 5 ) 具有一表多用的功能。采用数字显示易于用一组数字进行分时显示，并可 同时显示几个参数，不必对每个参数都设置一个指示表，故使仪表盘得以简化。 1 2 3 智能化信息系统 2 0 世纪9 0 年代后半期，先进的计算机技术和电子技术等高新技术开始进入汽 车，3 2 位和4 8 位微机丌始广泛应用，汽车仪表的自动化智能化程度大大提高。与 此同时，显示方式也由单色显示向彩色显示和立体显示发展过渡，极大的提高了 仪表的视认性和美观性，促进了汽车仪表技术的变革。汽车电子控制装置的增多， 汽车故障珍断、地形图显示、导航及各种信息服务装置都己丌始装入汽车，需要 显示的信息和功能增多。此时，汽车仪表已不在是单纯的显示装蜀，而是逐步拓 展为一个信息化智能系统。 汽车智能化信息系统由硬件和软件两部分组成。硬件包括面板、高性能微机 及辅助电气电子元件；软件是实现监测控制、处理各种数据、通信等仪表功能的 程j 芋系统。其具有以卜- 基本功能： 1 ) 信息显示功能。这类驾驶员信息系统包括常规信息显示和监视报警信息。 常觇显示的信息有车速、罩程、燃油、电压、发动机水温、发动机转速等，同时 还有像瞬时油耗、平均油耗、行驶里程、平均车速等。这可根据驾驶员需要随时 碉用显示。为驾驶员及时准确的提供各种信息，以使驾驶员更有效的控制汽车正 常l 作。 2 ) 自榆自珍断功能。在仪表工作的开始，仪表自动对传感器、显示器等进行 捡查，如果发现异常则自动进行诊断，检查错误，用醒目的方式显示错误代码， 提示驾驶员，并对这些进行自动记录。 3 ) 智能信息记录( 黑匣子) 功能。具有存储记忆功能，实现汽车行车自动记录( 黑 匣子) ，自动存储相关数据，并能实现数据转换、转储、显示、以不同种方式输出 的功能。 - 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 4 ) 信息再处理功能。实现多种信息处理，对传感器信息进行计算并加工处理。 5 1 自适应功能。根据传感器获得的信息，自动适应外界的环境。 6 ) 监控报警功能。对车速、发动机转速、水温、油压、燃油量、油耗、蓄电 池电压、转向灯、尾灯、制动器液量、车门关严否等一系列参数进行有效监控。 当有不正常现象出现时，立即通过控制发光二极管、数码显示、音响等方式向司 乘人员提供宜接的工况和发出各种超限报警等，可有效防范和化解车辆事故的发 牛。 1 2 4 未来汽车仪表的发展趋势 毫无疑问，汽车仪表的电子化、数字化、智能化是汽车仪表的发展方向，具 体体现在以下几个方面： 1 ) 多功能化。由于车用多种信息服务的拓展、车用电子系统集中监控的需要 h 盏增强，为了适应这种信息化的需要，多种信息显示方法正在不断研究和开发， 使得显示装置向多功能化方向发展，融导航显示装置、各种信息服务功能的接受、 乍用电子装置的集中监控，以及车中的文字、图像等的显示为一体，集机光电一 体化，使得未来的汽车效率更高、更为安全。 2 ) 数字化。利用嵌入式微处理器进行汽车各种信息的采集、分析、处理和警 示。微处理器可以采用多种模式信息，并对这些信息进行分析处理，做出相应的 m 觉显示、声音警示或需要的其它多媒体输出。随着数字显示技术的成熟，设计 人员可以设计出各种各样实用而富有特色的汽车仪表。同时，由于微处理器和现 代传感器的使用，还可以大幅度提高汽车仪表的精确度和可靠性。 3 ) 更好的视觉特性。使汽车仪表赏心悦目而又不刺眼，可以在各种不同的光 线环境下行驶，汽午仪表要达到不论在什么环境中都清晰可见的要求能够提供 多种亮度可调的自主发光显示方式，包括多种色彩，满足对汽车仪表的要求。 4 ) 个性化。现代汽车在追求个性化，仪表信息应可以量身定做。技术的共同 化，并不会使所有的汽车都成为一种模式。成熟的现代数字电子技术为汽车电子 仪表的多样性、个性化设计大丌方便之门。 5 ) 信息化、网络化。汽车电子控制装置的增多，使得连接汽车电子控制装置 之问的导线也变得更为复杂。为了减少布线的数量，解决众多控制装置和电子仪 表之问数据交换问题，车载电子装置间的数据通信变得越来越为重要。为此，需 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 要一种即造价低廉，又能经受恶劣工作环境的通讯系统。用这样的系统控制装置 或仪表，可以通过网络和其它装置使数据交换变得非常简单。汽车信息系统以清 晰、准确、及时反映汽车行驶时各项信息为目的，不限于信息的显示，还能进行 故障自诊断，且能全面反映汽车的工作状况及各种通信联络信息，使驾驶室朝着 自动、智能的方向发展。 汽车电子仪表作为信息处理和显示的系统，随着半导体器件集成度的进一步 提高，电子技术和电子板制造工艺的改进，汽车电子仪表将向着多功能、更高的 智能化的方向发展。汽车技术和数字电子技术的结合，使汽车技术得到了快速的 发展。汽车仪表的电子数字化，也必将促进汽车仪表向高新技术领域迅速发展、 种类繁多、性能卓越的电子数字仪表，会把我们的汽车装点的更现代。 1 3 车速里程表的发展及现状 1 3 1 传统的机械式车速表 传统的机械式车速表是由变速箱第二轴输出动力，经驱动蜗轮轴带动软轴头 端同步转动，使与软轴另一端固定的永久磁铁跟着同步转动，从而产生旋转磁场， 陔磁场作用于转动盘，便使转动盘连同车速表指针发生同向的偏转。当电磁转矩 与弹簧产生的阻力矩平衡时，指针偏转停留在某一角度上。指针偏转角与车速成 萨比，因而可用其表示车速。 机械式车速表的缺陷是明显的。由于表盘指针偏转程度f 比于软轴的转动时 产生的磁力，当转速较低的时候，磁力较小，随转速变化波动较大。因此，低速 时乍速表指针摆动剧烈、测量及显示精度不高。对于发动机后置的车辆中，要将 车速表指针的偏转动力由变速箱经软轴等传至驾驶室，软轴必然布置的较长，如 何将这种长长的转动软轴从结构上布置妥当，肯定是一件十分困难的事情。加之 传统机械式车速表的种种缺陷，该种仪表己渐渐被淘汰。 1 3 2 简易电子式车速表 这类仪表基本原理都是设法由电子器件代替传动软轴取得汽车运行旋转信 号，进而处理显示出转速或速度信息。常见的有脉冲式电子转速表和简易晶体管 式转速表。前者旋转信号采自分电器，发动机工作时，分电器触点不断开闭，其 丌闭次数与发动机转速成正比。触点开闭产生断续电流，通过积分电路整形，形 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 成具有固定幅值和一定脉冲宽度的矩形波电流，矩形波的脉冲宽度即正比于发动 机转速。用该矩形波驱动电流表。即显示出发动机转速信息。晶体管式转速表的 输入信号也来自于点火系统，分电器的断点器触点，在其触点打开时提供电路触 发脉冲信号。工作中通过晶体管的导通和截止来控制给电容充放电，由电容放电 驱动表盘指针转动，进而实现显示转速信息。 该类型的仪表转速信号来自于分电器触点，断电器所提供的触发脉冲宽度随 着发动机转速而变化，故点火系统的触发脉冲振幅和持续时间是转速表精度的关 键参数。但信号在经过整流滤波处理过程中不可避免会损失和失真，导致显示失 实，影响精度。另外，转速信号转化后直接驱动表盘，表指针响应直接源于转速 信号，造成指针跳动过于敏感，不利于读数。解决这种问题的办法是在表头上并 联个小电容，起到附加阻尼的作用。 1 3 3 程控集成电路( i c ) 车速表 随着电子技术的发展，集成电路技术越来越成熟，出现许多高性能、低价位 的通用控制i c ，如i n t e l 的8 0 系列和z i l o g 的z 8 6 系列通用单片机，由于其价格低 廉、控制方式灵活、控制精度高等种种优点，在现代汽车信息系统中应用越来越 厂泛。 集成电路程序控制车速表通常是采用固定于发动机输出轴或变速箱第二轴驱 动的蜗轮轴转盘上的一对永久磁铁产生旋转磁场，由该磁铁作用，在霍尔器件中 产尘脉冲信号，其频率与发动机转速或车速信号成正比，对于不同的机型，选定 不同的比例常数。该脉冲信号经过放大，光隔离和整形以后，送至主控制c p u ， 山单片机定时计数，并输出控制信号，驱动表盘指针旋转或用数字显示。 主控制c p u 接受整形后的转速信号，通过定时计数器判别当前转速大小，然 后通过查表方式从存储器中读出事先标定好的控制信号，输出到指示机构，由指 _ 机构将该信号改变为模拟信号，驱动表盘指针。有些指示机构采用双线圈电磁 方式驱动指针，磁力的大小由通过线圈的平均电流大小决定。平均电流大小可直 接由c p u 输出电平的占空比控制，而无须专门的数模转换处理电路。如果是采用 数显方式，则c p u 只需将记速信号输出至显示处理电路。 程控集成电路式车速表的优点是明显的。首先，由于大规模集成电路技术的 成熟，可供选择的单片机种类十分多，可以满足不同功能的仪表的需要。另外， 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 这些单片机大都能提供功能齐全的开发、仿真系统，使得新产品的开发方便、稳 定，大大缩短了开发过程。集成芯片体积小、稳定性高、抗干扰能力强、控制灵 活，能适应汽车仪表对高可靠性、防震、防水、宽范围工作温度的要求。通过编 程控制表头指针的偏转，可以达到很高的控制精度，并能消除指针低速抖动现象， 清晰便于视认。该类型仪表在生产和调试过程中很容易实现系统化、自动化，大 大提高了生产效率，适合大批量生产的需求。 1 4 现状 国外车速里程表采用各大公司自行研制的专用芯片，不仅成本高，而且对车 种的适应性差。 由于机械式车速里程表简单实用，在国内仍旧被广泛用于大小型汽车上。不 过，随着电子技术的发展，现在很多轿车仪表已经使用电子车速表，常见的一种 是从变速器上的速度传感器获取信号，通过脉冲频率的变化使指针偏转或者显示 数字。为扩大指示范围，现指针仪表大多趋向于采用具有四象限的十字线圈来驱 动指针，其指示偏转角度大，线性好，而该种十字线圈的驱动在我国都是依赖于 进口的电路板或进口的专用集成电路芯片来进行p w m 驱动，其来源及供货期限都 有很大的局限性，功能固定。 在世界进入数字化时代生活的今天，车用仪表数显技术将是新世纪汽车发展 的必然趋势。新概念的车速里程表最直观的变化就是用大屏幕的液晶取代指针式 表盘，直接用数字显示时速、里程。 东北大学硕士学位论文第二章智能车速里程表传感器的选用 第二章智能车速里程表传感器的选用 2 1 转速传感器概述 2 1 1 磁电式转速传感器 利用磁场变化获得电流的现象叫电磁感应现象。不管由于什么原因使得通过 回路面积的磁通发生变化时，在回路中总会产生感应电势，其大小与磁通量的变 化率成f 比，即 e = 中a t( 2 1 ) 式中：e ：感应电势( v ) 由：磁通量( w b ) t ：时间( s ) 如果有n 匝的线圈，则线圈的感应电势为： e = n 巾a t( 2 2 ) 从式( 2 2 ) n 以看出，产生感应电势的必要条件是磁通量的变化，磁通量的变化 越大，产生的感应电势也越大，使磁通量发生变化的方法一般有两种，一种是改 变线圈中电流的大小，令一种是切割磁力线。磁电式转速传感器就是利用电磁感 应原理采用切割磁力线方法，把物体转动速度的非电量转换成感应电势来进行测 量的。 磁电式转速传感器的结构，如图2 1 所示。 它由永久磁铁，线圈，磁盘等组成。在磁盘上加工有齿形凸起，磁盘装在被 测转轴上，与转轴一起旋转。当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久 磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。有 磁路通过的感应线阐，当磁通量发生突变时，会感应出一定幅度的脉冲电势，其 频率为 f = - z n ( 2 3 ) 式中：z ：齿轮的齿数 1 3 ：齿轮的转数 根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体的转速。 - 8 - 东北大学硕士学位论文第二章智能车速里程表传感器的选用 应该指出，磁电式转速传感器输出的感应电脉冲幅值的大小取决于线圈的匝 数和磁通量变化的速率。而磁通变化速率又与磁场强度，磁轮与磁铁的气隙大小 及切割磁力线的速度有关。 当传感器的线圈匝数，气隙大小和磁场强度恒定时，传感器输出脉冲电势的 幅值仅取决于切割磁力线的速度，该速度与被测转速成一定的比例。当被测的转 速很低时，输出脉冲电势的幅值很小，以至无法测出来，所以这种传感器不宜测 量过低的转速，其工作频率的下限一般为5 0 h z 左右，上限可达数百千h z 。 磁轮戟刖j 农久碰铁 坡皤 转轴 倚感器 图2 1 磁电式转速传感器结构示意图 f i g 2 1 f r a m e w o r kd i a g r a mo fm a g n e t o e l e c t r i c i t yr o t a t es p e e ds e n s o r 2 1 2 光电式转速传感器 1 ) 直射式光电转速传感器 直射式光电转速传感器的结构，如图2 2 所示 它由丌孔圆盘，光源，光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测 轴相连接光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件 所接收，将光信号转换成电信号输出。开孔圆盘上有许多d , t l ，开孔圆盘旋转一 蒯，光敏元件输出的电脉冲的个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元 件输出的脉冲频率，得知被测转速，即 n = f n( 2 4 ) 9 东北大学硕士学位论文第二章智能车速里程表传感器的选用 式中 兜 n ：转速 f 脉冲频率 n ：圆盘开孔数 丹碍l l 目船 潦 图2 2 直射式光电转速传感器结构示意图 f i g 2 2 f r a m e w o r kd i a g r a mo fp h o t o e l e c t r i c i t yr o t a t es p e e ds e n s o r 2 ) 反射式光电转速传感器 反射式光电转速传感器的结构原理，如图2 3 所示。 它由红外发射管，红外接收管，光学系统等构成，光学系统由透镜及半透镜组成。 事遗镜 翻2 , 3反射式光电转速传感器结构示意图 f i g 2 3 f r a m e w o r kd i a g r a mo f r e f l e c t i n gp h o t o e l e c t r i c i t yr o t a t es p e e ds e n s o r 1 0 一 东北大学硕士学位论文g - - 章智能车速里程表传感器的选用 红外发射管由直流电源供电，工作电流为2 0m a ，只要保证它的工作电流，便可 发射出不可见的红外光。半透镜既能使发射的红外光射向转动的物体，又能使从 转动物体反射回来的红外光穿过半透镜射向红外接收管。测量转速时，需在被测 物体上粘贴一小块红外反射纸，这种反射纸是一种涂有玻璃微珠的反射膜，它是 将直径l 2v m 的玻璃微粒粘在纸上制成的，具有定向反射作用。 当被测物体旋转时，粘贴在物体上的反射纸和物体一起旋转，红外接收管则 随感受到反射光的强弱而产生相应变化的电信号，该信号经电路处理，便可由显 示电路直接显示出被测转速的大小。 发射式光电转速传感器由于接收的是自身发射返回的红外光，因此不会对旋 转物体的运动有任何影响，并可测得伸缩在机壳内部的旋转体的转速，由于发射 和接收的都是红外光，所以不受可见光的干扰，可保证转速测量的准确性。 2 1 3 光断继器式转速传感器 将光断继器和带孔的圆盘组合在一起便构成了转速传感器，如图2 4 所示。 带j l 的圆盘设置在光断继器的凹处，圆盘的狭缝可通过发光二极管发出的光， 该光将由光断继器中的光敏元件所接收。带孔的圆盘上的输入轴与被测旋转物体 相连接，当被测物体旋转时，便带动圆盘一起转动，光断继器中的光敏元件便可 检i 日, f j n 圆盘的转动而输出一个个电脉冲信号，该信号经检测电路处理，便可得被 测的转速。 带扎嘲盐 地断续器 图2 4 光断继器式转速传感器结构示意图 f i g2 4 f r a m e w o r kd i a g r a mo fl i g h tw a i v er e l a yr o t a t es p e e ds e n s o r l l 东北大学硕士学位论文第二章智能车速里程表传感器的选用 目前，己生产有集成光断继器，它是一个将光断继器与放大器，施密特触发 器和稳压电源等集成在一个芯片上的光电传感器。具有体积小，可靠性高，外围 元件少和工作电压范围宽的特点，特别适合计数和转速的测量，它已经在磁带录 音机，打印机，软盘，音响设备及电子钟等场合得到了应用。 集成光断继器有单输出型和双输出型两种。双输出型集成光断继器和带孔圆 盘一起组成的转速传感器，不仅能测量转速而且可以判别旋转方向。 2 1 4 离心式转速传感器 离心式转速传感器的构成如图2 5 所示。 图2 5离心式转速传感器结构图 f i g 2 5 f r a m e w o r kd i a g r a mo f a c e n t r i cr o t a t es p e e ds e n s o r 1 重锤2 ，连杆3 拉杆4 位移传感器5 套筒6 弹簧 它由离心机构和位移传感器两部分组成，其输入轴和被测物体的转轴相连接， 位移传感器用来检测物体旋转时套筒产生的位移量。 当被测物体转动时，整个离心机构将跟着做旋转运动。重锤在旋转时产生的 离心力f c 通过连杆及拉杆使套筒沿轴线方向向上运动，套筒向上运动时压缩弹 簧，弹簧产生的反弹力使套筒达到动平衡状态，从而使重锤停留在跟转轴成某个 失角的位置上。被测转速越高，重锤产生的离心力越大，套筒的位移量x 也就越 大，因此，通过位移传感器检测出套简的位移量，也就知道了被测转速。 离心式转速传感器具有结构简单，成本低，检测范围宽和输出大等优点。 一1 2 一 东北大学硕士学位论文第二章智能车速里程表传感器的选用 2 1 5 霍尔式转速传感器 f b ) 图2 6 霍尔式转速传感器的结构图 f i g 2 6 f r a m e w o r kd i a g r a mo f r o t a t es p e e ds e n s o r 1 输入轴2 磁性转盘3 永久磁铁4 霍尔传感器 利用霍尔丌关集成传感器和磁性转盘可组成霍尔式转速传感器，广泛应用于 转速的监视与测量。图2 6 是一些不同结构的霍尔式转速传感器。 磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘便随之转 动，固定在磁性转盘附近的霍尔开关集成传感器，便可在每一个小磁铁通过时产 生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测转速，磁性转盘上 的小磁铁数目的多少，将确定传感器的分辨率。 2 2 传感器的选用 2 2 1 传感器的选用原则 传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感 器，因此根据需要选用最适宜的传感器【4 1 。 一1 3 一 东北大学硕士学位论文第二章智能车速里程表传感器的选用 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象 以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结 果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1 ) 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分 析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一个物理量，也有多种原理 的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和 传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积 的要求：测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测 最：传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后，就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器 的具体性能指标。 2 ) 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵 敏度高时与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要 注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入也会被放 大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量 减少从外界引入的- t 扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较 高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感 器的交叉灵敏度越小越好。 3 ) 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保 持1 ：失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟希望延迟时间越短越 好。 。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影 响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点( 稳态、瞬态、随机等) 来确定所需传感器的 频率响应特性，以免产生过大的误差。 4 ) 线性范围 一1 4 东北大学硕士学位论文第二章智能车速里程表传感器的选用 传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内， 灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测 量精度。在选择传感器时，当传惑器的种类确定之后，首先要看其量程能否满足 要求。 但在实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当 所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似 看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5 ) 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器 长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使 传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择 合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后在使用前应重新进行标定， 以确定传感器的性能是否发生变化。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传 感器，其稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 6 ) 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标它是关系到整个测量系统测量精度的 一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满 足整个测量系统的精度要求就可以不必选得过高。这样就可以在满足同一测量 目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对 量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等 级能满足要求的传感器。 2 2 2 传感器的选用 本系统的传感器安装在车的转轴上，当车行驶时传感器随着车的转轴的旋转 而转动，将汽车转数转换为电信号，从而计算出车的转速。能够直接安装在转轴 上的传感器有磁电式转速传感器、直射式光电转速传感器和霍尔式转速传感器。 一1 5 一 东北大学硕士学位论文笫二章智能车速里程表传感器的选用 但直射式光电转速传感器和霍尔式转速传感器只适合安装在轴的端部，安装和使 用不方便。磁电式转速传感器由于具有结构简单、安装方便、价格适中等优点， 且一般不受油污、粉尘及杂光的影响，所以一直被广泛应用于车辆的自动控制系 统中。 一1 6 一 东北大学硕士学位论文第三章智能车速里程表的硬件设计 第三章智能车速里程表的硬件设计 3 1 系统总体设计 仪表总体原理框图如图3 1 所示 图3 1 系统原理框图 f i g 3 1 s k e t c hd i a g r a mo f s y s t e m 整个系统以单片机为核心，由液晶显示、多功能监测测器、信号调理、光电 隔离等部分组成。从转速传感器得到微弱的电信号，经过信号调理电路的放大整 形处理，转变成单片机能够接受的信号，通过单片机的计算和控制，可实现车速 和里程的显示。多功能监控器在这里实现的是电压监控、对c p u 是否正常工作进 行监控以及实现数据的存贮。为了防止外界对系统的干扰采用了光电耦合器。 3 2 单片机的选用 3 2 1 现有的主流单片机概述 m c s 5 l 系列单片机是i n t e l 公司在2 0 世纪8 0 年代初研制出来的，很快就在 全世界得到广泛的推广应用。十多年来，m c s 5 1 系列单片机无论在教学、工业控 制、仪器仪表、信息通信，还是在交通、航运、家用电气领域，都取得了大量的 应用成果。i n t e l 公司虽然已经把精力集中在计算机的c p u 生产上，而渐渐放弃了 一】7 一 东北大学硕士学位论文第三章智能车速里程表的硬件设计 微控制器的生产。但是，以m c s 一5 1 技术核心为主导的微控制器技术已被 a t m e l ，p h i l i p s 等公司所继承，并且在原有基础上又进行了新的开发，从而产生 了和m c s 5 1 兼容而功能更加强劲的微控制器系列。a t m e l 公司所生产的8 9 系 列单片机就是基于i n t e l 公司的m c s 5 l 系列而研制的并与m c s 5 1 兼容的微控制 器系列。 a t m e l 公司是美国在2 0 世纪8 0 年代中期成立并发展起来的半导体公司。该 公百：j 的技术优势在于f l a s h 存储器技术和高质高可靠性生产技术。随着业务的发展， 在2 0 世纪9 0 年代初，a t m e l 公司一跃成为全球最大的e e p r o m 供应商。1 9 9 4 年为了介入单片机市场，a t m e l 公司以e e p r o m 技术和i n t e l 的8 0 c 3 1 单片机核 心技术进行交换，从而取得8 0 c 3 1 核的使用权。a t m e l 公司把自身的先进f l a s h 存储技术和8 0 c 3 l 核相结合，从而生产出了f l a s h 单片机a t 8 9 c 5 1 系列。这是一 种内部含f l a s h 存储器的特殊单片机。由于它内部含有大容量的f l a s h 存储器，所 以，在产品丌发及生产便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也 足h 鲋取代传统的m c s 一5 1 系列单片机的主流单片机之一1 6 j 。 3 2 2 单片机的选用 本系统在数抛处理上速度要求不是很高，8 位机即可。单片机采用美国a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机。该芯片不仅具有m c s 5 l 系列单片机的所有特性， n j 且片内集成有2 k 字节的电擦除闪烁存储器。其价格低、引脚少，是目前性能价 f 比较高的单片机芯片之一。 a t 8 9 c 2 0 5 l 是一带有2 k bf l a s h 可编程、可擦除只读存储器( e e p r o m ) 的 低压、高性能8 位c m o s 单片机，结构如图3 3 所示。 它采用a t m e l 的高密非易失存储技术制造，并和工业标准m c s 51 指令集和 引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的c p l l 和f l a s h 存储器，使a t 8 9 c 2 0 5 1 成为一强劲的微型汁算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活和成本低的 解决办法。 a t 8 9 c 2 0 5 l 提供以下标准功能；2 k b f l a s h 存储器；1 2 8 字节r a m ；1 5 条i o 引线；2 个1 6 位定时器计数器；一个5 向量2 级中断结构；1 个全双工串行口； 一个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路。此外，a t 8 9 c 2 0 5 1 是用可降到0 频率的静态逻辑操作设计的，并支持两种可选的软件节电方式。空闲方式停止c p u 1 8 一 东北大学硕士学位论文第三章智能车速里程表的硬件设计 工作，但允许r a m 、定时器计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式保存 r a m 内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其它的部件的工作直到下一个硬件复 位。 3 2 2 1 主要性能 1 ) 和m c s - - 5 1 产品兼容。 2 ) 2 k b 可重编程f l a s h 存储器。 3 ) 耐久型：1 0 0 0 次写擦除。 4 ) 2 7 6 v 的操作范围。 5 ) 全静态操作：0 h z - 2 4m h z 6 ) 2 级加密程序存储器。 7 ) 1 2 8 8 位内部r a m 8 ) 1 5 条可编程i o 引线。 9 ) 2 个1 6 位定时器计数器。 l o ) 6 个中断源。 1 1 ) 可编程串行u a r t 通道。 1 2 ) 直接l e d 驱动输出。 1 3 ) 片内模拟比较器。 1 4 ) 低功能空载和掉电方式。 3 2 2 2 引脚功能说明 a t 8 9 c 2 0 5 1 的引脚结构如图3 2 所示。 p d i p ，s o i c r s t d目 ( r x d ) p 3 0 qp 疆x d p 3 iq臼 x t a l 2q 芦 ( 删宴皇 。嘲潮垦 t ”p 3 5 鸟色 g n d qp 图3 2a t 8 9 c 2 0 5 1 的引脚结构 f i g 3 2 p i nd i a g r a mo f a t 8 9 c 2 0 51 一1 9 一 n na a ，石j402川崩j豁nnh刑门b 东北大学硕士学位论文第三章智能车速里程表的硬件设计 3 ) p 1 口：