纪宝亮汽车行驶记录仪设计毕业设计说明书12.doc

学学 号：号：200801010122 hebei united university 毕毕业业设设计计说说明明书书 graduate design 设计题目：设计题目：汽车行驶记录仪设计汽车行驶记录仪设计 学生姓名：纪宝亮学生姓名：纪宝亮 专业班级：专业班级：08 电电 1 学学 院：电气工程学院院：电气工程学院 指导教师：屈指导教师：屈 滨滨 职称职称 2012 年年 05 月月 30 日日 摘要 i 摘要摘要 汽车行驶记录仪是一种特殊的数字式电子记录装置，它可以对车辆行驶速 度、时间、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息进行记录存储，然后通过usb 和rs232接口实现数据输出。汽车行驶记录仪的使用不仅可以遏止交通违章、约 束驾驶员不良驾驶习惯，而且可以有效地预防道路交通事故的发生，并为执法 人员进行事故的分析、处理提供科学、可靠的原始数据，因此在交通运输管理 中发挥着十分重要的作用。针对目前汽车行驶记录仪的研究现状，本文设计和 实现了一种基于51单片机的汽车行驶记录仪，该汽车行驶记录仪具有实时性好、 可靠性商、价格低廉等特点。 本文主要内容： 介绍了汽车行驶记录仪的一些主要器件的功能、性能和使用，深入地研究 了usb技术。完成了数据采集模块的软、硬件制作及调试。文中对该系统中各个 软件模块的功能及实现进行了详细的描述，并给出了相应的结构图。 关键词关键词： 汽车行驶记录仪 单片机 数据采集系统 河北联合大学电气工程学院 ii abstract vehicle traveling data recorder(vtdr) is a special digital electronic recorder which used to acquire and store vehicles traveling speed、time、distance and other related status information，and then transmit data via usb and rs232 interfacethe use of vehicle traveling data recorder can not merely halt the break in traffic rules and regulations, restrain the drivers from being drive at bad habit，and call prevent the traffic accident effectively ,it call also offer scientific, faithful initial data for the tipstaffs carries on the accidentsso it plays a very important role in transportation managementaimming to the actuality of the vtdr research，a vtdr is designed in this paper which bases on the 51 mcuit also has some characteristics such as realtime、high dependability and less cost in this article we introduced the basical knowledge of the usb technique and the fat(file allocation table) file systemwe also introduce the function，performance and usage of the main ic used in this systemi have finished my usb modules making and debuggingin this article we have give the detailed description of the firmware and give some advices of hardware and software making and debugging. keywords：vehicle traveling data recorder；single chip microcomputer；system of data collected 摘要 iii 目录 摘要.i abstract.ii 第 1 章 绪论.1 1.1 汽车行驶记录仪的发展历程 .1 1.1.1 汽车行驶记录仪的起源 .1 1.1.2 汽车行驶记录仪在我国的发展情况 .1 1.1.3 汽车行驶记录仪的发展前景.1 1.2 汽车行驶记录仪的基本情况 .2 1.2.1 汽车行驶记录仪的功能.2 1.2.2 汽车行驶记录仪的结构.2 1.3本系统的设计目标和特点.3 第 2 章 系统总体方案设计.4 2.1 系统的设计原则 .4 2.2 记录仪性能要求 .4 2.2.1 电气性能要求 .4 2.2.2 数据分析软件性能要求 .5 2.3 设计方案的选择 .6 2.3.1 微控制器的选择 .6 2.3.2 系统电源设计方案选择 .7 2.4 系统的总体结构图 .7 第 3 章 数据采集系统硬件设计.8 3.1 速度传感器及其接口电路 .8 3.1.1 速度测试原理.9 3.1.2 速度的测量方法.9 3.1.3 速度信号接口电路.14 3.2 开关信号的获取及接口电路 .14 3.2.1 并串转换芯片 cd4021.15 3.2.2 实现电路.16 3.3 电源设计 .17 3.3.1 直流变换器的电路结构及工作原理 .18 3.3.2 dcdc 转换芯片 mc34063 .22 河北联合大学电气工程学院 iv 3.4 温控电路 .25 3.5 系统实时时钟和暂存器 .26 3.5.1 i2c 总线的基本原理 .26 3.5.2 实时时钟日历芯片 pcf8583 .30 3.5.3 串行 e2prom at24c16 .36 3.6 点火信号的获取 .38 第 4 章 数据存储系统硬件设计.40 4.1 键盘显示电路 .40 4.2 数据存储器设计 .41 4.2.1 at45d041 的引脚配置和引脚说明.41 4.2.2 器件的工作原理 .42 4.3 双机通信 .45 第 5 章 系统软件设计.46 5.1 通讯协议 .46 5.2 单片机软件 .46 5.3 系统的机软件 .48 5.3.1 系统机的读写 ic 卡子程序 .49 5.3.2 用户操作界面 .51 第 6 章 结论.52 参考文献.53 致谢.54 第 1 章 绪论 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 汽车行驶记录仪的发展历程汽车行驶记录仪的发展历程 1.1.11.1.1 汽车行驶记录仪的起源汽车行驶记录仪的起源 欧盟、日本等国家早在20世纪70年代就开始以立法的形式在部分客运车辆 及货车上强制安装使用记录仪，我国从80年代后期开始，在少数地区也曾试用 过由国内一些科研机构及企业自主研制的数字记录仪。随着我国国民经济的快 速发展，我国道路交通事故也呈上升趋势，尤其是长途客运车辆的重、特大道 路交通事故增多，带来了巨大的经济损失。为此，我国从2003 年9 月1 日开始 实施了汽车行驶记录仪国家标准gb/t 19056-2003 很多地方政府也对车辆安装 行驶记录仪做了强制性规定。 1.1.21.1.2 汽车行驶记录仪在我国的发展情况汽车行驶记录仪在我国的发展情况 目前国内的汽车行驶记录仪每台售价已经由过去的三四千元，降至七八百 元，主要式样有两种型式：独立式行驶记录仪、有与 gps 合而为一的，基本上 用 u 盘录制，随时可以通过电子计算机或笔记本电脑解读，无论那种型式都与 电信网络联网运行，能连续工作 360 小时（15 天）以上、记录车速范围： 0 - 255km/h，行驶里程测量范围：0 - 999999.9km。适应性比较宽泛，安装使用起 来都很方便。由于记录仪能够实时地记录车辆运行和驾驶员驾驶活动的有关信 息非常便捷，它可在遏止疲劳驾驶、车辆超速等严重交通违章、约束驾驶人员 的不良驾驶行为、预防道路交通事故、保障车辆行驶安全、提高营运管理水平 等诸多方面发挥着重要的作用。 1.1.31.1.3 汽车行驶记录仪的发展前景汽车行驶记录仪的发展前景 现在，我国正在积极推进汽车行驶记录仪安装使用和监管工作，上海、广 州、深圳、西安、哈尔滨等地还将 gps 卫星定位系统与汽车行驶记录仪组合使 用，在网络的强大支持下，实现实时跟踪监控，使道路交通事故逐年下降。在 我国很多城市都可以进行汽车行驶记录仪的自主研发设计和生产。也使汽车行 河北联合大学电气工程学院 2 驶记录仪的功能和质量不断完善和提高，有了不断创新和进步的发展趋势。汽 车行驶记录仪将会有很大的应用范围和发展前景。 1.21.2 汽车行驶记录仪的基本情况汽车行驶记录仪的基本情况 1.2.11.2.1 汽车行驶记录仪的功能汽车行驶记录仪的功能 l、实时时钟：记录仪提供北京时间的日期和时钟，该日期和时钟被用于为记录 仪实现所有功能(记录、输出、数据通信等)标注日期和时间；记录仪可对连续 驾驶时间进行记录；连续时间 24h 的误差5s 以内。 2、车辆行驶状态、速度的测量、记录、存储：记录仪以 02s 的时间间隔持续 记录并存储停车前 20s 实时时间对应的车辆行驶速度。其中速度的记录单位为 kmh，测量范围为 o220 kmh，测量分辨率为 l kmh。记录汽车每次的刹 车时间及刹车时的车速。这些详细的数据将作为事故疑点数据，为查明事故原 因提供第一手资料：当车速传感器输出的脉冲信号超过 5 脉冲s 并持续 5s 以 上时，则认为车辆处于行驶状态，否则为停止状态。记录仪以 l min 的时间间 隔持续记录并存储车辆在最近 720h 内的行驶速度数据，其中车速是以 l min 的 间隔记录实时时间相对应的每分钟间隔内的平均行驶速度值；对车速的记录误 差不大于5kmh。 3、数据通信：单片机与 pc 机之间的数据传输。 4、pc 机的数据库软件的设计：接受记录仪存储的数据，并进行数据库管理和 数据处理。 1.2.21.2.2 汽车行驶记录仪的结构汽车行驶记录仪的结构 记录仪主要由主机、车速传感器和数据分析软件三部分组成。 主机由微处理器、数据存储器、实时时钟、显示器、操作键、打印机和数 据通信接口等装置组成。如果主机本体上不包含显示器、打印机，则应留有相 应的数据显示和打印输出接口。主机实现国标规定的车辆行驶速度、时间、里 程等信息的 记录、存储、显示、打印、数据通信接口输出数据功能。 车速传感器主要实现车辆速度信号采集的功能。 第 1 章 绪论 3 数据分析软件应全部使用中文界面，并具有一定兼容性，能在通用的中 文操作系统中安装使用。数据分析软件具有原始数据读取、查询、统计、图表 生成、参数设置、操作权限管理等功能。 1.31.3本系统的设计目标和特点本系统的设计目标和特点 针对国内目前的情况，在充分理解国家标准：学习和借鉴国内外车载电子 领域已有的成熟经验的基础上，设计了汽车行驶记录仪的电路系统。本系统实 现功能的基本目标有： (1)采用功能强劲、适用性强、搞干扰好的主控制芯片，保证系统的数据处理能 力、实时性及扩展性； (2)深入了解汽车行驶参数、原理及其采集方法，设计数据采集电路，采集汽车 行驶数据： (3)选择合适的数据存储器，搭建数据存储电路，保证数据存储的实时性、准确 性、长期性； (4)设计标准的接口电路，主要包括串口通信电路和usb电路，在时间、能力允 许的范围内可以设计网线接口。其中usb电路是重点，涉及了通信协议和文件协 议，需要仔细应对； (5)协调好其它系统相关电路，如电源、时钟等电路，保证系统在各部分电路共 同作用下正常运行并实现功能； (6)保证系统的抗干扰性，在硬件及软件上都要采取一定的抗干扰措施； (7)编写系统各部分配套软件，包括时钟的设定和读耿、信号的采集、数据标准 格式的存储等程序。 小结：小结：汽车行驶记录仪能完整、准确地记录汽车行驶状态下的有关情况，能将 汽车行驶轨迹完整记录，并通过专用软件在电脑上再现。它不仅拥有事故分析 功能，还能在驾驶员超速行驶时发出超速报警声以提醒驾驶员减速行驶，并详 细记录车辆每次的起动时闻、行驶里程、行驶时问、最高车速以及每次最高车 速的持续时间，方便管理部门根据所记录的有关数据对车辆进行有效的管理， 将会有很大的发展前景和应用空间。 河北联合大学电气工程学院 4 第第 2 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.12.1 系统的设计原则系统的设计原则 1汽车行驶记录仪作为安装在汽车上的实时监控系统，在设计时应考虑到能适 应不同车种的需要，应具有功能强，操作简单，维护方便，价格低廉、低功耗 等特点。 2作为记录汽车行驶状态的专门设备，应具有性能稳定，抗干扰强，记录准确 抗振性强的特点。 3整个系统应具有良好的密封性。 4软件设计应直观，界面友好，容错性强，双机通讯时应有数据校验。 2.22.2 记录仪性能要求记录仪性能要求 2.2.12.2.1 电气性能要求电气性能要求 国标规定，记录仪的主电源应为车辆电源。记录仪必须具备以下几方面的 性能： 1电源电压适应性 在按表11给出的电源电压波动范围进行电压适应性试验时，试验后记录仪 数据记录、显示、打印输出、数据通信等各项功能均应正常。 表2.1电气性能试验参数(单位：伏特) 标称电源电压 电源电压波动范围极性反接试验压 过电压 12 91614o1 24 24 1832 280.236 36 2748 420.254 2耐电源极性反接性能 在表11规定的标称电源电压极性反接试验下，记录仪应能承受1分钟的极 性 反接试验，除熔断器外(允许更换烧坏的熔断器)不应有其他电气故障。试验后 第 2 章 系统总体方案设计 5 记录仪的数据记录、显示、打印输出、数据通信等各项功能均应正常。 3耐电源过电压性能 在表11规定的过电压下，记录仪应能承受1分钟的电源过电压试验。试验 后记录仪的数据记录、显示、打印输出、数据通信等各项功能均应正常。 4断电保护性能 记录仪断电，自动进入保护状态，断电前存储的数据至少经过 15 天不丢失。 2.2.2 数据分析软件性能要求数据分析软件性能要求 国标对记录仪上位机数据分析软件作了明确的规定。但因为本文所研制的 记录仪所记录的数据在国标的基础上有所扩充，相应地，数据分析软件的性能 也必须进行扩充。综合以后，对数据分析软件的具体性能要求如下： 1数据分析软件应全部使用中文界面，并具有一定兼容性，能在通用的中 文操作系统中安装使用。 2数据分析软件应具有原始数据读取、查询、统计、图表生成、参数设置、 操作权限管理筹功能。 3在采集原始数据后，数据分析软件应能生成至少如下图表： (1)事故疑点数据曲线图 内容及记录格式应符合前述对事故疑点数据的要求，曲线图的横坐标为实 时时间及日期，纵坐标为与实时时间对应的车辆行驶速度值和制动状态信号， 曲线图上同时还应包含车牌号码、车牌分类、驾驶证号码等内容。 (2)一般行驶速度记录曲线图 内容及记录格式应符合前述对一般行驶速度记录的要求，其横坐标为实时 时间及日期，纵坐标为与实时时间对应的车辆行驶速度值，蓝线图上同时还应 包含车牌号码、车牌分类、驾驶证号码等内容。 (3)开关量记录曲线图 内容及记录格式应符合前述对开关量记录的要求，其横坐标为实时时间及 日期，纵坐标为与实时时间对应的开关量状态。 (4)数据列表 列表应包含如下内容：符合记录间隔时间要求的实时时间及日期、实时时 间所对应 的车辆行驶速度、开关量状态信息、车牌号码和驾驶人员信息。 河北联合大学电气工程学院 6 2.32.3 设计设计方案的选择方案的选择 2.3.12.3.1 微控制器的选择微控制器的选择 由于整个系统的设计涉及到数据采集、数据传输、数据存储等问题，选用 基于微控制器的系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、还能大大缩 小整个系统的体积。本系统是一个车载系统，需要微控制器有很强的抗干扰能 力，而且要求微控制器内部有看门狗定时器，以便在程序走飞时能自动复位。 执行指令速度要快，以便能高速处理采集到实时数据。有以下方案可供选择： 方案方案 1 1：微控制器选用 at89c51，其外围接口电路简单，成本低，而且它经 过多年的发展，技术也相当的成熟。但是其抗干扰能力低：系统时钟为 12mhz 时，机器周期为 lus，执行指令速度慢，很难实时处理采集到的实时数据。 方案方案 2 2：选用基于 cpldfpga 的控制系统，可以将整个系统固化在芯片内， 从而使系统由电路板级转化为芯片级，使系统的集成化大大提高。系统不仅体 积小、重量轻、功耗低而且整个系统的可靠性也大大提高。但其价格昂贵，使 成本成倍提高。 方案方案 3 3：微控制器选用 microchip 公司的 pic 系列单片机，它是是采用 risc 结构的高性能嵌入式微控制器。它具有的高速度、低工作电压、低功耗、 强大驱动能力、低价格等特点。pic 系列单片机总线结构采取了数据总线和指 令总线分离的哈佛(harvard)结构，具有很高的流水线处理速度；它的精简指令 集结构(risc)使它所有的指令都是单字节，每条指令执行最快可达 200ns，因 此其程序空间的效率比一般单片机高很多，同时具有很高的软件可靠性。它内 部具有通过软件设定即可独立运行的 rc 振荡计时器(监视定时器 wdt)，wdt 超 时将使单片机进入复位状态，这样可以避免程序走飞。 基于以上特点我们选用 picl6f73 单片机。 picl6f73 的特点： (1)八位定时器计数器 tmro，带八位预分频器。 (2)十六位定时器计数器 tmr1，睡眠中仍可计数。 (3)有 1-2 路捕捉输入比较输出pwm 输出(ccp)。 (4)八位定时器计数器 tmr2，带有八位周期寄存器及预分频器和后分频器。 (5)并行口操作。 第 2 章 系统总体方案设计 7 (6)同步并行口 i2c spi。 (7)同步通讯 sciusart 操作。 (8)内置自振式(rc 振荡)看门狗。 2.3.22.3.2 系统电源设计方案选择系统电源设计方案选择 方案 1：采用线性集成稳压器，优点是简单，常用，易于实现；缺点是效率 低(3060)，散热器面积大，用作输出电压平滑滤波的电容器及其电容值 也很大。 方案 2：采用由 dcdc 直流变换器组成的小型开关电源，它不但具有重量轻、 体积小的优点而且具有效率高(70一 85 )的优点。 基于以上的比较，我们在设计中采用由 dcdc 直流变换器组成的小型开关电 源为整个系统供电。 2.4 系统的总体结构图系统的总体结构图 图 2.1 系统的总体结构图如上图 2.1 所示。 数据存储器 单片机 数据通讯 状态指示 键盘显示 开关量信息 及接口电路 速度检测及 接口电路 实时时钟 单片机 开关电源 数据存储系统 数据采集系统 河北联合大学电气工程学院 8 第第 3 3 章章 数据采集系统硬件设计数据采集系统硬件设计 数据采集系统设计主要包括速度信号、开关信号、电源设计及温控电路。 数据采集系统是安装在机动车上，通过线束与相应的信号相连接。数据采集 系统主要采集并传输的信息为刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压、1 号和 2 号 门、报站器、速度等信号。经接口电路将非电量信号转换成电量信号供单片机 识别，单片机通过串口将采集的信息传送到数据存储系统中。 数据采集系统组成框图如图3.1所示，主要完成如下各项任务： 1实时采集速度。 2实时采集开门次数。 3实时采集刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压等使用情况。 4将采集的信息实时地传输到数据存储系统中。 5实时地记录实时时间。 图 3.1 3.13.1 速度传感器及其接口电路速度传感器及其接口电路 汽车变速器输出的速度信号是模拟信号，为了便于处理、存储，将模拟信 号转换为数字信号。系统采用磁电式传感器将速度信号转换为脉冲信号，霍尔 式传感器是利用霍尔元件制成的，霍尔元件是一种磁传感器。用它可以检测磁 场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件以霍尔效应为其工 作基础。霍尔元件具有许多优点，它的结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、 安装方便、功耗小、频率高(可达1mhz)、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐 接口电路 pic 单片机速度接口电路 电池时基电路 电源变换电路 光电隔离 通讯 数据存储系统 数据存储系统 供给 车载电源 速度信号 开关信号 第 3 章 数据采集系统硬件设计 9 雾等的污染或腐蚀等。 3.1.13.1.1 速度测试原理速度测试原理 本系统选用磁电式传感器将速度信号转换为电信号，考虑到传感器的体积 要小，便于安装，误差要尽量减小等要求，我们采用车轮旋转一周速度传感器 要输出若干个脉冲的方法，具体采用速度传感器旋转一周输出三个脉冲的方法。 设车轮系数(车轮半径)为r，传感器半径为r，则车轮旋转一周速度传感器输出 的脉冲个数为n，计算脉冲个数的公式： n=3rr (31) 设采样率为025秒，则o25秒计数器测得的脉冲数(频率)为f， 车轮旋转 圈数为n： n=fn 在02 5秒钟内汽车行驶的距离为l： l=2 rn (32) 在1秒钟内汽车行驶的距离为l1： l1= 4l 在1小时内汽车行驶的距离(速度)为v： v=3600 l1 由于汽车的车轮直径不同，由上面的公式计算出的速度可能与车行的实际速度 相差很多，为此，我们设计一个速度校正系数m，使测得的速度值尽量与实际速 度值接近。由此得出校正后的速度公式vj为： vj=m3600l1 最终的速度计算公式vl为： vl=m360042rf(3rr) (33) 3.1.23.1.2 速度的测量方法速度的测量方法 速度的测量方法有光电法、磁电法等。 光电法测速优点是电路实现简单、易用；但是，其抗外界光线干扰能力差， 而且易受外界灰尘污染，使得测量的准确性大幅度降低。磁电法测速不但不怕 污染，而且器件的寿命长，对外界环境要求低，电路实现简单，体积小，易于 将磁电式传感器与外围器件封装在一起，使得速度传感器的体积大为减小。由 河北联合大学电气工程学院 10 于磁电式传感器以上的优点，我们选用霍尔集成传感器(磁电式传感器的一种) 构成速度传感器。 1 霍尔集成传感器霍尔集成传感器 霍尔集成传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件与测量电路集成在一起， 便成了霍尔集成传感器，它实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感 器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。线性型霍尔传感器输出的是模 拟量，而开关型霍尔传感器输出的是数字量。开关型霍尔传感器又称霍尔数字 电路，由稳压器、霍尔元件、差分放大器，施密特触发器和输出级组成开关型 霍尔集成传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数 字信号。其电路原理线路图如图3.2所示。图中h为霍尔元件，v1、v2及相应电 阻构成差分放大器，将霍尔电压放大几十倍，并消除温度漂移影响，增强抗干 扰能力。v3、v4构成施密特触发器(射 极耦合双稳态触发电路)，将差分放大输 出整形为矩形脉冲，并利用整形中的回差进，一步提高抗干扰能力。v5将整形 后的脉冲倒相放大后加至射极跟随器v6，v6将输出级和放大管v5隔离，以免带 负载时影响霍尔开关集成电路性能，v8、v7构成双管集电极输出，可同时输出 两个功能相同、电平一致的信号，增加了使用上的方便。由于霍尔开关为集电 极开路输出，因此正常工作时必须在引脚“3”与“4”之间或“2”与“4”之 间接上负载电阻，两个集电极输出端也可以并联使用，此时输出电流能力增加 一倍。霍尔开关正常工作时，常态应处“截止状态”，而不宜处于“导通状态” ，这样可以延长使用寿命。 为防止电源线干扰，引脚“1”与“4”之间可加接一个o.005 uf0.01 uf的吸收电容。 图 3.2 霍尔开关集成电路原理线路如图 3.2。 本系统采用的是开关型霍尔传感器，其内部框图如图 3.3 所示。 第 3 章 数据采集系统硬件设计 11 图 3.3 在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值bop时，霍尔电路输出管导 通，输出低电平。之后，b再增加，仍保持导通态。若外加磁场的b值降低到 brp。时，输出管截止，输出高电平。我们称bop为工作点，brp为释放点，bop- brp=bh称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。它的输出特性如 图3.4所示。 图 3.4 为开关型霍尔传感器的输出特性 2 2 霍尔传感器的选择霍尔传感器的选择 由于霍尔集成式传感器具有可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等优点， 因此，在速度传感器中我们选用开关型霍尔集成式传感器。霍尔传感器是本系 统的重要组成部分，在选择霍尔传感器时，一定要选择工作温度范围宽，寿命 河北联合大学电气工程学院 12 长，稳定性好的霍尔集成式传感器。在本系统中我们选用了ugs一3040t霍尔集 成式传感器。 ugs一3040t的特性 电源电压45v24v： 工作温度范围-4 0125 ： 阈值(工作点)磁通典型值150 g； 释放点磁通典型值100g： 最大输出电流25ma。 环境温度对工作点和释放点的影响的特性曲线如图 3.5 所示。 图3.5 环境温度对工作点和释放点的影响 ugs 一 3040t 的输出特性曲线如图 3.6 所示。 图 3.6 ugs 一 3040t 的输出特性曲线 第 3 章 数据采集系统硬件设计 13 3.3. 速度传感器速度传感器 1 速度传感器的原理 速度传感器是由霍尔集成式传感器、一个磁屏蔽叶轮、一个永久磁铁或磁 极组成。当磁屏蔽叶轮的一个叶片转到磁铁和霍尔集成式传感器之间的空隙时， 磁场就中断了；当磁屏蔽叶轮的一个窗口转到磁铁和霍尔集成式传感器之间的 空隙时，允许磁场通过，并不受阻碍的传到霍尔集成式传感器上。磁屏蔽叶轮 的窗口开和闭遮断磁场，导致霍尔集成式传感像开关一样接通和关断。其原理 图如图3.7所示，其内部结构图如图3.8所示。 图3.7速度传感器的原理图 图3.8速度传感器的内部结构图 2 电路实现 速度传感器的电路原理图如图4-8所示，由于ugs一3040t为集电极开路输出， 因此集电极需加上拉电阻r1。为增强霍尔集成式传感器输出级的带负载能力及 保护传感器，电路中增加小功率管q1。整个电路采用车载12v电源供电，为配合 速度信号处理电路，采用稳压管d1将信号限制在05v之问，便于单片机连接。 图3.9 速度传感器的电路原理图 河北联合大学电气工程学院 14 3.1.33.1.3 速度信号接口电路速度信号接口电路 为增强速度信号的抗干扰性，进一步提高测量速度信号的准确性，系统采 用了如图4-9所示的为速度信号接口电路，整个电路包括射极跟随器、迟滞比较、 光电隔离三部分。由速度传感器采集到的速度信号经过稳压管z1使信号幅度限 制在 05v之问，然后送入射随器、迟滞比较器，通过迟滞比较器的回差电压，消除 了外界信号的干扰。由图可知，速度信号经处理后，又经光耦进行光电隔离后 送入单片机的计数器输入端口p25(tock口)，由单片机定时读取计数器值，通过 计算得到汽车行驶速度。 图 3.10 为 速度信号的接口电路 图 3.10 3.23.2 开关信号的获取及接口电路开关信号的获取及接口电路 开关信号主要包括刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压、1号和2号门、报站 器等信号。开关信号仅有两个状态，为1或0。为了获取稳定的开关量，减少误 差，提高系统的抗干扰性，采用具有置位和清位的触发器，这样可以消除因外 界干扰而引起触发器的误动作。 第 3 章 数据采集系统硬件设计 15 3.2.13.2.1 并串转换芯片并串转换芯片 cd4021cd4021 cd4021引脚配置和引脚说明如图3.11所示，表3.1为cd402l引脚功能表。 表3.1为cd402l引脚功能表 引脚名称引脚功能 1、4、5、6、7、13、 14、15 d7、d3、d2、d1、d0、d4、d5、d6并行输入端 2、3、12q5、q7、q6串行输出端 9 ps-并串 选择 10clock 时钟 11ds/sin 串行数据输入 8vss 电源地 1 6vdd 电源 图 3.11 河北联合大学电气工程学院 16 3.2.23.2.2 实现电路实现电路 开关信号的实现电路原理图如图3.12所示。由图可知，所有的开关信号， 经过电阻排rr1、rr3和电阻r101、r102、r103、r104、r105、r106分压、限流 之后送入处理电路。图中k7、k8、k9、kio为开关门信号输入，系统采用具有清 零、置位的d触发器，当1号门k7或2号门k9打开时，d触发器u2a或u2b的s端为高 电平，使触发器输出为高电平；当1号门k8或2号门kio关闭时，d触发器u2a或 u2b的r端为高电平，使触发器输出为低电平。系统采用两路门控信号并接到一 起，无论哪一个门打开，整体输出都为高电平。采用d触发器可以有效地消除外 界尖峰脉冲信号的干扰。bry为报站信号，经三极管n1、pl后，送入并串转换 芯片cd4021。 其余的开关信号直接送入cd4021。经过cd4021将并行信号转换为串行信号再经 过光电隔离后送入单片机的rb1口。 第 3 章 数据采集系统硬件设计 17 图 3.12 开关信号接口电路 3.33.3 电源设计电源设计 系统采用双路电源供电，为提高电源的效率、增加电源的可靠性和减小电 源的体积，我们采用dcdc集成芯片mc34063构成的降压式直流变换器(开关电 源的一种)为整个系统供电。 河北联合大学电气工程学院 18 3.3.13.3.1 直流变换器的电路结构及工作原理直流变换器的电路结构及工作原理 1 1 直流变换器的电路结构直流变换器的电路结构 变换器通常是指一种直流电压变换设备，其中可以把直流电压转换成各种 不同直流电压的设备称为直流一直流变换器(通常简称为直流变换器)，能把直 流电压转换成交流电压的设备则称为直流-交流变换器，又称为逆变器。dcdc 变换器的种类繁多，分类方式也各不相同。按电路结构形式分，有降压式直流 变换器、反相式直流变换器、升降式直流变换器、c uk直流变换器、单端直 流变换器和双端直流变换器。而单端直流变换器又可分为正激式和反激式；双 端直流变换器又可分为推挽式、半桥式和全桥式。按功率管的激励方式分，有 自激式和他激式直流变换器。按所采用的功率器件分，有晶体管直流变换器、 功率场效应管直流变换器及晶闸管直流变换器等。在负载对直流电源的稳定度 要求不高，而且负载电流变化不大的场合，直流变换器的输出可以直接向负载 供电，而不必再采取稳压措施。当负载对直流电源的稳定度要求较高时，为了 获得稳定的输出电压，通常需要在直流变换器后面或前面再加入另外的稳压电 路，如图3.13(a)、(b所示。这两种电路总的功率损耗包含了变换器和稳压器两 级的损耗，降低了效率。为了提高效率可采用如图3.13(c)所示的既能完成直流 电压变换，又兼有稳压功能的控制式直流变换器，事实上它就是通常所说的开 关稳压电源的一种形式控制式直流变换器按其控制方式的不同，可分为脉冲宽 度调制(pwm)型；脉冲频率调制(pfm)型、混合调制型(即脉宽和脉频同时改变) 等三种类型，其中尤以脉宽调制型最为盛行。 第 3 章 数据采集系统硬件设计 19 图 3.13 直流变换器稳压方式框图 2 2 降压式直流变换器的工作原理降压式直流变换器的工作原理 降压式直流变换器是由起开关作用的功率三极管bg、储能电感l、续流二极 管d、滤波电容c。、负载电阻r。和其控制电路组成，如图3.14所示。 图 3.14 降压式直流变换器电路原理图 图3.14 降压式直流变换器电路原理图设其输入端电源的直流电压为u，而 输出端负载的直流电压为u。，三极管bg的基射极之间加的是由控制电路送来的 周期为t的脉冲信号u。电路的工作状态由脉冲信号u。控制，其有关的电压和 电流的波形如图3.15(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。在工作过程中，当加于bg 河北联合大学电气工程学院 20 基极的控制脉冲为正向电压时，bg饱和导通，其集电极电流通过储能电感l向负 载r。供电，同时向c。充电。在c。充电的过程中，l内的电流逐渐增加，磁场 能量也逐渐增加，l两端产生出一个左正右负的自感电势。而续流二极管d因反 向偏置而截止。经过t。时间以后，加于bg基极的控制脉冲为与反向偏压，使bg 截止，l中的电流减小，l两端产生出一个左负右正的自感电势，使d导通，储能 电感l便把原先储存的磁能转换成电能通过续流二极管d供给负载rl，当负载电 压低于co两端的电压时，co便向负载放电。经过时间t。后，控制脉冲又使bg导 通，上述过程重复发生。 3 3降压式直流变换器输入与输出电压之间的关系降压式直流变换器输入与输出电压之间的关系 当控制信号使bg导通时，电感l中的电流从最小值ilv线性增加到最大值 ilp； 图 3.15 降压式直流变换电路的有关波形 当控制信号使b(；截止时，电感l中的电流又从最大值i。线性下降到最小 值i。假设bg具有理想的开关特性，其正向饱和压降可以忽略，由图414及相 关波形可知： 第 3 章 数据采集系统硬件设计 21 (1)bg导通期间，电感l两端的电压为： ul=l=ui-uo dt dil 由此可以得出： il= +ilvtdt l uoui l uoui 式中，起始值ilv是bg导通前流过l的电流。当t=t时，bg导通状态截止，l中的 的电流达到最大值ilp即 ilp= ton + ilv l uoui (2)bg截止期间，电感l中的电流通过续流二极管d向负载提供电流，假如忽略d 的正向压降，则可得出电感l两端的电压： ul=l=uo dt dil 出由此可以得出 il= +ilpdt l uo t l uo 式中，初始值i。为bg截止前流过l的电流。当t=ton时，bg截止状态终止，l中 的电流下降到最小值ilv即 ilv = toff +ilp l uo (3)u。与ui关系式 将(1)式代入(2)式，并解出u。便得到u。与u，的关系式为: uo= ui=qui=ftonui offon on tt t 式中ton：开关管导通时间； toff： 开关管截止时间； t： 开关管的工作周期； f： 开关管的工作频率； q： 开关占空比，q=fton (4)uo的调节 由于占空比q总是小于1的，所以在图3.14的电路中，其输出电压的平均值uo 总是小于输入电压的平均值ui的，因此称为降压式直流变换器。由(3)可知，输 河北联合大学电气工程学院 22 出电压uo与占空比q成正比，所以通过改变占空比q可以控制uo的大小。当输入 电压ui以及负载电流io变化时，可以通过闭合的反馈控制回路自动地调整占空 比来使输出电压uo维持稳定不变。调整占空比的方法有三种： 保持工作周期t不变，调整导通时间ton成为脉冲宽度调制。 保持开关导通时间ton不变，调整工作频率f，称为脉冲频率调制。 既改变ton也改变f，称为脉冲宽度频率混合调制。 以上三种方法中，脉冲宽度调制的方法应用最多。 3.3.23.3.2 dcdcdcdc 转换芯片转换芯片 mc34063mc34063 mc34063是motorola推出的一款高性能、外围电路简单的dcdc转换芯片。 可组成降压式、升压式或电压反转式开关电源。其输入电压范围为340v；工 作电流典型值为25ma；内部开关管电流1.5a；输出电压可设定或连续可调； 工作频率由外设电容(ct)确定，最高100khz；内部有精度为2的1.25v基准电 压源，并有输出电流限制电路。 1 1引脚配置和引脚说明引脚配置和引脚说明 引脚配置如图3.16所示，引脚功能如表3.2所示。 图 3.16 表3.2 mc34063引脚功能 引脚名称 引脚功能 第 3 章 数据采集系统硬件设计 23 1iswc 变换器集电极 2iswe 变换器发射极 3tc 定时电容器 4gnd 电源地 5comp/vin 比较器反相输入 6vcc 电源 7ipk ipv检测 8idc 驱动器集电极 2.2.工作原理工作原理 图 3.17 mc34063开关电源电路原理图 由mc34063构成的开关电源电原理图如图3.17所示。虚线框内是dc-dc电路 芯片mc34063，外围元件电感l、二极管vd、输出电容cout及r1和r2分压器组成。 把晶体管vt看作开关，则其工作状态如图3.18所示。当vt饱和导通时，可看作 开关闭合，输入电压vin经电感l形成回路，电感中储存能量，如图3.18 (a)所 示；当vt截止时，vin与电感产生的反向电势叠加后，通过二极管向输出电容 河北联合大学电气工程学院 24 cout充电，cout上的电压大于输入电压,如图3.18(b)所示。r1和r2组成的分压器 测输出电压的变化，将此电压反馈到控制器来改变开关管导通的时间，以脉调 宽方式保持输出电压稳定。 图 3.18 mc34063 的工作状态图 3 3电路实现电路实现 本系统电源采用脉宽调制的方法来保持输出电压的稳定，工作频率为 35khz，供电电路如图3.19所示