[CAD图纸全套]节能车竞赛车（HLJIT-3A型）电器系统设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 本文介绍的节能车竞赛车（ ）电器系统设计分为节能车车速里程表的设计和对点火系统的改进两个部分。其中，里程表设计以单片机和霍尔开关传感器为核心，再利用 件进行 C 语言编程。传感器将不同车速转变成的不同频率的脉冲信号输入到单片机进行控制与计算，再采用 块进行显示，使得节能竞赛车的最大车度、平均车速、瞬时车速、里程、圈数、时间等辅助驾驶参数能直观的显示给驾驶员，能够更佳有效、可靠的帮助驾驶员完成比赛。 对点火系统的改进则是将原来的 火器（电容放电式点火器）改进成自 动进角直流点火器。与原 火器相比，自动进角直流点火器点火能量更大，更稳定，点火时刻更准确，增加了点燃冲程和排气冲程的点火触发次数，这样发动机混合气燃烧十分充分且更节能更节省燃料，不会出现燃烧不彻底、火花塞积碳不能正常工作等现象。并且该点火器接线简单，安装方便，性能稳定，少受外界温度与湿度的影响，有自动变角功能，变角曲线好，适应发动机转速工况等优点。 关键词： 单片机； 示屏；霍尔开关传感器； 流点火器 黑龙江工程学院本科生毕业设计 of to at a of to to to CD to to to of DI to DI of C of so is so to is to so 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 1 题背景、目的及意义 . 1 统设计概述 . 1 章节的安排 . 2 第 2 章 节能车车速里程表的硬件设计 . 3 速里程表设计的总体概述 . 3 程表系统设计总框图 . 3 速传感器的选择 . 4 3144E 的特性 . 5 3144E 芯片的引脚及功能 . 5 3144E 的磁输入检测 . 6 3144E 的导通距离测量 . 6 件电路的设计 . 7 片机最小系统 . 7 片机最小系统的机构 . 8 片机最小系统的性能 . 9 晶显示模块 . 10 要技术参数和显示特性 . 10 示模块引脚说明及连接 . 11 章小结 . 12 第 3 章 节能车车速里程表的软件设计 . 13 件编程的总体设计 . 13 件流程图 . 13 据处理 . 15 黑龙江工程学院本科生毕业设计 程表各部分程序 . 15 程序 . 15 口中断服务程序 . 17 示模块程序 . 18 速系统程序 . 23 断服务程序 . 26 幕切换与 序 . 27 章小结 . 31 第 4 章 点火系的优化与改进 . 32 能竞赛车点火系的现状分析 . 32 前点火系（ 在的问题分析 . 32 决 火器存在问题的基本思路 . 34 进后的自动进角直流点火器 . 35 进后点火器的优点及安装方法 . 38 火器改进后所具备的优点 . 38 火器的安装方法 . 38 章小结 . 38 结论 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 42 附录 . 43 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 买文档送全套 纸，扣扣 414951605 第 1 章 绪 论 题背景、目的及意义 为了提高我校节能竞赛车的整体设计与可以在大赛中获得更好的成绩，那么电器系统的提高和完善是具有必然意义的。电器系统的改善，可以使驾 驶员获得更多的辅助驾驶参数，这些参数有助于驾驶员更好的驾驶，并且可以使驾驶员对整车的工作状况有所掌握与了解。 目前我校的节能竞赛车电器系统是由摩托车的电器系统简单改装而来，点火系统是电容放点式点火系统（ 并且行驶里程表是由一块码表来代替，目前节能竞赛车的电器系统现状可以说是比较简陋和落后的，而本次设计是要改善节能车的点火系统和增加转速测量系统，即数字型里程表。 改善后的电器系统将会给节能车的整体水平及竞技水平提升到一个新的高度，更增加了一些色彩和亮点，也将使我校的节能车在大赛中更具有竞争力，获得更好 的佳绩。而在汽车技术发展日新月异的今天， “节能、环保、安全 ”已成为未来汽车工业发展的主题，而节能车大赛的目的便是让我们这些身在大学校园中的学子们通过实践和竞赛体会节能的意义。因此，尽早的认识到减少能源消耗与降低污染对未来的汽车发展方向具有重要的实际意义。 统设计概述 本设计中，车速测量系统我们以 片机为控制核心，采用霍尔开关传感器检测节能车轮胎的运转情况，通过一定的采集信号和计算后，由 晶显示屏显示节能车的车速、里程、时间等辅助驾驶参数。本设计中，计数的正确性决定了本装置的精度 ，如何在复杂的环境中得到正确的计数脉冲，是本设计的难点，初步的解决办法是在硬件上进行合理的滤波，软件上利用 行一定的算法处理和 C 语言的编写；而点火系统的设计中，采用自动进角直流点火器，此点火器电路由振荡器电路、控制电路、电容放电电路、提前角控制电路、触发信号处理电路等五部分组成。自动进角点火器能使发动机的性能明显提高。 本设计中的里程表的设计具有结构简单，成本低廉，显示清晰，稳定可靠等优点，并且可进行扩充，加入时速表的功能，更加方便的了解驾驶员当时所处的情况；而改黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 进后的自动进角直流点火器启动性能大大 优于普通的交流点火器，具有怠速更加稳定，高速明显提高，震动降低，更省油等优点。 章节的安排 第一章叙述了节能车里程表的背景、发展、意义以及本自行车里程表的概述。 第二章介绍了节能车里程表的设计方法与研究，介绍了节能车里程表的总体设计思想 ,电路图及其原理 ,硬件实现。主要是对设计中所需设备的详细介绍，包括霍尔开关传感器、单片机最小系统、脉冲测量、及 晶显示屏。具体为：介绍霍尔开关传感器的基本原理 ,单片机最小系统的基本结构 ,工作原理及其性能；脉冲测量的算法及其实现， 晶显示屏的工作原理。 第 三章是节能车里程表的软件实现部分，主要介绍单片机编程实现频率测量、车速、里程、时间、行驶圈数、平均车速、最大车速的功能。 第四章是对点火系的优化与改进，与现有点火系的对比，改进后的优点以及自动进角直流点火器的工作原理等。 总结，是介绍了本设计实现的功能，阐述本课题的现实意义，以及对未来节能车里程表技术的展望。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 第 2 章 节能车车速里程表的硬件设计 速里程表设计的总体概述 本系统是由数据采集，单片机控制系统，显示电路显示， 3 部分构成。其中数据的采集是由霍尔开关传感器来完成的，它的输出是 0、 1 高低 电平，经过霍尔开关传感器内部集成电路进行滤波整形后就向单片机系统提供转速信号。其中关键的处理由单片机系统来完成，单片机将对 的信号进行计数，当计数的脉冲达到设定值的时候， 请中断，对外输出信号，输出的信号由显示部分送 示屏进行显示，显示当前的行驶里程、车速、时间等情况。在本次行驶过后关掉电源开关，所有数据清零，以便下次驾驶员行驶时更加方便、有效的读取数据，以上所诉就是整个系统的总体设计思想。 利用霍尔元件对里程和车速进行测量。将霍尔元件安装在车前轮的一侧，在车圈侧面等间隔贴若干个磁铁 。当磁铁经过霍尔元件时，霍尔元件输出端的电压发生变化产生高低电平，单片机根据脉冲数来计算里程。霍尔元件不受天气的影响，即便被泥沙或灰尘覆盖对测量也不会有任何影响。霍尔开关传感器具有输出响应快、体积小、安装方便、性能可靠、不受光线、泥水等因素影响，价格便宜的优点。 该设计能实时地将所测的累计里程数显示出来，主要是将传感器输入到单片机的脉冲信号的频率（传感器将不同车速转变成不同频率的脉冲信号）实时地测量出来，考虑到信号的衰减、干扰等影响，在信号送入单片机前开关型霍尔开关传感器内部的集成电路对其进行放大整形，然后 通过单片机计算出里程，并由 示模块交替显示所测里程。本设计的里程数的算法是一种大概的算法（假设在一定时间内自行车是匀速行进，平均速度与时间的乘积即为里程数）。 设计时，应综合考虑测速精度和系统反应时间。本设计用测量高低电平的频率来计算速度，因而具有较高的测速精度。在计算里程时取了节能车的理想状态。实际中，误差控制在几米之内，相对于整个里程来说不是很大。另外，还应尽量保证其他子模块在编程时的通用性和高效性。本设计的里程值采用 4 位显示。 程表系统设计总框图 如图 示，为里程表设计总框图， 明确了里程表的设计思路。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 图 统总框图 速传感器的选择 对车速进行检测的传感器目前被广泛使用的有三种，分别是磁电式车速传感器、霍尔式车速传感器、光电式车速传感器。 磁电式车速传感器是一个模拟交流信号发生器，它们产生交变电流信号，通常由带两个接线柱的磁芯及线圈组成。这两个线圈接线柱是传感器输出的端子，当由铁质制成的环状翼轮 (有时称为磁组轮 )转动经过传感器时，线圈里将产生交流电压信号。磁组轮上的逐个齿轮将产生一一对应的系列脉冲，其形状 是一样的。输出信号的振幅(峰对峰电压 )与磁组轮的转速成正比 (车速 )，信号的频率大小表现于磁组轮的转速大小。 霍尔效应传感器 (开关 )在汽车应用中是十分特殊的，这主要是由于变速器周围空间位置冲突，霍尔效应传感器是固体传感器，它们主要应用在曲轴转角和凸轮轴位置上，用于开关点火和燃油喷射电路触发，它还应用在其它需要控制转动部件的位置和速度控制电脑电路中。 光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。 一个以光电三极管为基础的放大器为发动机 控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号 (开关脉冲 )。 综合节能竞赛车的特点和功能需求，本次设计中选用的是霍尔开关型传感器，其型号为 称 片属于开关型的霍尔器件 ,其工作电压范围比较宽 ( 4. 5 18 V ) ,其输出的信号符合 I/ O 端口上 ,而且其最高检测频率可达到 1 M 尔开关集成电路应用霍尔效应原理 ,采用半导体集成技术制造的磁敏电路 ,它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分 放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路 ,其输入显示电路 数脉冲送信号至 源开关 在线擦写程序 霍尔传感器 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 为磁感应强度 ,输出是一个数字电压信号。 3144E 的特性 霍尔开关电路的输出特性见图 示。在输入端输入电压 稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端，根据霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生密特触发器整形，使其成为方波输送到 输出。当施加的磁场达到工作点 (即 时，触发器输 出高电压 (相对于地电位 )，使三极管导通，此时 输出端输出低电压，通常称这种状态为开。当施加的磁场达到释放点 (即 时，触发器输出低电压，三极管截止，使 输出高电压，这种状态为关。 图 3144E 输出特性 在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈 ，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 B ，输出管截止，输出高电平。我们称 工作点， 释放点， B B 差的 存在使开关电路的抗干扰能力增强。这样两次电压变换，使霍耳开关完成了一次开关动作。一般规定，当外加磁场的南极 ( S 极 )接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。 3144E 芯片的引脚及功能 霍尔传感器 芯片的引脚接线图见图 型应用于无触点开关、车点火器、刹车电路、位置转速检测与控制、全报警装置和纺织控制系统。霍尔传感器是一个 3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路 ( 门输出，工作电压范围 宽，使用非常方便。 H 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 图 44E 芯片引脚接线图 引脚 1 是电源 引脚 2 是地 引脚 3 是输出 尔器件的工作电压不得超过规定的 部分霍尔开关均为 出。因此，输出应接负载电阻，其数值值取决于负载电流的大小 ， 不得超负载使用。 3144E 的磁输入检测 磁输入为单极磁场，即施加磁场的方式是改变磁铁和 间的距离。判定磁铁极性方法是：把磁铁的两个极分别靠近 正面，当其 脚电平由高变低时即为正确的安装位置，如图 示。 图 44E 判别磁铁极性 经过实验得知， 对磁铁的 S 极有响应而对 N 级没有丝毫响应。安装时一定要让磁铁的 S 极对准 的反应传感区。 3144E 的导通距离测量 把一块小永久磁铁固定在车轮的辐条上， 在车轮辐条附近，如图 示。 图 44E 导通距离测量 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 经过实验得知，磁铁和霍尔开关 近到一定距离 (设此距离为 r)时， 脚有脉冲信号输出。当二者的距离大于 r 时， 脚没有脉冲信号输出。反复实验得出霍尔开关 通的距离 r 为 4 5 件电路的设计 霍尔传感器 测速系统中的主要作用是车轮转速采集。车轮每转一周，磁铁经过 一次。 的第 3 脚就输出一个脉冲信号作为单片机 外中断信号从 输入。单片机测量脉冲信号的个数和脉冲周期。根据脉冲信号的个数计算出里程，根据脉冲信号的周期计算出速度并显示。 单片机的硬件电路连接如图 示。 图 44E 与单片机硬件电路连接 霍尔开关传感器具有许多优点，它们的结构牢固、体积小、寿命长、灵敏度高、安装方便、功耗小、频率高、耐震动、不怕灰尘、油污及盐雾等的污染或腐蚀，位置重复精度高等优点。 片机最小系统 单片机最小系统 ,或者称为最小应用系统 ,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统 1 系列单片机来说 ,最小系统一般应该包括 :单片机、晶振电路、复位电路。而本设计中选用 为最小系统板的芯片。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 片机最小系统的机构 工作电源：电源是单片机工作的动力源泉，对应的接线方法为： 40 脚（ 源引脚，工作时接 +5V 电源， 20 脚（ 接地线。 复位电路 :由电 容串联电阻构成 ,结合 “电容电压不能突变 ”的性质可以知道 ,当系统一上电， 将会出现高电平 ,并且这个高电平持续的时间由电路的 来决定。典型的 51 单片机当 的高电平持续两个机器周期以上就将复位 ,所以 ,适当组合取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐 C 取 10 取 然也有其他取法的 ,原则就是要让 合可以在 上产生不少于 2 个机器周期的高电平，电路如图 示。 图 位电路 晶振电路 :时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的 驱动下的进行的，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。当采用内部时钟时，在晶振引脚 19 脚）和 18 脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如 30型的晶振取 为可以准确地得到 9600 波特率和 19200 波特率 ,用于有串口通讯的场合 )/40生精确的 时歇 ,方便定时操作 )，电路如图 示。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 图 振电路 控制引脚 法。 31 脚）为内外程序存储器选择控制引脚，当 低电位时，单片机从外部程序存储器取指令；当 高电平时，单片机从内部程序存储器取指令。 片机内部有 8反复擦写 1000 次以上的程序存储器，因此我们把 到 +5V 高电平，让单片机运行内部的程序，我们就可以通过反复烧写来验证我们的程序了。 片机最小系统的性能 本系统板具有串口通信方式，系统板省去了 片，用 串口（笔记本和台式机都能用）， 232 通信的程序无需任何修改，即可于电脑的串口通信 工具进行通信；复位电路，方便程序调试使用；供电方式是 电和外部供电（外部供电时，可以在电源电压为 电压范围内）。具有双工 行通道， 双数据指示器，电源关闭标识；下载方式是 载（笔记本和台式机都可以用）和十针下载方式（可以下载 列的单片机）。液晶 12864 有亮度对比度调节电阻；单片机晶振采用 40选择可插拔式，根据使用需求随时可更换晶振，适合不同的应用及实验场合。单片机 I/O 口全部引出（方便扩展各种模块实验），电源 通过排针引出，方便外扩电路时电源的引入和引出。实物如图 示。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 图 路板实物 晶显示模块 本设计中显示模块的液晶显示屏型号为 液晶屏具有中文字库，这对显示程序的编写带来了极大的方便，并且在以后的使用中也带来了极大的益处。此外，该液晶屏幕 还具有汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192个中文汉字（ 16阵）、 128 个字符（ 8阵）及 64阵显示 要技术参数和显示特性 电源： 5V(内置升压电路，无需负压 )；显示内容： 128 列 64 行，显示颜色：黄绿，显示角度： 6： 00 钟直视， 型： 口： 8 位或 4位并行 /3 位串行，配置 光。多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。 如图 示，外观尺寸： 9370域尺寸： 7339 图 晶显示屏外形尺寸图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 示模块引脚说明及连接 该液晶屏幕的引脚说明如图 示，该屏幕的逻辑工作电压 ( 源地 ( 0V，工作温度 ( 60 (常温 ) / 70 （宽温）。 引脚号 引脚名称 方向 功能说明 1 模块的电源地 2 模块的电源正端 3 动电压输入端 4 S) H/L 并行的指令 /数 据选择信号；串行的片选信号 5 R/W(H/L 并行的读写选择信号；串行的数据口 6 E(H/L 并行的使能信号；串行的同步时钟 7 ： 16 空脚 17 /（ V） 背光源正极 20 背光源负极 图 示屏引脚说明 如图 示为显示模块与单片机最小系统板的管脚连接原理图，通过该图可以明确的知道显示模块与系统板各管脚是如何连接的，这给以后为显示模块编写程序带来了极大的方便。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 图 示模块与最小系统板连接原理图 章小结 本章系统的介绍了里程表的设计思路以及硬件的选取，通过本 章可以知道节能车里程表的设计是由单片机最小系统板、 晶显示屏、霍尔接近开关传感器等硬件组成，并且熟悉掌握了各硬件的参数、使用方法以及相互之间是如何连接的。在此基础上便可以按所需的功能进行软件编程了。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 第 3 章 节能车车速里程表的软件设计 件编程的总体设计 在硬件确定的基础上就可以进行软件的编程了，本设计使用的是 件进行 据所需要的功能，编译相应的程序。本系统软件采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、频率测量模块、速度和里程计算模块、显示模块 、定时器中断服务模块以及其他功能模块组成，如图 示。 图 统软件功能框图 根据各个模块的功能，利用 C 语言编译出相应功能的程序，编译出各个功能模块的程序后便利用 件进行调试，当调试好各个功能模块程序后，便编译主程序，通过主程序调用各个功能模块的子程序来实现总体的通能需求，最后通过软硬件的结合便可实现车速和里程的显示及测量 件流程图 程序是按给定的方式运行的，我们按照合理的路径，按照 C 语言的方式使其达到我们所需的功能。那 么，首先应该做出软件的流程图，使程序在给定的流程框架里进行循环工作。如图 示，为系统软件运行的流程图。 初始化模块 显示模块 频率测量模块 中断服务模块 速度、里程计算模块 时间计数模块 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 否 是 否 是 图 件流程图 上电 单片机复位 初始化串口 初始化液晶屏 液晶屏显示 延时秒 液晶屏显示菜单 刷新屏幕时间到了吗？ 切换屏幕时间到了吗？ 显示另一个菜单 刷新屏幕数据 重新运算速度里程等数据 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 据处理 本设计所用的霍尔传感器是一块集成芯片。首先我们把磁钢放在节能车的转轴上，而霍尔元件就放在与其水平的转轴上，当我们完成安装后，转动节能车的转轴，磁钢也就跟着一起转动，从而使霍尔传感器周围的磁场发生变化，将产生出一个高低电平。假设磁钢共分为 8 片，磁场将会改变 8 次，当磁钢经过传感器时就会产生一个高电平，否则为低电平。所以将会产生 8 个高电平，既每输出 8 个高电平代表 自行车转动了一周。比如我们的车轮在 R=，通过 C=2*R 计算得出车轮的周长 C=于每一圈霍尔传感器将输出 8 个高电平，当自行车行驶 1会转动 667 次，这样每 1回产生 5336 个脉冲，单片机对这 5336 个脉冲计数。 程表各部分程序 程序 )函数，即主函数。主函数部分经过延时、初始化串口、初始化液晶显示屏、初始化测速系统