小车方向盘角度检测系统

摘要

随着人们生活水平得不断提高，汽车已成为人们生产生活必不可少得

交通工具。然而随着汽车数量得逐年增加，公路、街道及停车场秩序逐渐混

乱,加上非专业司机越来越多，交通事故频发。在这些交通事故中，因为方

向盘跑偏及转弯时车速过高而引起得撞车翻车事故不在少数。因此，人们对

汽车方向盘及汽车安全性能提出了更高得要求。

本论文针对方向盘跑偏及转弯车速过高等问题，提出了一种方向盘角

度检测系统得设计方法。在本设计中,应用旋转电位器进行方向盘角度信号

及转弯时路面倾角得检测,应用旋转编码器进行汽车车速得测量,通过Atm

ega16单片机进行数据得采集与处理，由LED显示方向盘实时角度，并在

高速转弯时进行报警。

本设计得硬件部分主要包括信号采集电路设计、ADC转换电路设计、

单片机外围电路设计、LED显示电路设计与报警电路设计等。

该设计软件部分介绍了AVR单片机得应用软件,对系统得主要流程作

了详细介绍，讲述了单片机数据采集、转换与处理得方法。

通过硬件与软件得结合，完成了方向盘角度检测系统得设计。

关键词：方向盘角度检测单片机电位器光电编码器LED

ANovelSteeringWhee1AngleDetectio

nSystem

Abstract

Aspeople1ivingstandardriseceaseless1y,thecarhas

beethenecessarytransportationinourlivesandproduction,

However,withtheincreasingnumberofcars,thet

rafficinhighways,streetsandparkinghasbeechaos,

andnon-professionaldriversaremoreandmore,accordingly,

trafficaccidentsaremoreandmore、Therearemanyac

cidentsarebecauseofthesteeringwheeldeviationandhighsp

eedinthecorner、Higherrequirementshavebeen

proposedforsieeringwhee1angledetectionsystem、

Thisthesisproposedadesignmethodofthest

eeringwhee1angledetectionsystem,aimtosolvethep

roblemsofthesteeringwhee1deviationandhighspeedi

nthecorner>Inthethesis,usingtherotatingpote

ntiometerstotesttheanglesignalofthesteeringwheelandthe

roadinthecorner,andusingthephotoe1ectricenc

odertotestthespcedsigna1>UsingATmega16SCMtoc

ollectandhandiedataandusingLEDtodisplaythedataofthe

steeringwhee1angle、Whenthespeedishighenoug

h,buzzerwillstarttoa1arm>

Thedesignofhardwareinc1udessignaIcollection

circuit,ADCconvertingcircuit,MCUperiphera1circuits,

LEDdisp1aycireuitanda1armcircuitandsoon、

Thedesignofsoftwareintroducesapplicationsof

twareofAVRandshowsthemainf1owchartofthesy

stemindetail,exp1ainshowtheSCMtoacquire,converseand

dea1withthedigitalsigna1s^

Throughthebiiiationofhardwareandsoftwaie,the

steeringwheelangIedetectionsystemis。leted、

Keywords:steering-whee1-angle-detectionSCM

potentiometerphotoelectricencoderLED

目录

摘要..............................................

Abstract..................................................................................

第一章绪论

1、1课题研究背景及意义.......................

1、2国内外汽车电子得发展动态.................

1、3论文得主要工作

第二章方向盘角度检测系统概述.....................

2、1方向盘角度检测系统得设计要求

2、2方向盘角度检测系统得设计方案............

2、3本设计得特点...............................

2、4本章小结.................................

第三章方向盘角度检测系统得原理介绍

3、1检测原理介绍。

3、2汽车转弯性能研究...........................

3、3本章小结...............................

第四章方向盘角度检测系统硬件设计..................

4、1系统总体硬件框图

4、2ATmegal6单片机介绍...................

4、3单片机ADC转换原理

4、4检测环节硬件设计...........................

4、5系统得硬件抗干扰技术

4、6本章小结...................................

第五章方向盘角度检测系统软件设计................

5、1AVR单片机软件开发环境介绍。

5、2方向盘角度检测系统软件设计。

5、3软件抗干扰技术

5、4本章小结

第六章总结与展望

6、1总结

6、2研究展望..............................

参考文献............................................

致谢..............................................

第一章绪论

K1课题研究背景及意义

自从1886年第一辆机动汽车诞生以来，汽车一直作为人类最重要得

交通，具。20世纪以来，汽车_L业发展迅速，我国汽车产业也初见规模。随

着人们生活水平得不断提高,汽车在生活中得重要性也在不断地提升。在现

代人得观念中，汽车不单单就就是一辆交通工具，它更体现了一个人得品

味、生活方式与价值观念。在我国，汽车已成为小康生活得重要标志。汽

车走进私人家庭，己不再就就是梦想。

随着汽车数量得迅速增加，加上非专业汽车驾驶人员得不断增多,造成

公路、街道、停车场、车库等公共场所秩序混乱不堪，交通事故频发，方向

盘跑偏也成了事故焦点。汽车事故严重威胁着人们得生命安全与生活秩序,

每年因为方向盘跑偏与高速行车时方向盘瞬间转移角度过大而造成得撞

车、翻车事故不在少数。

方向盘就就是汽车转向得直接操纵杆，其转动位置直接影响着汽车转

向时得安全。现在国内生产得很大部分汽车上还没有检测方向盘转角得电

子仪器仪表，使得驾驶员在驾驶与泊车时不得不凭经验与感觉去判断方向

盘转动位置所在,这时难免发生感觉误差，造成方向盘未回正或转动角度过

大得现象发生，给开车与泊车带来不便。方向盘位置跑偏，不但会给驾驶员

得驾驶带来疲劳感，更存在很大得安全隐患⑴。因此,方向盘角度检测系统

得设计对汽车行车停车安全至关重耍,对提高汽车系统得可靠性有非常重

要得意义。

小车方向盘角度检测系统属于汽车电子系统研究得一部分，汽车方向

盘得转动信号与车速信号经过传感器得检测，将其送入控制中心进行处理,

从而判断汽车得行驶状态。没有方向盘得角度检测系统,汽车得安全性能会

大打折扣。然而，国内在这方面得研究非常得少，本课题得研究，将填补这

方面得空白。

1、2国内外汽车电子得发展动态

随着中国加入WTO,以及国内庞大得汽车市场对世界各大汽车公司得

吸引力，迄今为止,我国得汽车拥有量己经突破5000万辆，汽车得产量也在

迅猛提升。中国将成为继美、日、欧之后得第四大汽车市场。据预测,21世

纪全球范围内能够存活得特大型汽车生产集团将整合为六至八家⑵。

目前国内为整车企业进行配套得汽车电子供应商大多为中外合资企业,

如博世、西门子、德尔福、伟世通等。这些供应商都以OEM身份为整车企

业配套，她们掌握着汽车零部件得核心技术⑶。

另一方面，随着电子技术得迅猛发展，汽车电子产品也越来越多，汽车电

子化被认为就就是汽车技术发展进程中得一次革命，当今汽车电子化程度已

成为衡量一个国家汽车工业水平得重要标志rL

我国汽车电子技术研究起步较晚，主要集中在清华、北理工大、吉林工

大、上海交大等一些高校,以及一汽、二汽等大型国企得研发中心.总体

上，我国得汽车电子技术研发水平还比较薄弱，自主开发并生产得汽车电子

产品主要集中在一些技术含量不高得产品上。面对国内巨大得汽车市场，国

外汽车电子供应商积极介入我国得汽车电子领域。我国汽车电子企业中,7

0%以上为中外合资企业，然而国内企业并没有自己得知识产权与独立得

产品研发能力。因此，我国得汽车电子化与世界发达国家相比，还有很大得

距离。汽车方向盘角度检测系统也隶属于汽车电子，该研究无论从理论上

还就就是实际应用上都有较高得价值。

1、3论文得主要工作

论文主要阐述了一种小车方向盘角度检测装置得设计方法。此装置用

以测量方向盘得实时转角，快速确定方向盘位置，以及在高速转弯时予以报

警，以避免方向盘跑偏与行车过程中方向盘转角过大而造成得事故得发生。

本论文在第一章先概述了课题研究得背景及意义，以及本论文得主要

工作。接下来在第二章对系统得设计方案及小车方向盘角度检测系统进行

介绍,在确定了系统设计方案后,开始对系统进行硬件及软件设计。

在第三章，讲述了采用ATmegl6系列单片机为核心得小车方向盘角度

检测系统得硬件设计。系统硬件设计包括检测电路、AD转换电路、单片

机外围电路、角度显示,报警电路等。

第四章对系统软件进行了设计。软件设计中对于系统得工作流程进行

详细介绍，并且介绍了一种AVR单片机基于C语言得编译器与集成环境,

在此环境下对ATmega16进行编译、开发,实现系统状态得显示及对其

得控制。

最后对论文作一个全文总结,并对系统得应用做以展望。

第二章方向盘角度检测系统概述

2、1方向盘角度检测系统得设计要求

汽车方向盘角度检测系统就就是一种实时检测方向盘转角，测定转弯

速度,并在转弯速度过高时进行报警得装置，系统由三部分组成:检测模块、

控制模块及显示模块。

检测模块：由传感器检测方向盘实时转角信号、转弯时得路面倾角信号

及车速信号。

控制模块:方向盘角度检测系统得控制中心，主要对采集得信号按设计

要求进行相应得数据处理。

显示报警模块：用于显示方向盘得实时转角，并高速转弯存在安全隐患

时进行报警。

按照系统设计要求，可将方向盘角度检测系统分为硬件与软件两部分,

分别进行设计。系统硬件结构主要由检测模块、控制模块与显示模块构成,

软件部分对不同得子系统分别进行编程,便于调试与移植。

整个系统得结构如图2-1所示。

检测模块控制模块显示与报警模块

图2-1汽车方向盘角度检测系统得结构原理图

2、2方向盘角度检测系统得设计方案

方向盘角度检测系统有三大模块,系统设计方案可根据三大模块分别

进行设计。

2.2.1检测模块设计方案

检测环节就就是系统得第一个环节，用来感受被测信号，并将被测信号

转换为合适于系统后续处理得电信号。提获取信息得正确与否,决定了测试

系统得精度。因此，选择合适得检测元件，对于系统得设计有非常重要得作

用。

1.方向盘角度检测环节设计方案

方向盘角度检测系统要测量得量为角位移。随着电子技术得飞速发展,

电量测量技术己经非常成熟，因此,可以通过电量得测量间接测量方向盘得

角位移信号。

目前用于角度检测得传感器主要有旋转电位器、霍尔传感器、光电编

码器及激光探测器等。

各角位移传感器得特性如表2-1所示。

表2・1各转角传感器得特性比较

接触式非接触式

转角传感器

旋转电位器霍尔传感器光电编码器激光探测器

成本任I1''1]■':j高

环境要求低而高高

安装简单较复杂复杂复杂

体积小小较大大

考虑到成本及环境影响问题，方向盘位置控制系统采用旋转电位器。

本设计采用M22S10型精密多圈电位器,其特点如下：

属线绕多圈电位器;长寿命，旋转寿命：500万转以上；高可靠性;线

性度好，线性精度:±0、2%,阻值公差±5%,功率2W;外径22mm。

M22S1O最大电气转角为3600。（10圈），而一般汽车得方向盘最大转

角为1440。（4圈），本设计采用专门定制得4圈精密电位器，材质与M2

2S10相同，阻值为5KC。

其实，电位器其实就就就是一个可变电阻，通过中间触头得位置变化,

改变电位器得电阻大小，从而改变输出电压得大小。根据分压原理，电位器

输出电压与接入电路中得电阻有以下关系：

(2-1)

其中，为电位器输出电压，为输入电位器得电压，为电位器接入电路中

得电阻,为电位器总电阻。一般情况下，、为固定值，由此可知，电位器两端

得输出电压与接入电路得电阻大小成正比关系。

一般电阻都存在以下基本关系：

(2-2)

其中，为电阻值，为电阻丝长度，为电阻率,为电阻丝横截面积。电阻做

好后，、就固定不变。可变电阻通过改变触头得位置，从而改变接入电路中

得电阻丝得长度，从而改变电阻得大小。由此可知，电位潜接入电路中得电

阻得大小与接入电路中得电阻丝得长度成正比关系。

在多圈电位器中，电阻丝长度与电位器旋转角度也成正比关系。

综上所述，电位器输出得电压得大小与电位器转角大小成正比关系。因

此，可以通过电位器得输出电压大小来确定旋转角度。

4圈精密电位器得输出电压与电位器转角得关系如图2-2所示。

Vmax______________________________

0----------------------------------------------1--------->

1440

转角/度

图2—2电位器输出电压与旋转角度得关系

2.路面倾角检测环节设计方案

汽车在转弯时,路面得倾角不同，转弯时得转•角大小与最大车速都会有

所影响。因此，应对路面倾角进行测量。

本设计采用单圈得电位器进行路面倾角得测量,其测量原理与方向盘

转角得测量原理相同，只就就是安装得方式有所不同。本电位器采用垂直安

装方式,在电位上连接一重物,重物一端固定在电位器得旋转轴上，另一端

为自由端，就如单摆一样。当汽车发生倾斜时,重物由于重力作用转动电位

器得转轴,从而改变电位器指针位置。因此，电位器得输出电压也随着改变,

从而可测得路面得倾斜角度。测量原理如图2-3所示。

水平面

路面

图2-3也位器测量路面倾角示意图

图2-3(a)为水平路面时电位器得指针位置，当路面倾角为时，电位器

得指针也随着改变角度。根据电位器得分压原理就可以测得倾角得度数。

3.车速检测环节设计方案

道路弯度得大小决定了转弯时得最高车速，如果车速超过转弯时得极

限车速时，汽车就有可能飞出，造成严重得交通事故。因此,在转弯得时候，

应该对车速进行测量，当车速接近转弯允许得最大车速时.,进行报警，提示

驾驶员减速。

现在速度测量得传感器,大部分选用旋转编码器。由于旋转编码器测量

精度高、测速方便、使用时间长、体积小、质量轻等优点，成为测速系统

得首选传感器。

常用得旋转编码器有增量式与绝对值式，一股测速选择增量式。增量

式又分为单路输出与双路输出，单路输出就就是指旋转编码器输出就就是

一组脉冲，双路输出得旋转编码器输出两组相位差90。得脉冲，不仅可以测

速，还可以判断旋转方向⑸。一般汽车测速都就就是单向得，因此选择单路输

出得编码器即可。

本设计采用GZS3804系列增量式光电编码器:其性能可靠，输出为方波

信号，波形规整，使用电压范围宽，每圈输出脉冲数为500个，最大转速4

800rpm,消耗电流小于120mA,电源电压：+5V：输出电压:高电平大于8

5%Vcc,低电平小于0、4V,响应频率：0~80KHZ。编码器得外形图如图

2-4所示。

I-

0

-0

图2—4编码器外形尺寸图

2.2.2控制模块设计方案

控制系统作为系统得核心，主要实现数据得处理、控制实时性等问题。

当前得控制系统主要有上下位机（PC-PLC）、DSP控制器及单片机，其各

自特性如表2-2所示。

表2-2各控制系统得特性

控制系统体积线路成本可靠性应用场合

PC-PLC大复杂高好工业生产

DSP较大较复杂较高好嵌入式

单片机小简单低较好嵌入式

考虑到体积、成本及控制特性等问题,汽车方向盘控制系统采用单片机

作为系统得控制中心。本设计采用ATmega16单片机作为控制中心。

2.2.3显示系统方案设计

显示器就就是一个典型得输出设备,而且其应用就就是极为广泛得,儿

乎所有得电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器得结构类型不同而

己。目前最常用得显示器有LCD与LED。LED发光二极管电路简单、安装

方便、成本低，并且可以满足显示三位角度值得要求，因此，本设计采用四位

共阴极LED发光二极管作为显示单元。

2、3本设计得特点

现在虽然已有方向盘角度检测系统得相关专利，然而其专利只就就是测

量方向盘得转角，并未对汽车转弯时得性能进行评估。其专利就就是利用两

节相互嵌套得齿轮来实现方向盘4圈得角度检测。可想而知,其结构复杂,需

要设计专门得机械齿轮;由于齿轮制作受到材料与空间得限制，因此检测精

度必然会受到影响;还需要设计很多得机械辅助零件,安装复杂,并且线性度

不高。木设计采用旋转电位器实现角度检测，有以下优点：

1.制作简单，安装方便。

2.测量精度高。

3.可实现角度得连续测量，线性度好。

4.使用时间长，长期使用不会出现零点漂移。

5.成本低廉。

本设计除了进行方向盘角度测量外,还对汽左转弯时得车速，路面得倾

角等因素进行了综合分析，从而设计出小车高速转弯时得报警功能，以提醒

驾驶员进行相应得减速，防止意外发生。

2、4本草小结

本章首先根据系统设计得要求，介绍了系统得构建，然后详细阐述了系

统得设计方案，对系统得三个模块:检测模块、控制模块及显示模块分别进行

方案得设计。确定了以ATmega16单片机作为系统得控制核心，以多圈电位

器与光电编码器作为检测元件,以四位共阴极LED发光二极管作为显示单

元得方向盘角度检测系统得方案设计，并对设计得特点进行了说明。

第三章方向盘角度检测系统得原理介绍

小车方向盘角度检测系统设计包括硬件设计与软件设计两大部分，硬

件电路包括信号采集电路、ADC转换电路、单片机外围系统电路及LED

显示电路等。系统得软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便

于调试。系统硬件部分放在论文第四章进行详细介绍，软件部分放在第五

章进行介绍。

3、1检测原理介绍

检测部分包括三个环节:方向盘角度检测、路面倾角检测及车速检测。

3.1.1方向盘角度检测原理

一般方向盘得转动范围为四圈,即从自然状态开始，向左打死两圈，向右

打死同样就就是两圈。我们不妨应用・720。〜+720。来表示⑹,其中认为自然

状态下得方向盘为0。,自然状态下顺时针转动(右转)为“+”，自然状态下逆

时针转(左转)“一”，即凡就就是在中心位置左边得角度都为，右边得

都为“+”。

本设计采用定做得4圈精密电位器作为传感器，用以检测方向盘得转动

位置。电位器应与方向盘同轴安装，从而保证方向盘与电位器得角位移一

致,并且安装时初始值要一致。若方向盘处在正中心位置，则电位器得触头应

该在电阻得位置处，以俣证测量得精确。本设计采用得电位器线性度极高,

而方向盘得转角精度不要求太高,精确到1。即可，因此不必过分考虑器件非

线性因素带来得误差。

为配合ATmegal6单片机ADC转换，设计电位器得最大输出电压应为

2、56VO此时电位器得输出电压与方向盘得转角关系如公式(3-1)〜(3-2)所

/J\o

(3-1)

即

(3-2)

其中，：电位器采集得电压值；

:方向盘转角值。

因此，只要检测出电位器端得输出电压，即可推算出方向盘得转角所

在位置。电位器得输出电压与方向盘角度得对应关系如图3-1所示。

图3-1电位器输出电压与方向盘角度得对应关系

3.1.2路面倾角检测原理

路面倾角检测也应用电位器，其检测方法与方向盘角度检测方法基本

相同。路面倾角检测采用单圈电位器，电位器指针得初始位置定在电位器电

阻得处，规定此时得电位器转角为0。。电位器得最大输出电压同样选用2、

56M这时候，电位器得输出电压与路面得倾角关系如公式(3-3)〜公式(3・4)

所示。

(3-3)

即

(3-4)

其中，：电位器采集得电压值；

：路面得倾角值。

电位器得输出电压与方向盘角度得对应关系如图3-2所示。

图3-2电位器输出电压与路面倾角得关系

当然，实际中路面得倾角一般不会超过45。,因此,实际上电位器得输出

电压应在0、96V〜1、6V之间。

3.1.3汽车车速检测原理

汽车车速检测采用单路输出增量式光电旋转编码器旧作为传感器件。

光电编码器结构如图3-3所示。

图3-3单路输出光电编码器结构原理图

编码器得码盘上有许多透光得缝隙，光线透过缝隙,便会被光敏管吸收，

光敏管根据光电转换原理输出高电平,若光线被编码盘挡住，光敏管接收不

到光信息，便会输出低电平。若编码盘转动，光线便会一会儿穿过编码盘，一

会儿被编码盘挡住，这样就会产生一个个脉冲序列，如图3・6所示。

编码器输出：_n_n_n_n_n_njn_n_n_

图3-6单路输出编码器输出脉冲波形

编码盘有多少透光得缝隙，转动一圈，便会产生多少个脉冲。通常称编码

器得缝隙数为线数，如果编码盘单圈有1024个缝隙，就称这样得编码器

为1024线编码器。由此可知，计算单位时间内脉冲数得多少,就可以知道编

码盘转动得圈数。由于编码盘与汽车驱动轮同轴安装，因此汽车车轮转动一

圈，编码盘便会转动一圈。这样，知道了汽车车轮单位时间内转动得圈数，

车速便自然得知。

汽车车速得计算如公式（3-5）所示。

(3-5)

其中，为车速；为测速周期；为时间内得脉冲总数;为车轮半径；为编码

器得线数。本设计选用编码器得线数为500,测速周期为0、5ms「•般汽

车得车轮半径为0.3m,因此测速公式可改为：

(3-6)

3、2汽车转弯性能研究

汽车转弯时，不仅要考虑方向盘与车轮得转角关系，还要考虑转弯半径

与车速等量得关系，通过综合考虑，才能知道转弯就就是否安全。

3.2.1方向盘转角与车轮转角之间得关系

汽车方向盘得转动范围一般为-720。〜+720°,汽车车轮得转动范围为

-45。〜+45。(左转为，右转为“+一般汽车得方向盘转动角度与汽车

转向轮得旋转角度存在线性关系。车轮转角与方向盘转角得关系如公式

(3-7)所示。

(3-7)

其中为汽车方向盘转动角度;为转向轮得转动角度。

汽车方向盘转角与车轮转角得对应关系如图3-7所示。

3.2.2车轮转角与转弯半径之间得关系

汽车在转弯时都有转弯半径，由于转向轮得转角大小不一样，转弯时得

转弯半径也不•样。确定转弯半径对确定较弯时得稳定性有非常重耍得作

用。一•般小车得转向轮为前轮，后轮为驱动轮。小车转弯时得模型如图3-8

所示。

图3-8小车转弯模型

图中L为小车前后轮得轴距,R为小车转向时得转弯半径，B为车轮转

向角度，虚线圆弧为转弯路径。转弯得圆心为转向轮得垂直线与后轴得延

长线得交点O处。一般情况下车轮转向角6比较小，因此当，当汽车转向角

为时，转弯半径可近似由公式(3-8)得出。

(3-

8)

其中为转弯半径;为前后轮轴距。

3.2.3汽车转弯模型分析

汽车转弯时，转弯得安全性非常重要,如果弯度过小，车速过高，就可能发

生向心力不足，汽车甩出路面，造成事故。因此，在汽车转弯时,应对其进行受

力分析，从而设计报警装置。

汽车转弯时得受力情况如图3-9所示。

图3-9汽车转弯时得力学模型分析

图中为汽车所受重力;为汽车与路面得横向摩擦力;为路面对汽车得支

持力；为路面倾角。

由图可知,转弯时，汽车得向心力由汽车重力沿路面方向得分力与汽车

车轮与路面之间得横向摩擦力提供。根据力学原理可知：

(3-9)

其中F为汽车转弯时得向心力；为汽车所受重力;为汽车车轮与路面得

摩擦力；为路面倾角。

汽车所受重力由公式(3-10)所示。

(3-10)

其中，为汽车质量，为重力加速度。

汽车转弯时所受横向摩擦力如公式(3-11)所示。

(3

-H)

其中为汽车所受横向摩擦力，为路面摩擦系数。

根据圆周运动公式可知，汽车转弯时，车速，转弯半径与向心力有以下关

系：

(3-12)

将公式(3-7)〜(3・11)代入公式(3-12)可知：

(3-13)

其中，为车速;为路而倾角;为车轮转角。

这里得为转弯时得最高理论车速，如果车速超过转弯理论车速就会有

转向力不足，汽车飞出路面得事故发生。因此在设计时，当车速接近路面

允许得最大车速时，系统应该报警,警告驾驶员转弯车速过高。

一•般情况下，重力加速度取9、8,路面摩擦系数根据天气情况不同而不

同。一般晴天时，路面摩擦系数为0、6左右，下雨天为0、4左右,下雪天

为0、28左右。因此设计时，摩擦系数不能大于0、280为安全起见，留

一定裕量，取为0、2即可。一般汽车前后轮轴距为2.8米。

将这些数据代入公式(3-13),可得汽车转弯时得最高车速应近似为:

(3-14)

其中，为车速;为路面倾角;为方向盘转角。

3\3本章小结

本章首先对系统得三个检测量:方向盘转角、路面倾角及车速得检测

原理进行了分析；其次对系统各检测量之间得关系作了阐述，分析了汽车转

向口寸得力学模型，从而确定了转弯时最大车速，根据最大车速，才能进步确

定系统什么时候应该报警。

第四章方向盘角度检测系统硬件设计

4、1系统总体硬件框图

本设计以ATmegal6单片机为核心，系统得主要组成部分包括数据采

集部分,信号处埋部分,数据处埋部分及显示部分等。

该设计得数据检测部分主要包括方向盘角度检测模块，路面倾角检测

模块及车速检测模块。方向盘角度检测模块与路面倾角检测模块都采用电

位器得分压原理，电位器输出得电压信号经过处理传送给单片机,单片机经

过采样保持电路及自身集成得A/D转换器将模拟电压信号转换为数字信号,

从而为单片机控制所用，通过方向盘转角与地面倾角就可以确定理论上得

最大车速。汽车车速检测采用旋转编码器，编码器检测得脉冲序列经过处

理，送入单片机计数口进行计数，通过单位时间内得脉冲数,可得出汽车车

轮转动得圈数,从而得出汽车得速度。将检测得车速与理论最大车速进行比

较,从而确定系统就就是否需要报警。

本系统硬件得总体框图如图4・1所示。

图4-1系统总体硬件框图

4、2ATmega16单片机介绍

本系统得控制中心采用ATmegal6单片机⑶。ATmegal6就就是

基于增强得AVRRISC结构得低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进得

指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16得数据吞吐率高达IMIP

S/MHz，从而可以缓减系统在功耗与处理速度之间得矛盾;ATmegal6有先

进得RISC结构，131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期,32个8

位通用工作寄存器，全静态工作，工作在16MHz时性能高达16MIPS；并且

有非易失性程序与数据存储器,16K字节得系统内可编程Flash擦写寿命1

0000次，有512字节得EEPROM擦写寿命100000次；具有32个可编

程得I/O口，编程简单;ATmegal6兼PIC及8051优点于一身，具有优秀得

品质，在结构、性能与功能方面都有明显优势网。ATmegal6得引脚如图4

—2所示。

TQFP/MLF

(-

8Z

PDIPOIS

/NK(a&6

-S(ioo80

swNNooaa

-_MEsa<<

(XCK/T0)P80匚140□PAO(ADC0)<O8<<

V3SESzo京zS

(T1)PB1C239□PA1(ADC1)dQaadae>acd<a

(INT2/AIN0)PB2□338□PA2(ADC2)

(OC0/AIN1)P83C437□PA3(ADC3)

•4443424140393837363534

(SS)PB4C536□PA4(ADC4)

Ln

(MOSI)PB5C635-)PA5(ADC5)(MOSt)PB5U133nPA4(ADC4)

(MISO)PB6C734□PA6(ADC6)(MISO)PB6」232nPA5(ADC5)

(SCK)PB7PA6(ADC6)

(SCK)PB7C833□PA7(ADC7)」n

RESET430nPA7(ADC7)

RESETC932□AREFL

VCCL529nAREF

VCCc1031□GND

GND」628nGND

GND匚1130□AVCCXTAL2U727nAVCC

XTAL1826n

XTAL2C1229□PC7(TOSC2)UPC7(T0SC2>

(RXD)PDOL925n

XTAL1r1?PC6(TCSC1)JPC6(TOSC1)

□(TXD)PD11024n心3(IU«)

匚匚

(RXD)PDO1427□PC5(TDI)(INTO)PO21123PC4(TOO)

(TXD)PD1匚1526□PC4(TDO)12l3141516171819202122

(INTO)PD2C1625□PC3(TMS)

"UULUUUUUUUU-

(INT1)PD3C1724□PC2(TCK)8KS9Z0DOFZm

aaQ0zOOo

(OC1B)PD4C1823□PC1(SDA)dadd>cd<d

((Wso£d

(CX31A)PD5匚1922□PCO(SCL)L4osW

I658s。H

ffi匕

匚Ns))))P

(ICP1)PD62021JPD7(OC2)Do。

))

图4-2ATmegal6得引脚图

本设计方向盘角度检测环节采用单片机得PA0口，路面倾角检测环节

采用单片机得PA1口。这两个接口都有ADC转换功能与采样保持功能。速

度检测环节采用PB0口,此接II有定时与计数功能。单片机ADC转换原理

将在下一小节介绍。

4、3单片机ADC转换原理

电位器检测来得电压必须经过ADC转换才能被单片机所识别,从而进

行进一步得数据处理。ATmcga16有一个10位得逐次逼近型ADC,ADC

与一个8通道得模拟多路复用器连接，能对来自端口A得8路单端输入电压

进行采样。单端电压输入以OV(GND)为基准，单次转换得结果为：

(4-1)

其中，ADC：A/D转换得结果;

:输入得电压；

：基准电压(2、56V)o

如果使用差分通道，结果为：

(4-2)

其中，：输入引脚正电压；

:输入引脚负电压；

：选定得增益因子。

本设计采用单端输入电压进行采集得方式,其电路结构简单，转换方

便。使用单端通道方式时,单端通道得输入电压不得超过单片机得内部参考

电压，否则，将导致转换结果接近于0x3FFO本设计应用单片机内部2、

56V电压参考源，其抗干扰能力强，波动小,精度高，电路简单，使用方便。

ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC得电压保

持恒定。

4、4检测环节硬件设计

4.4.1方向盘角度检测环节硬件设计

方向盘角度检测模块采用电位器得分压原理，通过电压与电位器转角

得关系来推算出电位涔得转角度数,从而得出方向盘得转角度数。本设计采

用单片机内部2、56V电压参考源，因此，电位器得最高输出电压不得超过

2、56Vo当电位器输出电压为2、56V时，转换结果为0x3FF。设计稳压

电路将+5V系统电压转换为2、56V供电位器分压使用，电压采集部分得

电路设计如图4-3所示。

Vcc

[]250

40

(ADCO)PAO

39

(ADCl)PAl

38

(ADC2)PA2

37

(ADC3)PA3

36

(ADC4)PA4

35

(ADC5)PA5

34

(ADC6)PA6

33

(ADC7)PA7

图4-3检测模块电路原理图

图中R为多圈电位器，通过分压原理进行电后采集。IN5222为2、

56V稳压管，用于将电源Vcc（+5V）直流电压稳定在2、56V,从而供电位器

分压采集。L1与C1用于直流得滤波，电阻R1用于限流。

路面倾角得检测原理与方法同方向盘角度检测地方法一样，电路得硬件

设计也相同，只就就是将单片机得PAO口换为PA1口，进行电压采集，这里

不再赘述。

4.4.2车速检测环节硬件设计

车速检测环节得传感器采用光电编码器，光电编码器输出脉冲序列经过

整形后送入单片机PB0口进行计数。ATmegal6单片机中有两个8位得

定时/计数器:T/CO与T/C2,还有一个16位得定时/计数器T/C久PBO

引脚可用作T/C0定时计数器。本设计采用T/CO定时/计数器得计数功能

对光电编码器得输出脉冲进行计数。通过单位时间内得计数值，就可以知

道编码器单位时间内得旋转圈数,通过计算求得车速。

T/C0得计数值保存在8位寄存器TCNTO中,MCU可在任何时间访问

TCNTOo设置T/C0控制寄存器TCCR0为0x07,即T/C0工作在普通

方式,CO上升沿触发。当编码器输出一个脉冲，计数器得TCNT0便会加

1,这样便会检测出输出得脉冲个数。

T/C1就就是16位计数器,在系统时钟为4MHz条件下，最长得时宽可达

16、77721Gs,这就就悬其她8位单片机做不到得。本设计采用T/C1产生

0、5ms得定时中断。

光电编码器测速电路如图4-4所示。

+5V

1

7PBO(TO)

TPBl(Tl)

PB2(INT2)

4

光电编码器TPB3(OCO)

6PB4(SS)

PB5(M0SI)

7PB6(MIS0)

9PB7(SCK)

图44测速环节电路原理因

4.4.3显示模块硬件设计

显示模块通过四位LED数码管进行角度得显示，其最高位为符号位。

如果角度为正（中心位置偏右），则符号位显示“0”，如果角度为负（中心位

置偏左），则符号位显示“一”。数码管其余三位显示方向盘角度值，精确到

ro

使用数码管显示时,采用动态扫描方式。在短时间内逐个扫描数码管，使

人们瞧起来好像数码管总为点亮状态।叫。该方式得功耗较之静态扫描要小。

由于4位数码管组需要8位段码、4位位码，总共12个输出口进行数据

输此直接使用单片机I/O口来实现得话，会占用太多I/O口。为节省资源，

本电路采用两片74HC595（8位串行输入/并行输出移位寄存器）来驱动数码

管，这样大大节省了控制口资源。

显示模块得硬件设计原理图如图4-5所示。

40VCC

PBO(TO)(ADCO*AO羽QH1

PBl(Tl)(ADC1)PA1工VccQH

338

PB2(INT2)(ADC2)PA2SERQG

工37

PB3(OCO)(ADC3)PA33?SRCKQF

PB4(SS)(ADC4)PA4SRCSRQE

35

PB5(MOSI)(ADC5)PA5至>RCKQD

PB15(MISO)(ADC6*A6-0GQC

33

3PB7(SCK)(ADC7)PA7GNDQB

JORESETAREFQA

VccGND

IT3074HC595

GNDAVcc也

1229*

XTAL2(TOSC2)PC73G

IT28VCC

XTAL1(TOSC1)PC6QH1♦G

亘PD0(RXI>)(TDI)PCiTVccQH

7TLED

I?PDl(TXD)(TDUJPU4SERQG

T7PD2QNT0)(TMS)PC3SRCKQF

IsPD3QNT1)(TCK)PC2SRCSRQE

1?PD4(OC1B)(SDA)PCl>RCKQD

PD5(OC1A)(SCL)PCOGQC

20C3

PD6QCPI)(OC2)PD7GNDQB

QA

Alhi«gal64.7UF

74HC595