小车方向盘角度检测系统本科毕业论文(编辑修改稿)

小车方向盘角度检测系统本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

材料和空间的限制，因此检测精度必然会受到影响； 还 需 要设计很多的机械辅助零件，安装复杂，并且线性度不高。 本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. 可实现角度的连续测量，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，还对汽车转弯时的车速，路面的倾角等因素进行了综合分析，从而设 计出小车高速转弯时的报警功能，以提醒驾驶员进行相应的减速，防止意外发生。 本章小结 本章首先根据系统设计的要求，介绍了系统的构建，然后详细阐述了系统的设计方案， 对系统的三个模块：检测模块、控制模块及显示模块分别进行方案的设计。 确定了以 ATmega16 单片机作为系统的控制核心，以多圈电位器 和光电编码器 作为检测元件，以 四位共阴极 LED 发光二极管 作广西大学毕业设计论文 第二章 方向盘角度检测系统概述 10 为显示单元的方向盘角度检测系统的方案设计，并对设计的特点进行了说明。 广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍 11 第三章 方向盘角度检测系统 的原理介绍 小车方向盘角度检测系统设计包括硬件设计和软件设计 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。 系统的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。 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。 方向盘 角度检测原理 一般方向盘的转动范围为四圈，即从自然状态开始，向左打死两圈，向右打死同样是两圈。 我们不妨应用 720176。 ~+720176。 来表示 [6]，其中认为自然状态下的方向盘为 0176。 ，自然状 态下顺时针转动（右转）为 “ +” ，自然状态下逆时针转（左转） “ ” ，即凡是在中心位置左边的角度都为 “ ” ， 右边的都为 “ +”。 本设计采用定做 的 4 圈精密电位器作为传感器，用以检测方向盘的转动位置。 电位器应与方向盘同轴安装 ， 从而 保证方向盘与电位器的角位移一致 ，并且安装时初始值要一致。 若方向盘处 在正中心位置，则电位器的触头应该在电阻 12 的位置处，以保 证测量的精确。 本设计采用的电位器线性度极高，而方向盘的转角精度 不要求太高，精确到 1176。 即可，因此不必过分考虑器件非线性因 素带来的误差。 为配合 ATmega16 单片机 ADC 转换，设计电位器的最大输出电压应为。 此时电位器的输出电压 Vout 与方向盘的转角关系如公式 (31)~(32)所示。 2 .5 6 1 .2 81440Vout n (31) 广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍 12 即 1440 ( 1 .2 8 )2 .5 6n Vout (32) 其中， Vout ：电位器采集的电压值； n ：方向盘转角值。 因此，只要检测出电位器端的输出电压，即可推算出方向盘的转角所在位置。 电位器的输出电压与方向盘角度的对应关系如图 31所示。 图 31 电位器输出电压与方向盘角度 的对应关系 路面倾角检测原理 路面倾角检测也应 用 电位器，其检 测方法和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，电位器指针的初始位置定在电位器电阻的 12 处 ，规定此时的电位器转角为 0176。 电位器的最大输出电压同样选用 ，这时候，电位器的输出电压与路面的倾角关系如公式 (33)~公式(34)所示。 2 . 5 6 1 . 2 8360Vout    (33) 即 360 ( 1 .2 8 )2 .5 6 Vout  (34) 其中， Vout ：电位器采集的电压值；  ：路面的倾角值。 广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍 13 电位器的输出电压与方向盘角度的对应关系如图 32 所示。 图 32 电位器输出电压与路面倾角的关系 当然，实际中路面的倾角一般不会超过 45176。 ，因此，实际上电位器的输出电压应在 ~。 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 [6]作为传感器件。 光电编码器结构如图 33 所示。 图 33 单路 输出光电编码器结构原理图 编码器的码盘上有许多透光的 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 36所示。 广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍 14 图 36 单路输出编码器输出脉冲波形 编码盘有多少 透光的缝隙，转动一圈，便会产生多少个脉冲。 通常称编码器的缝隙数为线数，如果编码盘单圈有 1024 个缝隙，就称这样的编码器为 1024 线编码器。 由此可知， 计算单位时间内脉冲数 的多少，就可以知道编码盘转动的圈数。 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的圈数，车速 便自然得知。 汽车车速的计算如公式 (35)所示。 2 NvrQT (35) 其中， v 为 车速； T 为 测速周期； N 为 T 时间内的脉冲总数； r 为 车轮半径； Q 为 编码器的 线数。 本设计选用编码器的线数为 500，测速周期为 ，一般汽车的车轮半径为 ，因此测速公式可改为： Nv  (36) 汽车转弯性能 研究 汽车转弯时，不仅要考虑方向盘与车轮的转角关系，还要考虑转弯半径与车速等量的关系，通过综合考虑，才 能知道转弯是否安全。 方向盘转角与车轮 转角 之间的关系 汽车方向盘的转动范围一般为 720176。 ~+720176。 ，汽车车轮的转动范围为45176。 ~+45176。 (左转为“ ”，右转为“ +” )，一般汽 车的方向盘转动角度和汽车转向轮的旋转角度存在线性关系。 车轮转角与方向盘 转角的关系如公式 (37)所示。 16n (37) 其中 n 为汽车方向盘转动角度 ；  为转向轮 的转动角度。 广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍 15 汽车方向盘转角与车轮转角的对应关系如图 37 所示。 图 37 汽车转向轮转角与方向盘 转角的对应关系 车轮转角与转弯半径之间的关系 汽车在转弯时都有转弯半径，由于转向轮的转角大小不一样，转弯时的转弯半径也不一样。 确定转弯半径对确定转弯时的稳定性有非常重要的作用。 一般小车的转向轮 为前轮 ，后轮为驱动轮。 小车转弯时的模型如图38 所示。 图 38 小车转弯模型 图中 L 为小车前后轮的轴距， R 为小车转向时 的 转弯半径， 223。 为车轮转向角度，虚线圆弧为转弯路径。 转弯的圆心为转向轮的垂直线与后轴的延长线的交点 O 处。 一般情况下车轮转向角 223。 比较小，因此当， 当汽车转向角为  时，转弯半径可近似由公式 (38)得出。 sin/LR (38) 其中 R 为转弯半径； L 为前后轮轴距。 广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍 16 汽车转弯模型分析 汽车转弯时，转弯的安全性非常重要，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。 汽车转弯时的受力情况如图 39 所示。 图 39 汽车转弯时的力学模型分析 图中 G 为汽车所受重力； f 为汽车与路面的横向摩擦力； N 为路面对汽车的支持力；  为路面倾角。 由图可知， 转弯时，汽车的向心力由汽车重力沿路面方向的分力和汽车车轮与路面之间的横向摩擦力提供。 根据力学原理可知： cosF G f (39) 其中 F 为汽车转弯时的向心力； G 为汽车所受重力； f 为汽车车轮与路面的摩擦力 ；  为路面倾角。 汽车所受重力由公式 (310)所示。 G mg (310) 其中， m 为汽车质量， g 为重力加速度。 汽车转弯时所受横向摩擦力如公式 (311)所示。 sinf mg (311) 其中 f 为汽车所受横向摩擦力，  为路面摩擦系数。 广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍 17 根据圆周运动公式可知，汽车转弯时，车速 v ，转弯半径 R 与向心力 F有以下关系： 2vFmR (312) 将公式 (37)~(311)代入公式 (312)可知： ( c o s s i n )s i n (0 . 0 6 2 5 )gLv n   (313) 其中， v 为车速；  为路面倾角；  为车轮转角。 这里的 v 为 转弯时的最高理论车速，如果车速超过转弯理论车速就会有转向力不足，汽车飞出路面的事故 发生。 因此在设计时，当车速接近路面允许的最大车速 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 g 取 ，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 左右，下雨天为 左右，下雪天为 左右。 因此设计时，摩擦系数不能大于。 为安全起见，留一定裕量，取  为 即可。 一般 汽车前后轮轴距 L 为 米。 将这些数据代入公式 (313)，可得 汽车转弯时的最高车速 v 应近似为： 2 4 .5 ( c o s 0 .2 s in )s in ( 0 .0 6 2 5 )v n (314) 其中， v 为车速；  为路面倾角； n 为方向盘 转角。 本章小结 本章首先对系统的三个检测量：方向盘转角、路面倾角及车速的检测原理进行了分析；其次对系统各检测量之间的关系作了阐述，分析了汽车转向时的力学模型，从而确定了转弯时最大车速，根据最大车速，才能进一步确定系统什么时候应该报警。 广西大学毕业设计论文 第四章 方向盘角度检测系统的硬件设计 18 第四章 方向盘角度检测 系统硬件设计 系统 总体硬件框图 本设计以 ATmega16 单片机为核心，系统的主要组成部分包括数据采集部分，信号处理部分，数据处理部分及显示部分等。 该设计的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和路面倾角检测模块都采用电位器的分压原理，电位器输出的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的 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 ，通过方向盘转角和地面倾角就可以确定理论上的最大车速。 汽车车速检测采用旋转编码器，编码器检测的脉冲序列经过处理，送入单片机计数口进行计数，通过单位时间内的脉冲数，可得出汽车车轮转动的圈数，从而得出汽车的速度。 将检测的车速和理论最大车速进行比较，从而确定系统是否需要报警。 本系统 硬件的 总体框图 如图 41 所示。 图 41 系统总体硬件框图 ATmega16 单片机介绍 本系统的 控制中心采用 ATmega16 单片机 [7]。 ATmega16 是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。