智能汽车仪表的设计(编辑修改稿)

智能汽车仪表的设计(编辑修改稿)内容摘要：

到了非常积极的作用，这样还使车辆的 11 行驶情况、司机的业务评比更透明化，同时改善了司机的驾驶品质，车辆的磨损和下路维修都大为减少。 据新华社报道，智利旅游汽车公司的所有长途客车上都装有记录仪，使用当年，因超速引起的交通事故已降为零。 98 年 3 月，马来西亚内阁会议决定强制推行使用汽车记录仪，以控制超速现象。 最新资料显示，日本汽车研究所最近研制出的“黑匣子”，不仅能够记录车辆事故发生的各种数据，而且它还能自动收入事故发生前 10秒和后 5 秒之间从驾驶室看到的画面。 我国汽 车运行数字记录装置的研究基本与世界同步。 早在 1988 年，这项研究就被国家计委、物价局、税务局、中国工商银行等部门列入国家级重大新产品试产计划， 1994年，由中国航空工业第六研究所研制并推广应用的“ CXJ 车辆行驶记录系统”，通过了由国家技术监督局组织的科技成果鉴定，并在深圳、上海、广州、南宁等地试行装车，取得了一定的社会效益。 尤其是近几年，有关汽车运行数字记录装置问题的研究在我国方兴未艾，很多公司和科研院所都投入了大量的人力物力进行研究开发，相继又有产品问世 所以，着眼于已经研制出的汽车行驶记录仪，应该研制 出一种功能更强，性能更加优良的数字记录装置。 论文研究的主要内容 基于第三代汽车仪表存在的线性度、精度、重复性、响应速度等性能指标的问题，完成基于单片机的步进电机式汽车智能数字仪表的设计与实现。 通过各种汽车传感器采集的模拟或数字信号量全部转化成驱动步进电机的数字信号，由单片机处理完后，将驱动量信号输送到步进电机指示仪表。 这种用全数字技术驱动的汽车智能数字仪表精度高、线性度好、响应速度快、适应性强，弥补了第三代汽车仪表的不足。 12 第 2 章 汽车智能数字仪表电子技术基础 2. 1 电子技术在汽车仪表技术中的应用 随着电子技术的发展，传感器技术越来越多的应用到汽车仪表中。 通俗的讲，传感器就相当于眼睛、耳朵、手等五官。 开发传感器的目的就是用传感器来替人的五官，进而又超过人的感观。 一般的讲，传感器是根据规定的被测量的大小，定量提供有用的电输出信号的部件。 狭义的讲 :传感器就是把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。 用于汽车仪表技术的传感器有温度传感器中的热敏电阻式传感器，用于汽车水温表的传感器，车速传感器、转速传感器、液位传感器等。 当今，传感技术、通信技术和计算 机技术，成为现代信息技术的三大基础。 传感器技术是信息系统的第一道门坎，担负着采集 (摄取 )信息的任务。 在国外，各发达国家都将传感器技术视为现代高技术发展的关键。 因而美国将 20世纪末称为传感器时代，而日本则将传感技术列为应优先发展的十大技术之首。 随着各种信息数据的处理正在不断增加，对所需各项行驶信息的精度和信息种类也提出了更高要求，促进和要求研制开发与汽车仪表同步匹配的、新一代先进的、以各种新型材料制成的高技术、高精度和高灵敏度传感器，并实现传感器与汽车仪表同时规模经济生产和产品配套系列化。 作为汽车电 子控制系统的中心的微机在迅速的普及，上述的传感器输出的信号就是送给单片机来处理的，由于单片机具有高可靠性、高控制性能和高运行速度，并能很好地解决仪表中的误差修正和线性化处理等难题，同时便于实现数字信号与模拟信号间的转换，有利于对数据进行计算、控制和存储，易于与仪表模块化模拟指示驱动机构相匹配。 这种用单片机技术设计、制造的汽车仪表，具有集成度高、功能强、体积小、速度快、存储量大、指令丰富、抗干扰性强、性能价格比高、通用性好、推广范围大、工作可靠、指示准确、使用寿命长、标准化系数高等一系列优势和特点。 配合单片 机使用的汽车仪表显示系统是采用步进电机驱动的仪表指针显示，这种步进电机式汽车仪表由 ECU 完成各种被测物理量的采集，经过换算后直接控制步进电机，再由步进电机驱动指针，在刻度盘上指示被测物理量，同时辅以被测物理量 LCD 数字显 13 示。 显示技术上，随着汽车仪表大规模使用的指针模拟显示方式的发展，平面仪表板显示技术也得到了充分发展，目前己研制出来或己推广使用的就有 LED 发光二极管显示屏、LCD 液晶显示屏、 VFD 真空荧光显示屏、 PDP 等离子显示屏、 ELD 电致发光显示屏、 CRT阴极射线管显示屏和利用虚拟成像技术实现了在前 挡风玻璃上形成图像的抬头显示等。 汽车智能数字仪表的基本结构 汽车智能数字仪表就是将转速表、车速表、里程表、机油压力表、燃油表等组合到一起的汽车电子仪表。 各个仪表如下 : 电子式转速表 电子式转速表由于具有较高的精度、灵敏度，并能自动报警，及其在高低温、潮湿、振动等各种恶劣条件下工作的优点，所以应用较多。 大多数转速表采用真空荧光显示、液晶显示等以图形显示发动机速度，它利用点火系的初级脉冲信号测量发动机转速，这个脉冲信号输人微机中测得每个脉冲的周期，用四个脉冲的平均周期来计算发动机转速。 车速表 车速表用来根据从汽车速度传感器接收的信号计算汽车速度并显示这一计算结果。 当检测到来自汽车速度传感器的信号出现时，微机开始计算代表汽车速度的脉冲。 当预定的时间周期过去之时，计算运行也就结束。 然后把计算器的计算数字与存贮器中的数字进行比较 :若两者问相差为 l km/h 或更多时，计算数字送往显示电路，用以更新显示值。 里程表 里程累计表用来综合、存贮和显示汽车行驶的距离。 这类里程表有两种，一 是短距离里程表，驾驶员可调整所需的读数，即为重新记录里程，可随时调零 : 二是显示车辆行驶总距离 的里程表。 两种里程表都计算来自车辆速度传感器的脉冲量并将其存贮起来。 输入脉冲量的微机的电源与蓄电池连接。 这就是蓄电池支持系统，这种结构即在点火开关关断时，也能保持存贮的数据甚至如果蓄电池与系统断开，由于采用了电可擦可编程序只读存贮器和蓄电池支持系统，里程表中的数据也能保持完好。 14 燃油表、机油压力表 为了进行较精确的测量汽车的燃油余量，燃油余量可采用数字式燃油余量测量器来测量。 数字式燃油余量测量器是把传感器产生的被测量的连续电量自动地变成断续量 (数字量 )，然后进行数字编码，并将测量结果经数字显示出 来。 它由燃油余量传感器、放大A/D 转换、译码器、显示装置等几部分组成。 温度传感器把待测的温度变成一定函数关系的电信号。 但该电信号较弱，要经放大后才能进行 A/D 转换，把由燃油余量传感器变成模拟量的电信号转换成对应的数字量。 通过译码器译码后，由显示装置显示出测量的温度。 机油压力表、水温表和燃油表类似，只是传感器不同。 基于步进电机的汽车智能数字仪表技术基础 随着电子技术的发展，步进电动机也成为了汽车仪表的主要驱动部件。 步进电动机是一种脉冲式执行元件。 它受电脉冲信号的控制，每输入一个脉冲，转子便产 生一步位移 BS，称步距角。 输出总位移量 8与脉冲个数 N成正比，即 0=氏 N(21) 由于这种电机的位移是随脉冲的逐个输入而逐步行进，所以称作步进电动机或称脉冲电机。 如果输入信号是连续的脉冲序列，电机即可连续运转，此时电机的转速 n与脉冲频率 f，即 n=kn 人 (22) 式中 :kn 为比例常数。 步进电机是控制用的特种电机，他的旋转以固定角度 (步距角 )一步一步运行，它没有累计误差，广泛应用于各种开环控制。 步进电机的运行要用一个电子 装置来驱动，这种装置就是步进电机的驱动器，它把控制系统发出 的脉冲信号转 化为步进电机的角位移。 通俗一点讲 :当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (及步距角 )。 我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的 :同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分三种 :永磁式 (PM)、反应式 (VR)和混合式 (HB)。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为 度或巧度。 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为。 混合式步进电机是指混合了永磁式和 反应式的优点。 15 它又分为两相和五相，两相步进电机步距角一般为 度而五相步距角一般为 度。 步进电机的一些基本参数 : (1)电机固有步距角 :它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 电机出厂时便给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 (2)步进电机的相数 :它是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。 电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 /、三相的为。 、五相的为 /。 在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。 如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 (3)保持转矩 (HOLDING TORQUE):它是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。 它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 (4) DETENT TORQUE:它是指步进电机没有通电的情况下， 定子锁住转子的力矩。 步进电机的一些特点 : 1一般步进电机的精度为步进角的 3%5%，且不累积。 一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80、 90度完全正常。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。 在它的作用下，电机随频率 (或速度 )的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 ，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 传统的步进电机存在步距角大、运行噪声大、震动大、低频运行有振荡等缺点，往往满足不了某些高精度定位、精密加工等方面的要求，影响了步进电机系统的性能，限制了步进电机的应用范围。 为了改善步进电机的这些缺点，人们从两个方面着手进行了努力。 一个是从电机本身出发，通过增加相数和齿数等方法来提高系统性能。 另一个就是通过优化它的控制方法来提高系统的性能。 第一种 方法能提高步进电机系统的性能，但受制于材料、工艺和成本等。 相比于前者， 后者具有更大的发展空间和前景。 步进电 机作为常用的数字化执行元件，其控制结果的优劣绝大程度上取决于其驱动 16 电源的性能。 实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。 根据电机学原理，要使电机在运行中具有恒定的力矩以达到电机的平稳运行，电机内应该有均匀的圆形旋转磁场，也就是要求各相绕组产生的合成磁势矢量在空间做等幅匀速旋转。 根据电机学理论可知，如果在空间正交的两相绕组上各通以相位相差 90。 的正弦电流，那么这两相绕组的合成空间电流矢量将做等幅匀速旋转，由此产生的控制合成磁势也将做等幅匀速旋转，电机也将获得最佳的运行性 能，这就是步进电机细分控制方式的原理。 步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。 一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。 因此，要想实现对步进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合磁场的角度变化也要均匀。 由于步进电机驱动电源技术的逐步提高，步进电机的 运行性能也因此得到了很大的改善，它的应用范围也就越来越广泛，在精度上己经达到能和伺服系统相媲美的效果。 并且由于步进电机无需反馈，其控制方式相对简单，位置误差不会累加，与伺服系统相比可以大大的降低成本，在越来越多的汽车仪表中占据了一席之地。 如奇瑞风云轿车、哈飞赛豹轿车和捷达轿车等采用的都是步进电机式汽车仪表。 17 第 3 章 汽车智能数字仪表的硬件设计 汽车智能数字仪表的设计目标 本文根据目前国内汽车仪表的状况和要求，并通过对汽车仪表系统基本功能的分析，完成基于单片机和步进电机设计出一款汽车智 能数字仪表。 该仪表能实现步进电机带动表盘指针实时指示汽低功耗、清楚、直观、简单、容错性强、密封性好，已经达到了国际汽车在行驶中的车速、转速、燃油、机油压力信号，并通过液晶显示汽车行驶里程。 该智能数字仪表精度高、线性度好、响应速度快、适应性强、记录准确、性能稳定、车仪表的技术指标。 汽车智能数字仪表的设计技术路线 该汽车智能数字仪表采用传感器、单片机、步进电机、驱动电路等主要部件来实现汽车智能数字仪表的设计。 各种传感器采集到的模拟或数字信号经过整形、滤波后将符合标准的信号输入给单片机，经单片机处理后发送 指令给步进电机的驱动器使之驱动步进电机指示仪表。 汽车智能数字仪表中关键器件的选择 微处理器的选择 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。