【文章內(nèi)容簡介】 材料和空間的限制，因此檢測精度必然會受到影響； 還 需 要設計很多的機械輔助零件，安裝復雜，并且線性度不高。本設計采用旋轉(zhuǎn)電位器實現(xiàn)角度檢測，有以下優(yōu)點： 1. 制作簡單，安裝方便。 2. 測量精度高。 3. 可實現(xiàn)角度的連續(xù)測量，線性度好。 4. 使用時間長，長期 使用 不會出現(xiàn)零點漂移 。 5. 成本低廉。 本設計除了進行方向盤角度測量外，還對汽車轉(zhuǎn)彎時的車速，路面的傾角等因素進行了綜合分析，從而設 計出小車高速轉(zhuǎn)彎時的報警功能，以提醒駕駛員進行相應的減速，防止意外發(fā)生。 本章小結 本章首先根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，介紹了系統(tǒng)的構建，然后詳細闡述了系統(tǒng)的設計方案， 對系統(tǒng)的三個模塊：檢測模塊、控制模塊及顯示模塊分別進行方案的設計。確定了以 ATmega16 單片機作為系統(tǒng)的控制核心，以多圈電位器 和光電編碼器 作為檢測元件，以 四位共陰極 LED 發(fā)光二極管 作廣西大學畢業(yè)設計論文 第二章 方向盤角度檢測系統(tǒng)概述 10 為顯示單元的方向盤角度檢測系統(tǒng)的方案設計，并對設計的特點進行了說明。廣西大學畢業(yè)設計論文 第三章 方向盤角度檢測系統(tǒng)的原理介紹 11 第三章 方向盤角度檢測系統(tǒng) 的原理介紹 小車方向盤角度檢測系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計 兩大部分，硬件電路包括信號采集電路、 ADC 轉(zhuǎn)換電路、單片機外圍系統(tǒng)電路及 LED 顯示電路等。系統(tǒng)的軟件采用模塊化設計思想，可使 程序設計思路清晰，便于調(diào)試。系統(tǒng)硬件 部分放在論文第四章進行詳細介紹 ，軟件部分放在第五章進行介紹 。 檢測原理介紹 檢測部分包括三個環(huán)節(jié)：方向盤角度檢測、路面傾角檢測及車速檢測。 方向盤 角度檢測原理 一般方向盤的轉(zhuǎn)動范圍為四圈，即從自然狀態(tài)開始，向左打死兩圈，向右打死同樣是兩圈。我們不妨應用 720176。~+720176。來表示 [6]，其中認為自然狀態(tài)下的方向盤為 0176。，自然狀 態(tài)下順時針轉(zhuǎn)動（右轉(zhuǎn)）為 “ +” ，自然狀態(tài)下逆時針轉(zhuǎn)（左轉(zhuǎn)） “ ” ，即凡是在中心位置左邊的角度都為 “ ” ， 右邊的都為 “ +” 。 本設計采用定做 的 4 圈精密電位器作為傳感器，用以檢測方向盤的轉(zhuǎn)動位置。電位器應與方向盤同軸安裝 ， 從而 保證方向盤與電位器的角位移一致 ，并且安裝時初始值要一致。若方向盤處 在正中心位置，則電位器的觸頭應該在電阻 12 的位置處，以保 證測量的精確。本設計采用的電位器線性度極高，而方向盤的轉(zhuǎn)角精度 不要求太高，精確到 1176。即可，因此不必過分考慮器件非線性因 素帶來的誤差。 為配合 ATmega16 單片機 ADC 轉(zhuǎn)換，設計電位器的最大輸出電壓應為。此時電位器的輸出電壓 Vout 與方向盤的轉(zhuǎn)角關系如公式 (31)~(32)所示。 2 .5 6 1 .2 81440Vout n?? (31) 廣西大學畢業(yè)設計論文 第三章 方向盤角度檢測系統(tǒng)的原理介紹 12 即 1440 ( 1 .2 8 )2 .5 6n Vout?? (32) 其中， Vout ：電位器采集的電壓值； n ：方向盤轉(zhuǎn)角值。 因此，只要檢測出電位器端的輸出電壓，即可推算出方向盤的轉(zhuǎn)角所在位置。電位器的輸出電壓與方向盤角度的對應關系如圖 31所示。 圖 31 電位器輸出電壓與方向盤角度 的對應關系 路面傾角檢測原理 路面傾角檢測也應 用 電位器，其檢 測方法和方向盤角度檢測方法基本相同。路面傾角檢測采用單圈電位器，電位器指針的初始位置定在電位器電阻的 12 處 ，規(guī)定此時的電位器轉(zhuǎn)角為 0176。電位器的最大輸出電壓同樣選用 ，這時候，電位器的輸出電壓與路面的傾角關系如公式 (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 ：電位器采集的電壓值； ? ：路面的傾角值。 廣西大學畢業(yè)設計論文 第三章 方向盤角度檢測系統(tǒng)的原理介紹 13 電位器的輸出電壓與方向盤角度的對應關系如圖 32 所示 。 圖 32 電位器輸出電壓與路面傾角的關系 當然，實際中路面的傾角一般不會超過 45176。，因此，實際上電位器的輸出電壓應在 ~。 汽車車速檢測原理 汽車車速檢測采用單路輸出增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器 [6]作為傳感器件。 光電編碼器結構如圖 33 所示。 圖 33 單路 輸出光電編碼器結構原理圖 編碼器的碼盤上有許多透光的 縫隙，光線透過縫隙，便會被光敏管吸收，光敏管根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理輸出高電平，若光線被 編 碼盤擋住，光敏管接收不到光信息，便會輸出低電平。若 編 碼盤轉(zhuǎn)動，光線便會一會兒穿過編碼盤，一會兒被編碼盤擋住，這樣就會產(chǎn)生一個個脈沖 序列 ，如圖 36所示。 廣西大學畢業(yè)設計論文 第三章 方向盤角度檢測系統(tǒng)的原理介紹 14 圖 36 單路輸出編碼器輸出脈沖波形 編碼盤有多少 透光的縫隙，轉(zhuǎn)動一圈，便會產(chǎn)生多少個脈沖。 通常稱編碼器的縫隙數(shù)為線數(shù)，如果編碼盤單圈有 1024 個縫隙，就稱這樣的編碼器為 1024 線編碼器。由此可知， 計算單位時間內(nèi)脈沖數(shù) 的多少，就可以知道編碼盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。由于編碼盤與汽車驅(qū)動輪同軸安裝，因此汽車車輪轉(zhuǎn)動一圈，編碼盤便會轉(zhuǎn)動一圈。這樣，知道了汽車車輪單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，車速 便自然得知。 汽車車速的計算如公式 (35)所示。 2 NvrQT?? (35) 其中， v 為 車速； T 為 測速周期； N 為 T 時間內(nèi)的脈沖總數(shù)； r 為 車輪半徑； Q 為 編碼器的 線數(shù) 。 本設計選用編碼器的線數(shù)為 500，測速周期為 ，一般汽車的車輪半徑為 ，因此測速公式可改為： Nv ? (36) 汽車轉(zhuǎn)彎性能 研究 汽車轉(zhuǎn)彎時，不僅要考慮方向盤與車輪的轉(zhuǎn)角關系，還要考慮轉(zhuǎn)彎半徑與車速等量的關系，通過綜合考慮，才 能知道轉(zhuǎn)彎是否安全。 方向盤轉(zhuǎn)角與車輪 轉(zhuǎn)角 之間的關系 汽車方向盤的轉(zhuǎn)動范圍一般為 720176。~+720176。，汽車車輪的轉(zhuǎn)動范圍為45176。~+45176。(左轉(zhuǎn)為“ ”，右轉(zhuǎn)為“ +” )，一般汽 車的方向盤轉(zhuǎn)動角度和汽車轉(zhuǎn)向輪的旋轉(zhuǎn)角度存在線性關系。 車輪轉(zhuǎn)角與方向盤 轉(zhuǎn)角的關系如公式 (37)所示。 16n?? (37) 其中 n 為汽車方向盤轉(zhuǎn)動角度 ； ? 為轉(zhuǎn)向輪 的轉(zhuǎn)動角度。 廣西大學畢業(yè)設計論文 第三章 方向盤角度檢測系統(tǒng)的原理介紹 15 汽車方向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角的對應關系如圖 37 所示。 圖 37 汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角與方向盤 轉(zhuǎn)角的對應關系 車輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)彎半徑之間的關系 汽車在轉(zhuǎn)彎時都有轉(zhuǎn)彎半徑，由于轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角大小不一樣，轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)彎半徑也不一樣。確定轉(zhuǎn)彎半徑對確定轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性有非常重要的作用。 一般小車的轉(zhuǎn)向輪 為前輪 ，后輪為驅(qū)動輪 。小車轉(zhuǎn)彎時的模型如圖38 所示。 圖 38 小車轉(zhuǎn)彎模型 圖中 L 為小車前后輪的軸距， R 為小車轉(zhuǎn)向時 的 轉(zhuǎn)彎半徑， 223。 為車輪轉(zhuǎn)向角度，虛線圓弧為轉(zhuǎn)彎路徑。轉(zhuǎn)彎的圓心為轉(zhuǎn)向輪的垂直線與后軸的延長線的交點 O 處 。一般情況下車輪轉(zhuǎn)向角 223。 比較小，因此當， 當汽車轉(zhuǎn)向角為 ? 時，轉(zhuǎn)彎半徑可近似由公式 (38)得出 。 ?sin/LR? (38) 其中 R 為轉(zhuǎn)彎半徑； L 為前后輪軸距。 廣西大學畢業(yè)設計論文 第三章 方向盤角度檢測系統(tǒng)的原理介紹 16 汽車轉(zhuǎn)彎模型分析 汽車轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)彎的安全性非常重要，如果彎度過小，車速過高，就可能發(fā)生向心力不足，汽車甩出路面，造成事故。因此，在汽車轉(zhuǎn)彎時，應對其進行受力分析，從而設計報警裝置。 汽車轉(zhuǎn)彎時的受力情況如圖 39 所示。 圖 39 汽車轉(zhuǎn)彎時的力學模型分析 圖中 G 為汽車所受重力； f 為汽車與路面的橫向摩擦力； N 為路面對汽車的支持力； ? 為路面傾角。 由圖可知， 轉(zhuǎn)彎時，汽車的向心力由汽車重力沿路面方向的分力和汽車車輪與路面之間的橫向摩擦力提供。 根據(jù)力學原理可知： cosF G f??? (39) 其中 F 為汽車轉(zhuǎn)彎時的向心力； G 為汽車所受重力； f 為汽車車輪與路面的摩擦力 ； ? 為路面傾角。 汽車所受重力由公式 (310)所示。 G mg? (310) 其中， m 為汽車質(zhì)量， g 為重力加速度。 汽車轉(zhuǎn)彎時所受橫向摩擦力如公式 (311)所示。 sinf mg??? (311) 其中 f 為汽車所受橫向摩擦力， ? 為路面摩擦系數(shù)。 廣西大學畢業(yè)設計論文 第三章 方向盤角度檢測系統(tǒng)的原理介紹 17 根據(jù)圓周運動公式可知，汽車轉(zhuǎn)彎時，車速 v ，轉(zhuǎn)彎半徑 R 與向心力 F有以下關系： 2vFmR? (312) 將公式 (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 為車速； ? 為路面傾角； ? 為車輪轉(zhuǎn)角。 這里的 v 為 轉(zhuǎn)彎時的最高理論車速，如果車速超過轉(zhuǎn)彎理論車速就會有轉(zhuǎn)向力不足，汽車飛出路面的事故 發(fā)生。因此在設計時，當車速接近路面允許的最大車速 時，系統(tǒng)應該 報警，警告駕駛員轉(zhuǎn)彎車速過高。 一般情況下，重力加速度 g 取 ，路面摩擦系數(shù)根據(jù)天氣情況不同而不同。一般晴天時，路面摩擦系數(shù) ? 為 左右，下雨天為 左右，下雪天為 左右。因此設計時，摩擦系數(shù)不能大于 。為安全起見，留一定裕量，取 ? 為 即可。 一般 汽車前后輪軸距 L 為 米。 將這些數(shù)據(jù)代入公式 (313)，可得 汽車轉(zhuǎn)彎時的最高車速 v 應近似為： 2 4 .5 ( c o s 0 .2 s in )s in ( 0 .0 6 2 5 )v n???? (314) 其中， v 為車速； ? 為路面傾角； n 為方向盤 轉(zhuǎn)角 。 本章小結 本章首先對系統(tǒng)的三個檢測量：方向盤轉(zhuǎn)角、路面傾角及車速的檢測原理進行了分析；其次對系統(tǒng)各檢測量之間的關系作了闡述，分析了汽車轉(zhuǎn)向時的力學模型，從而確定了轉(zhuǎn)彎時最大車速，根據(jù)最大車速，才能進一步確定系統(tǒng)什么時候應該報警。廣西大學畢業(yè)設計論文 第四章 方向盤角度檢測系統(tǒng)的硬件設計 18 第四章 方向盤角度檢測 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng) 總體硬件框圖 本設計以 ATmega16 單片機為核心，系統(tǒng)的主要組成部分包括數(shù)據(jù)采集部分，信號處理部分，數(shù)據(jù)處理部分及顯示部分等。 該設計的數(shù)據(jù)檢測部分主要包括方向盤角度檢測模塊，路面傾角檢 測模塊及車速檢測模塊。方向盤角度檢測模塊和路面傾角檢測模塊都采用電位器的分壓原理，電位器輸出的電壓信號經(jīng)過處理傳送給單片機，單片機經(jīng)過采樣保持電路及自身集成的 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而為單片機控制所用 ，通過方向盤轉(zhuǎn)角和地面傾角就可以確定理論上的最大車速 。汽車車速檢測采用旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器檢測的脈沖序列經(jīng)過處理，送入單片機計數(shù)口進行計數(shù)，通過單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，可得出汽車車輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，從而得出汽車的速度。 將檢測的車速和理論最大車速進行比較，從而確定系統(tǒng)是否需要報警。 本系統(tǒng) 硬件的 總體框圖 如圖 41 所示。 圖 41 系統(tǒng)總體硬件框圖 ATmega16 單片機介紹 本系統(tǒng)的 控制中心采用 ATmega16 單片機 [7]。 ATmega16 是基于增強的AVR RISC 結構的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。