【文章內容簡介】 到了非常積極的作用，這樣還使車輛的 11 行駛情況、司機的業(yè)務評比更透明化，同時改善了司機的駕駛品質，車輛的磨損和下路維修都大為減少。據新華社報道，智利旅游汽車公司的所有長途客車上都裝有記錄儀，使用當年，因超速引起的交通事故已降為零。 98 年 3 月，馬來西亞內閣會議決定強制推行使用汽車記錄儀，以控制超速現(xiàn)象。最新資料顯示，日本汽車研究所最近研制出的“黑匣子”，不僅能夠記錄車輛事故發(fā)生的各種數據，而且它還能自動收入事故發(fā)生前 10秒和后 5 秒之間從駕駛室看到的畫面。 我國汽 車運行數字記錄裝置的研究基本與世界同步。早在 1988 年，這項研究就被國家計委、物價局、稅務局、中國工商銀行等部門列入國家級重大新產品試產計劃， 1994年，由中國航空工業(yè)第六研究所研制并推廣應用的“ CXJ 車輛行駛記錄系統(tǒng)”，通過了由國家技術監(jiān)督局組織的科技成果鑒定，并在深圳、上海、廣州、南寧等地試行裝車，取得了一定的社會效益。尤其是近幾年，有關汽車運行數字記錄裝置問題的研究在我國方興未艾，很多公司和科研院所都投入了大量的人力物力進行研究開發(fā)，相繼又有產品問世 所以，著眼于已經研制出的汽車行駛記錄儀，應該研制 出一種功能更強，性能更加優(yōu)良的數字記錄裝置。 論文研究的主要內容 基于第三代汽車儀表存在的線性度、精度、重復性、響應速度等性能指標的問題，完成基于單片機的步進電機式汽車智能數字儀表的設計與實現(xiàn)。通過各種汽車傳感器采集的模擬或數字信號量全部轉化成驅動步進電機的數字信號，由單片機處理完后，將驅動量信號輸送到步進電機指示儀表。這種用全數字技術驅動的汽車智能數字儀表精度高、線性度好、響應速度快、適應性強，彌補了第三代汽車儀表的不足。 12 第 2 章 汽車智能數字儀表電子技術基礎 2. 1 電子技術在汽車儀表技術中的應用 隨著電子技術的發(fā)展，傳感器技術越來越多的應用到汽車儀表中。通俗的講，傳感器就相當于眼睛、耳朵、手等五官。開發(fā)傳感器的目的就是用傳感器來替人的五官，進而又超過人的感觀。一般的講，傳感器是根據規(guī)定的被測量的大小，定量提供有用的電輸出信號的部件。狹義的講 :傳感器就是把光、時間、電、溫度、壓力及氣體等的物理、化學量轉換成信號的變換器。用于汽車儀表技術的傳感器有溫度傳感器中的熱敏電阻式傳感器，用于汽車水溫表的傳感器，車速傳感器、轉速傳感器、液位傳感器等。當今，傳感技術、通信技術和計算 機技術，成為現(xiàn)代信息技術的三大基礎。傳感器技術是信息系統(tǒng)的第一道門坎，擔負著采集 (攝取 )信息的任務。在國外，各發(fā)達國家都將傳感器技術視為現(xiàn)代高技術發(fā)展的關鍵。因而美國將 20世紀末稱為傳感器時代，而日本則將傳感技術列為應優(yōu)先發(fā)展的十大技術之首。隨著各種信息數據的處理正在不斷增加，對所需各項行駛信息的精度和信息種類也提出了更高要求，促進和要求研制開發(fā)與汽車儀表同步匹配的、新一代先進的、以各種新型材料制成的高技術、高精度和高靈敏度傳感器，并實現(xiàn)傳感器與汽車儀表同時規(guī)模經濟生產和產品配套系列化。 作為汽車電 子控制系統(tǒng)的中心的微機在迅速的普及，上述的傳感器輸出的信號就是送給單片機來處理的，由于單片機具有高可靠性、高控制性能和高運行速度，并能很好地解決儀表中的誤差修正和線性化處理等難題，同時便于實現(xiàn)數字信號與模擬信號間的轉換，有利于對數據進行計算、控制和存儲，易于與儀表模塊化模擬指示驅動機構相匹配。這種用單片機技術設計、制造的汽車儀表，具有集成度高、功能強、體積小、速度快、存儲量大、指令豐富、抗干擾性強、性能價格比高、通用性好、推廣范圍大、工作可靠、指示準確、使用壽命長、標準化系數高等一系列優(yōu)勢和特點。 配合單片 機使用的汽車儀表顯示系統(tǒng)是采用步進電機驅動的儀表指針顯示，這種步進電機式汽車儀表由 ECU 完成各種被測物理量的采集，經過換算后直接控制步進電機，再由步進電機驅動指針，在刻度盤上指示被測物理量，同時輔以被測物理量 LCD 數字顯 13 示。 顯示技術上，隨著汽車儀表大規(guī)模使用的指針模擬顯示方式的發(fā)展，平面儀表板顯示技術也得到了充分發(fā)展，目前己研制出來或己推廣使用的就有 LED 發(fā)光二極管顯示屏、LCD 液晶顯示屏、 VFD 真空熒光顯示屏、 PDP 等離子顯示屏、 ELD 電致發(fā)光顯示屏、 CRT陰極射線管顯示屏和利用虛擬成像技術實現(xiàn)了在前 擋風玻璃上形成圖像的抬頭顯示等。 汽車智能數字儀表的基本結構 汽車智能數字儀表就是將轉速表、車速表、里程表、機油壓力表、燃油表等組合到一起的汽車電子儀表。各個儀表如下 : 電子式轉速表 電子式轉速表由于具有較高的精度、靈敏度，并能自動報警，及其在高低溫、潮濕、振動等各種惡劣條件下工作的優(yōu)點，所以應用較多。大多數轉速表采用真空熒光顯示、液晶顯示等以圖形顯示發(fā)動機速度，它利用點火系的初級脈沖信號測量發(fā)動機轉速，這個脈沖信號輸人微機中測得每個脈沖的周期，用四個脈沖的平均周期來計算發(fā)動機轉速。 車速表 車速表用來根據從汽車速度傳感器接收的信號計算汽車速度并顯示這一計算結果。當檢測到來自汽車速度傳感器的信號出現(xiàn)時，微機開始計算代表汽車速度的脈沖。當預定的時間周期過去之時，計算運行也就結束。然后把計算器的計算數字與存貯器中的數字進行比較 :若兩者問相差為 l km/h 或更多時，計算數字送往顯示電路，用以更新顯示值。 里程表 里程累計表用來綜合、存貯和顯示汽車行駛的距離。這類里程表有兩種，一 是短距離里程表，駕駛員可調整所需的讀數，即為重新記錄里程，可隨時調零 : 二是顯示車輛行駛總距離 的里程表。兩種里程表都計算來自車輛速度傳感器的脈沖量并將其存貯起來。輸入脈沖量的微機的電源與蓄電池連接。這就是蓄電池支持系統(tǒng)，這種結構即在點火開關關斷時，也能保持存貯的數據甚至如果蓄電池與系統(tǒng)斷開，由于采用了電可擦可編程序只讀存貯器和蓄電池支持系統(tǒng)，里程表中的數據也能保持完好。 14 燃油表、機油壓力表 為了進行較精確的測量汽車的燃油余量，燃油余量可采用數字式燃油余量測量器來測量。數字式燃油余量測量器是把傳感器產生的被測量的連續(xù)電量自動地變成斷續(xù)量 (數字量 )，然后進行數字編碼，并將測量結果經數字顯示出 來。它由燃油余量傳感器、放大A/D 轉換、譯碼器、顯示裝置等幾部分組成。溫度傳感器把待測的溫度變成一定函數關系的電信號。但該電信號較弱，要經放大后才能進行 A/D 轉換，把由燃油余量傳感器變成模擬量的電信號轉換成對應的數字量。通過譯碼器譯碼后，由顯示裝置顯示出測量的溫度。 機油壓力表、水溫表和燃油表類似，只是傳感器不同。 基于步進電機的汽車智能數字儀表技術基礎 隨著電子技術的發(fā)展，步進電動機也成為了汽車儀表的主要驅動部件。步進電動機是一種脈沖式執(zhí)行元件。它受電脈沖信號的控制，每輸入一個脈沖，轉子便產 生一步位移 BS，稱步距角。輸出總位移量 8與脈沖個數 N成正比，即 0=氏 N(21) 由于這種電機的位移是隨脈沖的逐個輸入而逐步行進，所以稱作步進電動機或稱脈沖電機。如果輸入信號是連續(xù)的脈沖序列，電機即可連續(xù)運轉，此時電機的轉速 n與脈沖頻率 f，即 n=kn 人 (22) 式中 :kn 為比例常數。 步進電機是控制用的特種電機，他的旋轉以固定角度 (步距角 )一步一步運行，它沒有累計誤差，廣泛應用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行要用一個電子 裝置來驅動，這種裝置就是步進電機的驅動器，它把控制系統(tǒng)發(fā)出 的脈沖信號轉 化為步進電機的角位移。通俗一點講 :當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度 (及步距角 )。我們可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的 :同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 步進電機分三種 :永磁式 (PM)、反應式 (VR)和混合式 (HB)。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步距角一般為 度或巧度 。反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步距角一般為 ?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和 反應式的優(yōu)點。 15 它又分為兩相和五相，兩相步進電機步距角一般為 度而五相步距角一般為 度。 步進電機的一些基本參數 : (1)電機固有步距角 :它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時便給出了一個步距角的值，這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。 (2)步進電機的相數 :它是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 /、三相的為 。 、五相的為 /。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則“相數”將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。 (3)保持轉矩 (HOLDING TORQUE):它是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。 (4) DETENT TORQUE:它是指步進電機沒有通電的情況下， 定子鎖住轉子的力矩。 步進電機的一些特點 : 1一般步進電機的精度為步進角的 3%5%，且不累積。 。一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 80、 90度完全正常。 。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率 (或速度 )的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 ，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 傳統(tǒng)的步進電機存在步距角大、運行噪聲大、震動大、低頻運行有振蕩等缺點，往往滿足不了某些高精度定位、精密加工等方面的要求，影響了步進電機系統(tǒng)的性能，限制了步進電機的應用范圍。為了改善步進電機的這些缺點，人們從兩個方面著手進行了努力。一個是從電機本身出發(fā)，通過增加相數和齒數等方法來提高系統(tǒng)性能 。另一個就是通過優(yōu)化它的控制方法來提高系統(tǒng)的性能。第一種 方法能提高步進電機系統(tǒng)的性能，但受制于材料、工藝和成本等。相比于前者， 后者具有更大的發(fā)展空間和前景。 步進電 機作為常用的數字化執(zhí)行元件，其控制結果的優(yōu)劣絕大程度上取決于其驅動 16 電源的性能。實現(xiàn)細分驅動是減小步距角、提高步進分辨率、增加電機運行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。根據電機學原理，要使電機在運行中具有恒定的力矩以達到電機的平穩(wěn)運行，電機內應該有均勻的圓形旋轉磁場，也就是要求各相繞組產生的合成磁勢矢量在空間做等幅勻速旋轉。根據電機學理論可知，如果在空間正交的兩相繞組上各通以相位相差 90。的正弦電流，那么這兩相繞組的合成空間電流矢量將做等幅勻速旋轉，由此產生的控制合成磁勢也將做等幅勻速旋轉，電機也將獲得最佳的運行性 能，這就是步進電機細分控制方式的原理。 步進電機的細分控制，從本質上講是通過對步進電機的勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實現(xiàn)對步進電機的恒轉矩均勻細分控制，必須合理控制電機繞組中的電流使步進電機內部合成磁場的幅值恒定，而且每個進給脈沖所引起的合磁場的角度變化也要均勻。 由于步進電機驅動電源技術的逐步提高，步進電機的 運行性能也因此得到了很大的改善，它的應用范圍也就越來越廣泛，在精度上己經達到能和伺服系統(tǒng)相媲美的效果。并且由于步進電機無需反饋，其控制方式相對簡單，位置誤差不會累加，與伺服系統(tǒng)相比可以大大的降低成本，在越來越多的汽車儀表中占據了一席之地。如奇瑞風云轎車、哈飛賽豹轎車和捷達轎車等采用的都是步進電機式汽車儀表。 17 第 3 章 汽車智能數字儀表的硬件設計 汽車智能數字儀表的設計目標 本文根據目前國內汽車儀表的狀況和要求，并通過對汽車儀表系統(tǒng)基本功能的分析，完成基于單片機和步進電機設計出一款汽車智 能數字儀表。該儀表能實現(xiàn)步進電機帶動表盤指針實時指示汽低功耗、清楚、直觀、簡單、容錯性強、密封性好，已經達到了國際汽車在行駛中的車速、轉速、燃油、機油壓力信號，并通過液晶顯示汽車行駛里程。該智能數字儀表精度高、線性度好、響應速度快、適應性強、記錄準確、性能穩(wěn)定、車儀表的技術指標。 汽車智能數字儀表的設計技術路線 該汽車智能數字儀表采用傳感器、單片機、步進電機、驅動電路等主要部件來實現(xiàn)汽車智能數字儀表的設計。各種傳感器采集到的模擬或數字信號經過整形、濾波后將符合標準的信號輸入給單片機，經單片機處理后發(fā)送 指令給步進電機的驅動器使之驅動步進電機指示儀表。 汽車智能數字儀表中關鍵器件的選擇 微處理器的選擇 微控制器選用 AT89C51，其外圍接口電路簡單，成本低，而且它經過多年的發(fā)展，技術