【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(shè)計(jì)采用定做的4圈精密電位器作為傳感器，用以檢測(cè)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。電位器應(yīng)與方向盤(pán)同軸安裝，從而保證方向盤(pán)與電位器的角位移一致，并且安裝時(shí)初始值要一致。若方向盤(pán)處在正中心位置，則電位器的觸頭應(yīng)該在電阻的位置處，以保證測(cè)量的精確。本設(shè)計(jì)采用的電位器線性度極高，而方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角精度不要求太高，精確到1176。即可，因此不必過(guò)分考慮器件非線性因素帶來(lái)的誤差。為配合ATmega16單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換。此時(shí)電位器的輸出電壓與方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角關(guān)系如公式(31)~(32)所示。 (31)即 (32)其中，：電位器采集的電壓值；：方向盤(pán)轉(zhuǎn)角值。因此，只要檢測(cè)出電位器端的輸出電壓，即可推算出方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角所在位置。電位器的輸出電壓與方向盤(pán)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖31所示。圖31 電位器輸出電壓與方向盤(pán)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系 路面傾角檢測(cè)原理 路面傾角檢測(cè)也應(yīng)用電位器，其檢測(cè)方法和方向盤(pán)角度檢測(cè)方法基本相同。路面傾角檢測(cè)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處，規(guī)定此時(shí)的電位器轉(zhuǎn)角為0176。，這時(shí)候，電位器的輸出電壓與路面的傾角關(guān)系如公式(33)~公式(34)所示。 (33) 即 (34)其中，：電位器采集的電壓值；：路面的傾角值。電位器的輸出電壓與方向盤(pán)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖32所示。圖32 電位器輸出電壓與路面傾角的關(guān)系當(dāng)然，實(shí)際中路面的傾角一般不會(huì)超過(guò)45176。，因此，~。 汽車(chē)車(chē)速檢測(cè)原理汽車(chē)車(chē)速檢測(cè)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(jié)構(gòu)如圖33所示。 圖33 單路輸出光電編碼器結(jié)構(gòu)原理圖 編碼器的碼盤(pán)上有許多透光的縫隙，光線透過(guò)縫隙，便會(huì)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(pán)擋住，光敏管接收不到光信息，便會(huì)輸出低電平。若編碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，光線便會(huì)一會(huì)兒穿過(guò)編碼盤(pán)，一會(huì)兒被編碼盤(pán)擋住，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)脈沖序列，如圖36所示。圖36 單路輸出編碼器輸出脈沖波形編碼盤(pán)有多少透光的縫隙，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，便會(huì)產(chǎn)生多少個(gè)脈沖。通常稱編碼器的縫隙數(shù)為線數(shù)，如果編碼盤(pán)單圈有1024個(gè)縫隙，就稱這樣的編碼器為1024線編碼器。由此可知，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)的多少，就可以知道編碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。由于編碼盤(pán)與汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪同軸安裝，因此汽車(chē)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼盤(pán)便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。這樣，知道了汽車(chē)車(chē)輪單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，車(chē)速便自然得知。汽車(chē)車(chē)速的計(jì)算如公式(35)所示。 (35)其中，為車(chē)速；為測(cè)速周期； 為時(shí)間內(nèi)的脈沖總數(shù)；為車(chē)輪半徑； 為編碼器的線數(shù)。本設(shè)計(jì)選用編碼器的線數(shù)為500，，因此測(cè)速公式可改為： (36) 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎性能研究 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，不僅要考慮方向盤(pán)與車(chē)輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系，還要考慮轉(zhuǎn)彎半徑與車(chē)速等量的關(guān)系，通過(guò)綜合考慮，才能知道轉(zhuǎn)彎是否安全。 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與車(chē)輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系汽車(chē)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍一般為720176。~+720176。，汽車(chē)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為45176。~+45176。(左轉(zhuǎn)為“”，右轉(zhuǎn)為“+”)，一般汽車(chē)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和汽車(chē)轉(zhuǎn)向輪的旋轉(zhuǎn)角度存在線性關(guān)系。車(chē)輪轉(zhuǎn)角與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的關(guān)系如公式(37)所示。 (37) 其中為汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與車(chē)輪轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖37所示。圖37 汽車(chē)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系 車(chē)輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)彎半徑之間的關(guān)系汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)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(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑也不一樣。確定轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)確定轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性有非常重要的作用。一般小車(chē)的轉(zhuǎn)向輪為前輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪。小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的模型如圖38所示。圖38 小車(chē)轉(zhuǎn)彎模型圖中L為小車(chē)前后輪的軸距，R為小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑，223。為車(chē)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(zhǎng)線的交點(diǎn)O處。一般情況下車(chē)輪轉(zhuǎn)向角223。比較小，因此當(dāng)，當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向角為時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑可近似由公式(38)得出。 (38) 其中為轉(zhuǎn)彎半徑；為前后輪軸距。 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎模型分析汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)彎的安全性非常重要，如果彎度過(guò)小，車(chē)速過(guò)高，就可能發(fā)生向心力不足，汽車(chē)甩出路面，造成事故。因此，在汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行受力分析，從而設(shè)計(jì)報(bào)警裝置。汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力情況如圖39所示。圖39 汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的力學(xué)模型分析圖中為汽車(chē)所受重力；為汽車(chē)與路面的橫向摩擦力；為路面對(duì)汽車(chē)的支持力；為路面傾角。由圖可知，轉(zhuǎn)彎時(shí)，汽車(chē)的向心力由汽車(chē)重力沿路面方向的分力和汽車(chē)車(chē)輪與路面之間的橫向摩擦力提供。根據(jù)力學(xué)原理可知： (39)其中F為汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力；為汽車(chē)所受重力；為汽車(chē)車(chē)輪與路面的摩擦力；為路面傾角。汽車(chē)所受重力由公式(310)所示。 (310)其中，為汽車(chē)質(zhì)量，為重力加速度。汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)所受橫向摩擦力如公式(311)所示。 (311)其中為汽車(chē)所受橫向摩擦力，為路面摩擦系數(shù)。根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)公式可知，汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)速，轉(zhuǎn)彎半徑與向心力有以下關(guān)系： (312)將公式(37)~(311)代入公式(312)可知： (313)其中，為車(chē)速；為路面傾角；為車(chē)輪轉(zhuǎn)角。這里的為轉(zhuǎn)彎時(shí)的最高理論車(chē)速，如果車(chē)速超過(guò)轉(zhuǎn)彎理論車(chē)速就會(huì)有轉(zhuǎn)向力不足，汽車(chē)飛出路面的事故發(fā)生。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)車(chē)速接近路面允許的最大車(chē)速時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該報(bào)警，警告駕駛員轉(zhuǎn)彎車(chē)速過(guò)高。一般情況下，路面摩擦系數(shù)根據(jù)天氣情況不同而不同。一般晴天時(shí)，。因此設(shè)計(jì)時(shí)。為安全起見(jiàn)，留一定裕量，取 。一般汽車(chē)前后輪軸距為 。 將這些數(shù)據(jù)代入公式(313)，可得汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的最高車(chē)速應(yīng)近似為： (314)其中，為車(chē)速；為路面傾角；為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)系統(tǒng)的三個(gè)檢測(cè)量：方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、路面傾角及車(chē)速的檢測(cè)原理進(jìn)行了分析；其次對(duì)系統(tǒng)各檢測(cè)量之間的關(guān)系作了闡述，分析了汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的力學(xué)模型，從而確定了轉(zhuǎn)彎時(shí)最大車(chē)速，根據(jù)最大車(chē)速，才能進(jìn)一步確定系統(tǒng)什么時(shí)候應(yīng)該報(bào)警。廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第四章 方向盤(pán)角度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)第四章 方向盤(pán)角度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體硬件框圖本設(shè)計(jì)以ATmega16單片機(jī)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(hào)處理部分，數(shù)據(jù)處理部分及顯示部分等。該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)檢測(cè)部分主要包括方向盤(pán)角度檢測(cè)模塊，路面傾角檢測(cè)模塊及車(chē)速檢測(cè)模塊。方向盤(pán)角度檢測(cè)模塊和路面傾角檢測(cè)模塊都采用電位器的分壓原理，電位器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)處理傳送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而為單片機(jī)控制所用，通過(guò)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和地面傾角就可以確定理論上的最大車(chē)速。汽車(chē)車(chē)速檢測(cè)采用旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器檢測(cè)的脈沖序列經(jīng)過(guò)處理，送入單片機(jī)計(jì)數(shù)口進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，可得出汽車(chē)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，從而得出汽車(chē)的速度。將檢測(cè)的車(chē)速和理論最大車(chē)速進(jìn)行比較，從而確定系統(tǒng)是否需要報(bào)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(jī)介紹本系統(tǒng)的控制中心采用ATmega16單片機(jī)[7]。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾；ATmega16有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，131條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，32個(gè)8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作在16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS；并且有非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash擦寫(xiě)壽命10000次，有512字節(jié)的EEPROM擦寫(xiě)壽命100000次；具有32個(gè)可編程的I/O口，編程簡(jiǎn)單；ATmega16兼PIC及8051優(yōu)點(diǎn)于一身，具有優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能方面都有明顯優(yōu)勢(shì)[8]。ATmega16的引腳如圖42所示。 圖42 ATmega16的引腳圖本設(shè)計(jì)方向盤(pán)角度檢測(cè)環(huán)節(jié)采用單片機(jī)的PA0口，路面傾角檢測(cè)環(huán)節(jié)采用單片機(jī)的PA1口。這兩個(gè)接口都有ADC轉(zhuǎn)換功能和采樣保持功能。速度檢測(cè)環(huán)節(jié)采用PB0口，此接口有定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換原理將在下一小節(jié)介紹。 單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換原理電位器檢測(cè)來(lái)的電壓必須經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)