【正文】 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。 本章小結(jié) 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(guān)系作了闡述，分析了汽車轉(zhuǎn)向時的力學(xué)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(yīng)該報警。 一般 汽車前后輪軸距 L 為 米。因此設(shè)計時，摩擦系數(shù)不能大于 。 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。 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。 sinf mg??? (311) 其中 f 為汽車所受橫向摩擦力， ? 為路面摩擦系數(shù)。 G mg? (310) 其中， m 為汽車質(zhì)量， g 為重力加速度。 根據(jù)力學(xué)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。 圖 39 汽車轉(zhuǎn)彎時的力學(xué)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。因此，在汽車轉(zhuǎn)彎時，應(yīng)對其進行受力分析，從而設(shè)計報警裝置。 ?sin/LR? (38) 其中 R 為轉(zhuǎn)彎半徑； L 為前后輪軸距。一般情況下車輪轉(zhuǎn)向角 223。 為車輪轉(zhuǎn)向角度，虛線圓弧為轉(zhuǎn)彎路徑。小車轉(zhuǎn)彎時的模型如圖38 所示。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。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(yīng)關(guān)系如圖 37 所示。 車輪轉(zhuǎn)角與方向盤 轉(zhuǎn)角的關(guān)系如公式 (37)所示。~+45176。~+720176。 本設(shè)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(guān)系，還要考慮轉(zhuǎn)彎半徑與車速等量的關(guān)系，通過綜合考慮，才 能知道轉(zhuǎn)彎是否安全。 汽車車速的計算如公式 (35)所示。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。 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。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。 光電編碼器結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。因此，實際上電位器的輸出電壓應(yīng)在 ~。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(yīng)關(guān)系如圖 32 所示 。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(guān)系如公式 (33)~公式(34)所示。 圖 31 電位器輸出電壓與方向盤角度 的對應(yīng)關(guān)系 路面傾角檢測原理 路面傾角檢測也應(yīng) 用 電位器，其檢 測方法和方向盤角度檢測方法基本相同。 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。此時電位器的輸出電壓 Vout 與方向盤的轉(zhuǎn)角關(guān)系如公式 (31)~(32)所示。即可，因此不必過分考慮器件非線性因 素帶來的誤差。若方向盤處 在正中心位置，則電位器的觸頭應(yīng)該在電阻 12 的位置處，以保 證測量的精確。 本設(shè)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。來表示 [6]，其中認為自然狀態(tài)下的方向盤為 0176。我們不妨應(yīng)用 720176。 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。系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計思想，可使 程序設(shè)計思路清晰，便于調(diào)試。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(xué)畢業(yè)設(shè)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(shè)計，并對設(shè)計的特點進行了說明。 本設(shè)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(shè) 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(yīng)的減速，防止意外發(fā)生。 4. 使用時間長，長期 使用 不會出現(xiàn)零點漂移 。 2. 測量精度高?？上攵?，其 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 需要設(shè)計專門的機械齒輪； 由 于齒輪制作受到材料和空間的限制，因此檢測精度必然會受到影響； 還 需 要設(shè)計很多的機械輔助零件，安裝復(fù)雜，并且線性度不高。 本設(shè)計的特點 現(xiàn)在雖然已有方向盤角度檢測系統(tǒng)的相關(guān)專利， 然而其 專利 只 是 測量方向盤的轉(zhuǎn)角，并未 對汽車轉(zhuǎn)彎時的性能進行評估。目前最常用的顯示器有 LCD和 LED。本設(shè)計采 用 ATmega16 單片機作為控制中心。當前的控制系統(tǒng)主要有上下位機（ PCPLC）、 DSP 控制器及單片機，其 各自 特性如表 22 所示。編碼器的外形圖如圖24 所示。一般汽車測速都是單向的，因此選擇單路輸出的編碼器即廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 第二章 方向盤角度檢測系統(tǒng)概述 8 可。增量式又分為單路輸出和雙路輸出，單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器輸出是一組脈沖，雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差 90176。由于旋轉(zhuǎn)編碼器測量精度高、測速方便、使用時間長、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，成為測速系統(tǒng)的首選傳感器。因此，在轉(zhuǎn)彎的時候，應(yīng)該對車速進行測量，當車速接近轉(zhuǎn)彎允許的最大車速時，進行報警，提示駕駛員減速。根據(jù)電位器的分壓原理就可以測得傾角 ? 的度數(shù)。測量原理如圖 23所示。 當汽車發(fā)生傾斜時，重物由于重力作用 轉(zhuǎn)動電位器的轉(zhuǎn)軸，從而改變 電位器指針位 置。 本設(shè)計采用單圈的電位器進行路面傾角的測量，其測量原理與 方向盤轉(zhuǎn)角的測量原理相同，只是安裝的方式有所不同。 圖 22 電位器輸出電壓與旋轉(zhuǎn)角度 的關(guān)系 2. 路面傾角檢測環(huán)節(jié)設(shè)計方案 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 第二章 方向盤角度檢測系統(tǒng)概述 7 汽車在轉(zhuǎn)彎時，路面的傾角不同，轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)角大小與最大車速都會有所影響。 因此 ， 可以 通過 電位器的輸出電壓大小來確定旋轉(zhuǎn)角度 。 在 多圈電位器中 ，電阻 絲 長度 L 與 電位器 旋轉(zhuǎn)角度 也 成正比關(guān)系?？勺冸娮柰ㄟ^改變觸頭的位置，從而改變 接入電路中的 電阻絲的長度 L ，從而 改變電阻 Rx 的大小。 一般電阻都存在以下基本關(guān)系： Rx LS? ρ (22) 其中， Rx 為電阻值， L 為電阻 絲 長度， ρ 為電阻率， S 為電阻絲橫截面積。 根據(jù)分壓原理， 電位器輸出電壓 Vout 與接入電路中的電阻 Rx 有以下關(guān)系： Vout RxVin Rz? (21) 其中， Vout 為電位器輸出電壓， Vin 為輸入電位器的電壓， Rx 為電位器 接入電路 中 的電阻 ， Rz 為電位器總電阻。（ 4 圈），本設(shè)計采用專門定制的 4 圈精密電位器，材質(zhì)與 M22S10廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 第二章 方向盤角度檢測系統(tǒng)概述 6 相同，阻值為 5KΩ。 M22S10 最大 電氣轉(zhuǎn)角為 3600176。%， 阻值公差 177。 表 21 各轉(zhuǎn)角傳感器的特性比較 轉(zhuǎn)角傳感器 接觸式 非接觸式 旋轉(zhuǎn)電位器 霍爾傳感器 光電編碼器 激光探測器 成本 低 高 高 高 環(huán)境要求 低 高 高 高 安裝 簡單 較復(fù)雜 復(fù)雜 復(fù)雜 體積 小 小 較大 大 考慮到成本及 環(huán)境影響問題，方向盤位置控制系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)電位器。 目前用于角度檢測 的傳感器主要有旋轉(zhuǎn)電位器、霍爾傳感器、光電編碼器及激光探測器等。 1. 方向盤角度檢測環(huán)節(jié)設(shè) 計方案 方向盤角度檢測系統(tǒng)要測量的量為角位移。提獲取信息的正確與否，決定了測試系統(tǒng)的精度。 圖 21 汽車方向盤角度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 第二章 方向盤角度檢測系統(tǒng)概述 5 方向盤角度檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案 方向盤角度檢測系統(tǒng)有三大模塊，系統(tǒng)設(shè)計方案可根據(jù)三大模塊分別進行設(shè)計。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由檢測模塊、控制模塊和顯示模 塊 構(gòu)成，軟件部分對不同的子系統(tǒng)分別進行編程，便于調(diào)試和移植。 顯示 報警 模塊 ： 用于 顯示方向盤的實時轉(zhuǎn)角 ，并高速轉(zhuǎn)彎存在安全隱患時進行 報警 。 檢測模塊 ：由傳感器檢測方向盤實時轉(zhuǎn)角信號 、轉(zhuǎn)彎時的路面傾角信號及車速信號 。 最后對論文作一個全文總結(jié)，并對系統(tǒng)的應(yīng)用做以展望。 第四章對系統(tǒng)軟件進行了設(shè)計。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 第一章 緒論 3 在第三章，講述了采用 ATmeg16 系列單片機為核心的小車方向盤角度檢測系統(tǒng)的 硬件 設(shè)計 。 本論文在第一章先概述了課題研究的背景及意義，以及本論文的主要工作。 論文的主要工作 論文主要闡述了一種小車方向盤角度檢測 裝置的 設(shè)計方法。因此 ， 我國的汽車電子 化與世界發(fā)達國家相比，還有很大的距離。面對國內(nèi)巨大的汽車市場，國外汽車電子供應(yīng)商積極介入我國的汽車電子領(lǐng)域。 我國汽車電子技術(shù)研究起步較晚，主要集中在清華、北理工大、吉林工大、上海交大等一些高校，以及一汽、二汽等大型國企的研發(fā)中心。這些供應(yīng)商都以 OEM 身份為整車企業(yè)配套，他們掌握著汽車零部件的核心技術(shù) [3]。據(jù)預(yù)測，21 世紀全球范圍內(nèi)能夠存活的特大型汽車生產(chǎn)集團將整合為六至八家 [2]。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 第一章 緒論 2 國內(nèi)外汽車電子的發(fā)展動態(tài) 隨著中國加入 WTO，以及國內(nèi)龐大的汽車市場對世界各大汽車公司的吸引力， 迄今為止，我國的汽車擁有量已經(jīng)突破 5000 萬輛，汽車的產(chǎn)量也在迅猛提升。沒有方向盤的角度檢測系統(tǒng)， 汽車的安全性能會大打折扣 。因此，方向盤角度檢測系統(tǒng)的設(shè)計對汽車行車停車安全至關(guān)重要，對提高汽車系統(tǒng)的可靠性有非常重要的意義?，F(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)的很大部分汽車上還沒有檢測方向盤轉(zhuǎn)角的電子儀器儀表，使得駕駛員在駕駛和泊車時不得不憑經(jīng)驗和感覺去判斷方向盤 轉(zhuǎn)動位置所在 ，這時難免發(fā)生 感覺誤差，造成 方向盤未回正 或 轉(zhuǎn)動角度過大的現(xiàn)象發(fā)生，給開車和 泊車帶來不便。汽車事 故嚴重威脅著人們的生命安全和生活秩序， 每年因為 方向盤跑偏和高速行車時方向盤瞬間轉(zhuǎn)移 角度過大而造成的撞車、翻車 事故不在少數(shù)。汽車走進私人家庭，已不再是夢想。在現(xiàn)代人的觀念中，汽車不單單是一輛交通工具，它更體現(xiàn)了一個人的品味、生活方式和價值觀念。 20 世紀以來，汽車工業(yè)發(fā)展迅速，我國汽車產(chǎn)業(yè)也初見規(guī)模。 通過硬件與軟件的結(jié)合，完成 了 方向盤角度 檢測系統(tǒng)的設(shè)計。 本設(shè)計的 硬件部分主要包括信號采集電路設(shè)計、 ADC 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 、單片機外圍電路設(shè)計 、 LED 顯示電路設(shè)計 和報警電路設(shè)計 等。 本論文 針對方向盤跑偏及轉(zhuǎn)彎車速過高等 問題，提出了一種方向盤角度 檢測系統(tǒng)的設(shè)計方法。 在這些交通事故中， 因為方向盤跑偏 及轉(zhuǎn)彎時車速過高而引起的撞車翻車 事故不在少數(shù)。廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 摘 要 I 摘 要 隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已成為人們生產(chǎn)生活必不可少的交通工具。 然而隨著 汽車數(shù)量 的逐年增加，公路、街道及停車場 秩序 逐漸混亂，加上非專業(yè)司機越來越多，交通事故頻發(fā)。因此，人們對汽車方向盤 及汽車安全性能 提出了更高的要求。 在 本設(shè)計中，應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)電位器進行方向盤角度信號 及轉(zhuǎn)彎時路面傾角 的檢測 ，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器進行汽車車速的測量， 通過Atmega16 單片機進行數(shù)據(jù) 的采集和 處理，由 LED 顯示方向盤實時角度 ，并在高速轉(zhuǎn)彎時進行報警 。 該設(shè)計軟件部分介紹了 AVR 單片機的應(yīng)用軟件，對系統(tǒng)的主要流程作了詳細介紹，講述了單片機數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和處理的方法。 關(guān)鍵 詞 ： 方向盤角度檢測 單片機 電位器 光電編碼器 LED 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文