電子車速里程表的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方素

　摘要：介紹了一個(gè)基于單片機(jī)的電子式轉(zhuǎn)速里程表實(shí)現(xiàn)方案，討論了里程計(jì)數(shù)的原理和轉(zhuǎn)速指示原理，給出了用單片機(jī)AT89C2051和LM1819驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的汽車轉(zhuǎn)速里程表的具體電路原理圖。
１ 概述
　　傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)速里程表的功能有兩個(gè)，一是用指針指示汽車行駛的瞬時(shí)車速，二是用機(jī)械計(jì)數(shù)器記錄汽車行駛的累計(jì)里程?，F(xiàn)代汽車正向高速化方向發(fā)展，隨著車速的提高，用軟軸驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)車速里程表受到前所未有的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)檐涊S在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于受鋼絲交變應(yīng)力極限的限制而容易斷裂，同時(shí)，軟軸布置過長會(huì)出現(xiàn)形變過大或運(yùn)動(dòng)遲滯等現(xiàn)象，而且，對于不同的車型，轉(zhuǎn)速里程表的安裝位置也會(huì)受到軟軸長度及彎曲度的限制。凡此種種，使得基于非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器的電子式轉(zhuǎn)速里程表得以迅速發(fā)展。
２　里程累計(jì)實(shí)現(xiàn)原理
　　車速里程表的速比表示的是：車速里程表轉(zhuǎn)軸（軟軸）在汽車行駛一公里時(shí)所轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)。 基于單片機(jī)的車速里程表采用霍爾型非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器。這種車速里程表轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈,霍爾傳感器將感應(yīng)發(fā)出８個(gè)脈沖?，F(xiàn)在以速比為１:６２４的車型為例? 汽車行駛一公里? 則霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共為８×６２４＝４９９２個(gè),或者說,每個(gè)脈沖代表了１／４９９２公里的里程。將這些脈沖信號當(dāng)作外部中斷源輸入給單片機(jī)，使每個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)中斷,并通過中斷服務(wù)程序?qū)γ總€(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),這樣，當(dāng)計(jì)滿４９９２時(shí),表明汽車行駛了１公里,然后再給累計(jì)單元加一,并存入ＥＥＰＲＯＭ單元,最后通過刷新ＬＣＤ液晶顯示器，即可實(shí)現(xiàn)里程計(jì)數(shù)功能。但在編程時(shí)要注意，ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)的外部中斷有兩種觸發(fā)方式，即電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)，本設(shè)計(jì)選用邊沿觸發(fā)方式，即采用負(fù)跳變引起中斷。
３　車速測量及指示原理
　　車速指示可采用雙線圈汽車轉(zhuǎn)速表頭，它由空氣軸表芯和驅(qū)動(dòng)電路組成，空氣軸表芯通常由三部分組成：磁鐵、與轉(zhuǎn)軸相連的指針和兩個(gè)互成九十度的線圈。轉(zhuǎn)軸是表芯唯一的可動(dòng)部件，磁鐵的轉(zhuǎn)角總是趨向于兩個(gè)線圈的磁場強(qiáng)度矢量的合成方向，磁場強(qiáng)度正比于加在線圈上的電壓，因此，通過改變電壓的極性和幅度，可在理論上使轉(zhuǎn)軸組件在０～３６０度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，只要能按一定的規(guī)律驅(qū)動(dòng)兩個(gè)線圈，就可以使指針偏轉(zhuǎn)位置與輸入量成線性關(guān)系，即滿足下列公式：
　　θ＝ＫＶｉｎ
　　其中θ為指針偏轉(zhuǎn)角,單位為度; Ｋ為轉(zhuǎn)角常數(shù),單位為度／Ｖ; Ｖｉｎ是輸入電壓,單位為Ｖ。
　　每個(gè)線圈的磁場強(qiáng)度矢量之和必須跟隨偏轉(zhuǎn)角θ。考慮到轉(zhuǎn)軸組件總是指向Ｈｓｉｎｅ和Ｈｃｏｓｉｎｅ這兩個(gè)正交矢量之和的方向?則其方向可由下式求得?
　　θ＝ａｒｃｔａｎ Ｈｓｉｎｅ／Ｈｃｏｓｉｎｅ
　　并由此可以得出：
　　θ＝ａｒｃｔａｎ ｓｉｎθ／ｃｏｓθ
　　由上述公式可見?當(dāng)Ｈｓｉｎｅ按θ的正弦函數(shù)變化，而Ｈｃｏｓｉｎｅ按θ的余弦函數(shù)變化時(shí)?所得到的總磁場強(qiáng)度的方向與θ角的方向相同,由于轉(zhuǎn)軸組件與磁場強(qiáng)度矢量和的方向相同,因此，指針將始終指向θ角的方向。
　　
　　圖１所示是ＬＭ１８１９驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部組成原理框圖，它由電荷泵、整形器、函數(shù)發(fā)生器等組成?輸入的轉(zhuǎn)速信號通過內(nèi)部的三極管緩沖后，輸入到電荷泵即可進(jìn)行Ｆ／Ｖ頻率電壓轉(zhuǎn)換，兩個(gè)輸出端按輸入量的正弦和余弦函數(shù)變化,２腳和１２腳的最小驅(qū)動(dòng)能力為±２０ｍＡ（±４Ｖ）,線圈的公共端接到１腳可為內(nèi)部函數(shù)發(fā)生器提供反饋信號, 同時(shí)為５．１Ｖ齊納二極管提供參考電壓。在該電路中，Ｋ＝５４°／Ｖ,輸入Ｖｉｎ 實(shí)際上是４腳和８腳的電位差,８腳既是諾頓放大器的輸出， 又是函數(shù)發(fā)生器的輸入，一般４腳的電壓是２．１Ｖ,所以有:
　　θ＝Ｋ（Ｖ８－Ｖｒｅｆ)＝５４（Ｖ８－２.１）
　　由于Ｖ８是在２．１Ｖ～７．１Ｖ的范圍內(nèi)變化的,故ＬＭ１８１９可以驅(qū)動(dòng)十字表頭以使其在０°～２７０°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。
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　　圖２所示是一種汽車轉(zhuǎn)速里程表的電路原理圖。這是一個(gè)典型的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ２０５１以其低價(jià)、低功耗、可靠性高和易于編程等特點(diǎn)著稱，Ｘ２５０４５則是ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)電路的一個(gè)輔助芯片，主要擔(dān)當(dāng)復(fù)位、電壓檢測、看門狗和ＥＥＰＲＯＭ功能，該芯片的采用大大提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了外圍芯片數(shù)，可實(shí)現(xiàn)里程累計(jì)的掉電存儲(chǔ)。ＬＣＭ１０１０為十位八段式帶背光液晶顯示模塊，采用三線串行接口，它具有功耗低和編程方便的特點(diǎn)。該顯示共分兩行顯示，第一行６位顯示累計(jì)里程，第二行４位（１位小數(shù)）用于顯示小計(jì)里程。圖中Ｋ１為小計(jì)里程清零鍵，Ｒ４用于調(diào)節(jié)液晶顯示器的視角對比度。芯片Ｘ２５０４５是Ｘｉｃｏｒ公司推出的帶有可編程μＰ 監(jiān)控器的ＣＭＯＳ串行ＥＥＰＲＯＭ，帶有４０９６位，按５１２×８來組織。它具有４字節(jié)頁寫方式和１０萬次使用周期，數(shù)據(jù)可保存１００年。為了保證累計(jì)里程單元的個(gè)位或小計(jì)單元的小數(shù)位可靠刷新，當(dāng)這些單元接近極限使用周期時(shí)，可采取換頁的辦法來使這些數(shù)據(jù)移動(dòng)到新單元以繼續(xù)計(jì)數(shù)。
　　
　　霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過整形可分成兩路，一路送到單片機(jī)的ＩＮＴ１端用于累計(jì)里程計(jì)數(shù)，另一路送到ＬＭ１８１９驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速信號輸入端（１０腳），然后由驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)輸入信號的頻率在２腳和１２腳輸出相應(yīng)的正弦和余弦驅(qū)動(dòng)信號，十字線圈產(chǎn)生的磁場共同作用于磁鐵可使轉(zhuǎn)軸組件偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。但調(diào)整時(shí)要注意，電容Ｃ３的大小會(huì)改變表針偏轉(zhuǎn)的平滑性，Ｃ３越大，平滑性越好，但同時(shí)時(shí)間遲滯也會(huì)加大，而Ｃ３過小會(huì)使表針抖動(dòng)；Ｃ４可用于調(diào)整電路的線性和滯后誤差；Ｒ４的值可以改變表針的指示刻度點(diǎn)。
５　結(jié)論
　　本設(shè)計(jì)以單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ２０５１來實(shí)現(xiàn)里程累計(jì)、小計(jì)、清零及存儲(chǔ)，并以ＬＭ１８１９集成電路驅(qū)動(dòng)十字線圈表頭，從而實(shí)現(xiàn)了車速的指示。該設(shè)計(jì)方案成本低廉、指針穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、抗震性強(qiáng)、可靠性和性價(jià)比都很高。經(jīng)實(shí)際使用證明，該里程表完全可以取代傳統(tǒng)的以軟軸驅(qū)動(dòng)的車速里程表。當(dāng)然，這只是一種實(shí)現(xiàn)方案，也可以由單片機(jī)通過軟件來驅(qū)動(dòng)十字線圈表頭，即由單片機(jī)分別控制表頭的正弦線圈和余弦線圈而省去ＬＭ１８１９集成電路。對此，此處不再贅述。