電子車(chē)速里程表的51單片機實(shí)現方案

１ 概述

傳統的汽車(chē)轉速里程表的功能有兩個(gè)，一是用指針指示汽車(chē)行駛的瞬時(shí)車(chē)速，二是用機械計數器記錄汽車(chē)行駛的累計里程?，F代汽車(chē)正向高速化方向發(fā)展，隨著(zhù)車(chē)速的提高，用軟軸驅動(dòng)的傳統車(chē)速里程表受到前所未有的挑戰，這是因為軟軸在高速旋轉時(shí)，由于受鋼絲交變應力極限的限制而容易斷裂，同時(shí)，軟軸布置過(guò)長(cháng)會(huì )出現形變過(guò)大或運動(dòng)遲滯等現象，而且，對于不同的車(chē)型，轉速里程表的安裝位置也會(huì )受到軟軸長(cháng)度及彎曲度的限制。凡此種種，使得基于非接觸式轉速傳感器的電子式轉速里程表得以迅速發(fā)展。

２　里程累計實(shí)現原理

車(chē)速里程表的速比表示的是：車(chē)速里程表轉軸（軟軸）在汽車(chē)行駛一公里時(shí)所轉過(guò)的轉數。 基于單片機的車(chē)速里程表采用霍爾型非接觸式轉速傳感器。這種車(chē)速里程表轉軸每轉一圈,霍爾傳感器將感應發(fā)出８個(gè)脈沖?，F在以速比為１:６２４的車(chē)型為例? 汽車(chē)行駛一公里? 則霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數共為８×６２４＝４９９２個(gè),或者說(shuō),每個(gè)脈沖代表了１／４９９２公里的里程。將這些脈沖信號當作外部中斷源輸入給單片機，使每個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)中斷,并通過(guò)中斷服務(wù)程序對每個(gè)脈沖進(jìn)行計數,這樣，當計滿(mǎn)４９９２時(shí),表明汽車(chē)行駛了１公里,然后再給累計單元加一,并存入ＥＥＰＲＯＭ單元,最后通過(guò)刷新ＬＣＤ液晶顯示器，即可實(shí)現里程計數功能。但在編程時(shí)要注意，ＭＣＳ－５１系列單片機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)，本設計選用邊沿觸發(fā)方式，即采用負跳變引起中斷。

３　車(chē)速測量及指示原理

車(chē)速指示可采用雙線(xiàn)圈汽車(chē)轉速表頭，它由空氣軸表芯和驅動(dòng)電路組成，空氣軸表芯通常由三部分組成：磁鐵、與轉軸相連的指針和兩個(gè)互成九十度的線(xiàn)圈。轉軸是表芯唯一的可動(dòng)部件，磁鐵的轉角總是趨向于兩個(gè)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強度矢量的合成方向，磁場(chǎng)強度正比于加在線(xiàn)圈上的電壓，因此，通過(guò)改變電壓的極性和幅度，可在理論上使轉軸組件在０～３６０度范圍內轉動(dòng)。顯然，只要能按一定的規律驅動(dòng)兩個(gè)線(xiàn)圈，就可以使指針偏轉位置與輸入量成線(xiàn)性關(guān)系，即滿(mǎn)足下列公式：

θ＝ＫＶｉｎ

其中θ為指針偏轉角,單位為度; Ｋ為轉角常數,單位為度／Ｖ; Ｖｉｎ是輸入電壓,單位為Ｖ。

每個(gè)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強度矢量之和必須跟隨偏轉角θ?？紤]到轉軸組件總是指向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(jiàn)?當Ｈｓｉｎｅ按θ的正弦函數變化，而Ｈｃｏｓｉｎｅ按θ的余弦函數變化時(shí)?所得到的總磁場(chǎng)強度的方向與θ角的方向相同,由于轉軸組件與磁場(chǎng)強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驅動(dòng)器的內部組成原理框圖，它由電荷泵、整形器、函數發(fā)生器等組成?輸入的轉速信號通過(guò)內部的三極管緩沖后，輸入到電荷泵即可進(jìn)行Ｆ／Ｖ頻率電壓轉換，兩個(gè)輸出端按輸入量的正弦和余弦函數變化,２腳和１２腳的最小驅動(dòng)能力為±２０ｍＡ（±４Ｖ）,線(xiàn)圈的公共端接到１腳可為內部函數發(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的范圍內變化的,故ＬＭ１８１９可以驅動(dòng)十字表頭以使其在０°～２７０°范圍內轉動(dòng)。

４　電路原理圖

圖２所示是一種汽車(chē)轉速里程表的電路原理圖。這是一個(gè)典型的單片機最小應用系統。單片機ＡＴ８９Ｃ２０５１以其低價(jià)、低功耗、可靠性高和易于編程等特點(diǎn)著(zhù)稱(chēng)，Ｘ２５０４５則是ＭＣＳ－５１系列單片機電路的一個(gè)輔助芯片，主要擔當復位、電壓檢測、看門(mén)狗和ＥＥＰＲＯＭ功能，該芯片的采用大大提高了系統的可靠性，減少了外圍芯片數，可實(shí)現里程累計的掉電存儲。ＬＣＭ１０１０為十位八段式帶背光液晶顯示模塊，采用三線(xiàn)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位顯示累計里程，第二行４位（１位小數）用于顯示小計里程。圖中Ｋ１為小計里程清零鍵，Ｒ４用于調節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 監控器的ＣＭＯＳ串行ＥＥＰＲＯＭ，帶有４０９６位，按５１２×８來(lái)組織。它具有４字節頁(yè)寫(xiě)方式和１０萬(wàn)次使用周期，數據可保存１００年。為了保證累計里程單元的個(gè)位或小計單元的小數位可靠刷新，當這些單元接近極限使用周期時(shí)，可采取換頁(yè)的辦法來(lái)使這些數據移動(dòng)到新單元以繼續計數。

霍爾傳感器發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過(guò)整形可分成兩路，一路送到單片機的ＩＮＴ１端用于累計里程計數，另一路送到ＬＭ１８１９驅動(dòng)器的轉速信號輸入端（１０腳），然后由驅動(dòng)電路根據輸入信號的頻率在２腳和１２腳輸出相應的正弦和余弦驅動(dòng)信號，十字線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同作用于磁鐵可使轉軸組件偏轉相應的角度。但調整時(shí)要注意，電容Ｃ３的大小會(huì )改變表針偏轉的平滑性，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(guò)小會(huì )使表針抖動(dòng)；Ｃ４可用于調整電路的線(xiàn)性和滯后誤差；Ｒ４的值可以改變表針的指示刻度點(diǎn)。

５　結論

本設計以單片機ＡＴ８９Ｃ２０５１來(lái)實(shí)現里程累計、小計、清零及存儲，并以ＬＭ１８１９集成電路驅動(dòng)十字線(xiàn)圈表頭，從而實(shí)現了車(chē)速的指示。該設計方案成本低廉、指針?lè )€定性好、響應速度快、抗震性強、可靠性和性?xún)r(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的以軟軸驅動(dòng)的車(chē)速里程表。當然，這只是一種實(shí)現方案，也可以由單片機通過(guò)軟件來(lái)驅動(dòng)十字線(xiàn)圈表頭，即由單片機分別控制表頭的正弦線(xiàn)圈和余弦線(xiàn)圈而省去ＬＭ１８１９集成電路。對此，此處不再贅述。