出租車?yán)锍田@示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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第1章 概 述
1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
自今汽車走過(guò)了100多年的發(fā)展歷程，汽車儀表也在不斷開發(fā)和發(fā)展之中。汽車儀表發(fā)展，按其工作原理上取得的重大技術(shù)創(chuàng)新來(lái)分經(jīng)過(guò)四代：第一代汽車儀表是基于機(jī)械作用力而工作的機(jī)械式儀表，即機(jī)械機(jī)芯表；第二代汽車儀表的工作原理基于電子測(cè)量原理，即通過(guò)各類傳感器將被測(cè)的非電量變換成電信號(hào)加以測(cè)量，稱之為電氣式儀表；第三代為模擬電路電子式；第四代為步進(jìn)電機(jī)式全數(shù)字汽車儀表。
目前，汽車儀表正在經(jīng)歷第三代向第四代轉(zhuǎn)型時(shí)期。第三代汽車用儀表工作原理與電氣式儀表基本相同，只是用電子器件取代原來(lái)的電氣器件。隨著集成電路技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這種儀表現(xiàn)在均采用汽車儀表專用集成電路，是國(guó)內(nèi)汽車儀表目前的主流產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了動(dòng)圈式機(jī)芯和動(dòng)磁式機(jī)芯階段。電子器件經(jīng)歷了分立器件和專用集成電路階段。發(fā)展到今天以塑料件為主；圍繞提高指示精度和指針平穩(wěn)性，有動(dòng)圈式、動(dòng)磁式等。第四代步進(jìn)電機(jī)式全數(shù)字式汽車儀表從其應(yīng)用的技術(shù)手段上看，還是電子技術(shù)范疇，也屬于電子式儀表，但信號(hào)處理方式己從模擬變成數(shù)字。其最顯著的特征是工作原理與第三代汽車儀表完全不同。本系統(tǒng)研制的步進(jìn)電機(jī)式車速里程表就是在這第三代和第四代轉(zhuǎn)型時(shí)期開發(fā)研制的第四代新型儀表。該表屬于第四代步進(jìn)電機(jī)式全數(shù)字式汽車儀表，本系統(tǒng)開發(fā)的儀表的優(yōu)點(diǎn)是指示精度高，響應(yīng)速度快、無(wú)抖動(dòng)，指示范圍分度均勻等。
1.2 方案比較
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，車速里程表機(jī)芯的研制主要設(shè)計(jì)出車速的指示和里程的顯示，具有小計(jì)里程和總里程的雙顯示功能，車速具有回零功能。因此根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)分析研究設(shè)計(jì)出方案如下。
1.2.1 方案一：動(dòng)磁式車速里程表
電子車速里程表是由步進(jìn)電機(jī)M驅(qū)動(dòng)機(jī)械式里程記錄機(jī)構(gòu)（計(jì)數(shù)器），裝在變速箱內(nèi)霍爾傳感器的輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)M由專門集成電路BL2115驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)M轉(zhuǎn)動(dòng)量與變速箱輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)量成一定速比關(guān)系，從而取消了傳統(tǒng)的軟軸驅(qū)動(dòng)。
指示瞬時(shí)車速的指針用十字交叉動(dòng)磁式機(jī)芯驅(qū)動(dòng)，該機(jī)芯上有一個(gè)專門集成電路LM1819同時(shí)接受霍爾傳感器輸出信號(hào)，并輸出兩路驅(qū)動(dòng)十字交叉線包的電流信號(hào)。這兩路電流信號(hào)決定十字交叉線包的合成磁場(chǎng)方向，合成磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)車速的指針偏轉(zhuǎn)，用以指示車速。綜上所述，累計(jì)里程計(jì)數(shù)和瞬時(shí)車速指示都受控于同一個(gè)信號(hào)源（霍爾速度傳感器）。圖1-1是動(dòng)磁式車速里程表工作原理框圖。
圖1-1 動(dòng)磁式車速里程表工作原理框圖
這種結(jié)構(gòu)的車速里程表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它具有較好的優(yōu)點(diǎn)：用指針指示速度，指針的轉(zhuǎn)速連續(xù)、穩(wěn)定，駕駛員不易產(chǎn)生視覺疲勞。
1.2.2 方案二：雙線圈式車速里程表
本方案是通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)里程累計(jì)、清零及存儲(chǔ)，存儲(chǔ)由E2PROM芯片AT24C02組成，并以LM1819集成電路驅(qū)動(dòng)十字線圈表頭，從而實(shí)現(xiàn)車速的指示。原理框圖見圖1-2所示。該設(shè)計(jì)方案成本低廉、指針?lè)�(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。該里程表完全取代了傳統(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(guò)軟件來(lái)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(duì)此，本文不再贅述。
圖1-2 雙線圈式車速里程表原理框圖
1.2.3 方案三：步進(jìn)電機(jī)式車速里程表
本方案的步進(jìn)電機(jī)式車速里程表是一種用指針指示速度、用液晶顯示里程的電子式車速里程表。車速表不再采用十字交叉動(dòng)磁式機(jī)芯，而改用步進(jìn)電機(jī)式機(jī)芯。該步進(jìn)電機(jī)式機(jī)芯由單片機(jī)控制，再由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)指針指示行駛車速，從而實(shí)現(xiàn)車速的瞬時(shí)指示，因而稱作單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)式機(jī)芯車速表。里程累計(jì)和小計(jì)不再使用機(jī)械計(jì)數(shù)器，而是改用E2PROM芯片存儲(chǔ)顯示數(shù)值，由顯示屏LCD（液晶顯示屏）顯示累計(jì)和小計(jì)里程。采用液晶顯示后，克服了字輪顯示故障率高、受命短等缺點(diǎn)，還增加了短距離計(jì)程等功能。本方案中的步進(jìn)電機(jī)式車速里程表原理框圖如圖1-3所示。
步進(jìn)電機(jī)式車速里程表是一種以單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)里程累計(jì)、小計(jì)、清零及存儲(chǔ)，并以步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)車速的指示。該方案成本低廉、指針?lè)�(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。
圖1-3 步進(jìn)電機(jī)式車速里程表原理框圖
1.2.4 方案論證
實(shí)現(xiàn)以上方案都可以達(dá)到車速和里程顯示的目的，但采用動(dòng)磁式車速里程表在裝配過(guò)程中易發(fā)生針軸與軸承間間隙不一致、阻尼油阻尼不合適等問(wèn)題。而采用雙線圈式車速里程表速度指示在低速區(qū)的線性差和精度不高。對(duì)于第三種方案采用步進(jìn)電機(jī)式車速里程表，其工作原理上的技術(shù)創(chuàng)新以及指針精度較。故確定采用此方案來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的車速和里程。
步進(jìn)電機(jī)式車速里程表車速對(duì)應(yīng)指示區(qū)間為0~200km/h；里程表由總里程和小計(jì)里程組成，總里程顯示范圍為0~999999km，小計(jì)里程顯示范圍為0~999.9km。在這第三種方案中，車速和里程信號(hào)都是由霍爾傳感器送入到單片機(jī)的T0和T2端口，T2記錄霍爾傳感器送入信號(hào)的周期，在單片機(jī)中做相應(yīng)處理后，送給步進(jìn)電機(jī)用于車速的測(cè)量。T0記錄霍爾傳感器送入信號(hào)的個(gè)數(shù)，記錄到一定的數(shù)值送給LCD顯示里程。并把顯示的總里程保存在E2PROM 中。...
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