電子車速里程表

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摘要：介紹了一個基于單片機的電子式轉速里程表實現方案，討論了里程計數的原理和轉速指示原理，給出了用單片機AT89C2051和LM1819驅動器設計的汽車轉速里程表的具體電路原理圖。

關鍵詞：轉速里程表；空氣軸表芯；LM1819；驅動器；單片計算機

1概述

傳統的汽車轉速里程表的功能有兩個，一是用指針指示汽車行駛的瞬時車速，二是用機械計數器記錄汽車行駛的累計里程。現代汽車正向高速化方向發展，隨著車速的提高，用軟軸驅動的傳統車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，由于受鋼絲交變應力極限的限制而容易斷裂，同時，軟軸布置過長會出現形變過大或運動遲滯等現象，而且，對于不同的車型，轉速里程表的安裝位置也會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速傳感器的電子式轉速里程表得以迅速發展。

2里程累計實現原理

車速里程表的速比表示的是：車速里程表轉軸（軟軸）在汽車行駛一公里時所轉過的轉數。基于單片機的車速里程表采用霍爾型非接觸式轉速傳感器。這種車速里程表轉軸每轉一圈,霍爾傳感器將感應發出8個脈沖。現在以速比為1:624的車型為例汽車行駛一公里則霍爾傳感器發出的脈沖數共為8×624＝4992個,或者說,每個脈沖代表了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，使每個脈沖產生一個中斷,并通過中斷服務程序對每個脈沖進行計數,這樣，當計滿4992時,表明汽車行駛了1公里,然后再給累計單元加一,并存入EEPROM單元,最后通過刷新LCD液晶顯示器，即可實現里程計數功能。但在編程時要注意，MCS－51系列單片機的外部中斷有兩種觸發方式，即電平觸發和邊沿觸發，本設計選用邊沿觸發方式，即采用負跳變引起中斷。

3車速測量及指示原理

車速指示可采用雙線圈汽車轉速表頭，它由空氣軸表芯和驅動電路組成，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互成九十度的線圈。轉軸是表芯唯一的可動部件，磁鐵的轉角總是趨向于兩個線圈的磁場強度矢量的合成方向，磁場強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，可在理論上使轉軸組件在0～360度范圍內轉動。顯然，只要能按一定的規律驅動兩個線圈，就可以使指針偏轉位置與輸入量成線性關系，即滿足下列公式：

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。

每個線圈的磁場強度矢量之和必須跟隨偏轉角θ。考慮到轉軸組件總是指向Hsine和Hcosine這兩個正交矢量之和的方向則其方向可由下式求得

θ＝arctanHsine／Hcosine

并由此可以得出：

θ＝arctansinθ／cosθ

由上述公式可見當Hsine按θ的正弦函數變化，而Hcosine按θ的余弦函數變化時所得到的總磁場強度的方向與θ角的方向相同,由于轉軸組件與磁場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驅動器的內部組成原理框圖，它由電荷泵、整形器、函數發生器等組成輸入的轉速信號通過內部的三極管緩沖后，輸入到電荷泵即可進行F／V頻率電壓轉換，兩個輸出端按輸入量的正弦和余弦函數變化,2腳和12腳的最小驅動能力為±20mA（±4V）,線圈的公共端接到1腳可為內部函數發生器提供反饋信號,同時為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可以驅動十字表頭以使其在0°～270°范圍內轉動。

4電路原理圖

圖2所示是一種汽車轉速里程表的電路原理圖。這是一個典型的單片機最小應用系統。單片機AT89C2051以其低價、低功耗、可靠性高和易于編程等特點著稱，X25045則是MCS－51系列單片機電路的一個輔助芯片，主要擔當復位、電壓檢測、看門狗和EEPROM功能，該芯片的采用大大提高了系統的可靠性，減少了外圍芯片數，可實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，采用三線串行接口，它具有功耗低和編程方便的特點。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來組織。它具有4字節頁寫方式和10萬次使用周期，數據可保存100年。為了保證累計里程單元的個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，可采取換頁的辦法來使這些數據移動到新單元以繼續計數。

圖2

霍爾傳感器發出的脈沖信號經過整形可分成兩路，一路送到單片機的INT1端用于累計里程計數，另一路送到LM1819驅動器的轉速信號輸入端（10腳），然后由驅動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信號，十字線圈產生的磁場共同作用于磁鐵可使轉軸組件偏轉相應的角度。但調整時要注意，電容C3的大小會改變表針偏轉的平滑性，C3越大，平滑性越好，但同時時間遲滯也會加大，而C3過小會使表針抖動；C4可用于調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。

5結論

本設計以單片機AT89C2051來實現里程累計、小計、清零及存儲，并以LM1819集成電路驅動十字線圈表頭，從而實現了車速的指示。該設計方案成本低廉、指針穩定性好、響應速度快、抗震性強、可靠性和性價比都很高。經實際使用證明，該里程表完全可以取代傳統的以軟軸驅動的車速里程表。當然，這只是一種實現方案，也可以由單片機通過軟件來驅動十字線圈表頭，即由單片機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。