电子车速里程表的单片机实现方案

摘  要：介绍了一个基于单片机的电子式转速里程表实现方案，对里程计数的原理和转速指示原理及专用驱动器作了讨论，给出了具体电路原理图。

关键词：转速里程表；空气轴表芯；LM1819驱动器电路；单片计算机

中图分类号：TP         文件标识码：A          文章编号：

Electronic Speed Odometer Controlled by Single-chip Microcomputer

Abstract:  An electronic speed odometer controlled by single-chip microcomputer is presented.   The control principle of the odometry and the speed indecation are discuused. The   schematic circuit is given in detail.

Keywords: speed odometer; air-core meter; LM1819 driver; single-chip microcomputer

1.      概述

传统的汽车转速里程表的功能有二，其一是指针指示汽车行驶的瞬时车速，其二是机械计数器记录汽车行驶的累计里程。现代汽车正向高速化方向发展，随着车速的提高，以软轴驱动的传统车速里程表受到前所未有的挑战，这是因为软轴在高速旋转时，受钢丝交变应力极限的限制，容易断裂，同时由于软轴布置过长，出现变形过大，或运动迟滞现象，而且，不同的车型，转速里程表的安装位置受到软轴长度及弯曲度的限制，凡此种种，使基于非接触式转速传感器取代软轴的电子式转速里程表得以迅速发展。

2.      里程累计实现原理

车速里程表的速比表示汽车行驶一公里,车速里程表转轴﹙软轴﹚所转过的转数。 基于单片机的车速里程表采用霍尔型非接触式转速传感器, 车速里程表转轴转一圈,霍尔传感器感应发出8个脉冲.现在以速比为1:624的车型为例, 若汽车行驶一公里, 则霍尔传感器发出的脉冲数共为8X624=4992个,或者说,每个脉冲代表了1/4992公里的里程.脉冲信号作外部中断源输入给单片机,每个脉冲产生一个中断,中断服务程序对每个脉冲计数,当计满4992个时,说明汽车行驶了1公里,累计单元加一,存入EEPROM单元,刷新LCD液晶显示器,这样,就实现了里程计数功能.编程时要注意的是，MCS-51系列单片机的外部中断有两种触发方式，即电平触发和边沿触发，本设计选用边沿触发方式，即负跳变引起中断。

3.      车速测量及指示原理

车速指示采用双线圈汽车转速表头，它由空气轴表芯和驱动电路组成，空气轴表芯通常由三部分组成：磁铁，与转轴相连的指针和两个互成九十度的线圈。转轴是表芯{wy}可动部件，磁铁的转角总是趋向于两个线圈的磁场强度矢量的合成方向，磁场强度正比与加在线圈上的电压，因此，通过改变电压的极性和幅度，理论上转轴组件可以在0到360度的范围内转动。显然，只要能按一定的规律驱动两个线圈，就可以使指针偏转位置与输入量成线性关系，即满足下列公式：

θ=KVin                                       ⑴

其中θ为指针偏转角,单位为度; K为转角常数,单位为度/伏; Vin是输入电压,单位为伏特.每个线圈的磁场强度矢量之和必须跟随偏转角θ,考虑到转轴组件总是指向Hsine和Hcosine这两个正交矢量之和的方向,则其方向可由下式求得:

θ=arctan Hsine/Hcosine     ⑵

    下列几何公式成立:

θ=arctan  Sinθ/cosθ      ⑶

由公式⑵,⑶可见,若Hsine按θ的正弦函数变化,Hcosine按θ的余弦函数变化,即可得到一个总的磁场强度,其方向与θ角的方向相同,由于转轴组件按磁场强度矢量和的方向取向,则指针将始终指向θ角的方向.

图1   LM1819驱动器内部结构框图

图1所示是LM1819驱动器的内部组成原理框图，它由电荷泵，整形器，函数发生器等组成,输入的转速信号通过内部的三极管缓冲后，输入到电荷泵进行F/V频率电压转换，两个输出端按输入量的正弦和余弦函数变化,2脚和12脚的最小驱动能力为±20mA﹙±4V﹚,线圈的公共端接1脚,反馈给内部函数发生器,为5.1V齐纳二极管参考电压.在该电路中K=54°/V,输入Vin 实际上是4脚和8脚的电位差,8脚既是诺顿放大器的输出， 又是函数发生器的输入，一般4脚的电压是2.1V,所以有:

                    θ=K﹙V8-Vref﹚=54﹙V8-2.1﹚      ⑷

由于V8在2.1V到7.1V的范围变化,故LM1819可以驱动十字表头在0°到270°的范围内转动.

4.      电路原理图

如图2所示，这是一个典型的单片机最小应用系统。单片机AT89C2051以低价低功耗，可靠和易于编程等特点著称，X25045则是MCS-51系列单片机电路必不可少的辅助芯片，主要担当复位，电压检测，看门狗和EEPROM功能，该芯片的采用，大大提高了系统的可靠性，减少了外围芯片数，实现了里程累计的掉电存储。LCM1010为十位八段式带背光液晶显示模块，采用三线串行接口，功耗低，编程方便，共分两行显示，{dy}行6位显示累计里程，第二行4位，1位小数，显示小计里程。图中K1为小计里程清零键，R4用于调节液晶显示器的视角对比度。芯片X25045是Xicor公司推出的带有可编程μP 监控器的CMOS串型EEPROM，4096位，内部按512X8来组织，4字节页写方式，10万次使用周期，数据可保存100年。为了保证累计里程单元的个位或小计单元的小数位可靠刷新，当这些单元接近极限使用周期时，可采取换页的办法，使得这些数据能移动到新单元继续计数。

霍尔传感器发出的脉冲信号经过整形分成两路，一路送到单片机的INT1端，用于累计里程计数，另一路送到LM1819驱动器的转速信号输入端10脚，驱动电路根据输入信号的频率，在2脚和12脚输出相应的正弦和余弦驱动信号，十字线圈产生的磁场共同作用于磁铁，使得转轴组件偏转相应的角度。调整时要注意，电容C3的大小可以改变表针偏转的平滑性，C3越大，平滑性越好，但同时使时间滞迟加大，C3过小会使表针抖动；C4用于调整电路的线性和滞后误差；R4的值可以改变表针的指示刻度点。

5.      结论

    本设计以单片计算机AT89C2051实现里程累计﹑小计及清零﹑存储功能，以LM1819集成电路驱动十字线圈表头，实现车速的指示，成本低廉，指针稳定性好，响应速度快，抗震性强，可靠性高，xxx高，经实际使用证明，xx可以取代传统的以软轴驱动的车速里程表，当然，这只是一种实现方案，还可以由单片机通过软件来驱动十字线圈表头，即由单片机分别控制表头的正弦线圈和余弦线圈，取代LM1819集成电路，笔者将另文讨论，此处不再赘述。

图2  汽车转速里程表电原理图

参考文献

[1] 何立民.单片机应用文集1[M]. 北京航空航天大学出版社1991.9.

[2] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M]. 北京航空航天大学出版社,1991.266-286.