基于单片机的步进电机式汽车组合仪表

中国地质大学学士学位论文－第页－1第1章引言1.1设计的目的和意义目前的汽车仪表多为模拟式动圈式机芯(线圈连同指针一起转动)或动磁式机芯(磁钢连同指针一起转动)仪表，主要是利用电磁感应原理来实现仪表的指示，指针的回转回零则是利用弹簧游丝的弹性实现。动圈式机芯仪表抗震性能差、过载能力弱、指针易抖动等弱点;而动磁式机芯(主要是十字交叉机芯)仪表虽比较先进，但也存在一致性、通用性差的缺点。同时，这两种机芯的仪表都具有体积大、重量重、生产工艺复杂等缺点，因此，迫切需要一种一致性好、通用性强、可靠性高的驱动机芯来取代。随着计算机技术和微步进电机技术的不断发展，这给汽车仪表的技术变革带来了可能和机遇。微型步进电机是一种以脉冲信号作为驱动信号的一种特殊电机，用它来驱动仪表指针，与先前的模拟式机心仪I湘比具有体积小、重量轻、指示精确、一致性好、便于控制等特点，特别适合于用单片机控制。而单片机具有集成度高，抗干扰能力强，并具有较强的数据处理能力和接口功能，所有功能由软件实现，应用灵活，系统的扩展、配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。以单片机来控制微型步进电机带动仪表指针来实现仪表指示功能已经成功的应用，充分地发挥了单片机和步进电机的所有优势，它们的完美结合构成的步进电机式数字化汽车组合仪表既保留了传统仪表的指针式显示模式，指示简单直观，符合传统视觉效果，更主要的是精度高、可靠性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻、生产检测工艺简单、一致性和通用性好，非常适合现代汽车的生产。但是目前这种新型的数字化仪表都是以单个的形式出现，每个表都是一个独立的整体，比如车速表、转速表、油量表、水温表、数字里程表等等，每一个表都需要一个MCU和仪表外壳，造成了很大的资源浪费和成本的提高。因此，进一步提高发掘单片机步进电机在汽车仪表上的利用率和效能则是要继续研究的重要课题。1.2本设计的背景和发展状况由于目前的汽车仪表多为传统的动圈式机芯(线圈连同指针一起转动)或动磁式机芯(磁钢连同指针一起转动)仪表，存在抗震性能差、过载能力弱、指针易抖动等弱点；而动磁式机芯(主要是十字交叉机芯)仪表虽比较先进，但也存在一致性、通用性差的缺点。同时，这两种机芯的仪表都具有体积大、重量重、生产工艺复杂等缺点。但基于单片机系统的数字汽车仪表则具有精度高、可靠性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻、生产检测工艺简单、一致性和通用性好等优点，所以发展和研究基于单片机系统的数字汽车仪表意义重大。－第2页－目前的汽车仪表的发展，按技术规格来分经过了四代:第一代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，即机械机芯表;第二代汽车仪表的工作原理基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量转换成电信号加以测量，称之为电气式仪表;第三代为模拟电路电子式;第四代为步进电动机式全数字化汽车仪表从其应用技术手段上看，还是属于电子技术范畴，也属于电子式仪表。目前国内大部分汽车厂商所生产的汽车中使用的仪表仍为传统的动圈式机芯或动磁式机芯仪表，只是在部分高档轿车上才使用了数字仪表系统。因此这一块市场存在着很大的空白。1.3本设计的主要内容及难点本文根据目前国内汽车仪表的状况和要求，完成基于STC5410的步进电机式汽车联合仪表的实现，研究通用单片机和步进电机来实现汽车组合仪表的基本功能的解决方案。用单片机驱动步进电机指示汽车在行驶过程中的车速、水温等基本信息。主要包括单片机控制系统的硬件结构、软件结构以及关键技术的实现。通过对汽车仪表系统的基本功能的分析，完成系统的总体设计方案及基本框图的设计:对系统的各个组成部分的具体电路进行分析和设计;对系统主要功能部分的软件进行分析和设计;对系统的关键问题，即如何消除指针的抖动进行分析和解决。本设计主要是由两个模块组成来实现本设计的目的－－测速模块和测温模块。测温模块由温度传感器直接将测到的温度数据（数字信号）传给单片机进行处理，最后显示在LED数码显示管上，主要的难点在编程上，如果编程将传感传来的温度信号转换为单片机可处理的信号，最后显示在LED数码显示管上。这个设计的主要难度是在测速这个模块上。LED数码显示管显示速度不是这个设计的最大难点，最大的难点在于步进电机驱动仪表指针指示车速时，如何消除指针的抖动。其中便涉及到车速采样频率的问题，如果采样过快，表盘指针抖动厉害;如果采样过慢，则仪表指针抖动不灵敏，无法正确及时指示车速，因此如何使表盘指针正确指示所要求的车速是一个主要问题。本设计采取的是10s钟采样一次。另外，此次设计不对车速进行非常精确的指示，而是“模糊指示”，所谓模糊指示，是指一定车速区间内设一个点，例如100km/h~150km/h之间的任何车速，在仪表盘显示的则是125km/h，以此类推。当然测速模块上的LED数码管显示的是“精确”指示，直接指示当时的车速。中国地质大学学士学位论文－第页－3第2章系统设计方案论文研究的是基于单片机的步进式汽车组合仪表的解决方案。单片机是整个系统核心;微型步进电机是最直接最根本的控制对象;与汽车仪表密切相关的一些汽车基本行驶信息(车速、水温)，是单片机所需要处理的信息;系统软件是实现系统功能根本手段;系统的抗干扰能力是系统能否稳定可靠工作的基本保证。通过对它们作理论分析和研究，可以对系统方案做出一个总体的设计.2.1系统的功能与要求设计一套车载智能仪表，用于显示和记录汽车行驶过程中的各种状态信息，具体实现功能应达到如下要求:1.采用通用单片机，用软件实现对系统的控制。2.用步进电机带动表盘指针实时指示汽车在行驶中的车速信号。3.用数码管显示汽车油箱温度。4.表盘展开角:车速展开角为0度，转速的展开角为0度。在程序设计时，展开角作为变量来处理，根据实际需要，可以随时调整。5.电源掉电和上电时，表头指针能复位回零。6.系统电源由外接变压器提供+12V电压。7.系统要具有较强的抗干扰能力，硬件设计和软件设计都必须考虑。8.系统要有较好的兼容性和通用性，标定和检测方便。2.2系统组成步进电机式汽车组合仪表系统由单片机模块、测温模块、测速模块、显示模块、步进电机控制模块、串口通信模块、单片机电源模块、单片机供电模块等部分构成。系统组成图如图2.1所示：－第4页－图2.1系统结构图2.2.1步进电机控制模块1.步进电机的结构步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的一种特殊电机。汽车仪表所使用的则是一种非常小型化的精密电机，由电机线圈(Coin)、转动轴(RotorShaft)、针轴(PointerShaft)、齿轮差速比装置(GearReduction)和四个分布对称的触点(Contacts)组成。如图2.2和图2.3所示。其中，引脚1和引脚2为电机的一组线圈，引脚3和引脚4为电机的另外一组线圈。电机正转、反转和停止，取决于电机的输入信号。2.步进电机的分类步进电机分三种:永磁式(PM)，反应式(VR)和混合式(HB)。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度:反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。车速信号测温模块水温信号滤波和整形测速模块LED显示电源模块步进电机单片机模块串口通信模块步进电机控制模块程序写入中国地质大学学士学位论文－第页－53.步进电机的工作原理在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机的工作原理，当电流信号经由四个触点输入时，引起电机线圈的磁场变化，从而引起转动轴的转动，而后再通过齿轮差速比装置带动针轴的旋转。步进电机可以作顺时针和逆时针两个方向运动，顺时针运动和逆时针运动，－第6页－取决于电流信号的给定与变化。电机的正反转是由电平的高低来决定的。当输入高电平时，电机正转;当输入低电平时，电机反转。步进电机工作时序图如图2.4所示。当四个引脚1,2与3,4中输入相位差为60度的三相电流信号(图2.4中顺时针运动的时序图)时，步进电机由位置1右侧运动到位置4，完成一个整步运动，此时，电机作顺时针运动;当四个引脚1,2与3,4中输入相位差为60度的三相电流信号(图2.4中逆时针运动的时序图)时，步进电机由位置1左侧运动到位置4，完成一个整步运动，此时，电机作逆时针运动。在图2.4中，指针由1(4)的位置运动到4(1)的位置完成一个整步运动;如图2.4中，指针由1(2)的位置运动到2(1)的位置完成一个分步运动，相邻的两个相位相差180度。由于步进电机也可以将一个整步分为三个分步来完成，所以完成一个分步所需的脉冲数也只有完成一个整步所需脉冲数的1/3了，相邻的两个相位相差60度，但是，它的步距角始终不变。利用分步可以完成更准确的指示。4.步进电机的特点步进电机的一个最显著特点就是:步距角固定。保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。汽车仪表在实际应用中要求精度高、功能全，微特步进电机正好具备这些要求，除此之外，它还具有体积小、控制操作方便的优点。系统选用的虽然为普通电机，但是。功能比较完备，精确度较高，而且性价比高，具有无累积误差、成本低、控制简单等优点。2.2.2测速与测温模块汽车的基本信号有车速、水温两个，都是通过传感器采集。其中车速信号为频率信号，但不符合标准的脉冲信号，水温信号为电阻信号，是模拟信号，在中国地质大学学士学位论文－第页－7送到单片机之前要对它们进行处理。采用何种方式和电路处理，则要对它们进行分析。1.车速信号车速信号和转速信号是通过传感器从汽车发动机相关位置取出，多以非接触方式获取，如用霍尔、电涡流等传感器获取。取出的信号为频率信号，但并非是标准的脉冲频率信号。根据取信号的位置不同，取出的信号有下面几种形式:(1)发动机飞轮齿取信号。信号比较稳定，杂波较少，最小峰值为1.5V,高温时幅值较大。如图2.5所示。(2)点火线圈取信号.点火时出现瞬时高峰值，最大值可达300V,紧接着迅速衰减。如图2.6所示。(3)发电机取信号。又可以分相线和中性点取信号两种，相线取信号类似方波，但是有尖峰干扰信号，必须作前级滤波处理，如图2.7所示。中性点:直流成分较大，高频成分较多，必须作前级滤波处理。如图2.8所示。比较上面三个信号的特点，结合系统对输入脉冲信号的要求，决定从发动机的飞轮齿取信号。因为它的信号由专门时传感器产生，信号较好，谐波分量少，更稳定，更规则，幅值大于1.8v，虽不完全是较好的频率信号，但很接近于正弦波，只要经过滤波、整形等处理，很容易得到系统所要求的脉冲波形。2.水温信号通过传感器采集来的水温属于电阻信号，要进行滤波处理和A/D转换才能送－第8页－入单片机.最后通过单片机处理，显示在LCD显示液晶屏上。3输入信号的处理转速、车速两路频率信号通过限幅、滤波，再经过施密特触发器整形变成符合要求的脉冲信号送CPU计数器:水温、燃油量信号转换为电压信号，经限幅滤波送入A/D转换器，得到数字量再送CPU.2.2.3电源模块（单片机系统供电模块、单片机电源模块）系统的电路由于有模拟电路和数字电路两部分，电源的要求也会不同。通常模拟电路的电源为+12V.要求不太高，经过一般稳压即可;数字电路的电源则不同，一般电路为+9V，可以用集成稳压电源实现，CPU则为+5V，而且要求相当