小車方向盤角度檢測系統.doc

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1、廣西大學畢業(yè)設計論文 摘 要摘 要隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已成為人們生產生活必不可少的交通工具。然而隨著汽車數量的逐年增加，公路、街道及停車場秩序逐漸混亂，加上非專業(yè)司機越來越多，交通事故頻發(fā)。在這些交通事故中，因為方向盤跑偏及轉彎時車速過高而引起的撞車翻車事故不在少數。因此，人們對汽車方向盤及汽車安全性能提出了更高的要求。本論文針對方向盤跑偏及轉彎車速過高等問題，提出了一種方向盤角度檢測系統的設計方法。在本設計中，應用旋轉電位器進行方向盤角度信號及轉彎時路面傾角的檢測，應用旋轉編碼器進行汽車車速的測量，通過Atmega16單片機進行數據的采集和處理，由LED顯示方向盤實時角度，并在高

2、速轉彎時進行報警。本設計的硬件部分主要包括信號采集電路設計、ADC轉換電路設計、單片機外圍電路設計、LED顯示電路設計和報警電路設計等。該設計軟件部分介紹了AVR單片機的應用軟件，對系統的主要流程作了詳細介紹，講述了單片機數據采集、轉換和處理的方法。通過硬件與軟件的結合，完成了方向盤角度檢測系統的設計。 關鍵詞： 方向盤角度檢測 單片機 電位器 光電編碼器 LED I廣西大學畢業(yè)設計論文 AbstractA Novel Steering Wheel Angle Detection SystemAbstractAs people living standard rise ceaselessly,

3、 the car has become the necessary transportation in our lives and production. However, with the increasing number of cars, the traffic in highways, streets and parking has become chaos, and non-professional drivers are more and more, accordingly, traffic accidents are more and more. There are many a

4、ccidents are because of the steering wheel deviation and high speed in the corner. Higher requirements have been proposed for steering wheel angle detection system.This thesis proposed a design method of the steering wheel angle detection system, aim to solve the problems of the steering wheel devia

5、tion and high speed in the corner. In the thesis, using the rotating potentiometers to test the angle signal of the steering wheel and the road in the corner, and using the photoelectric encoder to test the speed signal. Using ATmega16 SCM to collect and handle data and using LED to display the data

6、 of the steering wheel angle. When the speed is high enough, buzzer will start to alarm.The design of hardware includes signal collection circuit，ADC converting circuit，MCU peripheral circuits，LED display circuit and alarm circuit and so on.The design of software introduces application software of A

7、VR and shows the main flow chart of the system in detail, explains how the SCM to acquire, converse and deal with the digital signals.Through the combination of hardware and software, the steering wheel angle detection system is completed.Keywords: steering-wheel-angle-detection SCM potentiometer ph

8、otoelectric encoder LEDIV廣西大學畢業(yè)設計論文 目 錄目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 國內外汽車電子的發(fā)展動態(tài)21.3 論文的主要工作2第二章 方向盤角度檢測系統概述42.1 方向盤角度檢測系統的設計要求42.2 方向盤角度檢測系統的設計方案52.3 本設計的特點92.4 本章小結9第三章 方向盤角度檢測系統的原理介紹113.1 檢測原理介紹113.2 汽車轉彎性能研究143.3 本章小結17第四章 方向盤角度檢測系統硬件設計184.1 系統總體硬件框圖184.2 ATmega16單片機介紹184.3 單片機ADC轉換

9、原理194.4 檢測環(huán)節(jié)硬件設計204.5 系統的硬件抗干擾技術254.6 本章小結27第五章 方向盤角度檢測系統軟件設計285.1 AVR單片機軟件開發(fā)環(huán)境介紹285.2 方向盤角度檢測系統軟件設計285.3 軟件抗干擾技術355.4 本章小結37第六章 總結與展望386.1 總結386.2 研究展望38參考文獻40致 謝41廣西大學畢業(yè)設計論文 第一章 緒論第一章 緒論1.1 課題研究背景及意義自從1886年第一輛機動汽車誕生以來，汽車一直作為人類最重要的交通工具。20世紀以來，汽車工業(yè)發(fā)展迅速，我國汽車產業(yè)也初見規(guī)模。隨著人們生活水平的不斷提高，汽車在生活中的重要性也在不斷地提升。在現代

10、人的觀念中，汽車不單單是一輛交通工具，它更體現了一個人的品味、生活方式和價值觀念。在我國，汽車已成為小康生活的重要標志。汽車走進私人家庭，已不再是夢想。隨著汽車數量的迅速增加，加上非專業(yè)汽車駕駛人員的不斷增多，造成公路、街道、停車場、車庫等公共場所秩序混亂不堪，交通事故頻發(fā)，方向盤跑偏也成了事故焦點。汽車事故嚴重威脅著人們的生命安全和生活秩序，每年因為方向盤跑偏和高速行車時方向盤瞬間轉移角度過大而造成的撞車、翻車事故不在少數。方向盤是汽車轉向的直接操縱桿，其轉動位置直接影響著汽車轉向時的安全?，F在國內生產的很大部分汽車上還沒有檢測方向盤轉角的電子儀器儀表，使得駕駛員在駕駛和泊車時不得不憑經驗和

11、感覺去判斷方向盤轉動位置所在，這時難免發(fā)生感覺誤差，造成方向盤未回正或轉動角度過大的現象發(fā)生，給開車和泊車帶來不便。方向盤位置跑偏，不但會給駕駛員的駕駛帶來疲勞感，更存在很大的安全隱患1。因此，方向盤角度檢測系統的設計對汽車行車停車安全至關重要，對提高汽車系統的可靠性有非常重要的意義。小車方向盤角度檢測系統屬于汽車電子系統研究的一部分，汽車方向盤的轉動信號和車速信號經過傳感器的檢測，將其送入控制中心進行處理，從而判斷汽車的行駛狀態(tài)。沒有方向盤的角度檢測系統，汽車的安全性能會大打折扣。然而，國內在這方面的研究非常的少，本課題的研究，將填補這方面的空白。1.2 國內外汽車電子的發(fā)展動態(tài)隨著中國加入

12、WTO，以及國內龐大的汽車市場對世界各大汽車公司的吸引力，迄今為止，我國的汽車擁有量已經突破5000萬輛，汽車的產量也在迅猛提升。中國將成為繼美、日、歐之后的第四大汽車市場。據預測，21世紀全球范圍內能夠存活的特大型汽車生產集團將整合為六至八家2。目前國內為整車企業(yè)進行配套的汽車電子供應商大多為中外合資企業(yè)，如博世、西門子、德爾福、偉世通等。這些供應商都以OEM身份為整車企業(yè)配套，他們掌握著汽車零部件的核心技術3。另一方面，隨著電子技術的迅猛發(fā)展，汽車電子產品也越來越多，汽車電子化被認為是汽車技術發(fā)展進程中的一次革命，當今汽車電子化程度已成為衡量一個國家汽車工業(yè)水平的重要標志4。我國汽車電子技

13、術研究起步較晚，主要集中在清華、北理工大、吉林工大、上海交大等一些高校，以及一汽、二汽等大型國企的研發(fā)中心?？傮w上，我國的汽車電子技術研發(fā)水平還比較薄弱，自主開發(fā)并生產的汽車電子產品主要集中在一些技術含量不高的產品上。面對國內巨大的汽車市場，國外汽車電子供應商積極介入我國的汽車電子領域。我國汽車電子企業(yè)中，70%以上為中外合資企業(yè)，然而國內企業(yè)并沒有自己的知識產權和獨立的產品研發(fā)能力。因此，我國的汽車電子化與世界發(fā)達國家相比，還有很大的距離。汽車方向盤角度檢測系統也隸屬于汽車電子，該研究無論從理論上還是實際應用上都有較高的價值。1.3 論文的主要工作論文主要闡述了一種小車方向盤角度檢測裝置的設

14、計方法。此裝置用以測量方向盤的實時轉角，快速確定方向盤位置，以及在高速轉彎時予以報警，以避免方向盤跑偏和行車過程中方向盤轉角過大而造成的事故的發(fā)生。本論文在第一章先概述了課題研究的背景及意義，以及本論文的主要工作。接下來在第二章對系統的設計方案及小車方向盤角度檢測系統進行介紹，在確定了系統設計方案后，開始對系統進行硬件及軟件設計。在第三章，講述了采用ATmeg16系列單片機為核心的小車方向盤角度檢測系統的硬件設計。系統硬件設計包括檢測電路、AD轉換電路、單片機外圍電路、角度顯示，報警電路等。第四章對系統軟件進行了設計。軟件設計中對于系統的工作流程進行詳細介紹，并且介紹了一種AVR單片機基于C語

15、言的編譯器和集成環(huán)境，在此環(huán)境下對ATmega16進行編譯、開發(fā)，實現系統狀態(tài)的顯示及對其的控制。最后對論文作一個全文總結，并對系統的應用做以展望。43廣西大學畢業(yè)設計論文 第二章 方向盤角度檢測系統概述第二章 方向盤角度檢測系統概述2.1 方向盤角度檢測系統的設計要求汽車方向盤角度檢測系統是一種實時檢測方向盤轉角，測定轉彎速度，并在轉彎速度過高時進行報警的裝置，系統由三部分組成：檢測模塊、控制模塊及顯示模塊。檢測模塊：由傳感器檢測方向盤實時轉角信號、轉彎時的路面傾角信號及車速信號?？刂颇K：方向盤角度檢測系統的控制中心，主要對采集的信號按設計要求進行相應的數據處理。顯示報警模塊：用于顯示方向

16、盤的實時轉角，并高速轉彎存在安全隱患時進行報警。按照系統設計要求，可將方向盤角度檢測系統分為硬件和軟件兩部分，分別進行設計。系統硬件結構主要由檢測模塊、控制模塊和顯示模塊構成，軟件部分對不同的子系統分別進行編程，便于調試和移植。整個系統的結構如圖2-1所示。圖2-1 汽車方向盤角度檢測系統的結構原理圖2.2 方向盤角度檢測系統的設計方案 方向盤角度檢測系統有三大模塊，系統設計方案可根據三大模塊分別進行設計。2.2.1 檢測模塊設計方案檢測環(huán)節(jié)是系統的第一個環(huán)節(jié)，用來感受被測信號，并將被測信號轉換為合適于系統后續(xù)處理的電信號。提獲取信息的正確與否，決定了測試系統的精度。因此，選擇合適的檢測元件，

17、對于系統的設計有非常重要的作用。1. 方向盤角度檢測環(huán)節(jié)設計方案方向盤角度檢測系統要測量的量為角位移。隨著電子技術的飛速發(fā)展，電量測量技術已經非常成熟，因此，可以通過電量的測量間接測量方向盤的角位移信號。目前用于角度檢測的傳感器主要有旋轉電位器、霍爾傳感器、光電編碼器及激光探測器等。各角位移傳感器的特性如表2-1所示。表2-1 各轉角傳感器的特性比較轉角傳感器接觸式非接觸式旋轉電位器霍爾傳感器光電編碼器激光探測器成本低高高高環(huán)境要求低高高高安裝簡單較復雜復雜復雜體積小小較大大考慮到成本及環(huán)境影響問題，方向盤位置控制系統采用旋轉電位器。本設計采用M22S10型精密多圈電位器,其特點如下：屬線繞多

18、圈電位器；長壽命， 旋轉壽命：500萬轉以上；高可靠性；線性度好，線性精度：0.2%，阻值公差5%，功率2W；外徑22mm。M22S10最大電氣轉角為3600（10圈），而一般汽車的方向盤最大轉角為1440（4圈），本設計采用專門定制的4圈精密電位器，材質與M22S10相同，阻值為5K。其實，電位器其實就是一個可變電阻，通過中間觸頭的位置變化，改變電位器的電阻大小，從而改變輸出電壓的大小。根據分壓原理，電位器輸出電壓與接入電路中的電阻有以下關系： (2-1) 其中，為電位器輸出電壓，為輸入電位器的電壓，為電位器接入電路中的電阻，為電位器總電阻。一般情況下，、為固定值，由此可知，電位器兩端的輸出

19、電壓與接入電路的電阻大小成正比關系。一般電阻都存在以下基本關系： (2-2)其中，為電阻值，為電阻絲長度，為電阻率，為電阻絲橫截面積。電阻做好后，、就固定不變。可變電阻通過改變觸頭的位置，從而改變接入電路中的電阻絲的長度，從而改變電阻的大小。由此可知，電位器接入電路中的電阻的大小與接入電路中的電阻絲的長度成正比關系。在多圈電位器中，電阻絲長度 與電位器旋轉角度也成正比關系。綜上所述，電位器輸出的電壓的大小與電位器轉角大小成正比關系。因此，可以通過電位器的輸出電壓大小來確定旋轉角度。4圈精密電位器的輸出電壓與電位器轉角的關系如圖2-2所示。圖2-2 電位器輸出電壓與旋轉角度的關系2. 路面傾角檢

20、測環(huán)節(jié)設計方案汽車在轉彎時，路面的傾角不同，轉彎時的轉角大小與最大車速都會有所影響。因此，應對路面傾角進行測量。本設計采用單圈的電位器進行路面傾角的測量，其測量原理與方向盤轉角的測量原理相同，只是安裝的方式有所不同。本電位器采用垂直安裝方式，在電位上連接一重物，重物一端固定在電位器的旋轉軸上，另一端為自由端，就如單擺一樣。當汽車發(fā)生傾斜時，重物由于重力作用轉動電位器的轉軸，從而改變電位器指針位置。因此，電位器的輸出電壓也隨著改變，從而可測得路面的傾斜角度。測量原理如圖2-3所示。圖2-3 電位器測量路面傾角示意圖圖2-3（a）為水平路面時電位器的指針位置，當路面傾角為時，電位器的指針也隨著改變

21、角度。根據電位器的分壓原理就可以測得傾角的度數。3. 車速檢測環(huán)節(jié)設計方案道路彎度的大小決定了轉彎時的最高車速，如果車速超過轉彎時的極限車速時，汽車就有可能飛出，造成嚴重的交通事故。因此，在轉彎的時候，應該對車速進行測量，當車速接近轉彎允許的最大車速時，進行報警，提示駕駛員減速?，F在速度測量的傳感器，大部分選用旋轉編碼器。由于旋轉編碼器測量精度高、測速方便、使用時間長、體積小、質量輕等優(yōu)點，成為測速系統的首選傳感器。常用的旋轉編碼器有增量式和絕對值式，一般測速選擇增量式。增量式又分為單路輸出和雙路輸出，單路輸出是指旋轉編碼器輸出是一組脈沖，雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組相位差90的脈沖，不僅可以

22、測速，還可以判斷旋轉方向5。一般汽車測速都是單向的，因此選擇單路輸出的編碼器即可。本設計采用GZS3804系列增量式光電編碼器，其性能可靠，輸出為方波信號，波形規(guī)整，使用電壓范圍寬，每圈輸出脈沖數為500個，最大轉速4800rpm，消耗電流小于120mA，電源電壓：+5V，輸出電壓：高電平大于85%Vcc，低電平小于0.4V，響應頻率：080KHz。編碼器的外形圖如圖2-4所示。圖2-4 編碼器外形尺寸圖2.2.2 控制模塊設計方案控制系統作為系統的核心，主要實現數據的處理、控制實時性等問題。當前的控制系統主要有上下位機（PC-PLC）、DSP控制器及單片機，其各自特性如表2-2所示。表2-2

23、 各控制系統的特性控制系統體積線路成本可靠性應用場合PC-PLC大復雜高好工業(yè)生產DSP較大較復雜較高好嵌入式單片機小簡單低較好嵌入式考慮到體積、成本及控制特性等問題，汽車方向盤控制系統采用單片機作為系統的控制中心。本設計采用ATmega16單片機作為控制中心。2.2.3 顯示系統方案設計顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。目前最常用的顯示器有LCD和LED。LED發(fā)光二極管電路簡單、安裝方便、成本低，并且可以滿足顯示三位角度值的要求，因此,本設計采用四位共陰極LED發(fā)光二極管作為顯示單元。2.3 本設計的

24、特點現在雖然已有方向盤角度檢測系統的相關專利，然而其專利只是測量方向盤的轉角，并未對汽車轉彎時的性能進行評估。其專利是利用兩節(jié)相互嵌套的齒輪來實現方向盤4圈的角度檢測?？上攵?，其結構復雜，需要設計專門的機械齒輪；由于齒輪制作受到材料和空間的限制，因此檢測精度必然會受到影響；還需要設計很多的機械輔助零件，安裝復雜，并且線性度不高。本設計采用旋轉電位器實現角度檢測，有以下優(yōu)點：1. 制作簡單，安裝方便。2. 測量精度高。3. 可實現角度的連續(xù)測量，線性度好。4. 使用時間長，長期使用不會出現零點漂移。5. 成本低廉。本設計除了進行方向盤角度測量外，還對汽車轉彎時的車速，路面的傾角等因素進行了綜合

25、分析，從而設計出小車高速轉彎時的報警功能，以提醒駕駛員進行相應的減速，防止意外發(fā)生。2.4 本章小結本章首先根據系統設計的要求，介紹了系統的構建，然后詳細闡述了系統的設計方案，對系統的三個模塊：檢測模塊、控制模塊及顯示模塊分別進行方案的設計。確定了以ATmega16單片機作為系統的控制核心，以多圈電位器和光電編碼器作為檢測元件，以四位共陰極LED發(fā)光二極管作為顯示單元的方向盤角度檢測系統的方案設計，并對設計的特點進行了說明。廣西大學畢業(yè)設計論文 第三章 方向盤角度檢測系統的原理介紹第三章 方向盤角度檢測系統的原理介紹小車方向盤角度檢測系統設計包括硬件設計和軟件設計兩大部分，硬件電路包括信號采集

26、電路、ADC轉換電路、單片機外圍系統電路及LED顯示電路等。系統的軟件采用模塊化設計思想，可使程序設計思路清晰，便于調試。系統硬件部分放在論文第四章進行詳細介紹，軟件部分放在第五章進行介紹。3.1 檢測原理介紹檢測部分包括三個環(huán)節(jié)：方向盤角度檢測、路面傾角檢測及車速檢測。3.1.1 方向盤角度檢測原理一般方向盤的轉動范圍為四圈，即從自然狀態(tài)開始，向左打死兩圈，向右打死同樣是兩圈。我們不妨應用-720+720來表示6，其中認為自然狀態(tài)下的方向盤為0，自然狀態(tài)下順時針轉動（右轉）為“+”，自然狀態(tài)下逆時針轉（左轉）“-”，即凡是在中心位置左邊的角度都為“-”，右邊的都為“+”。本設計采用定做的4圈

27、精密電位器作為傳感器，用以檢測方向盤的轉動位置。電位器應與方向盤同軸安裝，從而保證方向盤與電位器的角位移一致，并且安裝時初始值要一致。若方向盤處在正中心位置，則電位器的觸頭應該在電阻的位置處，以保證測量的精確。本設計采用的電位器線性度極高，而方向盤的轉角精度不要求太高，精確到1即可，因此不必過分考慮器件非線性因素帶來的誤差。為配合ATmega16單片機ADC轉換，設計電位器的最大輸出電壓應為2.56V。此時電位器的輸出電壓與方向盤的轉角關系如公式(3-1)(3-2)所示。 (3-1)即 (3-2)其中，：電位器采集的電壓值；：方向盤轉角值。因此，只要檢測出電位器端的輸出電壓，即可推算出方向盤的

28、轉角所在位置。電位器的輸出電壓與方向盤角度的對應關系如圖3-1所示。圖3-1 電位器輸出電壓與方向盤角度的對應關系3.1.2 路面傾角檢測原理 路面傾角檢測也應用電位器，其檢測方法和方向盤角度檢測方法基本相同。路面傾角檢測采用單圈電位器，電位器指針的初始位置定在電位器電阻的處，規(guī)定此時的電位器轉角為0。電位器的最大輸出電壓同樣選用2.56V，這時候，電位器的輸出電壓與路面的傾角關系如公式(3-3)公式(3-4)所示。 (3-3) 即 (3-4)其中，：電位器采集的電壓值；：路面的傾角值。電位器的輸出電壓與方向盤角度的對應關系如圖3-2所示。圖3-2 電位器輸出電壓與路面傾角的關系當然，實際中路

29、面的傾角一般不會超過45，因此，實際上電位器的輸出電壓應在0.96V1.6V之間。3.1.3 汽車車速檢測原理汽車車速檢測采用單路輸出增量式光電旋轉編碼器6作為傳感器件。光電編碼器結構如圖3-3所示。圖3-3 單路輸出光電編碼器結構原理圖編碼器的碼盤上有許多透光的縫隙，光線透過縫隙，便會被光敏管吸收，光敏管根據光電轉換原理輸出高電平，若光線被編碼盤擋住，光敏管接收不到光信息，便會輸出低電平。若編碼盤轉動，光線便會一會兒穿過編碼盤，一會兒被編碼盤擋住，這樣就會產生一個個脈沖序列，如圖3-6所示。圖3-6 單路輸出編碼器輸出脈沖波形編碼盤有多少透光的縫隙，轉動一圈，便會產生多少個脈沖。通常稱編碼器

30、的縫隙數為線數，如果編碼盤單圈有1024個縫隙，就稱這樣的編碼器為1024線編碼器。由此可知，計算單位時間內脈沖數的多少，就可以知道編碼盤轉動的圈數。由于編碼盤與汽車驅動輪同軸安裝，因此汽車車輪轉動一圈，編碼盤便會轉動一圈。這樣，知道了汽車車輪單位時間內轉動的圈數，車速便自然得知。汽車車速的計算如公式(3-5)所示。 (3-5)其中，為車速；為測速周期； 為時間內的脈沖總數；為車輪半徑； 為編碼器的線數。本設計選用編碼器的線數為500，測速周期為0.5ms，一般汽車的車輪半徑為0.3m，因此測速公式可改為： (3-6)3.2 汽車轉彎性能研究 汽車轉彎時，不僅要考慮方向盤與車輪的轉角關系，還要

31、考慮轉彎半徑與車速等量的關系，通過綜合考慮，才能知道轉彎是否安全。3.2.1 方向盤轉角與車輪轉角之間的關系汽車方向盤的轉動范圍一般為-720+720，汽車車輪的轉動范圍為-45+45(左轉為“-”，右轉為“+”)，一般汽車的方向盤轉動角度和汽車轉向輪的旋轉角度存在線性關系。車輪轉角與方向盤轉角的關系如公式(3-7)所示。 (3-7) 其中為汽車方向盤轉動角度；為轉向輪的轉動角度。汽車方向盤轉角與車輪轉角的對應關系如圖3-7所示。圖3-7 汽車轉向輪轉角與方向盤轉角的對應關系3.2.2 車輪轉角與轉彎半徑之間的關系汽車在轉彎時都有轉彎半徑，由于轉向輪的轉角大小不一樣，轉彎時的轉彎半徑也不一樣。

32、確定轉彎半徑對確定轉彎時的穩(wěn)定性有非常重要的作用。一般小車的轉向輪為前輪，后輪為驅動輪。小車轉彎時的模型如圖3-8所示。圖3-8 小車轉彎模型圖中L為小車前后輪的軸距，R為小車轉向時的轉彎半徑，為車輪轉向角度，虛線圓弧為轉彎路徑。轉彎的圓心為轉向輪的垂直線與后軸的延長線的交點O處。一般情況下車輪轉向角比較小，因此當，當汽車轉向角為時，轉彎半徑可近似由公式(3-8)得出。 (3-8) 其中為轉彎半徑；為前后輪軸距。3.2.3 汽車轉彎模型分析汽車轉彎時，轉彎的安全性非常重要，如果彎度過小，車速過高，就可能發(fā)生向心力不足，汽車甩出路面，造成事故。因此，在汽車轉彎時，應對其進行受力分析，從而設計報警

33、裝置。汽車轉彎時的受力情況如圖3-9所示。圖3-9 汽車轉彎時的力學模型分析圖中為汽車所受重力；為汽車與路面的橫向摩擦力；為路面對汽車的支持力；為路面傾角。由圖可知，轉彎時，汽車的向心力由汽車重力沿路面方向的分力和汽車車輪與路面之間的橫向摩擦力提供。根據力學原理可知： (3-9)其中F為汽車轉彎時的向心力；為汽車所受重力；為汽車車輪與路面的摩擦力；為路面傾角。汽車所受重力由公式(3-10)所示。 (3-10)其中，為汽車質量，為重力加速度。汽車轉彎時所受橫向摩擦力如公式(3-11)所示。 (3-11)其中為汽車所受橫向摩擦力，為路面摩擦系數。根據圓周運動公式可知，汽車轉彎時，車速，轉彎半徑與向

34、心力有以下關系： (3-12)將公式(3-7)(3-11)代入公式(3-12)可知： (3-13)其中，為車速；為路面傾角；為車輪轉角。這里的為轉彎時的最高理論車速，如果車速超過轉彎理論車速就會有轉向力不足，汽車飛出路面的事故發(fā)生。因此在設計時，當車速接近路面允許的最大車速時，系統應該報警，警告駕駛員轉彎車速過高。一般情況下，重力加速度取9.8，路面摩擦系數根據天氣情況不同而不同。一般晴天時，路面摩擦系數為0.6左右，下雨天為0.4左右，下雪天為0.28左右。因此設計時，摩擦系數不能大于0.28。為安全起見，留一定裕量，取 為0.2即可。一般汽車前后輪軸距為 2.8米。 將這些數據代入公式(3

35、-13)，可得汽車轉彎時的最高車速應近似為： (3-14)其中，為車速；為路面傾角；為方向盤轉角。3.3 本章小結 本章首先對系統的三個檢測量：方向盤轉角、路面傾角及車速的檢測原理進行了分析；其次對系統各檢測量之間的關系作了闡述，分析了汽車轉向時的力學模型，從而確定了轉彎時最大車速，根據最大車速，才能進一步確定系統什么時候應該報警。廣西大學畢業(yè)設計論文 第四章 方向盤角度檢測系統的硬件設計第四章 方向盤角度檢測系統硬件設計4.1 系統總體硬件框圖本設計以ATmega16單片機為核心，系統的主要組成部分包括數據采集部分，信號處理部分，數據處理部分及顯示部分等。該設計的數據檢測部分主要包括方向盤角

36、度檢測模塊，路面傾角檢測模塊及車速檢測模塊。方向盤角度檢測模塊和路面傾角檢測模塊都采用電位器的分壓原理，電位器輸出的電壓信號經過處理傳送給單片機，單片機經過采樣保持電路及自身集成的A/D轉換器將模擬電壓信號轉換為數字信號，從而為單片機控制所用，通過方向盤轉角和地面傾角就可以確定理論上的最大車速。汽車車速檢測采用旋轉編碼器，編碼器檢測的脈沖序列經過處理，送入單片機計數口進行計數，通過單位時間內的脈沖數，可得出汽車車輪轉動的圈數，從而得出汽車的速度。將檢測的車速和理論最大車速進行比較，從而確定系統是否需要報警。本系統硬件的總體框圖如圖4-1所示。圖4-1 系統總體硬件框圖4.2 ATmega16單

37、片機介紹本系統的控制中心采用ATmega16單片機7。ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾；ATmega16有先進的RISC結構，131條指令，大多數指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，32個8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作在16MHz時性能高達16MIPS；并且有非易失性程序和數據存儲器，16K字節(jié)的系統內可編程Flash擦寫壽命10000次，有512字節(jié)的EEPROM擦寫壽命100000次；具有32個可編程的I/O

38、口，編程簡單；ATmega16兼PIC及8051優(yōu)點于一身，具有優(yōu)秀的品質，在結構、性能和功能方面都有明顯優(yōu)勢8。ATmega16的引腳如圖4-2所示。 圖4-2 ATmega16的引腳圖本設計方向盤角度檢測環(huán)節(jié)采用單片機的PA0口，路面傾角檢測環(huán)節(jié)采用單片機的PA1口。這兩個接口都有ADC轉換功能和采樣保持功能。速度檢測環(huán)節(jié)采用PB0口，此接口有定時和計數功能。單片機ADC轉換原理將在下一小節(jié)介紹。4.3 單片機ADC轉換原理電位器檢測來的電壓必須經過ADC轉換才能被單片機所識別，從而進行進一步的數據處理。ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC，ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接

39、，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V（GND）為基準，單次轉換的結果為： (4-1)其中，ADC：A/D轉換的結果；：輸入的電壓；：基準電壓（2.56V）。如果使用差分通道，結果為： (4-2)其中，：輸入引腳正電壓； ：輸入引腳負電壓；：選定的增益因子。本設計采用單端輸入電壓進行采集的方式，其電路結構簡單，轉換方便。使用單端通道方式時，單端通道的輸入電壓不得超過單片機的內部參考電壓，否則，將導致轉換結果接近于0x3FF。本設計應用單片機內部2.56V電壓參考源，其抗干擾能力強，波動小，精度高，電路簡單，使用方便。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到A

40、DC的電壓保持恒定。4.4 檢測環(huán)節(jié)硬件設計4.4.1 方向盤角度檢測環(huán)節(jié)硬件設計 方向盤角度檢測模塊采用電位器的分壓原理，通過電壓與電位器轉角的關系來推算出電位器的轉角度數，從而得出方向盤的轉角度數。本設計采用單片機內部2.56V電壓參考源，因此，電位器的最高輸出電壓不得超過2.56V。當電位器輸出電壓為2.56V時，轉換結果為0x3FF。設計穩(wěn)壓電路將+5V系統電壓轉換為2.56V供電位器分壓使用，電壓采集部分的電路設計如圖4-3所示。圖4-3 檢測模塊電路原理圖圖中R為多圈電位器，通過分壓原理進行電壓采集。IN5222為2.56V穩(wěn)壓管，用于將電源Vcc(+5V)直流電壓穩(wěn)定在2.56V

41、，從而供電位器分壓采集。L1和C1用于直流的濾波，電阻R1用于限流。路面傾角的檢測原理和方法同方向盤角度檢測地方法一樣，電路的硬件設計也相同，只是將單片機的PA0口換為PA1口，進行電壓采集，這里不再贅述。4.4.2 車速檢測環(huán)節(jié)硬件設計車速檢測環(huán)節(jié)的傳感器采用光電編碼器，光電編碼器輸出脈沖序列經過整形后送入單片機PB0口進行計數。ATmega16單片機中有兩個8位的定時/計數器：T/C0和T/C2，還有一個16位的定時/計數器T/C19。PB0引腳可用作T/C0定時計數器。本設計采用T/C0定時/計數器的計數功能對光電編碼器的輸出脈沖進行計數。通過單位時間內的計數值，就可以知道編碼器單位時間

42、內的旋轉圈數，通過計算求得車速。T/C0的計數值保存在8位寄存器TCNT0中，MCU可在任何時間訪問TCNT0。設置T/C0控制寄存器TCCR0為0x07，即T/C0工作在普通方式，C0上升沿觸發(fā)。當編碼器輸出一個脈沖，計數器的TCNT0便會加1，這樣便會檢測出輸出的脈沖個數。T/C1是16位計數器，在系統時鐘為4MHz條件下，最長的時寬可達16.777216s，這是其他8位單片機做不到的。本設計采用T/C1產生0.5ms的定時中斷。光電編碼器測速電路如圖4-4所示。圖4-4 測速環(huán)節(jié)電路原理圖4.4.3 顯示模塊硬件設計顯示模塊通過四位LED數碼管進行角度的顯示，其最高位為符號位。如果角度為

43、正（中心位置偏右），則符號位顯示“0”，如果角度為負（中心位置偏左），則符號位顯示“-”。數碼管其余三位顯示方向盤角度值，精確到1。使用數碼管顯示時，采用動態(tài)掃描方式。在短時間內逐個掃描數碼管，使人們看起來好像數碼管總為點亮狀態(tài)10。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。由于4位數碼管組需要8位段碼、4位位碼，總共12個輸出口進行數據輸出，直接使用單片機I/O口來實現的話，會占用太多I/O口。為節(jié)省資源，本電路采用兩片74HC595（8位串行輸入/并行輸出移位寄存器）來驅動數碼管，這樣大大節(jié)省了控制口資源。顯示模塊的硬件設計原理圖如圖4-5所示。圖4-5 單片機與LED的連接電路原理圖4.4.4 報警

44、模塊硬件設計本系統在輸出電路上加上蜂鳴器作為聲音報警。經過方向盤角度和地面傾角的檢測，可算出理論上轉彎時的最大車速，當車速接近轉彎的最大理論車速時，蜂鳴器產生報警。報警電路設計如圖4-6所示。圖4-6 報警電路設原理圖圖中的輸出口可使用ATmega16單片機的任一I/O口，這里選用PA2口。單片機輸出信號經三極管Q放大驅動蜂鳴器發(fā)聲，本設計采用固定頻率的有源蜂鳴器。電阻R6起限流保護作用。4.4.5 其它外圍電路設計1. +5V電源設計電源是系統的重要組成部分，它的穩(wěn)定與否涉及到線路是否能夠穩(wěn)定工作。ATmega16的工作電壓為4.55.5V，可利用+5V的穩(wěn)定直流電壓供電給單片機。汽車上直接

45、使用的為直流+12V電壓源，因此需要將+12V電壓轉換為+5V供單片機使用。應用LM7805CK穩(wěn)壓芯片，可直接將+12V的直流電壓轉換為+5V，提供單片機所需的電壓。轉換電路如圖4-7所示。圖4-7 電源轉換電路2. 單片機外部復位與時鐘電路設計單片機在啟動時都需要復位，以便使CPU及系統各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作。單片機復位電路的基本功能是：系統上電時，提供復位信號，直至系統電壓穩(wěn)定后，撤銷復位信號。當系統處于正常工作狀態(tài)時，如果RESET引腳上有一個低電平，則CPU就可以響應并將系統復位。本設計中，當按下開關K時，單片機的RESET引腳便產生一個低電平，從而實現單片機

46、的復位。本系統設計采用外接4MHz晶體與芯片內部的振蕩電路組成時鐘電路，產生4MHz的脈沖作為時鐘信號，系統此時單條指令的執(zhí)行時間為0.25s。電容C1、C2的大小一般在2030pF之間，R2與石英晶體并聯，作用是穩(wěn)定晶體的阻抗，提高震蕩電路的穩(wěn)定性。系統的復位電路和時鐘電路如圖4-8所示。圖4-8 系統外部復位與時鐘電路設計4.5 系統的硬件抗干擾技術由于硬件系統各個元件性能特點不同，加上工作環(huán)境的影響，干擾的存在在所難免，因此，應該對采取相關措施，減小系統干擾。要形成干擾，必須有干擾源、干擾傳播和被干擾對象。因此，減小干擾可從這三個方面著手。減小系統干擾的方法有硬件抗干擾和軟件抗干擾，這里

47、先介紹硬件抗干擾的幾種方法。1. 選擇良好的元器件與單片機硬件抗干擾技術是系統設計時首選的抗干擾措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。本設計中還可應用兩路輸出的電位器，通過信號的互補，從而提高系統的可靠性。兩路信號電位器可輸出兩路電壓信號，這兩路電壓信號相互補充，也就是信號A電壓+信號B電壓=輸入電壓。如圖4-9所示。這種電位器可以簡單實現出錯診斷。圖4-9 帶檢錯功能的電位器輸出電壓與方向盤轉角的對應關系2. 抑制電源干擾單片機系統中的各個單元都需要使用直流電源，而電能在傳播過程中，由于傳輸線路的相互影響，及線路外部影響的存在，使得電源電壓不穩(wěn)或產生諧波，因此必須對電源電壓進行相應的穩(wěn)

48、壓和濾波，以減少電源的干擾。電源干擾的抑制，通?？刹捎靡韵聨追N方法：1) 接地技術。2) 隔離技術。3) 模擬信號采樣抗干擾技術。3. 設計硬件監(jiān)控電路在單片機系統中，為了保證系統可靠、穩(wěn)定地運行，增強抗干擾能力，需要配置硬件監(jiān)控電路，硬件監(jiān)控電路從功能上包括以下幾個方面：1) 上電復位：保證系統加電時能正確地啟動。2) 掉電復位：當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，產生復位信號對系統進行復位。3) 數據保護：當電源或系統工作異常時，對數據進行必要的保護，如寫保護、后備電池切換等。4) 電源監(jiān)測：供電電壓出現異常時，給出報警指示信號或中斷請求信號。4. 對電路板進行合理設計 對電路板合理設計

49、方法有以下兩種。1) PCB板元件布局a：線路板上的元件應盡量按直線進行排列；b：對于那些易產生噪聲的器件組成的電路，如電源線路等，應與微弱信號電路分開布局，尤其是應該遠離單片機的邏輯控制電路和存儲電路，如果可能的話，將這些電路另制成電路板，有利于抗干擾，提高電路工作可靠性。c：時鐘產生器盡量接近CPU，引線要短而粗，I/O驅動電路應靠近印刷板邊，時鐘、片選信號要遠離I/O線。2) PCB布線原理a：加粗地線b：電源和地是從電源的兩端接到印刷板上來的，電源一個接點，地一個接點，印刷板上有多個返回地線，這些都會聚到電源的那個接地點上，就是所謂的單點接地。c：對于模擬地，數字地都要匯集到接地點上來

50、。由于多圈電位器為接觸式傳感器，因此，在滑動觸點和電阻器的相互運動中，兩者會產生磨損，這影響到了電位器的使用壽命，因此，要定期對電位器進行潤滑。4.6 本章小結本章首先對系統及硬件設計做了總體的規(guī)劃，做出了硬件框圖，然后對ATmega16單片機做了簡單介紹。對單片機有一定的了解后，進行硬件的設計。硬件設計主要包括方向盤角度檢測模塊硬件設計、車速檢測模塊硬件設計、LED顯示模塊硬件設計、報警電路硬件設計、系統電源模塊及單片機的時鐘復位電路硬件設計，并對硬件系統的抗干擾技術進行了簡單介紹。廣西大學畢業(yè)設計論文 第五章 方向盤角度檢測系統的軟件設計第五章 方向盤角度檢測系統軟件設計5.1 AVR單片

51、機軟件開發(fā)環(huán)境介紹本設計采用C語言進行單片機的軟件編程。Code Vision AVR是HP Info Tech專門為AVR設計的一款低成本的C語言編輯器，它產生的代碼非常嚴密，效率很高。他不僅包括了AVR C編譯器，同時也是一個集成IDE的AVR開發(fā)平臺，簡稱CVAVR 。與其他的C語言開發(fā)平臺相比，CVAVR對位變量的支持，對大量的擴展的、一些標準外部器件的支持和接口函數（如標準字符LCD顯示器、SPI接口、延時函數、BCD碼與格雷碼轉換等），以及方便地對EEPROM操作的功能等特點更適合一般人員的學習和使用。CVAVR系統的安裝非常方便簡單，用戶只要執(zhí)行從網上下載的CVAVR系統安裝se

52、tup.exe即可，通過簡單的步驟就可以完成CVAVR的安裝。CVAVR系統還可以進行實時仿真，以便系統的程序調試。5.2 方向盤角度檢測系統軟件設計方向盤角度檢測系統軟件的主要功能是以硬件設計為基礎，將硬件采集來的數據進行處理，完成電壓與角度的標度轉換、車速計算、車速比較等，通過相應的判斷進行顯示報警。軟件程序是設計的重要組成部分，軟件部分由主程序、ADC轉換子程序、方向盤角度檢測子程序、路面傾角檢測子程序、車速檢測子程序及數碼管顯示報警子程序等部分組成。5.2.1 系統主程序主程序開始即開機復位，使CPU找到程序入口，同時完成必要的集成電路芯片的初始電平設置。復位后，系統需要自檢，即對硬件

53、電路進行檢查，若發(fā)現錯誤則停止運行。自檢無誤后，便進行初始化工作。初始化的作用就是設定處理器工作中所應用的參數的初值。系統初始化完畢之后，就進入數據采集與處理階段，本設計的數據采集包括電位器的電壓采集和編碼器的脈沖計數。數據處理完之后，要對采集的數據進行相應的處理。數據處理完之后，根據情況進行相關的顯示和報警。 系統的主流程圖如圖5-1所示。圖5-1 方向盤角度檢測系統軟件主流程圖5.2.2 ADC轉換子程序數據采集是系統構成的重要部分。對設備的狀態(tài)檢測、控制都要依據現場的數據來分析判斷。采集是將被測對象的狀態(tài)量通過檢測傳給單片機，數據采集軟件部分涉及A/D轉換程序。電位器輸出的電壓信號需要經

54、過A/D轉換才能被單片機識別。在ATmega16單片機中，向ADC啟動轉換位ADSC位寫“1”可以啟動單次轉換。在轉換過程中此位保持為高，直到轉換結束，然后被硬件清零。如果在轉換過程中選擇了另一個通道，那么ADC會在改變通道前完成這一次轉換。ADC轉換結果為10位，存放于ADC數據寄存器ADCH及ADCL中。轉換結束后，ADC結果被送入ADC數據寄存器，且ADIF標志置位。本設計ADC工作流程如圖5-2所示。圖5-2 ADC工作流程圖5.2.3 方向盤角度檢測子程序方向盤轉動后帶動電位器轉動，電位器的輸出電壓也隨著變化。輸出電壓經過AD轉換后，送入單片機系統進行處理，將檢測來的電壓信號轉換為角

55、度數值存儲，進一步顯示。方向盤角度檢測子程序流程圖如圖5-3所示。圖5-3 方向盤角度檢測模塊子程序流程圖5.2.4 路面傾角檢測子程序路面傾角的檢測原理和方向盤角度檢測原理完全一樣，因此軟件設計也差不多。只是在路面傾角檢測時，由于汽車的顫動，可能會導致電位器產生誤測。為避免此現象發(fā)生，在檢測的時候必須有相應的程序判斷濾波，以濾掉錯誤的檢測值。程序判斷濾波法是根據經驗判斷確定兩次采樣允許的最大偏差Y，若先后兩次采樣值的差大于Y，則本次采樣表明輸入信號是干擾信號，應該去掉；若小于Y，則本次采樣值有效。路面傾角檢測模塊的程序濾波子程序如圖5-4所示。圖5-4 程序判斷濾波子程序流程圖路面傾角檢測模

56、塊的程序流程圖如圖5-5所示。圖5-5 路面傾角檢測模塊子程序流程圖5.2.5 車速檢測子程序 采用T/C0的計數功能對光電編碼器的輸出脈沖進行計數，采用T/C1的定時功能產生0.5s的定時中斷。通過脈沖的計數值可求得在0.5s內汽車行駛的總路程，從而計算出汽車的車速。車速檢測流程圖如圖5-6所示。圖5-6 車速檢測子程序流程圖5.2.6 方向盤角度顯示子程序顯示模塊是將最終要測量的值直觀地顯示出來，為使用者提供必要的系統運行狀態(tài)。本設計的采用LED對方向盤的實時轉角進行顯示。顯示程序流程圖如圖5-7所示。圖5-7 方向盤角度顯示子程序流程圖5.2.7 報警子程序車輛轉彎時，由于轉彎角度、路面

57、傾角大小不同，轉彎時的最大允許車速也不同。當轉彎時，如果車速大于轉彎允許的最高車速，就會出現向心力不足，汽車飛離跑道的現象發(fā)生，為避免事故發(fā)生，系統設計了報警功能。當車速接近轉彎允許的最高車速時，需要及時產生報警信號，提示駕駛員安全駕駛。為安全起見，本設計中轉彎允許最大車速設為實際計算允許最大車速的90%。本設計的報警系統流程圖如圖5-8所示。圖5-8 報警系統子程序流程圖5.3 軟件抗干擾技術由于干擾信號產生的原因錯綜復雜，且具有很大的隨機性，因此，系統難免會受到干擾。除了在硬件上實施抗干擾措施外，軟件抗干擾技術有時候也是必要的，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾成本低，見效快，有事半功倍的

58、效果。常用的軟件抗干擾技術有：1. 開機自檢系統開始運行后，首先對單片機系統的硬件及軟件狀態(tài)進行檢測，一旦發(fā)現非正常運行，就進行相應的處理。開機自檢程序通常包括對RAM、ROM、I/O口的狀態(tài)進行檢測。2. 主動初始化程序一經運行，單片機系統的各種功能、端口、方式、狀態(tài)都被初始化。主動初始化不僅要保證上電復位后程序能正確地實現各種初始化，而且在程序中每次檢測前都進行寄存器的刷新。3. 數字濾波技術11在單片機系統的模擬輸入信號中，一般均含有各種各樣的噪聲和干擾，它們來自被測信號源本身、傳感器及外界干擾等。為了進行準確測量和控制，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。常見噪聲有兩大類：一類為周期性的，

59、其典型代表為50Hz的工頻干擾，對于這類干擾信號，采用積分時間等于20ms整倍數的雙積分A/D轉換器，可有效地消除其影響；另一類為非周期的不規(guī)則隨機信號，對于隨機干擾，可以采用數字濾波方法予以濾除。數字濾波，就是經過一定的計算或判斷程序減少干擾信號在可用信號中所占的比例，它實際上是一個程序濾波。通常的濾波的方法有：算術平均值法、中值法、限幅法、一階慣性濾波法、程序判斷濾波法和遞推平均濾波法等。本設計路面傾角信號采集及顯示部分都有需要相應的濾波方法。消抖濾波法：設置一個濾波計數器將每次采樣值與當前有效值比較，如果采樣值等于當前有效值，則計數器清零如果采樣值不等于當前有效值，則計數器加1，并判斷計

60、數器是否大于上限(溢出)，如果計數器溢出，則將本次值替換當前有效值，并清空計數器。這種濾波方法對于穩(wěn)定顯示是非常需要的。程序判斷濾波法：根據程序的判斷剔除明顯不合理的數據，如電壓采集時大于2.56V的電壓值，必須舍棄。4. 軟件陷阱軟件陷阱是在程序存儲器的未使用區(qū)域中，加上若干條空操作和無條件跳轉指令，無條件跳轉指令指向程序“跑飛”處理子程序的入口地址。如果程序跳到這些未用區(qū)域，就會執(zhí)行無條件跳轉指令，轉到相應的程序出錯“跑飛”處理程序。除程序未用區(qū)域外，還可以在程序段之間（如子程序之間及一段處理程序完成后）及一頁的末尾處插入軟件陷阱，效果會更好。5.4 本章小結本章首先對本系統的主要設計思路進行了描述，簡單地介紹了CVAVR軟件，然后對系統的主流程圖及各個子系統的軟件流程圖做了詳細的介紹，最后介紹了幾種軟件抗干擾的措施。廣西大學畢業(yè)設計