小車方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng).doc

廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(chǎn)生活必不可少的交通工具。然而隨著汽車數(shù)量的逐年增加，公路、街道及停車場(chǎng)秩序逐漸混亂，加上非專業(yè)司機(jī)越來越多，交通事故頻發(fā)。在這些交通事故中，因?yàn)榉较虮P跑偏及轉(zhuǎn)彎時(shí)車速過高而引起的撞車翻車事故不在少數(shù)。因此，人們對(duì)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(duì)方向盤跑偏及轉(zhuǎn)彎車速過高等問題，提出了一種方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電位器進(jìn)行方向盤角度信號(hào)及轉(zhuǎn)彎時(shí)路面傾角的檢測(cè)，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行汽車車速的測(cè)量，通過Atmega16單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，由LED顯示方向盤實(shí)時(shí)角度，并在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)行報(bào)警。本設(shè)計(jì)的硬件部分主要包括信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)、ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)、LED顯示電路設(shè)計(jì)和報(bào)警電路設(shè)計(jì)等。該設(shè)計(jì)軟件部分介紹了AVR單片機(jī)的應(yīng)用軟件，對(duì)系統(tǒng)的主要流程作了詳細(xì)介紹，講述了單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和處理的方法。通過硬件與軟件的結(jié)合，完成了方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 方向盤角度檢測(cè) 單片機(jī) 電位器 光電編碼器 LED I廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 AbstractA Novel Steering Wheel Angle Detection SystemAbstractAs people living standard rise ceaselessly, 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 accidents 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 deviation 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 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 AVR 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 photoelectric encoder LEDIV廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(nèi)外汽車電子的發(fā)展動(dòng)態(tài)21.3 論文的主要工作2第二章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)概述42.1 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求42.2 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案52.3 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)92.4 本章小結(jié)9第三章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的原理介紹113.1 檢測(cè)原理介紹113.2 汽車轉(zhuǎn)彎性能研究143.3 本章小結(jié)17第四章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)184.1 系統(tǒng)總體硬件框圖184.2 ATmega16單片機(jī)介紹184.3 單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換原理194.4 檢測(cè)環(huán)節(jié)硬件設(shè)計(jì)204.5 系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)254.6 本章小結(jié)27第五章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)285.1 AVR單片機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境介紹285.2 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)285.3 軟件抗干擾技術(shù)355.4 本章小結(jié)37第六章 總結(jié)與展望386.1 總結(jié)386.2 研究展望38參考文獻(xiàn)40致 謝41廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jī)動(dòng)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(jì)以來，汽車工業(yè)發(fā)展迅速，我國汽車產(chǎn)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(xiàn)代人的觀念中，汽車不單單是一輛交通工具，它更體現(xiàn)了一個(gè)人的品味、生活方式和價(jià)值觀念。在我國，汽車已成為小康生活的重要標(biāo)志。汽車走進(jìn)私人家庭，已不再是夢(mèng)想。隨著汽車數(shù)量的迅速增加，加上非專業(yè)汽車駕駛?cè)藛T的不斷增多，造成公路、街道、停車場(chǎng)、車庫等公共場(chǎng)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(diǎn)。汽車事故嚴(yán)重威脅著人們的生命安全和生活秩序，每年因?yàn)榉较虮P跑偏和高速行車時(shí)方向盤瞬間轉(zhuǎn)移角度過大而造成的撞車、翻車事故不在少數(shù)。方向盤是汽車轉(zhuǎn)向的直接操縱桿，其轉(zhuǎn)動(dòng)位置直接影響著汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的安全?，F(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)的很大部分汽車上還沒有檢測(cè)方向盤轉(zhuǎn)角的電子儀器儀表，使得駕駛員在駕駛和泊車時(shí)不得不憑經(jīng)驗(yàn)和感覺去判斷方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)位置所在，這時(shí)難免發(fā)生感覺誤差，造成方向盤未回正或轉(zhuǎn)動(dòng)角度過大的現(xiàn)象發(fā)生，給開車和泊車帶來不便。方向盤位置跑偏，不但會(huì)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)汽車行車停車安全至關(guān)重要，對(duì)提高汽車系統(tǒng)的可靠性有非常重要的意義。小車方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)屬于汽車電子系統(tǒng)研究的一部分，汽車方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)和車速信號(hào)經(jīng)過傳感器的檢測(cè)，將其送入控制中心進(jìn)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(cè)系統(tǒng)，汽車的安全性能會(huì)大打折扣。然而，國內(nèi)在這方面的研究非常的少，本課題的研究，將填補(bǔ)這方面的空白。1.2 國內(nèi)外汽車電子的發(fā)展動(dòng)態(tài)隨著中國加入WTO，以及國內(nèi)龐大的汽車市場(chǎng)對(duì)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(jīng)突破5000萬輛，汽車的產(chǎn)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(chǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，21世紀(jì)全球范圍內(nèi)能夠存活的特大型汽車生產(chǎn)集團(tuán)將整合為六至八家2。目前國內(nèi)為整車企業(yè)進(jìn)行配套的汽車電子供應(yīng)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(yīng)商都以O(shè)EM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(shù)3。另一方面，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車電子產(chǎn)品也越來越多，汽車電子化被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命，當(dāng)今汽車電子化程度已成為衡量一個(gè)國家汽車工業(yè)水平的重要標(biāo)志4。我國汽車電子技術(shù)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(shù)研發(fā)水平還比較薄弱，自主開發(fā)并生產(chǎn)的汽車電子產(chǎn)品主要集中在一些技術(shù)含量不高的產(chǎn)品上。面對(duì)國內(nèi)巨大的汽車市場(chǎng)，國外汽車電子供應(yīng)商積極介入我國的汽車電子領(lǐng)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(nèi)企業(yè)并沒有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和獨(dú)立的產(chǎn)品研發(fā)能力。因此，我國的汽車電子化與世界發(fā)達(dá)國家相比，還有很大的距離。汽車方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)也隸屬于汽車電子，該研究無論從理論上還是實(shí)際應(yīng)用上都有較高的價(jià)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(cè)裝置的設(shè)計(jì)方法。此裝置用以測(cè)量方向盤的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，快速確定方向盤位置，以及在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)予以報(bào)警，以避免方向盤跑偏和行車過程中方向盤轉(zhuǎn)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(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及小車方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，在確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案后，開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件及軟件設(shè)計(jì)。在第三章，講述了采用ATmeg16系列單片機(jī)為核心的小車方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括檢測(cè)電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)外圍電路、角度顯示，報(bào)警電路等。第四章對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中對(duì)于系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，并且介紹了一種AVR單片機(jī)基于C語言的編譯器和集成環(huán)境，在此環(huán)境下對(duì)ATmega16進(jìn)行編譯、開發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的顯示及對(duì)其的控制。最后對(duì)論文作一個(gè)全文總結(jié)，并對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用做以展望。43廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第二章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)概述第二章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)概述2.1 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求汽車方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)檢測(cè)方向盤轉(zhuǎn)角，測(cè)定轉(zhuǎn)彎速度，并在轉(zhuǎn)彎速度過高時(shí)進(jìn)行報(bào)警的裝置，系統(tǒng)由三部分組成：檢測(cè)模塊、控制模塊及顯示模塊。檢測(cè)模塊：由傳感器檢測(cè)方向盤實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角信號(hào)、轉(zhuǎn)彎時(shí)的路面傾角信號(hào)及車速信號(hào)?？刂颇K：方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的控制中心，主要對(duì)采集的信號(hào)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。顯示報(bào)警模塊：用于顯示方向盤的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，并高速轉(zhuǎn)彎存在安全隱患時(shí)進(jìn)行報(bào)警。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可將方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由檢測(cè)模塊、控制模塊和顯示模塊構(gòu)成，軟件部分對(duì)不同的子系統(tǒng)分別進(jìn)行編程，便于調(diào)試和移植。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 汽車方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖2.2 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)有三大模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可根據(jù)三大模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2.1 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)方案檢測(cè)環(huán)節(jié)是系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，用來感受被測(cè)信號(hào)，并將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適于系統(tǒng)后續(xù)處理的電信號(hào)。提獲取信息的正確與否，決定了測(cè)試系統(tǒng)的精度。因此，選擇合適的檢測(cè)元件，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有非常重要的作用。1. 方向盤角度檢測(cè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)要測(cè)量的量為角位移。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電量測(cè)量技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此，可以通過電量的測(cè)量間接測(cè)量方向盤的角位移信號(hào)。目前用于角度檢測(cè)的傳感器主要有旋轉(zhuǎn)電位器、霍爾傳感器、光電編碼器及激光探測(cè)器等。各角位移傳感器的特性如表2-1所示。表2-1 各轉(zhuǎn)角傳感器的特性比較轉(zhuǎn)角傳感器接觸式非接觸式旋轉(zhuǎn)電位器霍爾傳感器光電編碼器激光探測(cè)器成本低高高高環(huán)境要求低高高高安裝簡(jiǎn)單較復(fù)雜復(fù)雜復(fù)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(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)電位器。本設(shè)計(jì)采用M22S10型精密多圈電位器,其特點(diǎn)如下：屬線繞多圈電位器；長壽命， 旋轉(zhuǎn)壽命：500萬轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角為3600（10圈），而一般汽車的方向盤最大轉(zhuǎn)角為1440（4圈），本設(shè)計(jì)采用專門定制的4圈精密電位器，材質(zhì)與M22S10相同，阻值為5K。其實(shí)，電位器其實(shí)就是一個(gè)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(jù)分壓原理，電位器輸出電壓與接入電路中的電阻有以下關(guān)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，電位器兩端的輸出電壓與接入電路的電阻大小成正比關(guān)系。一般電阻都存在以下基本關(guān)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?？勺冸娮柰ㄟ^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(guān)系。在多圈電位器中，電阻絲長度 與電位器旋轉(zhuǎn)角度也成正比關(guān)系。綜上所述，電位器輸出的電壓的大小與電位器轉(zhuǎn)角大小成正比關(guān)系。因此，可以通過電位器的輸出電壓大小來確定旋轉(zhuǎn)角度。4圈精密電位器的輸出電壓與電位器轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖2-2所示。圖2-2 電位器輸出電壓與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系2. 路面傾角檢測(cè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，路面的傾角不同，轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)角大小與最大車速都會(huì)有所影響。因此，應(yīng)對(duì)路面傾角進(jìn)行測(cè)量。本設(shè)計(jì)采用單圈的電位器進(jìn)行路面傾角的測(cè)量，其測(cè)量原理與方向盤轉(zhuǎn)角的測(cè)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(zhuǎn)軸上，另一端為自由端，就如單擺一樣。當(dāng)汽車發(fā)生傾斜時(shí)，重物由于重力作用轉(zhuǎn)動(dòng)電位器的轉(zhuǎn)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(cè)得路面的傾斜角度。測(cè)量原理如圖2-3所示。圖2-3 電位器測(cè)量路面傾角示意圖圖2-3（a）為水平路面時(shí)電位器的指針位置，當(dāng)路面傾角為時(shí)，電位器的指針也隨著改變角度。根據(jù)電位器的分壓原理就可以測(cè)得傾角的度數(shù)。3. 車速檢測(cè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案道路彎度的大小決定了轉(zhuǎn)彎時(shí)的最高車速，如果車速超過轉(zhuǎn)彎時(shí)的極限車速時(shí)，汽車就有可能飛出，造成嚴(yán)重的交通事故。因此，在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，應(yīng)該對(duì)車速進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)車速接近轉(zhuǎn)彎允許的最大車速時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，提示駕駛員減速?，F(xiàn)在速度測(cè)量的傳感器，大部分選用旋轉(zhuǎn)編碼器。由于旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量精度高、測(cè)速方便、使用時(shí)間長、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，成為測(cè)速系統(tǒng)的首選傳感器。常用的旋轉(zhuǎn)編碼器有增量式和絕對(duì)值式，一般測(cè)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(zhuǎn)編碼器輸出是一組脈沖，雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90的脈沖，不僅可以測(cè)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)方向5。一般汽車測(cè)速都是單向的，因此選擇單路輸出的編碼器即可。本設(shè)計(jì)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(hào)，波形規(guī)整，使用電壓范圍寬，每圈輸出脈沖數(shù)為500個(gè)，最大轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)計(jì)方案控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、控制實(shí)時(shí)性等問題。當(dāng)前的控制系統(tǒng)主要有上下位機(jī)（PC-PLC）、DSP控制器及單片機(jī)，其各自特性如表2-2所示。表2-2 各控制系統(tǒng)的特性控制系統(tǒng)體積線路成本可靠性應(yīng)用場(chǎng)合PC-PLC大復(fù)雜高好工業(yè)生產(chǎn)DSP較大較復(fù)雜較高好嵌入式單片機(jī)小簡(jiǎn)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(tǒng)采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心。本設(shè)計(jì)采用ATmega16單片機(jī)作為控制中心。2.2.3 顯示系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)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(jiǎn)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(shè)計(jì)采用四位共陰極LED發(fā)光二極管作為顯示單元。2.3 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)現(xiàn)在雖然已有方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)專利，然而其專利只是測(cè)量方向盤的轉(zhuǎn)角，并未對(duì)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的性能進(jìn)行評(píng)估。其專利是利用兩節(jié)相互嵌套的齒輪來實(shí)現(xiàn)方向盤4圈的角度檢測(cè)?？上攵浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)專門的機(jī)械齒輪；由于齒輪制作受到材料和空間的限制，因此檢測(cè)精度必然會(huì)受到影響；還需要設(shè)計(jì)很多的機(jī)械輔助零件，安裝復(fù)雜，并且線性度不高。本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)電位器實(shí)現(xiàn)角度檢測(cè)，有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 制作簡(jiǎn)單，安裝方便。2. 測(cè)量精度高。3. 可實(shí)現(xiàn)角度的連續(xù)測(cè)量，線性度好。4. 使用時(shí)間長，長期使用不會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。5. 成本低廉。本設(shè)計(jì)除了進(jìn)行方向盤角度測(cè)量外，還對(duì)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的車速，路面的傾角等因素進(jìn)行了綜合分析，從而設(shè)計(jì)出小車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)的報(bào)警功能，以提醒駕駛員進(jìn)行相應(yīng)的減速，防止意外發(fā)生。2.4 本章小結(jié)本章首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，介紹了系統(tǒng)的構(gòu)建，然后詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)的三個(gè)模塊：檢測(cè)模塊、控制模塊及顯示模塊分別進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。確定了以ATmega16單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，以多圈電位器和光電編碼器作為檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行了說明。廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第三章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的原理介紹第三章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的原理介紹小車方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分，硬件電路包括信號(hào)采集電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)外圍系統(tǒng)電路及LED顯示電路等。系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可使程序設(shè)計(jì)思路清晰，便于調(diào)試。系統(tǒng)硬件部分放在論文第四章進(jìn)行詳細(xì)介紹，軟件部分放在第五章進(jìn)行介紹。3.1 檢測(cè)原理介紹檢測(cè)部分包括三個(gè)環(huán)節(jié)：方向盤角度檢測(cè)、路面傾角檢測(cè)及車速檢測(cè)。3.1.1 方向盤角度檢測(cè)原理一般方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)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(yīng)用-720+720來表示6，其中認(rèn)為自然狀態(tài)下的方向盤為0，自然狀態(tài)下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（右轉(zhuǎn)）為“+”，自然狀態(tài)下逆時(shí)針轉(zhuǎn)（左轉(zhuǎn)）“-”，即凡是在中心位置左邊的角度都為“-”，右邊的都為“+”。本設(shè)計(jì)采用定做的4圈精密電位器作為傳感器，用以檢測(cè)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。電位器應(yīng)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(shí)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(yīng)該在電阻的位置處，以保證測(cè)量的精確。本設(shè)計(jì)采用的電位器線性度極高，而方向盤的轉(zhuǎn)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(jī)ADC轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)電位器的最大輸出電壓應(yīng)為2.56V。此時(shí)電位器的輸出電壓與方向盤的轉(zhuǎn)角關(guān)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(zhuǎn)角值。因此，只要檢測(cè)出電位器端的輸出電壓，即可推算出方向盤的轉(zhuǎn)角所在位置。電位器的輸出電壓與方向盤角度的對(duì)應(yīng)關(guān)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(duì)應(yīng)關(guān)系3.1.2 路面傾角檢測(cè)原理 路面傾角檢測(cè)也應(yīng)用電位器，其檢測(cè)方法和方向盤角度檢測(cè)方法基本相同。路面傾角檢測(cè)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(shí)的電位器轉(zhuǎn)角為0。電位器的最大輸出電壓同樣選用2.56V，這時(shí)候，電位器的輸出電壓與路面的傾角關(guān)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(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3-2所示。圖3-2 電位器輸出電壓與路面傾角的關(guān)系當(dāng)然，實(shí)際中路面的傾角一般不會(huì)超過45，因此，實(shí)際上電位器的輸出電壓應(yīng)在0.96V1.6V之間。3.1.3 汽車車速檢測(cè)原理汽車車速檢測(cè)采用單路輸出增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器6作為傳感器件。光電編碼器結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3 單路輸出光電編碼器結(jié)構(gòu)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(huì)被光敏管吸收，光敏管根據(jù)光電轉(zhuǎn)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(huì)輸出低電平。若編碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，光線便會(huì)一會(huì)兒穿過編碼盤，一會(huì)兒被編碼盤擋住，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)一圈，便會(huì)產(chǎn)生多少個(gè)脈沖。通常稱編碼器的縫隙數(shù)為線數(shù)，如果編碼盤單圈有1024個(gè)縫隙，就稱這樣的編碼器為1024線編碼器。由此可知，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)的多少，就可以知道編碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。由于編碼盤與汽車驅(qū)動(dòng)輪同軸安裝，因此汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼盤便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。這樣，知道了汽車車輪單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，車速便自然得知。汽車車速的計(jì)算如公式(3-5)所示。 (3-5)其中，為車速；為測(cè)速周期； 為時(shí)間內(nèi)的脈沖總數(shù)；為車輪半徑； 為編碼器的線數(shù)。本設(shè)計(jì)選用編碼器的線數(shù)為500，測(cè)速周期為0.5ms，一般汽車的車輪半徑為0.3m，因此測(cè)速公式可改為： (3-6)3.2 汽車轉(zhuǎn)彎性能研究 汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，不僅要考慮方向盤與車輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系，還要考慮轉(zhuǎn)彎半徑與車速等量的關(guān)系，通過綜合考慮，才能知道轉(zhuǎn)彎是否安全。3.2.1 方向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系汽車方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍一般為-720+720，汽車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-45+45(左轉(zhuǎn)為“-”，右轉(zhuǎn)為“+”)，一般汽車的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度和汽車轉(zhuǎn)向輪的旋轉(zhuǎn)角度存在線性關(guān)系。車輪轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系如公式(3-7)所示。 (3-7) 其中為汽車方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度；為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。汽車方向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3-7所示。圖3-7 汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系3.2.2 車輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)彎半徑之間的關(guān)系汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)都有轉(zhuǎn)彎半徑，由于轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角大小不一樣，轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑也不一樣。確定轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)確定轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性有非常重要的作用。一般小車的轉(zhuǎn)向輪為前輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪。小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的模型如圖3-8所示。圖3-8 小車轉(zhuǎn)彎模型圖中L為小車前后輪的軸距，R為小車轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑，為車輪轉(zhuǎn)向角度，虛線圓弧為轉(zhuǎn)彎路徑。轉(zhuǎn)彎的圓心為轉(zhuǎn)向輪的垂直線與后軸的延長線的交點(diǎn)O處。一般情況下車輪轉(zhuǎn)向角比較小，因此當(dāng)，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向角為時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑可近似由公式(3-8)得出。 (3-8) 其中為轉(zhuǎn)彎半徑；為前后輪軸距。3.2.3 汽車轉(zhuǎn)彎模型分析汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行受力分析，從而設(shè)計(jì)報(bào)警裝置。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力情況如圖3-9所示。圖3-9 汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的力學(xué)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(duì)汽車的支持力；為路面傾角。由圖可知，轉(zhuǎn)彎時(shí)，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(jù)力學(xué)原理可知： (3-9)其中F為汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)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(zhì)量，為重力加速度。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)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(shù)。根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)公式可知，汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，車速，轉(zhuǎn)彎半徑與向心力有以下關(guān)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(zhuǎn)角。這里的為轉(zhuǎn)彎時(shí)的最高理論車速，如果車速超過轉(zhuǎn)彎理論車速就會(huì)有轉(zhuǎn)向力不足，汽車飛出路面的事故發(fā)生。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)車速接近路面允許的最大車速時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該報(bào)警，警告駕駛員轉(zhuǎn)彎車速過高。一般情況下，重力加速度取9.8，路面摩擦系數(shù)根據(jù)天氣情況不同而不同。一般晴天時(shí)，路面摩擦系數(shù)為0.6左右，下雨天為0.4左右，下雪天為0.28左右。因此設(shè)計(jì)時(shí)，摩擦系數(shù)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(shù)據(jù)代入公式(3-13)，可得汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的最高車速應(yīng)近似為： (3-14)其中，為車速；為路面傾角；為方向盤轉(zhuǎn)角。3.3 本章小結(jié) 本章首先對(duì)系統(tǒng)的三個(gè)檢測(cè)量：方向盤轉(zhuǎn)角、路面傾角及車速的檢測(cè)原理進(jìn)行了分析；其次對(duì)系統(tǒng)各檢測(cè)量之間的關(guān)系作了闡述，分析了汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的力學(xué)模型，從而確定了轉(zhuǎn)彎時(shí)最大車速，根據(jù)最大車速，才能進(jìn)一步確定系統(tǒng)什么時(shí)候應(yīng)該報(bào)警。廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第四章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)第四章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)總體硬件框圖本設(shè)計(jì)以ATmega16單片機(jī)為核心，系統(tǒng)的主要組成部分包括數(shù)據(jù)采集部分，信號(hào)處理部分，數(shù)據(jù)處理部分及顯示部分等。該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)檢測(cè)部分主要包括方向盤角度檢測(cè)模塊，路面傾角檢測(cè)模塊及車速檢測(cè)模塊。方向盤角度檢測(cè)模塊和路面傾角檢測(cè)模塊都采用電位器的分壓原理，電位器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過處理傳送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過采樣保持電路及自身集成的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而為單片機(jī)控制所用，通過方向盤轉(zhuǎn)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(cè)采用旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器檢測(cè)的脈沖序列經(jīng)過處理，送入單片機(jī)計(jì)數(shù)口進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，可得出汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，從而得出汽車的速度。將檢測(cè)的車速和理論最大車速進(jìn)行比較，從而確定系統(tǒng)是否需要報(bào)警。本系統(tǒng)硬件的總體框圖如圖4-1所示。圖4-1 系統(tǒng)總體硬件框圖4.2 ATmega16單片機(jī)介紹本系統(tǒng)的控制中心采用ATmega16單片機(jī)7。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾；ATmega16有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，131條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，32個(gè)8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作在16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS；并且有非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)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(gè)可編程的I/O口，編程簡(jiǎn)單；ATmega16兼PIC及8051優(yōu)點(diǎn)于一身，具有優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能方面都有明顯優(yōu)勢(shì)8。ATmega16的引腳如圖4-2所示。 圖4-2 ATmega16的引腳圖本設(shè)計(jì)方向盤角度檢測(cè)環(huán)節(jié)采用單片機(jī)的PA0口，路面傾角檢測(cè)環(huán)節(jié)采用單片機(jī)的PA1口。這兩個(gè)接口都有ADC轉(zhuǎn)換功能和采樣保持功能。速度檢測(cè)環(huán)節(jié)采用PB0口，此接口有定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換原理將在下一小節(jié)介紹。4.3 單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換原理電位器檢測(cè)來的電壓必須經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換才能被單片機(jī)所識(shí)別，從而進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC，ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V（GND）為基準(zhǔn)，單次轉(zhuǎn)換的結(jié)果為： (4-1)其中，ADC：A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果；：輸入的電壓；：基準(zhǔn)電壓（2.56V）。如果使用差分通道，結(jié)果為： (4-2)其中，：輸入引腳正電壓； ：輸入引腳負(fù)電壓；：選定的增益因子。本設(shè)計(jì)采用單端輸入電壓進(jìn)行采集的方式，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換方便。使用單端通道方式時(shí)，單端通道的輸入電壓不得超過單片機(jī)的內(nèi)部參考電壓，否則，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果接近于0x3FF。本設(shè)計(jì)應(yīng)用單片機(jī)內(nèi)部2.56V電壓參考源，其抗干擾能力強(qiáng)，波動(dòng)小，精度高，電路簡(jiǎn)單，使用方便。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。4.4 檢測(cè)環(huán)節(jié)硬件設(shè)計(jì)4.4.1 方向盤角度檢測(cè)環(huán)節(jié)硬件設(shè)計(jì) 方向盤角度檢測(cè)模塊采用電位器的分壓原理，通過電壓與電位器轉(zhuǎn)角的關(guān)系來推算出電位器的轉(zhuǎn)角度數(shù)，從而得出方向盤的轉(zhuǎn)角度數(shù)。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)內(nèi)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(dāng)電位器輸出電壓為2.56V時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為0x3FF。設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路將+5V系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換為2.56V供電位器分壓使用，電壓采集部分的電路設(shè)計(jì)如圖4-3所示。圖4-3 檢測(cè)模塊電路原理圖圖中R為多圈電位器，通過分壓原理進(jìn)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，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(cè)原理和方法同方向盤角度檢測(cè)地方法一樣，電路的硬件設(shè)計(jì)也相同，只是將單片機(jī)的PA0口換為PA1口，進(jìn)行電壓采集，這里不再贅述。4.4.2 車速檢測(cè)環(huán)節(jié)硬件設(shè)計(jì)車速檢測(cè)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(jīng)過整形后送入單片機(jī)PB0口進(jìn)行計(jì)數(shù)。ATmega16單片機(jī)中有兩個(gè)8位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器：T/C0和T/C2，還有一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T/C19。PB0引腳可用作T/C0定時(shí)計(jì)數(shù)器。本設(shè)計(jì)采用T/C0定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能對(duì)光電編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，就可以知道編碼器單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，通過計(jì)算求得車速。T/C0的計(jì)數(shù)值保存在8位寄存器TCNT0中，MCU可在任何時(shí)間訪問TCNT0。設(shè)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(dāng)編碼器輸出一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器的TCNT0便會(huì)加1，這樣便會(huì)檢測(cè)出輸出的脈沖個(gè)數(shù)。T/C1是16位計(jì)數(shù)器，在系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz條件下，最長的時(shí)寬可達(dá)16.777216s，這是其他8位單片機(jī)做不到的。本設(shè)計(jì)采用T/C1產(chǎn)生0.5ms的定時(shí)中斷。光電編碼器測(cè)速電路如圖4-4所示。圖4-4 測(cè)速環(huán)節(jié)電路原理圖4.4.3 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)顯示模塊通過四位LED數(shù)碼管進(jìn)行角度的顯示，其最高位為符號(hào)位。如果角度為正（中心位置偏右），則符號(hào)位顯示“0”，如果角度為負(fù)（中心位置偏左），則符號(hào)位顯示“-”。數(shù)碼管其余三位顯示方向盤角度值，精確到1。使用數(shù)碼管顯示時(shí)，采用動(dòng)態(tài)掃描方式。在短時(shí)間內(nèi)逐個(gè)掃描數(shù)碼管，使人們看起來好像數(shù)碼管總為點(diǎn)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(shù)碼管組需要8位段碼、4位位碼，總共12個(gè)輸出口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，直接使用單片機(jī)I/O口來實(shí)現(xiàn)的話，會(huì)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(qū)動(dòng)數(shù)碼管，這樣大大節(jié)省了控制口資源。顯示模塊的硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖4-5所示。圖4-5 單片機(jī)與LED的連接電路原理圖4.4.4 報(bào)警模塊硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)在輸出電路上加上蜂鳴器作為聲音報(bào)警。經(jīng)過方向盤角度和地面傾角的檢測(cè)，可算出理論上轉(zhuǎn)彎時(shí)的最大車速，當(dāng)車速接近轉(zhuǎn)彎的最大理論車速時(shí)，蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警。報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖4-6所示。圖4-6 報(bào)警電路設(shè)原理圖圖中的輸出口可使用ATmega16單片機(jī)的任一I/O口，這里選用PA2口。單片機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)三極管Q放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，本設(shè)計(jì)采用固定頻率的有源蜂鳴器。電阻R6起限流保護(hù)作用。4.4.5 其它外圍電路設(shè)計(jì)1. +5V電源設(shè)計(jì)電源是系統(tǒng)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(jī)。汽車上直接使用的為直流+12V電壓源，因此需要將+12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V供單片機(jī)使用。應(yīng)用LM7805CK穩(wěn)壓芯片，可直接將+12V的直流電壓轉(zhuǎn)換為+5V，提供單片機(jī)所需的電壓。轉(zhuǎn)換電路如圖4-7所示。圖4-7 電源轉(zhuǎn)換電路2. 單片機(jī)外部復(fù)位與時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以便使CPU及系統(tǒng)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(jī)復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)，提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電壓穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，如果RESET引腳上有一個(gè)低電平，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)按下開關(guān)K時(shí)，單片機(jī)的RESET引腳便產(chǎn)生一個(gè)低電平，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用外接4MHz晶體與芯片內(nèi)部的振蕩電路組成時(shí)鐘電路，產(chǎn)生4MHz的脈沖作為時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)此時(shí)單條指令的執(zhí)行時(shí)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(lián)，作用是穩(wěn)定晶體的阻抗，提高震蕩電路的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的復(fù)位電路和時(shí)鐘電路如圖4-8所示。圖4-8 系統(tǒng)外部復(fù)位與時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)4.5 系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)由于硬件系統(tǒng)各個(gè)元件性能特點(diǎn)不同，加上工作環(huán)境的影響，干擾的存在在所難免，因此，應(yīng)該對(duì)采取相關(guān)措施，減小系統(tǒng)干擾。要形成干擾，必須有干擾源、干擾傳播和被干擾對(duì)象。因此，減小干擾可從這三個(gè)方面著手。減小系統(tǒng)干擾的方法有硬件抗干擾和軟件抗干擾，這里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(jī)硬件抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)中還可應(yīng)用兩路輸出的電位器，通過信號(hào)的互補(bǔ)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。兩路信號(hào)電位器可輸出兩路電壓信號(hào)，這兩路電壓信號(hào)相互補(bǔ)充，也就是信號(hào)A電壓+信號(hào)B電壓=輸入電壓。如圖4-9所示。這種電位器可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)出錯(cuò)診斷。圖4-9 帶檢錯(cuò)功能的電位器輸出電壓與方向盤轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系2. 抑制電源干擾單片機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)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(chǎn)生諧波，因此必須對(duì)電源電壓進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)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(shù)。2) 隔離技術(shù)。3) 模擬信號(hào)采樣抗干擾技術(shù)。3. 設(shè)計(jì)硬件監(jiān)控電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，增強(qiáng)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(gè)方面：1) 上電復(fù)位：保證系統(tǒng)加電時(shí)能正確地啟動(dòng)。2) 掉電復(fù)位：當(dāng)電源失效或電壓降到某一電壓值以下時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。3) 數(shù)據(jù)保護(hù)：當(dāng)電源或系統(tǒng)工作異常時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的保護(hù)，如寫保護(hù)、后備電池切換等。4) 電源監(jiān)測(cè)：供電電壓出現(xiàn)異常時(shí)，給出報(bào)警指示信號(hào)或中斷請(qǐng)求信號(hào)。4. 對(duì)電路板進(jìn)行合理設(shè)計(jì) 對(duì)電路板合理設(shè)計(jì)方法有以下兩種。1) PCB板元件布局a：線路板上的元件應(yīng)盡量按直線進(jìn)行排列；b：對(duì)于那些易產(chǎn)生噪聲的器件組成的電路，如電源線路等，應(yīng)與微弱信號(hào)電路分開布局，尤其是應(yīng)該遠(yuǎn)離單片機(jī)的邏輯控制電路和存儲(chǔ)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(shí)鐘產(chǎn)生器盡量接近CPU，引線要短而粗，I/O驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)靠近印刷板邊，時(shí)鐘、片選信號(hào)要遠(yuǎn)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(gè)接點(diǎn)，地一個(gè)接點(diǎn)，印刷板上有多個(gè)返回地線，這些都會(huì)聚到電源的那個(gè)接地點(diǎn)上，就是所謂的單點(diǎn)接地。c：對(duì)于模擬地，數(shù)字地都要匯集到接地點(diǎn)上來。由于多圈電位器為接觸式傳感器，因此，在滑動(dòng)觸點(diǎn)和電阻器的相互運(yùn)動(dòng)中，兩者會(huì)產(chǎn)生磨損，這影響到了電位器的使用壽命，因此，要定期對(duì)電位器進(jìn)行潤滑。4.6 本章小結(jié)本章首先對(duì)系統(tǒng)及硬件設(shè)計(jì)做了總體的規(guī)劃，做出了硬件框圖，然后對(duì)ATmega16單片機(jī)做了簡(jiǎn)單介紹。對(duì)單片機(jī)有一定的了解后，進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括方向盤角度檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)、車速檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)、LED顯示模塊硬件設(shè)計(jì)、報(bào)警電路硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電源模塊及單片機(jī)的時(shí)鐘復(fù)位電路硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)硬件系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第五章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)第五章 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 AVR單片機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境介紹本設(shè)計(jì)采用C語言進(jìn)行單片機(jī)的軟件編程。Code Vision AVR是HP Info Tech專門為AVR設(shè)計(jì)的一款低成本的C語言編輯器，它產(chǎn)生的代碼非常嚴(yán)密，效率很高。他不僅包括了AVR C編譯器，同時(shí)也是一個(gè)集成IDE的AVR開發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)稱CVAVR 。與其他的C語言開發(fā)平臺(tái)相比，CVAVR對(duì)位變量的支持，對(duì)大量的擴(kuò)展的、一些標(biāo)準(zhǔn)外部器件的支持和接口函數(shù)（如標(biāo)準(zhǔn)字符LCD顯示器、SPI接口、延時(shí)函數(shù)、BCD碼與格雷碼轉(zhuǎn)換等），以及方便地對(duì)EEPROM操作的功能等特點(diǎn)更適合一般人員的學(xué)習(xí)和使用。CVAVR系統(tǒng)的安裝非常方便簡(jiǎn)單，用戶只要執(zhí)行從網(wǎng)上下載的CVAVR系統(tǒng)安裝setup.exe即可，通過簡(jiǎn)單的步驟就可以完成CVAVR的安裝。CVAVR系統(tǒng)還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，以便系統(tǒng)的程序調(diào)試。5.2 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)軟件的主要功能是以硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，將硬件采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成電壓與角度的標(biāo)度轉(zhuǎn)換、車速計(jì)算、車速比較等，通過相應(yīng)的判斷進(jìn)行顯示報(bào)警。軟件程序是設(shè)計(jì)的重要組成部分，軟件部分由主程序、ADC轉(zhuǎn)換子程序、方向盤角度檢測(cè)子程序、路面傾角檢測(cè)子程序、車速檢測(cè)子程序及數(shù)碼管顯示報(bào)警子程序等部分組成。5.2.1 系統(tǒng)主程序主程序開始即開機(jī)復(fù)位，使CPU找到程序入口，同時(shí)完成必要的集成電路芯片的初始電平設(shè)置。復(fù)位后，系統(tǒng)需要自檢，即對(duì)硬件電路進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則停止運(yùn)行。自檢無誤后，便進(jìn)行初始化工作。初始化的作用就是設(shè)定處理器工作中所應(yīng)用的參數(shù)的初值。系統(tǒng)初始化完畢之后，就進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理階段，本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集包括電位器的電壓采集和編碼器的脈沖計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)處理完之后，要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)處理完之后，根據(jù)情況進(jìn)行相關(guān)的顯示和報(bào)警。 系統(tǒng)的主流程圖如圖5-1所示。圖5-1 方向盤角度檢測(cè)系統(tǒng)軟件主流程圖5.2.2 ADC轉(zhuǎn)換子程序數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)構(gòu)成的重要部分。對(duì)設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)、控制都要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)來分析判斷。采集是將被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)量通過檢測(cè)傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集軟件部分涉及A/D轉(zhuǎn)換程序。電位器輸出的電壓信號(hào)需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能被單片機(jī)識(shí)別。在ATmega16單片機(jī)中，向ADC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換位ADSC位寫“1”可以啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中此位保持為高，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后被硬件清零。如果在轉(zhuǎn)換過程中選擇了另一個(gè)通道，那么ADC會(huì)在改變通道前完成這一次轉(zhuǎn)換。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，存放于ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH及ADCL中。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC結(jié)果被送入ADC數(shù)據(jù)寄存器，且ADIF標(biāo)志置位。本設(shè)計(jì)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(cè)子程序方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，電位器的輸出電壓也隨著變化。輸出電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，將檢測(cè)來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度數(shù)值存儲(chǔ)，進(jìn)一步顯示。方向盤角度檢測(cè)子程序流程圖如圖5-3所示。圖5-3 方向盤角度檢測(cè)模塊子程序流程圖5.2.4 路面傾角檢測(cè)子程序路面傾角的檢測(cè)原理和方向盤角度檢測(cè)原理完全一樣，因此軟件設(shè)計(jì)也差不多。只是在路面傾角檢測(cè)時(shí)，由于汽車的顫動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致電位器產(chǎn)生誤測(cè)。為避免此現(xiàn)象發(fā)生，在檢測(cè)的時(shí)候必須有相應(yīng)的程序判斷濾波，以濾掉錯(cuò)誤的檢測(cè)值。程序判斷濾波法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；若小于Y，則本次采樣值有效。路面傾角檢測(cè)模塊的程序?yàn)V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(cè)模塊的程序流程圖如圖5-5所示。圖5-5 路面傾角檢測(cè)模塊子程序流程圖5.2.5 車速檢測(cè)子程序 采用T/C0的計(jì)數(shù)功能對(duì)光電編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用T/C1的定時(shí)功能產(chǎn)生0.5s的定時(shí)中斷。通過脈沖的計(jì)數(shù)值可求得在0.5s內(nèi)汽車行駛的總路程，從而計(jì)算出汽車的車速。車速檢測(cè)流程圖如圖5-6所示。圖5-6 車速檢測(cè)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(cè)量的值直觀地顯示出來，為使用者提供必要的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。本設(shè)計(jì)的采用LED對(duì)方向盤的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角進(jìn)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(bào)警子程序車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于轉(zhuǎn)彎角度、路面傾角大小不同，轉(zhuǎn)彎時(shí)的最大允許車速也不同。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，如果車速大于轉(zhuǎn)彎允許的最高車速，就會(huì)出現(xiàn)向心力不足，汽車飛離跑道的現(xiàn)象發(fā)生，為避免事故發(fā)生，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警功能。當(dāng)車速接近轉(zhuǎn)彎允許的最高車速時(shí)，需要及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，提示駕駛員安全駕駛。為安全起見，本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)彎允許最大車速設(shè)為實(shí)際計(jì)算允許最大車速的90%。本設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)流程圖如圖5-8所示。圖5-8 報(bào)警系統(tǒng)子程序流程圖5.3 軟件抗干擾技術(shù)由于干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，且具有很大的隨機(jī)性，因此，系統(tǒng)難免會(huì)受到干擾。除了在硬件上實(shí)施抗干擾措施外，軟件抗干擾技術(shù)有時(shí)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，有事半功倍的效果。常用的軟件抗干擾技術(shù)有：1. 開機(jī)自檢系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件及軟件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)非正常運(yùn)行，就進(jìn)行相應(yīng)的處理。開機(jī)自檢程序通常包括對(duì)RAM、ROM、I/O口的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。2. 主動(dòng)初始化程序一經(jīng)運(yùn)行，單片機(jī)系統(tǒng)的各種功能、端口、方式、狀態(tài)都被初始化。主動(dòng)初始化不僅要保證上電復(fù)位后程序能正確地實(shí)現(xiàn)各種初始化，而且在程序中每次檢測(cè)前都進(jìn)行寄存器的刷新。3. 數(shù)字濾波技術(shù)11在單片機(jī)系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中，一般均含有各種各樣的噪聲和干擾，它們來自被測(cè)信號(hào)源本身、傳感器及外界干擾等。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾。常見噪聲有兩大類：一類為周期性的，其典型代表為50Hz的工頻干擾，對(duì)于這類干擾信號(hào)，采用積分時(shí)間等于20ms整倍數(shù)的雙積分A/D轉(zhuǎn)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(jī)信號(hào)，對(duì)于隨機(jī)干擾，可以采用數(shù)字濾波方法予以濾除。數(shù)字濾波，就是經(jīng)過一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾信號(hào)在可用信號(hào)中所占的比例，它實(shí)際上是一個(gè)程序?yàn)V波。通常的濾波的方法有：算術(shù)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(shè)計(jì)路面傾角信號(hào)采集及顯示部分都有需要相應(yīng)的濾波方法。消抖濾波法：設(shè)置一個(gè)濾波計(jì)數(shù)器將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較，如果采樣值等于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器清零如果采樣值不等于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器加1，并判斷計(jì)數(shù)器是否大于上限(溢出)，如果計(jì)數(shù)器溢出，則將本次值替換當(dāng)前有效值，并清空計(jì)數(shù)器。這種濾波方法對(duì)于穩(wěn)定顯示是非常需要的。程序判斷濾波法：根據(jù)程序的判斷剔除明顯不合理的數(shù)據(jù)，如電壓采集時(shí)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(chǔ)器的未使用區(qū)域中，加上若干條空操作和無條件跳轉(zhuǎn)指令，無條件跳轉(zhuǎn)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(huì)執(zhí)行無條件跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序出錯(cuò)“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(huì)更好。5.4 本章小結(jié)本章首先對(duì)本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了描述，簡(jiǎn)單地介紹了CVAVR軟件，然后對(duì)系統(tǒng)的主流程圖及各個(gè)子系統(tǒng)的軟件流程圖做了詳細(xì)的介紹，最后介紹了幾種軟件抗干擾的措施。廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)