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，讨论了里程计数的原理和转速指示原理，给出了用单片机AT89C2051和LM1819驱动器设计的汽车转速里程表的具体电路原理图。

１ 概述

传统的汽车转速里程表的功能有两个，一是用指针指示汽车行驶的瞬时车速，二是用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，用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，由于受钢丝交变应力极限的限制而容易断裂，同时，软轴布置过长会出现形变过大或运动迟滞等现象，而且，对于不同的车型，转速里程表的安装位置也会受到软轴长度及弯曲度的限制。凡此种种，使得基于非接触式转速传感器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的是：车速里程表转轴（软轴）在汽车行驶一公里时所转过的转数。 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。这种车速里程表转轴每转一圈,霍尔传感器将感应发出８个脉冲。现在以速比为１:６２４的车型为例? 汽车行驶一公里? 则霍尔传感器发出的脉冲数共为８×６２４＝４９９２个,或者说,每个脉冲代表了１／４９９２公里的里程。将这些脉冲信号当作外部中断源输入给单片机，使每个脉冲产生一个中断,并通过中断服务程序对每个脉冲进行计数,这样，当计满４９９２时,表明汽车行驶了１公里,然后再给累计单元加一,并存入ＥＥＰＲＯＭ单元,最后通过刷新ＬＣＤ液晶显示器，即可实现里程计数功能。但在编程时要注意，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，即采用负跳变引起中断。

３　车速测量及指示原理

车速指示可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。转轴是表芯唯一的可动部件，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，磁场强度正比于加在线圈上的电压，因此，通过改变电压的极性和幅度，可在理论上使转轴组件在０～３６０度范围内转动。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

其中θ为指针偏转角,单位为度; Ｋ为转角常数,单位为度／Ｖ; Ｖｉｎ是输入电压,单位为Ｖ。

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

并由此可以得出：

θ＝ａｒｃｔａｎ ｓｉｎθ／ｃｏｓθ

由上述公式可见?当Ｈｓｉｎｅ按θ的正弦函数变化，而Ｈｃｏｓｉｎｅ按θ的余弦函数变化时?所得到的总磁场强度的方向与θ角的方向相同,由于转轴组件与磁场强度矢量和的方向相同,因此，指针将始终指向θ角的方向。

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，输入到电荷泵即可进行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）,线圈的公共端接到１脚可为内部函数发生器提供反馈信号, 同时为５．１Ｖ齐纳二极管提供参考电压。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）

由于Ｖ８是在２．１Ｖ～７．１Ｖ的范围内变化的,故ＬＭ１８１９可以驱动十字表头以使其在０°～２７０°范围内转动。

４　电路原理图

图２所示是一种汽车转速里程表的电路原理图。这是一个典型的单片机最小应用系统。单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１以其低价、低功耗、可靠性高和易于编程等特点著称，Ｘ２５０４５则是ＭＣＳ－５１系列单片机电路的一个辅助芯片，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，可实现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，它具有功耗低和编程方便的特点。该显示共分两行显示，第一行６位显示累计里程，第二行４位（１位小数）用于显示小计里程。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串行ＥＥＰＲＯＭ，带有４０９６位，按５１２×８来组织。它具有４字节页写方式和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，可采取换页的办法来使这些数据移动到新单元以继续计数。

图2

    霍尔传感器发出的脉冲信号经过整形可分成两路，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），然后由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可使转轴组件偏转相应的角度。但调整时要注意，电容Ｃ３的大小会改变表针偏转的平滑性，Ｃ３越大，平滑性越好，但同时时间迟滞也会加大，而Ｃ３过小会使表针抖动；Ｃ４可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

本设计以单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１来实现里程累计、小计、清零及存储，并以ＬＭ１８１９集成电路驱动十字线圈表头，从而实现了车速的指示。该设计方案成本低廉、指针稳定性好、响应速度快、抗震性强、可靠性和性价比都很高。经实际使用证明，该里程表完全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，也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而省去ＬＭ１８１９集成电路。对此，此处不再赘述。