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電子車速里程表的單片機實現方案
摘要：介紹了一個基于單片機的電子式轉速里程表實現方案，討論了里程計數的原理和轉速指示原理，給出了用單片機AT89C2051和LM1819驅動器設計的汽車轉速里程表的具體電路原理圖。關鍵詞：轉速里程表；空氣軸表芯；LM1819；驅動器；單片計算機
１ 概述
傳統的汽車轉速里程表的功能有兩個，一是用指針指示汽車行駛的瞬時車速，二是用機械計數器記錄汽車行駛的累計里程。現代汽車正向高速化方向發展，隨著車速的提高，用軟軸驅動的傳統車速里程表受到前所未有的挑戰，這是因為軟軸在高速旋轉時，由于受鋼絲交變應力極限的限制而容易斷裂，同時，軟軸布置過長會出現形變過大或運動遲滯等現象，而且，對于不同的車型，轉速里程表的安裝位置也會受到軟軸長度及彎曲度的限制。凡此種種，使得基于非接觸式轉速傳感器的電子式轉速里程表得以迅速發展。
２ 里程累計實現原理
車速里程表的速比表示的是：車速里程表轉軸（軟軸）在汽車行駛一公里時所轉過的轉數。 基于單片機的車速里程表采用霍爾型非接觸式轉速傳感器。這種車速里程表轉軸每轉一圈,霍爾傳感器將感應發出８個脈沖。現在以速比為１:６２４的車型為例? 汽車行駛一公里? 則霍爾傳感器發出的脈沖數共為８×６２４＝４９９２個,或者說,每個脈沖代表了１／４９９２公里的里程。將這些脈沖信號當作外部中斷源輸入給單片機，使每個脈沖產生一個中斷,并通過中斷服務程序對每個脈沖進行計數,這樣，當計滿４９９２時,表明汽車行駛了１公里,然后再給累計單元加一,并存入ＥＥＰＲＯＭ單元,最后通過刷新ＬＣＤ液晶顯示器，即可實現里程計數功能。但在編程時要注意，ＭＣＳ－５１系列單片機的外部中斷有兩種觸發方式，即電平觸發和邊沿觸發，本設計選用邊沿觸發方式，即采用負跳變引起中斷。
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３ 車速測量及指示原理
車速指示可采用雙線圈汽車轉速表頭，它由空氣軸表芯和驅動電路組成，空氣軸表芯通常由三部分組成：磁鐵、與轉軸相連的指針和兩個互成九十度的線圈。轉軸是表芯唯一的可動部件，磁鐵的轉角總是趨向于兩個線圈的磁場強度矢量的合成方向，磁場強度正比于加在線圈上的電壓，因此，通過改變電壓的極性和幅度，可在理論上使轉軸組件在０～３６０度范圍內轉動。顯然，只要能按一定的規律驅動兩個線圈，就可以使指針偏轉位置與輸入量成線性關系，即滿足下列公式：
θ＝ＫＶｉｎ
其中θ為指針偏轉角,單位為度; Ｋ為轉角常數,單位為度／Ｖ; Ｖｉｎ是輸入電壓,單位為Ｖ。
每個線圈的磁場強度矢量之和必須跟隨偏轉角θ。考慮到轉軸組件總是指向Ｈｓｉｎｅ和Ｈｃｏｓｉｎｅ這兩個正交矢量之和的方向?則其方向可由下式求得?
θ＝ａｒｃｔａｎ Ｈｓｉｎｅ／Ｈｃｏｓｉｎｅ
并由此可以得出：
θ＝ａｒｃｔａｎ ｓｉｎθ／ｃｏｓθ
由上述公式可見?當Ｈｓｉｎｅ按θ的正弦函數變化，而Ｈｃｏｓｉｎｅ按θ的余弦函數變化時?所得到的總磁場強度的方向與θ角的方向相同,由于轉軸組件與磁場強度矢量和的方向相同,因此，指針將始終指向θ角的方向。
圖１所示是ＬＭ１８１９驅動器的內部組成原理框圖，它由電荷泵、整形器、函數發生器等組成?輸入的轉速信號通過內部的三極管緩沖后，輸入到電荷泵即可進行Ｆ／Ｖ頻率電壓轉換，兩個輸出端按輸入量的正弦和余弦函數變化,２腳和１２腳的最小驅動能力為±２０ｍＡ（±４Ｖ）,線圈的公共端接到１腳可為內部函數發生器提供反饋信號, 同時為５．１Ｖ齊納二極管提供參考電壓。在該電路中，Ｋ＝５４°／Ｖ,輸入Ｖｉｎ 實際上是４腳和８腳的電位差,８腳既是諾頓放大器的輸出， 又是函數發生器的輸入，一般４腳的電壓是２．１Ｖ,所以有:
θ＝Ｋ（Ｖ８－Ｖｒｅｆ)＝５４（Ｖ８－２.１）
由于Ｖ８是在２．１Ｖ～７．１Ｖ的范圍內變化的,故ＬＭ１８１９可以驅動十字表頭以使其在０°～２７０°范圍內轉動。
４ 電路原理圖
圖２所示是一種汽車轉速里程表的電路原理圖。這是一個典型的單片機最小應用系統。單片機ＡＴ８９Ｃ２０５１以其低價、低功耗、可靠性高和易于編程等特點著稱，Ｘ２５０４５則是ＭＣＳ－５１系列單片機電路的一個輔助芯片，主要擔當復位、電壓檢測、看門狗和ＥＥＰＲＯＭ功能，該芯片的采用大大提高了系統的可靠性，減少了外圍芯片數，可實現里程累計的掉電存儲。ＬＣＭ１０１０為十位八段式帶背光液晶顯示模塊，采用三線串行接口，它具有功耗低和編程方便的特點。該顯示共分兩行顯示，第一行６位顯示累計里程，第二行４位（１位小數）用于顯示小計里程。圖中Ｋ１為小計里程清零鍵，Ｒ４用于調節液晶顯示器的視角對比度。芯片Ｘ２５０４５是Ｘｉｃｏｒ公司推出的帶有可編程μＰ 監控器的ＣＭＯＳ串行ＥＥＰＲＯＭ，帶有４０９６位，按５１２×８來組織。它具有４字節頁寫方式和１０萬次使用周期，數據可保存１００年。為了保證累計里程單元的個位或小計單元的小數位可靠刷新，當這些單元接近極限使用周期時，可采取換頁的辦法來使這些數據移動到新單元以繼續計數
。
圖2
霍爾傳感器發出的脈沖信號經過整形可分成兩路，一路送到單片機的ＩＮＴ１端用于累計里程計數，另一路送到ＬＭ１８１９驅動器的轉速信號輸入端（１０腳），然后由驅動電路根據輸入信號的頻率在２腳和１２腳輸出相應的正弦和余弦驅動信號，十字線圈產生的磁場共同作用于磁鐵可使轉軸組件偏轉相應的角度。但調整時要注意，電容Ｃ３的大小會改變表針偏轉的平滑性，Ｃ３越大，平滑性越好，但同時時間遲滯也會加大，而Ｃ３過小會使表針抖動；Ｃ４可用于調整電路的線性和滯后誤差；Ｒ４的值可以改變表針的指示刻度點。
５ 結論
本設計以單片機ＡＴ８９Ｃ２０５１來實現里程累計、小計、清零及存儲，并以ＬＭ１８１９集成電路驅動十字線圈表頭，從而實現了車速的指示。該設計方案成本低廉、指針穩定性好、響應速度快、抗震性強、可靠性和性價比都很高。經實際使用證明，該里程表完全可以取代傳統的以軟軸驅動的車速里程表。當然，這只是一種實現方案，也可以由單片機通過軟件來驅動十字線圈表頭，即由單片機分別控制表頭的正弦線圈和余弦線圈而省去ＬＭ１８１９集成電路。對此，此處不再贅述。
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