出租車里程顯示系統的設計
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第1章 概 述
1.1 國內外研究現狀
自今汽車走過了100多年的發展歷程，汽車儀表也在不斷開發和發展之中。汽車儀表發展，按其工作原理上取得的重大技術創新來分經過四代：第一代汽車儀表是基于機械作用力而工作的機械式儀表，即機械機芯表；第二代汽車儀表的工作原理基于電子測量原理，即通過各類傳感器將被測的非電量變換成電信號加以測量，稱之為電氣式儀表；第三代為模擬電路電子式；第四代為步進電機式全數字汽車儀表。
目前，汽車儀表正在經歷第三代向第四代轉型時期。第三代汽車用儀表工作原理與電氣式儀表基本相同，只是用電子器件取代原來的電氣器件。隨著集成電路技術突飛猛進的發展，這種儀表現在均采用汽車儀表專用集成電路，是國內汽車儀表目前的主流產品，經過多年的發展，其結構形式經歷了動圈式機芯和動磁式機芯階段。電子器件經歷了分立器件和專用集成電路階段。發展到今天以塑料件為主；圍繞提高指示精度和指針平穩性，有動圈式、動磁式等。第四代步進電機式全數字式汽車儀表從其應用的技術手段上看，還是電子技術范疇，也屬于電子式儀表，但信號處理方式己從模擬變成數字。其最顯著的特征是工作原理與第三代汽車儀表完全不同。本系統研制的步進電機式車速里程表就是在這第三代和第四代轉型時期開發研制的第四代新型儀表。該表屬于第四代步進電機式全數字式汽車儀表，本系統開發的儀表的優點是指示精度高，響應速度快、無抖動，指示范圍分度均勻等。
1.2 方案比較
根據設計任務，車速里程表機芯的研制主要設計出車速的指示和里程的顯示，具有小計里程和總里程的雙顯示功能，車速具有回零功能。因此根據總體設計要求，經過分析研究設計出方案如下。
1.2.1 方案一：動磁式車速里程表
電子車速里程表是由步進電機M驅動機械式里程記錄機構（計數器），裝在變速箱內霍爾傳感器的輸出信號控制步進電機。步進電機M由專門集成電路BL2115驅動，步進電機M轉動量與變速箱輸出軸轉動量成一定速比關系，從而取消了傳統的軟軸驅動。
指示瞬時車速的指針用十字交叉動磁式機芯驅動，該機芯上有一個專門集成電路LM1819同時接受霍爾傳感器輸出信號，并輸出兩路驅動十字交叉線包的電流信號。這兩路電流信號決定十字交叉線包的合成磁場方向，合成磁場驅動瞬時車速的指針偏轉，用以指示車速。綜上所述，累計里程計數和瞬時車速指示都受控于同一個信號源（霍爾速度傳感器）。圖1-1是動磁式車速里程表工作原理框圖。
圖1-1 動磁式車速里程表工作原理框圖
這種結構的車速里程表結構復雜，但它具有較好的優點：用指針指示速度，指針的轉速連續、穩定，駕駛員不易產生視覺疲勞。
1.2.2 方案二：雙線圈式車速里程表
本方案是通過單片機來實現里程累計、清零及存儲，存儲由E2PROM芯片AT24C02組成，并以LM1819集成電路驅動十字線圈表頭，從而實現車速的指示。原理框圖見圖1-2所示。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。該里程表完全取代了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，本文不再贅述。
圖1-2 雙線圈式車速里程表原理框圖
1.2.3 方案三：步進電機式車速里程表
本方案的步進電機式車速里程表是一種用指針指示速度、用液晶顯示里程的電子式車速里程表。車速表不再采用十字交叉動磁式機芯，而改用步進電機式機芯。該步進電機式機芯由單片機控制，再由步進電機帶動指針指示行駛車速，從而實現車速的瞬時指示，因而稱作單片機控制步進電機式機芯車速表。里程累計和小計不再使用機械計數器，而是改用E2PROM芯片存儲顯示數值，由顯示屏LCD（液晶顯示屏）顯示累計和小計里程。采用液晶顯示后，克服了字輪顯示故障率高、受命短等缺點，還增加了短距離計程等功能。本方案中的步進電機式車速里程表原理框圖如圖1-3所示。
步進電機式車速里程表是一種以單片機來實現里程累計、小計、清零及存儲，并以步進電機來實現車速的指示。該方案成本低廉、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。
圖1-3 步進電機式車速里程表原理框圖
1.2.4 方案論證
實現以上方案都可以達到車速和里程顯示的目的，但采用動磁式車速里程表在裝配過程中易發生針軸與軸承間間隙不一致、阻尼油阻尼不合適等問題。而采用雙線圈式車速里程表速度指示在低速區的線性差和精度不高。對于第三種方案采用步進電機式車速里程表，其工作原理上的技術創新以及指針精度較。故確定采用此方案來實現高精度的車速和里程。
步進電機式車速里程表車速對應指示區間為0~200km/h；里程表由總里程和小計里程組成，總里程顯示范圍為0~999999km，小計里程顯示范圍為0~999.9km。在這第三種方案中，車速和里程信號都是由霍爾傳感器送入到單片機的T0和T2端口，T2記錄霍爾傳感器送入信號的周期，在單片機中做相應處理后，送給步進電機用于車速的測量。T0記錄霍爾傳感器送入信號的個數，記錄到一定的數值送給LCD顯示里程。并把顯示的總里程保存在E2PROM 中。...
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