基于MSP430單片機(jī)的機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)速表測(cè)試儀設(shè)計(jì)

1、基于MSP430單片機(jī)的機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)速表測(cè)試儀設(shè)計(jì)李志偉，黃雙成，張虎（河南化工職業(yè)學(xué)院 機(jī)械電子系，河南 鄭州 450000）摘要：當(dāng)今主流機(jī)動(dòng)車測(cè)速系統(tǒng)基本上采用機(jī)械式速度表，這種儀表結(jié)構(gòu)簡單，具有一定的精確度，能夠滿足大部分車友的要求。為了對(duì)機(jī)械式速度表在生產(chǎn)時(shí)以及長時(shí)間使用后的精確度進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種以MSP430單片機(jī)、普通直流電機(jī)及霍爾傳感器為核心機(jī)械式速度表精度測(cè)試儀。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)工作正常，具有良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；速度表；測(cè)試儀；霍爾傳感器；直流電機(jī)中圖分類號(hào)：U484 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Design of Motor vehicle speedomete

2、r tester Based on MSP430 MCULI Zhi-wei, HUANG Shuang-cheng ,Zhang Hu(Department of Machinery and Electronics, Henan Vocational College of Chemical Technology, Zhengzhou 450000)Abstract: Today's mainstream motor vehicle velocity measurement system basically adopt mechanical speed table, this inst

3、rument has simple structure, a certain accuracy, which can meet the requirements of most cyclists. To test and adjust the precision of the speedometer at the time of production and afer a long time use, we design a Mechanical speedometer tester with MSP430 single chip microcomputer、the common dc mot

4、or and the hall sensor. Test results show that the system works well, and has the good experimental results.Kewords: MSP430 MCU; Speed indicator; Tester ;Hall sensor ;Dc motor0、 引言機(jī)動(dòng)車行駛時(shí)，前輪帶動(dòng)速度計(jì)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過軟軸傳遞給儀表驅(qū)動(dòng)軸上的磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，磁鐵與金屬罩之間的磁力線被切割，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流而形成磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與永久磁鐵的磁場(chǎng)相互作用，使金屬罩轉(zhuǎn)動(dòng)。金屬罩的轉(zhuǎn)動(dòng)受到游絲的阻尼作用，當(dāng)金屬罩的扭矩與游

5、絲的阻尼扭矩相等時(shí)，速度表指針就指示在某一數(shù)值上，以表明行駛的車速。但是廠家批量生產(chǎn)的速度表精確度是否符合要求需要測(cè)試儀對(duì)其檢測(cè)確定，該設(shè)計(jì)以MSP430系列單片機(jī)、普通直流電機(jī)及OH137開關(guān)型霍爾傳感器為核心，設(shè)計(jì)一種能夠解決上述問題的測(cè)試儀。1、 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)方案測(cè)試儀的主要功能是檢測(cè)機(jī)械式速度表在幾個(gè)典型檔位的精確度，實(shí)際上就是控制直流電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)速帶動(dòng)軟軸轉(zhuǎn)動(dòng)，看指針能否指向給定的刻度，從而判斷轉(zhuǎn)速表的精確度，然后對(duì)轉(zhuǎn)速表進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，如無級(jí)調(diào)速、調(diào)速范圍寬、低速性能好、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高效率等1，可以通過調(diào)節(jié)電壓的方式對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。采用了專

6、門的D/A芯片組成了電壓穩(wěn)壓信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。把軟軸和一張廢舊光盤同時(shí)固定在直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上，在光盤上鑲嵌小磁鋼并和固定在電路板上的霍爾器件OH137構(gòu)成轉(zhuǎn)速信號(hào)采集系統(tǒng)，把霍爾器件檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)反饋給單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部與設(shè)定檔位值比較后再進(jìn)行粗調(diào)和微調(diào)，輸出控制量完成閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)也就是軟軸的自動(dòng)調(diào)速控制。 圖 1.設(shè)計(jì)方框圖 圖2.霍爾傳感器OH137接線示意圖 Figure 1 Design block diagram Figure 2 The wiring schematic drawing 0f Holzer sensor OH1372、硬件電

7、路設(shè)計(jì)測(cè)試儀的硬件部分主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、按鍵控制、顯示、電源六大模塊2，其中信息處理是核心模塊，所采用的芯片為MSP430F41單片機(jī)，LCD模塊和鍵盤模塊分別完成顯示和輸入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能3，系統(tǒng)硬件總框圖如圖1。2.1 檢測(cè)模塊磁傳感器是將磁學(xué)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件或裝置，其中霍爾傳感器最具代表性4。基于設(shè)計(jì)需要，選用OH137霍爾傳感器，這是一款單穩(wěn)態(tài)集成開關(guān)型器件。測(cè)量時(shí)，在端口1和端口2兩端加5 V直流電壓，在輸出端3與1之間接一個(gè)2 k的負(fù)載電阻。當(dāng)光盤上的小磁鋼靠近霍爾傳感器時(shí)，輸出端口3為低電平，否則為高電平。因此，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器就輸出一個(gè)

8、低脈沖，硬件設(shè)計(jì)集成霍爾開關(guān)的接線圖如圖2所示。2.2 單片機(jī)MSP430F413及外圍電路單片機(jī)MSP430F413是16位混合信號(hào)處理器5，包含數(shù)字電源和模擬電源，C4、C5是去耦電容，通過R7、R8把分別地和電源連接在一塊，也可以換成電感來連接，防止模擬信圖3 MSP430F413外圍電路圖Figure 3 The peripheral circuit diagram of Msp430F413號(hào)干擾數(shù)字信號(hào)。用P1.5口來接收脈沖計(jì)數(shù)，加了一個(gè)上拉電阻和過濾干擾信號(hào)的電容。MSP430F413外圍電路如圖3。2.3電源模塊 本設(shè)計(jì)電源電路分三種8.5V、5V、3.3V， 8.5V由D7

9、D14降壓得到。一個(gè)二極管是0.7V，四個(gè)是2.8V，也就是12V電壓轉(zhuǎn)變成9.2V在經(jīng)過D1或D2后就變成8.5V。把電動(dòng)機(jī)和單片機(jī)及其他元器件的電源回路分開，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的噪音信號(hào)，防止疊加到電源上干擾到單片機(jī)的電源，使之工作及采樣脈沖不穩(wěn)定。IN4004的最大電流是1A，IN5822的最大電流是3A，IN4004會(huì)發(fā)熱，布線時(shí)要注意散熱。在電源中加電容可以進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓，電源芯片采用比較常用的LM7805，電源原理圖如圖4。 圖4 電源模塊電路原理圖Figure 4 The circuit principle diagram of power module2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路 U

10、1是美信的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，是緩沖電壓輸出。U1是MAX5135MAX5137系列的四或雙16/12位，選用12位的5137，它有二種電源電壓：數(shù)字電源電壓和模擬電源電壓。模擬電源電壓用來模擬電路輸出，而數(shù)字電源電壓用來數(shù)字電路控制的，單片機(jī)電壓是3.3V，為了簡化設(shè)計(jì)6，外圍電路連接如圖5。圖5.A/D轉(zhuǎn)換電路接線圖 圖6 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 Figure 5 A/D Conversion circuit wiring diagram Figure 6 Motor drive circuit diagram2.5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路把D/A的電壓作為基準(zhǔn)電壓用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，LM324運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)射極跟隨

11、器，又叫緩沖器，運(yùn)放的+和-端的電壓相等，即V+和D/A的電壓OUT相等，而Q8、Q9組合構(gòu)成恒流源Iout，所以Iout與電機(jī)的阻抗成反比，調(diào)節(jié)電壓V+，就能調(diào)節(jié)電機(jī)電流，當(dāng)電壓穩(wěn)定，電流也就穩(wěn)定了，電動(dòng)機(jī)阻抗會(huì)隨著速度的變化而變化，對(duì)電壓進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)抵消阻抗，從而維持穩(wěn)定，電流都從Q8流過， 高速時(shí)電流近1A，我們選擇2SC2625的電流最大是10A，滿足要求7，驅(qū)動(dòng)電路圖如圖6。 圖7 系統(tǒng)流程圖 圖8 實(shí)物外觀圖Figure 7 system flow chart Figure 8 The map physical appearance2.6 鍵盤設(shè)置電路選擇4×7的鍵盤，行

12、線為R1R4，列線為C1C6、C8，可以掃描28個(gè)鍵，JP2、JP1是100k的排阻，給行列口線做上拉電阻。 2.7 數(shù)碼管顯示電路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，只需要對(duì)選定檔位和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示，選用二個(gè)三位的數(shù)碼管組合一個(gè)六位的數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示具有數(shù)字大，亮度高的有點(diǎn)，不需要背光，用來做儀表非常合適。利用單片機(jī)的口線來控制和驅(qū)動(dòng)每個(gè)數(shù)碼管，把公共端接在一塊，由程序來控制刷新頻率，根據(jù)視覺暫留原理實(shí)現(xiàn)。3.軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試3.1 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)可分為四部分，初始化部分、PID算法部分、測(cè)速部分、電壓調(diào)節(jié)部分。采用C語言進(jìn)行軟件的編寫，在IAR WE430環(huán)境下完成調(diào)試，系統(tǒng)流程圖如圖7。3.2

13、 系統(tǒng)調(diào)試（1）上電：插上電源線，測(cè)試儀開始初始化，并顯示第1檔的數(shù)值“1-233”， 初始化完成，2秒后變?yōu)椤?-000”，此時(shí)軟軸處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)。（2） 按一下“開始/停止”鍵即進(jìn)入工作狀態(tài)，顯示“1-233”。此時(shí)軟軸轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸趨向第1檔轉(zhuǎn)速。再按“開始/停止”鍵，軟軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。（3）在軟軸停轉(zhuǎn)狀態(tài)插入待測(cè)速度表，選擇要測(cè)試的檔位即可進(jìn)行測(cè)試(各檔詳見表1)。表1 按鍵、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、速度對(duì)應(yīng)關(guān)系Table1 The corresponding relationship among Key ,motor speed and speed鍵盤鍵號(hào)軟軸轉(zhuǎn)速標(biāo)稱值速度表示值1233r/min10Km

14、/h2466 r/min20 Km/h3933 r/min40 Km/h41400 r/min60 Km/h51864 r/min80 Km/h除以上5個(gè)檔位外還可根據(jù)用戶需要增加其他檔位。該設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖8，控制電動(dòng)機(jī)輸出固定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)軟軸旋轉(zhuǎn)，記錄機(jī)械式速度表指針指示刻度與給定刻度的偏差，然后根據(jù)偏差的記錄結(jié)果對(duì)速度表進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)，從而達(dá)到對(duì)機(jī)械式速度表的檢測(cè)校準(zhǔn)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)，輸出轉(zhuǎn)速精度：±0.5%FS（滿量程）誤差能夠控制在允許范圍內(nèi)，在-2085及80%以下的濕度都可以使用。4、結(jié)束語測(cè)試儀采用普通直流電機(jī)為轉(zhuǎn)速源，單片機(jī)作為控制單元，采用閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速，自動(dòng)記憶初始值，使系統(tǒng)運(yùn)行快速、平穩(wěn)，對(duì)摩托車和騎車等機(jī)動(dòng)車輛的速度表都可以進(jìn)行檢測(cè)和校驗(yàn)，具有較高的通用性及廣泛的推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1 樊學(xué)能基于PID算法的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011，40(3)： 175-1782 姚金明，楊俊杰，自行車轉(zhuǎn)速里程表的設(shè)計(jì)J.上海電力學(xué)報(bào)，2013,29（3）249-252.3 徐坤，周子昂，吳定允，李向東基于MSP430單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J煤礦機(jī)械，2013，34（1）：170-1714 譚光慧，紀(jì)延超