楊 昆 李榮正

[摘 要]摩托車(chē)占據(jù)著交通工具市場(chǎng)的較大份額,而摩托車(chē)的儀表部分是行車(chē)狀態(tài)的主要參考,其性能的好壞直接影響著行車(chē)安全。隨著科技進(jìn)步,摩托車(chē)顯示儀表將由指針式向數(shù)字式發(fā)展。本文主要分析了目前常用的轉(zhuǎn)速表及其功能,并提出了一種利用PIC 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速顯示的方法。

[關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)速 PIC單片機(jī) 數(shù)碼顯示

[中圖分類(lèi)號(hào)]U463[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1007-9416(2009)12-0012-02

當(dāng)前,具有強(qiáng)大的系統(tǒng)功能、豐富的外圍資源、良好的開(kāi)發(fā)界面和在線(xiàn)調(diào)試功能,無(wú)疑將引領(lǐng)單片機(jī)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。美國(guó)Microchip公司推出的PIC系列單片機(jī),由于采用RISC精簡(jiǎn)指令集、哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、流水線(xiàn)指令執(zhí)行方式、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn),深受世界各行各業(yè)的普遍歡迎。PIC系列單片機(jī),在工業(yè)控制、消費(fèi)電子產(chǎn)品、辦公自動(dòng)化設(shè)備、智能儀器儀表、汽車(chē)電子等不同的領(lǐng)域,以其性能完善、功能強(qiáng)大、學(xué)習(xí)容易、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便、人機(jī)界面友好等突出優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。就摩托車(chē)而言,采用一款簡(jiǎn)單實(shí)用的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)行駛數(shù)據(jù)信息數(shù)字化,可極大的方便用戶(hù)使用。

1 常用轉(zhuǎn)速表功能分析

目前常用的轉(zhuǎn)速表主要包括以下幾種。

(1)離心式轉(zhuǎn)速表,是機(jī)械力學(xué)的成果。利用離心力與拉力的平衡來(lái)指示轉(zhuǎn)速。離心式轉(zhuǎn)速表是最傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量工具,是利用離心力原理的機(jī)械式轉(zhuǎn)速表;測(cè)量精度一般在1～2級(jí),一般就地安裝。一只優(yōu)良的離心式轉(zhuǎn)速表不但有準(zhǔn)確直觀的特點(diǎn),還具備可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

(2)磁性轉(zhuǎn)速表,是運(yùn)用磁力和機(jī)械力的一個(gè)典范。利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),在金屬罩帽上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力,利用旋轉(zhuǎn)力與游絲力的平衡來(lái)指示轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)速表,是成功利用磁力的一個(gè)典范,是利用磁力原理的機(jī)械式轉(zhuǎn)速表;一般就地安裝,用軟軸可以短距離異地安裝。磁性轉(zhuǎn)速表,因結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,目前較普遍用于摩托車(chē)和汽車(chē)以及其它機(jī)械設(shè)備。異地安裝時(shí)軟軸易損壞。

(3)電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表,巧妙運(yùn)用微型發(fā)電機(jī)和微型電動(dòng)機(jī)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)異地拷貝。由小型交流發(fā)電機(jī)、電纜、電動(dòng)機(jī)和磁性表頭組成。小型交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電,交流電通過(guò)電纜輸送,驅(qū)動(dòng)小型交流電動(dòng)機(jī),小型交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速一致。磁性轉(zhuǎn)速表頭與小型交流電動(dòng)機(jī)同軸連接在一起,磁性表頭指示的轉(zhuǎn)速自然就是被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速;電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表,異地安裝非常方便,抗振性能好,廣泛運(yùn)用于柴油機(jī)和船舶設(shè)備。

(4)磁電式轉(zhuǎn)速表,電流表頭和傳感器都是電磁學(xué)的普及運(yùn)用。磁電傳感器加電流表,異地安裝非常方便。

(5)閃光式轉(zhuǎn)速表,利用視覺(jué)暫留的原理。體現(xiàn)了人類(lèi)的靈性。閃光式轉(zhuǎn)速表,除了檢測(cè)轉(zhuǎn)速(往復(fù)速度)外,還可以觀測(cè)循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)物體的靜像,對(duì)了解機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài),是一必不可少的觀測(cè)工具。

(6)電子式轉(zhuǎn)速表,隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步,使這一類(lèi)轉(zhuǎn)速表有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

2 基于PIC單片機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際工作中,摩托車(chē)這種車(chē)輛設(shè)備經(jīng)常作業(yè)在野外、露天,工作環(huán)境條件較差。我們考慮用霍爾集成元件作為傳感器,主要因?yàn)樗旧聿慌禄覊m,適合露天場(chǎng)地,且體積小,價(jià)格便宜,可單電源供電, 使用極其方便,因此本測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)采用霍爾集成傳感器作為轉(zhuǎn)速檢測(cè)探頭。

設(shè)特定型號(hào)摩托車(chē),輪半徑為rm。將霍爾器件安裝于輪外圈。隨著摩托車(chē)的運(yùn)動(dòng),得到周期方波,頻率為f。則轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系為:

v=f*2πr(m/s) 式(1)

對(duì)于固定型號(hào)的輪子,假設(shè)占空比已知,為a。F與a之間的關(guān)系為

f=a/w 式(2)

注:w為脈寬

由此得到

v=w*a*2πr(m/s) 式(3)

于是,轉(zhuǎn)速的檢測(cè)主要體現(xiàn)為脈寬的檢測(cè)。

利用PIC單片機(jī)的CCP功能模塊,對(duì)方波信號(hào)的上升沿進(jìn)行捕捉,一旦捕捉到上升沿就立即啟動(dòng)專(zhuān)用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)時(shí),直到有脈沖的下降沿出現(xiàn)。在開(kāi)始啟動(dòng)計(jì)時(shí)到終止計(jì)時(shí)的整個(gè)過(guò)程中,要根據(jù)信號(hào)邊沿的設(shè)置形成兩次有效的中斷響應(yīng)。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,將所測(cè)得的脈沖寬度數(shù)值(以微秒表示)顯示在8位八段靜態(tài)數(shù)碼顯示器上。

主要涉及CCP模塊工作方式的設(shè)置和定時(shí)器TMR1時(shí)間長(zhǎng)度的確定等方面技術(shù)。

2.1 CCP模塊工作方式

當(dāng)PIC單片機(jī)處于CCP模塊工作方式時(shí),將需要有一個(gè)定時(shí)或計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)(一般為T(mén)MR1或TMR2)配套使用。如設(shè)置在捕捉工作模式時(shí),一旦在輸入引腳RC2/CCP1上滿(mǎn)足任何特定的事件觸發(fā)條件,CCPR1H:CCPR1L特殊功能寄存器即刻攝入定時(shí)器TMR1當(dāng)前TMR1H:TMR1L計(jì)數(shù)值,同時(shí)CCP1對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)志位CCP1IF將被硬件自動(dòng)置位。在本例的程序設(shè)計(jì)中,將產(chǎn)生兩次中斷,即捕捉到上升沿一次中斷和捕捉到下降沿一次中斷。

2.2 TMR1定時(shí)計(jì)數(shù)器

定時(shí)器TMR1的定時(shí)基準(zhǔn)采用PIC單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘的4分頻,假設(shè)所用的系統(tǒng)頻率為4MHz,所以TMR1定時(shí)計(jì)數(shù)脈沖的周期為1μs。在單片機(jī)第一次捕捉到脈沖信號(hào)的上沿時(shí)迅速將TMR1定時(shí)計(jì)數(shù)器TMR1H:TMR1L清0并將CCP設(shè)置在捕捉脈沖信號(hào)下沿的工作方式,此時(shí)TMR1才真正進(jìn)入有效計(jì)數(shù)狀態(tài),并通過(guò)其計(jì)數(shù)量達(dá)到定時(shí)的目的;一旦捕捉到脈沖信號(hào)的下沿時(shí)迅速采用CCPR1H:CCPR1L寄存器組及時(shí)拷貝TMR1H:TMR1L的計(jì)數(shù)內(nèi)容,其數(shù)值剛好為脈沖信號(hào)高電平持續(xù)的時(shí)間(單位是μs)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理將CCPR1H:CCPR1L內(nèi)容轉(zhuǎn)化為BCD碼,再送往8位八段靜態(tài)數(shù)碼顯示。

軟件設(shè)計(jì)中最重要的就是保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性,通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)表明,單次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤絕大多數(shù)是存儲(chǔ)期間電源不穩(wěn)定造成的,為此軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用將數(shù)據(jù)進(jìn)行多次保存,讀出時(shí)進(jìn)行兩兩比較,從中找出正確值來(lái)處理,這樣即使有1次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤,在CPU監(jiān)控芯片的作用下,單片機(jī)重新復(fù)位運(yùn)行時(shí),總能讀出正確數(shù)據(jù),多次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的幾率很小。另外,在程序關(guān)鍵處增加空操作指令,如在程序空白區(qū)增加復(fù)位指令等,保證單片機(jī)運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

采用PIC單片機(jī)作為測(cè)量轉(zhuǎn)速的芯片, 系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理,測(cè)量精度高(小于0.5%)實(shí)時(shí)性好、顯示直觀等優(yōu)點(diǎn), 尤其適合在測(cè)量環(huán)境比較惡劣的條件下, 其抗干擾能力強(qiáng),使用維護(hù)安裝均方便,節(jié)省投資,具有比較好的測(cè)速效果。就摩托車(chē)而言,實(shí)現(xiàn)行駛數(shù)據(jù)信息數(shù)字化,可即時(shí)了解摩托車(chē)的車(chē)況和性能,方便用戶(hù)及時(shí)維修,避免因用戶(hù)不熟悉車(chē)況而引起事故。更重要的是,當(dāng)數(shù)顯儀中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)后,可在發(fā)生意外交通事故時(shí),作為交通部門(mén)判斷事故責(zé)任的依據(jù),大大縮短了事故現(xiàn)場(chǎng)的處理時(shí)間,提高了交通部門(mén)的工作效率,有較為廣闊的應(yīng)用前景。

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