胡賽純，熊 潔，符旭東

（1.湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.桃江職業(yè)中專，湖南 益陽 413400）

電動汽車是一種集電子技術(shù)、計算機技術(shù)、能源與新材料技術(shù)、汽車技術(shù)和電化學(xué)技術(shù)等于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，是人類新一代綠色環(huán)保的交通工具，與現(xiàn)有的內(nèi)燃機汽車相比，具有噪聲低、無污染及節(jié)省燃油等特點[1]。它的推廣很有實際意義。它的投放市場不僅能緩解世界能源危機和解決部分環(huán)境問題，對于我國汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及汽車業(yè)在國際市場中的競爭也有著極其重要的意義[2-3]。而電動汽車動力系統(tǒng)是車輛安全行駛的重要保證。它直接關(guān)系到車輛駕駛的好壞。本文重點對電動汽車動力監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究和設(shè)計。

1 總體構(gòu)想

電動汽車動力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的整體框圖如圖1，整個系統(tǒng)主要由AT89C51控制模塊、溫度傳感器及霍爾傳感器模塊、LCD顯示模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、電量傳感器及 E2PROM 存儲模塊等組成。在這里，AT89C51控制模塊主要負責(zé)各種數(shù)據(jù)的處理和外圍電路的控制；溫度傳感器主要負責(zé)溫度的采集；電量傳感器負責(zé)電量信號的采集；霍爾傳感器負責(zé)汽車行駛速度信息的采集并將其轉(zhuǎn)換為全脈沖信號； ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換將霍爾傳感器和電量傳感器采集的模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息；E2PROM存儲器模塊存儲當(dāng)前里程信息[4-5]。

2 硬件電路設(shè)計及相關(guān)說明

2.1 主控制器的設(shè)計

主控制器采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的 8位單片機AT89C51，該微處理器內(nèi)含128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）和4K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器[6]。主控制器的外圍電路由 LCD顯示電路、（溫度等）傳感器電路、晶振、ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及通信接口電路等組成。

2.2 顯示電路設(shè)計

圖2是顯示電路圖，1602LCD字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，有D0-D7共8位數(shù)據(jù)總線，有RS、R/W、EN三個控制端口，可以顯示2行16個字符，它的工作電壓為5V，并且它帶有字符對比度調(diào)節(jié)和背光。本設(shè)計中采用4位數(shù)據(jù)傳送方式[7]。

圖1 電動汽車動力系統(tǒng)框圖

圖2 1602LCD顯示電路圖

2.3 溫度采集模塊

本文采用了DS18B20，它是由美國Dallas半導(dǎo)體公司新近推出的一款改進型智能溫度傳感器，其內(nèi)部存儲器含有一個具有調(diào)整暫存功能的RAM 和一個具有非易失性可電擦除功能的E2PROM。DS18B20對溫度測量結(jié)果用 16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量。如圖3是溫度傳感器DS18B20與AT89C51控制模塊的接口電路圖，其中DS18B20采用了外部電源供電方式工作，AT89C51控制模塊采用RXD和DS18B20通信[8]。

圖3 DS18B20與AT89C51的接口電路圖

2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊

因為本系統(tǒng)需進行多路模擬信號處理，故A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0808，該芯片采用了逐次逼近的方法來完成A/D 轉(zhuǎn)換；其內(nèi)部帶有鎖存功能的8路模擬開關(guān)，可同時對8路0～5V的模擬電壓信號進行轉(zhuǎn)換處理, 完成一次模擬電壓信號轉(zhuǎn)換約需100μs。它的輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器,可直接接到AT89C51單片機的P0口。AT89C51與ADC0808的接口電路圖如圖4所示。

圖4 ADC0808模塊電路圖

2.5 速度采集模塊

霍爾開關(guān)是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，在車速測量系統(tǒng)中占有非常重要的地位。圖5是霍爾傳感器磁體設(shè)置圖，我們可以按圖中的任意一種方法來設(shè)置磁體，然后，只要將其和霍爾開關(guān)電路組合起來就構(gòu)成了旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器?；魻栯娐吠姾螅朋w每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn) 1圈，霍爾傳感器則發(fā)出8個脈沖[9]。

圖5 旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器磁體設(shè)置圖

該傳感器測速的機理是將霍爾開關(guān)和磁體分別安放在車架和車輪的某個位置，產(chǎn)生的脈沖輸至AT89C51的T0端，AT89C51對脈沖進行計數(shù)，再利用相關(guān)公式進行計算，算得的里程、車速結(jié)果送到LCD顯示器上進行顯示。它具有頻響寬、穩(wěn)定性好、抗干擾強、防震動和抖動，靈敏度高、價格低廉、不易損壞等優(yōu)點，能輸出穩(wěn)定的方波脈沖[10]。本系統(tǒng)采用了集成開關(guān)型霍爾傳感器A44E，其共包括穩(wěn)壓器 A、霍爾電勢發(fā)生器(硅霍爾片)B、差分放大器 C、施密特觸發(fā)器 D和OC門輸出E等五個部分（其原理圖見圖6）。

圖6 集成開關(guān)型霍爾傳感器A44E原理圖

在(1)端加上電壓Vcc，經(jīng)過A穩(wěn)壓后加到B的兩端。則在另兩端將會產(chǎn)生電勢差VH，該VH經(jīng)C放大后再送到D整形，變成方波送到E輸出。當(dāng)所加磁場達到工作點，此時觸發(fā)器D輸出高電平，三極管導(dǎo)通，OC門E輸出低電平，霍爾傳感器處于開的狀態(tài)。當(dāng)所加的磁場達到釋放點時，D輸出低電平，三極管截止，則E輸出高電平，霍爾傳感器處于關(guān)的狀態(tài)。這樣，霍爾傳感器就完成了一次開關(guān)動作。集成霍爾傳感器A44E的外形及接線如圖7所示[11]。

選擇AT89C51單片機的T0口作為信號輸入端，這樣可以減少程序設(shè)計的麻煩，車輪每轉(zhuǎn)一圈（假定車輪的周長為1米），霍爾傳感器檢測并輸出信號，引起AT89C51單片機的中斷，單片機AT89C51對低脈沖進行計數(shù)。在設(shè)計中，為增加抗干擾能力，在單片機 T0口和霍爾傳感器之間采用了光偶傳輸。如圖8所示[12]。

圖8 霍爾開關(guān)脈沖檢測電路

2.6 E2PROM存儲器模塊

為了實現(xiàn)里程顯示的連續(xù)性，采用了具有掉電保護的 E2PROM 存儲器 AT24C02。它是一個256×8位的兩線串行E2PROM芯片，具有高可靠性和低成本的特點，有 2K的儲存空間，可將要存放的里程信息存放于此芯片內(nèi)。

其接口電路如圖9所示，圖中SCL為串行時鐘，SDA為串行數(shù)據(jù)/地址，R8、R10為上拉電阻，其作用是用于降低 AT24C02的功耗?？紤]AT24C02的數(shù)據(jù)/地址線是復(fù)用的，采用了串口方式傳送數(shù)據(jù)，所以在設(shè)計中只用了兩根線SCL和SDA與單片機傳送數(shù)據(jù)。每當(dāng)系統(tǒng)里程增加1千米，系統(tǒng)就調(diào)用里程存儲程序，更新里程信息并保存到芯片內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)重新上電時，自動調(diào)用讀存儲器程序，將存儲器內(nèi)的里程信息讀至緩存單元中，供主程序使用[13]。

3 輔助電路設(shè)計

3.1 抗振設(shè)計

由于車載電子設(shè)備在振動和沖擊環(huán)境下造成兩個方面的危害：（1）設(shè)備在某個激振頻率下發(fā)生振幅比較大的共振；（2）長期的振動和沖擊，容易使電子設(shè)備產(chǎn)生疲勞破壞。因此，在車載電子設(shè)備的設(shè)計中，要考慮其抗振問題?？梢詮囊韵聝蓚€方面加以抗振：（1）加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，提高其容許的沖擊應(yīng)力和疲勞極限值；（2）進行隔振緩沖設(shè)計，降低其外部激勵，保證車載電子設(shè)備的正常工作。

3.2 防干擾設(shè)計

對霍耳傳感器傳送信號進行防干擾設(shè)計，可以是信號傳送穩(wěn)定可靠，這種設(shè)計主要是應(yīng)用光電隔離措施。一般采用光電耦合器來實現(xiàn)。

4 軟件設(shè)計

4.1 主程序

控制模塊AT89C51的程序流程圖如圖10所示。在進行初始化之后，AT89C51先后調(diào)用溫度傳感器數(shù)據(jù)采集程序、霍爾開關(guān)數(shù)據(jù)采集及處理子程序和顯示子程序。若正常執(zhí)行完三個子程序，則返回初始化之后的狀態(tài)。

圖9 掉電存儲電路圖

圖10 主程序流程圖

4.2 溫度傳感器子程序

如圖11所示，本設(shè)計對DS18B20的操作分初始化、ROM命令和DS18B20功能命令3個步驟進行。AT89C51與 DS18B20的通信，首先須完成初始化，AT89C51產(chǎn)生復(fù)位信號，DS18B20返回響應(yīng)脈沖。ROM命令主要完成AT89C51與DS18B20的聯(lián)系，有搜尋ROM、讀ROM、忽略ROM、匹配 ROM、報警查找等命令。這里，只使用讀ROM命令來讀取DS18B20的48位ID號。DS18B20功能命令主要完成溫度轉(zhuǎn)換、寫暫存寄存器、讀暫存寄存器、拷貝暫存寄存器、裝載暫存器寄存器、讀供電模式命令等[14]。

4.3 里程脈沖中斷子程序

現(xiàn)以速比為 1：z的車型為例：汽車行駛 1公里，霍爾傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)共有8×z個，把這些脈沖作為外部中斷源送給AT89C51，個脈沖產(chǎn)生1個中斷，并且通過中斷服務(wù)程序?qū)γ總€脈沖進行計數(shù)，當(dāng)計滿8×z時，表明汽車行駛了1千米，然后累計單元加1，并存入E2PROM單元，再刷新顯示器，就可實現(xiàn)里程計數(shù)，該設(shè)計采用了負跳變的邊沿觸發(fā)方式引起中斷[15]。

圖11 溫度傳感器子程序流程圖

圖12 里程中斷服務(wù)程序流程圖

里程脈沖中斷子程序流程圖如圖12所示，控制模塊在關(guān)閉中斷之后，當(dāng)脈沖數(shù)達到1千米所需要的數(shù)目后修改里程記數(shù)單元并關(guān)中斷，然后返回。

4.4 車速測量子程序

車速的檢測有兩類方案：測速發(fā)電機檢測或用脈沖發(fā)生器檢測。由于脈沖發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測，這里用脈沖發(fā)生器（霍爾傳感器）實現(xiàn)車速表。

圖13 車速測量子程序流程圖

以轉(zhuǎn)速比為1：z為例，在單位時間內(nèi)（假定為1s）記下對應(yīng)的脈沖數(shù)，然后根據(jù)1s內(nèi)所行駛的距離算出其平均速度。若AT89C51在1s內(nèi)收到了 n個脈沖，則車輛在 1s內(nèi)行駛的距離為[(1000n)/ 8×z]米，速度為[(1000n)/ 8×z]米每秒。每隔1s輸出一個時速并刷新顯示器，就可將車速顯示出來。車速測量子程序流程圖如圖13所示。

5 系統(tǒng)仿真測試及結(jié)果分析

5.1 電機溫度仿真

利用Proteus和Keil軟件對設(shè)計進行了仿真測試，圖 14是仿真電路圖，從圖上可以看出1602LCD顯示屏上有采集到的溫度信息，其值為96℃，本設(shè)計中設(shè)定的汽車正常行駛溫度大約在60-90℃之間，而超過 95℃就是不正常，報警電路就會亮紅燈和發(fā)出聲音警報。

5.2 速度仿真

在圖14中，同樣可以通過1602LCD顯示屏上將速度信息顯示出來，圖中顯示汽車的行駛速度為100km/h，見圖15所示。

圖14 溫度LCD顯示仿真

圖15 速度信息顯示圖

圖16 行車里程信息顯示圖

5.3 行車里程仿真

在圖14中，按開始鍵，在1602LCD顯示屏上也可將里程信息顯示出來，圖16中顯示的汽車的里程信息為2585.6km。

6 結(jié)束語

本文以AT89C51為控制器件，由溫度傳感器芯片DS18B20、霍爾開關(guān)A44E、E2PROM存儲器模塊AT24C02、ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊等構(gòu)成的電動汽車動力監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了電機溫度、車輛速度、里程的數(shù)字化顯示及超限報警。該系統(tǒng)具有顯示直觀、準確、使用方便可靠和抗干擾能力強等優(yōu)點，有一定的實用價值和市場前景。

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