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        基于STM32 單片機的車輛狀態(tài)參數(shù)自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

        2023-09-11 07:59:06王宏胡可狄王昆李帥
        電子制作 2023年15期
        關(guān)鍵詞:單片機車輛狀態(tài)

        王宏,胡可狄,王昆,李帥

        (北京航天新立科技有限公司,北京,100039)

        0 引言

        車輛總裝是車輛生產(chǎn)制造工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),總裝調(diào)試過程中,液壓油溫濕度過高、液壓支腿不穩(wěn)定以及車尾信號通路反復(fù)測試嚴(yán)重影響車輛測試效率與質(zhì)量,為了避免車輛頻繁起豎尤其夏季作業(yè)環(huán)境高使車輛液壓油溫過高導(dǎo)致液壓系統(tǒng)密封件老化加速或漏油,避免車輛底盤懸架系統(tǒng)不穩(wěn)定、液壓系統(tǒng)溫度高造成車輛調(diào)平高度不滿足起豎要求等情況發(fā)生,某車輛總裝測試目前采取點溫槍人工測量油溫以及肉眼經(jīng)驗判定支腿調(diào)平狀態(tài)方法,此種方式測量流程繁瑣、耗時長,需要人員頻繁上下車或進行多人配合作業(yè),另外操作過程中,測試員需反復(fù)到達車尾應(yīng)用萬用表手動檢查指定信號通路狀態(tài),測試安全性、質(zhì)量、效率嚴(yán)重受到制約。隨著車輛裝配技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,為了提高車輛測試便捷性及效率,研制車輛狀態(tài)參數(shù)自動采集、顯示、報警系統(tǒng)是一個必然趨勢。

        針對以上問題,本文設(shè)計了一種車輛參數(shù)自動檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)以STM32 單片機為控制核心,應(yīng)用PT100 經(jīng)溫度變送器實現(xiàn)溫度采集,應(yīng)用激光測距模塊實現(xiàn)高度信息采集,采集數(shù)據(jù)傳輸通過485 總線有線傳輸,顯示終端可實時顯示數(shù)據(jù)狀態(tài)及報警提示,可極大提升車輛總裝調(diào)試效率。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計

        車輛狀態(tài)參數(shù)檢測系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1 所示,系統(tǒng)主要由STM32F103 單片機控制模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、高度數(shù)據(jù)采集模塊、信號狀態(tài)檢測模塊以及顯示模塊5 個部分組成,其中溫度數(shù)據(jù)采集模塊、高度數(shù)據(jù)采集模塊單獨供電。在系統(tǒng)工作過程中,各數(shù)據(jù)模塊進行信號數(shù)據(jù)采集,溫度、高度、信號狀態(tài)信息通過485 通信傳輸至單片機,單片機作為程序控制單元,對數(shù)據(jù)進行對比、處理后,傳輸至顯示模塊顯示。

        圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計圖

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        ■2.1 主控電路

        系統(tǒng)選擇STM32 單片機作為車輛狀態(tài)參數(shù)自動檢測系統(tǒng)的主控中心,以滿足系統(tǒng)整體高性能、低功耗的應(yīng)用需求。本文選用意法半導(dǎo)體基于ARM 的32 位STM32F103ZET6 芯片,利用該芯片端口實現(xiàn)通訊、顯示、輸入輸出及存儲功能,該芯片提供了工作頻率為72 MHz 的Cortex-M3 內(nèi)核的性能,可在-40℃~+85 ℃的溫度范圍內(nèi)工作,工作電壓為2.0~3.6 V。

        主控電路硬件設(shè)計如圖2 所示。USART1 連接高度采集模塊,USART2 連接系統(tǒng)顯示模塊,UASRT3 連接溫度采集模塊,主控芯片PA0、PA1、PC0-PC4 引腳連接信號測試模塊。其中USART1、UASRT3 應(yīng)用RS485 通信,硬件接口的硬件電路如圖3 所示。應(yīng)用中,溫度、高度數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集,分別傳輸至單片機主控芯片,主控芯片進行數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示屏進行顯示;進行信號通路測試時,主控芯片發(fā)送控制信號,控制狀態(tài)指示燈亮滅,并接收狀態(tài)開光量輸入信號傳輸至顯示屏顯示。

        圖2 主控電路圖

        圖3 RS485 接口的硬件電路圖

        ■2.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊

        溫度數(shù)據(jù)采集選用磁性吸附式熱電阻PT100 溫度傳感器,此傳感器芯片抗干擾、抗振動,溫度量程為-60℃~180℃,傳感器探頭帶有磁性,尺寸為20mm×25mm,吸附于車輛油箱表面,測量范圍大、響應(yīng)速度快、精度高、安裝方便。

        PT100 溫度傳感器采集電阻信號,信號經(jīng)溫度變送模塊實現(xiàn)線性轉(zhuǎn)換、A/D 轉(zhuǎn)換并經(jīng)微處理器轉(zhuǎn)成RS485 接口將數(shù)據(jù)傳輸至單片機。變送模塊設(shè)計原理如圖4 所示,模塊供電電壓為3.0 ~5.2V,分辨率 為0.1 ℃, 應(yīng) 用 標(biāo) 準(zhǔn)MODBUS-RTU 協(xié) 議, 尺 寸 為5mm(厚)×16mm(寬)×32mm(長),模塊使用動態(tài)線阻補償,整體設(shè)計緊湊,選用低功耗、低溫漂器件,并增加抗干擾性設(shè)計,可長期穩(wěn)定工作在-40℃~70℃環(huán)境中。

        圖4 溫度變送器原理框圖

        ■2.3 高度數(shù)據(jù)采集模塊

        高度數(shù)據(jù)采集模塊硬件功能如圖5 所示,其包括左右對稱的2 個測量模塊,分別測量車輛尾部左右橫梁距離地面高度。

        圖5 高度采集模塊硬件功能框圖

        由于激光波長單一,測量精度高,且結(jié)構(gòu)小巧,安裝調(diào)整方便,被廣泛應(yīng)用于高精度距離測量。本文高度數(shù)據(jù)采集即選用摩天MyAntenna 工業(yè)級激光測距傳感器,模塊供電電壓為9 ~36V,分辨率為1mm,尺寸為63.05mm×36.61mm×14.8mm,其采用相位式測量,應(yīng)用MODBUS-RTU 協(xié)議及RS485 接口,成本低、精度高、速度快、測量穩(wěn)定。

        ■2.4 信號狀態(tài)檢測模塊

        車輛總裝測試過程中,需對車尾連接器完成插拔動作,并在測試按鈕按下后,通過判斷特定點位(連接器1_2、3_4)信號通斷狀態(tài)以達到車輛狀態(tài)監(jiān)測。為了優(yōu)化測試流程,系統(tǒng)設(shè)計信號測試模塊與手持終端通信流程如圖6所示,應(yīng)用中,通過車輛駕駛室與車尾模塊交互通信以提高測試效率。

        圖6 信號狀態(tài)檢測模塊與手持終端通信流程圖

        信號狀態(tài)檢測模塊結(jié)構(gòu)如圖7 所示,其主要包括兩個狀態(tài)指示燈、兩個狀態(tài)操作按鈕以及一個連接器工裝對接接口。硬件控制電路設(shè)計如圖8 所示,主要通過TLP292、TLP240A 光電耦合器與單片機通信完成信號顯示、監(jiān)測。手持終端“準(zhǔn)備測試”/“恢復(fù)電纜”按鈕按下,單片機發(fā)送“準(zhǔn)備測試”/“恢復(fù)電纜”測試指令,車尾狀態(tài)指示盒相應(yīng)指示燈亮起。車尾狀態(tài)指示盒“準(zhǔn)備完成”/“恢復(fù)完畢”按鈕按下,按鈕信號以及特定點測試信號傳輸至主控芯片,主控芯片將信號傳輸至顯示屏進行顯示。

        圖7 信號狀態(tài)檢測模塊結(jié)構(gòu)圖

        圖8 信號狀態(tài)檢測模塊硬件控制電路圖

        ■2.5 顯示模塊

        系統(tǒng)采用5 寸LCD 串口智能屏來顯示測量得到的系列參數(shù),顯示屏型號為TJC8048X550_011X,分辨率為800×480,頁面設(shè)計如圖9 所示,其引腳與單片機逐一相連,單片機將處理后的信息在該單元顯示。

        圖9 顯示屏顯示圖

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)程序流程如圖10 所示,設(shè)計包括初始化、溫度數(shù)據(jù)讀取判定顯示、高度數(shù)讀取判定顯示、信號測試命令接收及顯示等部分。系統(tǒng)接通電源,進行系統(tǒng)參數(shù)初始化,分別進入溫度數(shù)據(jù)采集、高度數(shù)據(jù)采集及信號測試檢測線程。溫度數(shù)據(jù)采集線程中,系統(tǒng)讀取溫度數(shù)據(jù)后,進行數(shù)據(jù)閾值判定,當(dāng)溫度大于50℃時,顯示屏中溫度值報警顯示。高度數(shù)據(jù)采集線程中,系統(tǒng)讀取車輛左右橫梁高度數(shù)據(jù)后,進行數(shù)據(jù)閾值判定,當(dāng)數(shù)值超出1590mm ~1670mm 時,顯示屏中左右高度值報警顯示。信號測試線程中,設(shè)置系統(tǒng)初始狀態(tài)為狀態(tài)0,顯示屏發(fā)出開始測試命令,程序系統(tǒng)進入狀態(tài)1,此時手持終端顯示:等待測試電纜連接,車尾狀態(tài)指示盒“開始測試”指示燈亮起;車尾人工轉(zhuǎn)換測試電纜,連接測試工裝,按下“電纜連接完成”按鈕,程序系統(tǒng)進入狀態(tài)2,此時手持終端顯示:轉(zhuǎn)接電纜完成,并顯示相應(yīng)點位信號測試狀態(tài)結(jié)果,車尾狀態(tài)指示盒“開始測試”指示燈閃爍;手持終端進行信號測試狀態(tài)人工判定,發(fā)出結(jié)束測試命令,程序系統(tǒng)進入狀態(tài)3,此時手持終端顯示:信號測試完成,等待電纜恢復(fù),車尾狀態(tài)指示盒“恢復(fù)電纜”指示燈亮起;車尾人工拆卸測試電纜還原至初始狀態(tài),按下“電纜恢復(fù)完成”按鈕,程序系統(tǒng)還原至狀態(tài)0。當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)1-狀態(tài)3 時,駕駛室手持終端可以發(fā)出取消測試信號,如確認(rèn)進入取消狀態(tài),程序系統(tǒng)還原至狀態(tài)0。

        圖10 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

        4 系統(tǒng)測試及分析

        系統(tǒng)設(shè)計完成,分別對各模塊功能進行調(diào)試試驗,各模塊功能正常進行整機聯(lián)調(diào)測試,試驗結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定,能夠滿足實際檢測需求。

        溫度測試將溫度傳感器置于恒溫箱中測量不同溫度數(shù)值,將測得的結(jié)果與設(shè)定結(jié)果進行比較。傳感器測得的數(shù)據(jù)及誤差分析結(jié)果如圖11 所示,從圖中可以看出系統(tǒng)在不同溫度下工作正常,溫度測量精度較高,平均相對誤差在2%以內(nèi),同時設(shè)定溫度上限值50℃,當(dāng)溫度超出上限時,顯示屏溫度值變紅報警顯示。

        圖11 系統(tǒng)測量溫度數(shù)據(jù)及誤差分析圖

        高度測試如圖12 定點定距完成測試環(huán)境搭建,系統(tǒng)設(shè)定測試閾值1590mm ~1670mm,實驗測試結(jié)果及誤差如圖13 所示,從測試結(jié)果可以看出,系統(tǒng)高度測試工作正常,傳感器測試精度較高,誤差相對較低,且在設(shè)定閾值范圍內(nèi),報警功能正常。

        圖12 系統(tǒng)高度測試示意圖

        圖13 系統(tǒng)測量高度測試結(jié)果及誤差分析圖

        圖14 系統(tǒng)顯示屏信號測試顯示圖

        信號開關(guān)通路測試應(yīng)用測試開關(guān)按鈕模擬信號狀態(tài),當(dāng)1_2 點模擬開關(guān)按下時,顯示屏顯示兩點線路接通,當(dāng)3_4點模擬開關(guān)按下時,顯示屏顯示兩點線路接通,經(jīng)過多次測試顯示,系統(tǒng)通路測試功能正常。

        5 結(jié)語

        本文設(shè)計的車輛狀態(tài)參數(shù)自動檢測系統(tǒng),通過STM32F103 單片機及PT100 溫度采集模塊、激光測距模塊等,實現(xiàn)了對車輛油箱溫度、左右橫梁高度以及車尾特定信號狀態(tài)的自動檢測,系統(tǒng)測量通過LCD 串口智能屏實時顯示信息狀態(tài)參量。經(jīng)過實驗測試以及實際應(yīng)用,各模塊測量、通信正常,狀態(tài)信息獲取快速準(zhǔn)確,報警功能運行有效,極大提高了車輛檢測工作效率。后期將采取無線通信方式,提高系統(tǒng)便捷性。

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