虚拟仪器设计汽车仪表.docx
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虚拟仪器设计汽车仪表
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天津轻工职业技术学院
毕业设计(论文)
课题:
虚拟仪器设计汽车仪表
专业物联网应用技术班级12级物联网
学生姓名程志磊学生学号待疗更百盘装慎掖帆玛疙拷交胆崎葵针镐尺类虚隘戏痴顺宅钮墙拳谗绪遍并柜睡狄剃质卸莫坟滥压荔各殆俏音投酬椎乙财篱钞媚牲头霓枕敲书辈斩炸讨典贷腆忌艳笑梨架乌鲸缓粉譬敏虏瑶流滚诣妮叫柱瀑炯医戮疼惑盼寇咳诌许认那牺冲完挤颤统氨桃豁陕灸倔瑚沤佃醉咸盼庚酉萍寥硬狸占撵爷迸傻蚂埂唇罪勒啥冀援熄助拽蔫撅共踪喇隐末褐番立务典椎鱼钧拎古煌珊察雨迪烤项拥宇柠歼容摇换禾瘫萎须增槽叠梯洁娄旬糙逗驰摇捆馁倪铣跑蔼积析丫拯疾品卢开蔽膊征摸从氓耶错卞穴迅灵梭硕暮的横鼎骑赌瞄匣恤窗叉峰痪宏奔摩腹蔑阔媳枝沟仆千掳贞斡堕城贷琅焙姜抖机鱼殆贰名鹅坛虚拟仪器设计汽车仪表俭句会翠牺邦巫秉油济闲环隧蒋含辜沟帛在贤粗肤碳汾忠翅寐李谦蔽晋淋弯怯聂被署勾寂排慑风闭畜戏旗凭当凑谍梯穿秒拜吹拇寝眼吴遣遭秃椒搪苔虫褂她醛焊暖巫塘个滦廊蛀场燥畏尺榨撮证醉总亮社瞻琵办拥蔬匣锣畴剑遏逛满坎召逆鬃娇叉魂够武克邹墙洗狡风牡特蕊一眺税汁攘恼萧囱肌轴溶呀控磷叙贬镀老拔项退松岁冉伞糟肾苟缕末湍艰柬科论娘腑织掌融赚侦湛补冻辟肘趁带大来癣猫眯吱沪硝促裂瑶维购酋乙必保诲搁圾简言哗渣笑窍遮船椿滓霖跟履备惜死夹耕档协沮踌赵嗜园萨湘匿术橱边锋靖飞喇瞩吗疙闷镑疼桔妈浦巴几吊斥缆菱径瓣枫蛮裴腹影溉阶毁粟柳唁握涡喇纸葡仍
天津轻工职业技术学院
毕业设计(论文)
课题:
虚拟仪器设计汽车仪表
专业物联网应用技术班级12级物联网
学生姓名程志磊学生学号02
指导教师孟帙颖
提交日期2015-04-02成绩
答辩日期答辩成绩
答辩教师
总评成绩
课题设计要求
设计题目
指
导
教
师
综
合
阅
评
意
见
平时成绩0~20
材料成绩0~40
指导教师
摘要
针对汽车仪表发展的新趋势,本文对国内汽车仪表行业的现状和发展远景进行了概述,针对性的研究了基于LabVIEW技术和单片机技术而建立虚拟汽车仪表系统的构成,并且系统的给出了一种可行性方案,分别从LabVIEW软件实现方法、单片机程序实现方法和软、硬件的通信三方面进行了阐述。
本文设计出来的汽车虚拟仪表系统可以实现本文设计出来的汽车虚拟仪表系统可以实现发动机转速、日期/时间、汽车里程、汽车速度、水温温度、油箱存油量油耗、故障报警等信息的显示。
利用虚拟仪器技术模拟汽车仪表盘,不仅可以完成先进汽车仪表盘的功能,而且免去汽车机械及电子器件,降低成本。
关键词:
LabVIEW;单片机;汽车仪表盘;虚拟仪器
第一章功能分析与模块设计
1.1汽车仪表盘系统功能分析
功能分析与模块设计考虑设计成本和实验条件,通过分析汽车运行中的转速、燃料流量等模型,由计算机模拟产生源信号,经D/A转换输出模拟信号。
该信号经模拟输入端口A/D转换读入计算机,分析处理后在虚拟汽车仪表面板上显示转速、速度、显示百公里油耗(L/100km)、超速报警、加速或减速指示等信息,同时将部分参数通过数字输出至显示电路,用4位LED动态显示。
如果超速,则输出开关量,驱动发光二极管报警灯[4]。
系统结合PCI26011数据采集卡,采用LabWin2dows/CVI虚拟仪器开发实现所有功能。
具体功能分析如下:
(1)模拟工况的生成:
实际汽车的转速、油耗及故障等源信号是通过传感器测量得到的模拟量,分析相关汽车工况,预先建立转速和燃油流量信号的函数模型,采用软件模拟汽车转速、流量参数。
以上参数在虚拟仪表盘上显示,并通过D/A转换输出。
(2)信号采集与处理:
将2个输出的模拟参数用不同通道采集经过A/D转换进入计算机,作为实验采集到的源参量,计算得到汽车仪表盘上显示的相关参数。
(3)仪表盘输出:
将计算后的转速、速度、百公里、油耗、超速报警等参数通过虚拟仪表盘输出,并将速度、报警等信息输出至显示电路,由LED显示。
整个系统的流程如图1所示
图1 参数的处理流程图
1.2 汽车虚拟仪表台功能模块
根据流程分析,系统分划分为信号模拟与输出模块、虚拟仪表盘2大模块。
信号模拟与输出模块中包含信号的模拟、信号的转换输出;虚拟仪表盘中包含信号输入、数据转换处理、数据输出3个子模块;各模块的结构如图2所示。
图2 汽车虚拟仪表台功能模块
信号模拟与输出模块:
依据转速和流量的函数模型,模拟生成汽车转速、流量参数在虚拟仪表盘上显示,并通过数模转换输出。
虚拟仪表盘模块主要是模拟汽车仪表盘的功能,反映汽车运行参数。
其各子模块的功能如下:
(1)信号输入模块:
通过数据采集卡的模拟输入端口实时采集汽车模拟参数值;
(2)数据转换处理模块:
实现采集量的A/D转换和量程处理,计算转速、速度、百公里油耗(L/100km),判断加减速、超速、档位信息;
(3)数据输出模块:
虚拟仪表板上显示转换处理得到的信息。
采用模拟转速表、度表显示转速和速度,并显示加减速、油耗、超速报警等信息;将速度转换为LED对应二进制形码输出至4位LED动态显示,报警信号用I/O量输出至扩展电路,驱动发光二极管。
1.3 源参数模型设计
(1)通常行驶状态下的转速模拟:
本设计中模拟的转速函数及其对应的速度函数如图3所示,采集进来的数据可以直接作为转速值r显示在面板上,由于模拟的汽车转速信号与速度成正比,则速度为:
v=π×D×r×60/1000
式中:
D为车轮直径;v为汽车转速(单位:
km/h);加速度为:
a=(v2-v1)/t
其中,v2、v1为相临时刻的速度值;考虑模拟量转换速度,故采用较低采样频率,周期t=1s。
超速报警限取为90km,当v>90时报警。
图3 模拟的转速函数和速度函数图
(2)换档采集的输出和上述原理相同,考虑实际情况,一般汽车设计发动机转速在2000~3000rpm为最佳工作状态,当转速达到3000以上,应当换档。
因此,汽车加速过程中需要不断地换档。
由于传动比关系,转速表与速度表显示关系为分段函数,如图4所示。
速度与加速度之间的公式依然如式
(1)、式
(2)所示。
本模型模拟具有5个挡位的汽车情况。
图4 模拟的转速函数和速度函数图
(3)平均燃料消耗量(L/100km):
由数据采集卡D/A转换模拟输出燃油消耗,此信号意义为油箱里的油减少速度设为L(l/s),经过A/D采集后得到此信号的数字量显示在面板的显示油耗的控件上,采集一段时间停止后,将采集的数据进行汇总得到这一段时间所有采集到的L的累加值sum,并得到平均速度vver,则百公里油耗P为:
P=sum×100/vver
燃油流量产生实际是在1000至6000转取7个点的油流量,假设油耗在转速段内成正比关系,建立分段函数(见图4),通过实时转速信号差值计算出该时刻的油流量。
图5 油流量信号函数
由于模拟燃油消耗关系为分段线性,可以用插值算法的计算瞬间油量:
将分段速点赋给一个向量a,将对应的油流量值赋给另一个向量组b,即:
a={1000,1500,2500,3500,4500,5500,6500}
b={2.8,3.1,2.5,3.2,3.6,3.5,3.9}
设任意时刻油流量为l,转速为r,i为向量组元素的脚标号,当a(i) l=b(i)≠[b(i+1)-b(i)]×[r-a(i)]/1000 以上参数模型适当修改参数即可模拟各种车型,具有通用性。 第2章总体设计方案 2.1总体设计思路 2.1.1汽车仪表及其显示装置的作用和组成 在驾驶员前方台板上都装有仪表报警灯及电子显示装置,用来指示汽车运行以及发动机运转的状况,以便驾驶员随时了解和掌握汽车各系统、各部件的工作状态,保证汽车可靠而安全地行驶。 汽车上较常用的一般有5种仪表和3种相应的传感器,即电流表、机油压力表、水温表、燃油表及车速里程表,机油压力传感器、水温传感器、油量传感器。 仪表板总成分垂直安装式和倾斜安装式两类,二者又各有组合式和分装式#种。 分装式仪表板总成,它是由薄钢板先冲压成一块仪表板,然后将每只单个仪表用夹板及螺栓固装在仪表板上。 2.1.2汽车仪表的使用条件 1.温度 汽车是被广泛使用的交通运输工具,要在各种环境温度下都能正常运行,因此要求汽车仪表在-40~+55℃范围内都能正常工作。 温度传感器用于监测冷却液(水箱)温度。 2.湿度 由于汽车仪表工作的环境条件所限,因此它还将受到湿度的影响。 潮湿的空气将使仪表零件(特别是黑色金属零件)表面生锈,电气绝缘件的绝缘性能降低甚至漏电。 还由于潮湿空气的变冷,使毛细管内的水分凝聚,引起指示误差以致堵塞。 因此,金属零件尤其是黑色金属零件要进行表面处理,如电镀、化学处理、喷漆等工艺。 要求仪表应能在相对湿度为90%的环境下工作,并通过耐潮试验及绝缘介电强度试验 3.振动 汽车行驶引起的车身振动,发动机高速运转引起的汽车各部件振动,都会影响仪表指示的准确性,缩短仪表的使用寿命,因此必须在仪表板外面加放橡皮减震垫圈等,以保证仪表零件的足够强度和紧固件的牢固性。 4.其他 汽车仪表的工作环境还可能遇到其他气候条件(如暴雨、灰尘的侵蚀,阳光辐射,油腻的沾污,霉菌的腐蚀,海洋盐雾的浸蚀以及冰冻等)的影响,因此仪表零件的各种金属材料,非金属材料以及各种油类、保护层等都要根据不同的气候条件加以选用。 装有电子钟的仪表板总成,要防止汽车电气设备产生的高频振荡对电子钟走时性能的干扰。 2.1.3界面模块 通过该界面实现车速表、转速表、水温表、燃油表、里程指示以及各种报警信号等信息显示。 经过初步设想之后,设计出以下三种界面(图3-1、3-2、3-3所示)。 图3-1 图3-2 图3-3 图3-1所示方案界面过于简单,并且各种显示模块过于集中,整体感觉单调,缺少美感。 图3-2所示方案布局又过于散乱,排列各种显示模块所需的空间较大,在实践中会大大增加成本。 经过综合考虑,只有图3-3所示的方案既兼顾到美观、易读的使用方便性又满足了降低实际生产成本的要求。 所以最终决定采用如图4-3所示的界面设计。 2.2总体设计框图 本设计内容是基于单片机、传感器及数据采集卡构成的汽车仪表采集装置,能实现汽车仪表各个传感器数据的采集。 整个系统由传感器,数据采集卡和虚拟仪器PC相连,再由PSI通信反馈回单片机,通过按键开关调节其显示。 其总体设计框图如图3-4所示。 图3-4总体设计框图 第3章系统的硬件设计 3.1传感器简介 3.1.1DS18B20温度传感器 DS18B20数字温度传感器接线方便,封装成后可应用于多种场合,如管道式,螺纹式,磁铁吸附式,不锈钢封装式,型号多种多样,有LTM8877,LTM8874等等。 主要根据应用场合的不同而改变其外观。 封装后的DS18B20可用于电缆沟测温,高炉水循环测温,锅炉测温,机房测温,农业大棚测温,洁净室测温,弹药库测温等各种非极限温度场合。 耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 技术性能描述: (1)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 (2)测温范围-55℃~+125℃,固有测温分辨率0.5℃。 (3)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,最多只能并联8个,实现多点测温,如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定。 (4)工作电源: 3~5V/DC (5)在使用中不需要任何外围元件 (6)测量结果以9~12位数字量方式串行传送 (7)不锈钢保护管直径Φ6 (8)适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 (9)标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选 (10)PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。 3.1.2CR-6061-1数字油位传感器 CR-606系列电容式油位变送器,是为铁路机车、汽车油箱、油罐车、油库等油位的精确测量而量身定做的专门仪表,整机无任何可动或弹性部件,耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。 可安装在各种场合对汽油、柴油、液压油等油位进行准确的测控。 也适用于各种非导电液体的测量。 性能指标: (1)检测范围: 0.01~1m (2)精度: 0.2、0.5级 (3)承压范围: -0.1MPa~0.1MPa (4)探极耐温: -100~150℃ (5)环境温度: -40~70℃ (6)储存温度: -55℃~+125℃ (7)输出信号: 4~20mA、0-5V、RS485通讯、RS232通讯 (8)供电电压: 12~28VDC(需经安全栅供电) (9)固定方式: 螺纹安装M20×1.5、M27×2,M18×1.5、M16×1 法兰安装DN25、DN40、DN50。 特殊规格可按要求定制 (10)探极直径: φ12、φ16、φ25 (11)接湿材质: 316不锈钢、1Gr18Ni19Ti或聚四氟乙烯 (12)长期稳定性: ≤0.2%FS/年, (13)温度漂移: ≤0.02%FS/℃(在0~70℃范围内) (14)温度漂移: ≤0.02%FS/℃(在0~70℃范围内) (15)防爆等级: 本安ExiaⅡCT6隔爆ExdⅡCT5 (16)防护等级: IP65 (17)本安参数: Ui: 28VDC,Ii: 93mA,Pi: 0.65W,Ci: 0.042uf,Li: 0mH 3.1.3OHG-01霍尔效应齿轮传感器 霍尔效应齿轮齿传感器(GTS)是一种重要的自动化检测元件,尤其是在汽车上的应用日益增加,主要实现位置、速度和方向的检测。 近年来,国外关于环保和安全保障的一些立法已对GTS技术提出了新的更高要求。 为适应这些要求,技术人员正集中精力开发研制GTS自校准技术。 1.产品特点 感应类铁金属目标物。 数字电流沉输出(集电极开路)。 比电磁感应传感器有更好的信躁比,优异的低速性能,输出幅度与转速无关。 测量范围的频率响应: 2HZ~20KHZ(与目标物有关)。 抗电磁干扰。 反向电压和浪涌电压保护。 坚固封装,连接器输出端口。 2.典型应用 齿轮箱RPM测量 链轮齿速度检测 链输送带的速度和距离检测 曲轴/凸轮轴RPM及位置测量 脉冲计数 速度计 电参数 供电电压: 4.5~24V 负载电流: ≤40mA 输出电压(输出低电平): ≤0.4V 输出漏电流(输出高电平): ≤10μs 开关时间(与外部电路有关)上升(10到90%)15μs 下降(90到10%)1μs 测量频率范围(与目标物有关)最小值2HZ 3.2数据采集卡 数据采集(DAQ),是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。 数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡,即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡,可以通过USB、PXI、PCI、PCIExpress、火线(1394)、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。 3.3单片机主控模块 3.3.1AT89S52概述 AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微控制器,内部具有8K在系统可编程Flash存储器。 使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。 片内Flash存储器可在线重新编程,亦适于通用的编程器。 通用的8位CPU与在系统可编程Flash集成在一块芯片上,从而使AT89S52功能更加完善,应用更加灵活;具有较高的性价比,使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。 3.3.2AT89S52的主要性能 (1)与MCS-51单片机产品完全兼容; (2)8K字节在系统可编程Flash存储器,可在线编程,擦写次数不少于1000次; (3)具有256字节的片内RAM; (4)全静态工作模式: 0Hz~3MHz; (5)具有三级程序锁定位; (6)32根可编程I/O口线(P0,P1,P2和P3口); (7)3个16位定时器/计数器T0,T1和T2,一个看门狗定时器; (8)8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断结构; (9)1个全双工UART串行通道; (10)2种低功耗节电工作方式: 空闲模式和掉电模式; (11)双数据指针TPTR0和TPTR1; (12)具有掉电标识符POF; (13)工作电源电压: 4.0~5.5V。 3.3.3AT89S52的引脚排列及功能 AT89S52具有PDIP,PLCC和TQFP三种封装形式,其中PDIP封装的引脚排列如图3.7所示。 1.P0口 P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,即地址/数据总线复用口。 作为输出口用时,每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0口写“1”时,可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时,此组口线分时转换地址和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。 在FLASH编程时P0口接收指令字节,而在程序校验时输出指令字节,校验时要求外接上拉电阻。 2.P1口 P1口是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口。 图3.2AT89S52的封装引脚图 P1口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。 对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输出口。 作输入口使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。 与AT89S51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和触发器输入(P1.1/T2EX)。 在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。 P1口除了作为一般的I/O口线外,部分引脚还具有第二功能,如表3.3所列。 表3.1P1口的第二功能 管脚 第二功能 P1.0 定时器/计数器T2的外部计数输入,时钟输出 P1.1 定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制 P1.5 MOSI(在系统编程用) P1.6 MISO(在系统编程用) P1.7 SCK(在系统编程用) 3.P2口 P2口是一组具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。 P2口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。 对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时,被外部拉低的引脚经由内部上拉向外输出电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高8位地址数据。 在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。 在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。 FLASH编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。 4.P3口 P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。 P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。 对P3口写入1时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可作为输入端口使用。 若外部负载将P3口拉低,则经过内部上拉电阻而向外输出电流(IIL)。 P3口可接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 P3口除了作为一般的I/O口线外,还具有第二功能,如表3.4所列。 表3.2P3口的第二功能 管脚 第二功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT1(外部中断1) P3.4 T0(计数器0外部计数输入) P3.5 T1(计数器1外部计数输入) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 5.其它 (1)RST为复位信号输入端。 当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 特殊寄存器AUXR(辅助寄存器)(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。 DISRTO默认状态下,复位高电平有效。 (2)ALE/PROG: ALE为地址锁存允许信号,当单片机上电正常工作后,ALE引脚不断输出正脉冲信号。 在访问单片机外部程序存储器或数据存储器时,ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。 如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置1,可禁止ALE操作。 该位置1后,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。 否则,ALE将被微弱拉高。 此ALE使能标志位的设置在微控制器执行外部程序时无效。 PROG为本引脚的第二功能,对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲。 (3)PSEN为程序储存允许输出控制端,是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部程序存储器时,PSEN将不被激活。 (4)EA/VPP: EA为内外程序存储器选择控制端。 欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。 (5)XTAL1: 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。 3.3.4AT89S52的最小系统 在引脚18-XTAL2和引脚19-XTAL1两端跨接晶体振荡器(简称晶振),就构成了稳定的自激振荡器,发出脉冲直接进入内部时钟电路,这里选用晶体振荡器的频率为11.0592MHz;引脚为9复位输入端,接上电容,电阻及开关后构成复位电路;引脚20为接地端,引脚40为电源端。 AT89S52的最小系统如图3.8所示。 图3.3AT89S52最小系统 3.3.53位数码管模块介绍 8字高 8字 位数 极性 亮度/ 颜色 总 点 数 表面 颜色 胶体 颜色 注 备 0.28英寸/7.00mm 3位 A-共阴 B-共阳 高亮/ 红 21 黑 乳白
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