基于MSP430单片机的机动车转速表测试仪设计

基于MSP430单片机的机动车转速测试仪 李志伟，黄双成，张虎 (河南化工职业学院 机械电子系，河南 郑州 450000) 摘要:当今主流机动车测速系统基本上采用机械式速度表，这种仪表 结构简单，具有一定的精确度，能够满足大部分车友的要求。为了对机械 式速度表在生产时以及长时间使用后的精确度进行校准，设计了一种以 MSP430单片机、普通直流电机及霍尔传感器为核心机械式速度表精度测 试仪。测试结果表明系统工作正常，具有良好的实验结果。 关键词:MSP430单片机;速度表;测试仪;霍尔传感器;直流电机 中图分类号:U484 文献标识码:A Design of Motor vehicle speedometer tester Based on MSP430 MCU LI 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 instrument 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 motor 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 motor 0、 引言 机动车行驶时，前轮带动速度计齿轮转动，通过软轴传递给仪表驱动轴上的磁铁转动。此时，磁铁与金属罩之间的磁力线被切割，使线圈产生感应电流而形成磁场，该磁场与永久磁铁的磁场相互作用，使金属罩转动。金属罩的转动受到游丝的阻尼作用，当金属罩的扭矩与游丝的阻尼扭矩相等时，速度表指针就指示在某一数值上，以表明行驶的车速。但是厂家批量生产的速度表精确度是否符合要求需要测试仪对其检测确定，该设计以MSP430系列单片机、普通直流电机及OH137开关型霍尔传感器为核心，设计一种能够解决上述问的测试仪。 1、 系统功能与实现 测试仪的主要功能是检测机械式速度表在几个典型档位的精确度，实际上就是控制直流电动机输出相应转速带动软轴转动，看指针能否指向给定的刻度，从而判断转速表的精确度，然后对转速表进行相应的校准。 直流电动机具有良好的调速性能，如无级调速、调速范围宽、低速性能好、高起动转矩、高效率等[1]，可以通过调节电压的方式对直流电动机进行调速。采用了专门的D/A芯片组成了电压稳压信号的发生系统，通过驱动来驱动电机。把软轴和一张废旧光盘同时固定在直流电动机转子上，在光盘上镶嵌小磁钢并和固定在电路板上的霍尔器件OH137构成转速信号采集系统，把霍尔器件检测到的转速脉冲信号反馈给单片机，在单片 机内部与设定档位值比较后再进行粗调和微调，输出控制量完成闭环控制，从而实现电动机也就是软轴的自动调速控制。 2、硬件电路设计 0.01UFIC7OH137 图3 MSP430F413外围电路图 Figure 3 The peripheral circuit diagram of Msp430F413 号干扰数字信号。用P1.5口来接收脉冲计数，加了一个上拉电阻和过滤干扰信号的电容。 图 1.设计方框图 图2.霍尔传感器OH137接线示意图 Figure 1 Design block diagram Figure 2 The wiring schematic drawing 0f Holzer sensor OH137 测试仪的硬件部分主要包括电机驱动、信号检测、数据存储、按键控制、显示、电源六大模块[2]，其中信息处理是核心模块，所采用的芯片为MSP430F41单片机，LCD模块和键盘模块分别完成显示和输入，实现系统的人机交互功能[3]，系统硬件总框图如图1。 2.1 检测模块 磁传感器是将磁学量信号转变为电信号的器件或装置，其中霍尔传感器最具代表性[4]。基于设计需要，选用OH137霍尔传感器，这是一款单稳态集成开关型器件。测量时，在端口1和端口2两端加5 V直流电压，在输出端3与1之间接一个2 k的负载电阻。当光盘上的小磁钢靠近霍尔传感器时，输出端口3为低电平，否则为高电平。因此，电机每转一圈霍尔传感器就输出一个低脉冲，硬件设计集成霍尔开关的接线图如图2所示。 2.2 单片机MSP430F413及外围电路 单片机MSP430F413是16位混合信号处理器[5]，包含数字电源和模拟电源，C4、C5是去耦电容，通过R7、R8把分别地和电源连接在一块，也可以换成电感来连接，防止模拟信 图4 电源模块电路原理图 Figure 4 The circuit principle diagram of power module 图5.A/D转换电路接线图 图6 电动机驱动电路图 Figure 5 A/D Conversion circuit wiring diagram Figure 6 Motor drive circuit diagram MSP430F413外围电路如图3。 2.3电源模块 本设计电 5V、3.3V， 8.5V由D7,D14降压得到。一个二极管源电路分三种8.5V、 是0.7V，四个是2.8V，也就是12V电压转变成9.2V在经过D1或D2后就变成8.5V。把电动机和单片机及其他元器件的电源回路分开，电机转动会产生很大的噪音信号，防止叠加到电源上干扰到单片机的电源，使之工作及采样脉冲不稳定。IN4004的最大电流是1A，IN5822的最大电流是3A，IN4004会发热，布线时要注意散热。在电源中加电容可以进行滤波和稳压，电源芯片采用比较常用的LM7805，电源原理图如图4。 2.4 A/D转换电路 U1是美信的模数转换芯片，是缓冲电压输出。U1是MAX5135~MAX5137系列的四或双16/12位，选用12位的5137，它有二种电源电压:数字电源电压和模拟电源电压。模拟电源电压用来模拟电路输出，而数字电源电压用来数字电路控制的，单片机电压是3.3V，为了简化设计[6]，外围电路连接如图5。 2.5 电动机驱动电路 把D/A的电压作为基准电压用来驱动电机，LM324运放构成一个射极跟随器，又叫缓冲器，运放的+和-端的电压相等，即V+和D/A的电压OUT相等，而Q8、Q9组合构成恒流源Iout，所以Iout与电机的阻抗成反比，调节电压V+，就能调节电机电流，当电压稳定，电流也就稳定了，电动机阻抗会随着速度的变化而变化，对电压进行相应的调抵消阻抗，从而维持稳定，电流都从Q8流过， 高速时电流近1A，我们选择2SC2625的电流最大是10A，满足要求[7]，驱动电路图如图6。 图7 系统流程图 图8 实物外观图 Figure 7 system flow chart Figure 8 The map physical appearance 2.6 键盘设置电路 选择4×7的键盘，行线为R1,R4，列线为C1,C6、C8，可以扫描28个键，JP2、JP1是100k的排阻，给行列口线做上拉电阻。 2.7 数码管显示电路 根据设计要求，只需要对选定档位和电动机转速进行显示，选用二个三位的数码管组合一个六位的数码管，数码管显示具有数字大，亮度高的有点，不需要背光，用来做仪表非常合适。利用单片机的口线来控制和驱动每个数码管，把公共端接在一块，由程序来控制刷新频率，根据视觉暂留原理实现。 3.软件设计及调试 3.1 软件设计 系统软件的设计可分为四部分，初始化部分、PID算法部分、测速部分、电压调节部分。采用C语言进行软件的编写，在IAR WE430环境下完成调试，系统流程图如图7。 3.2 系统调试 (1)上电:插上电源线，测试仪开始初始化，并显示第1档的数值“1-233”， 初始化完成，2秒后变为“1-000”，此时软轴处于停转状态。 (2) 按一下“开始/停止”键即进入工作状态，显示“1-233”。此时软轴转速会逐渐趋向第1档转速。再按“开始/停止”键，软轴停止转动。 (3)在软轴停转状态插入待测速度表，选择要测试的档位即可进行测试(各档详见表 1)。 表1 按键、电动机转速、速度对应关系 Table1 The corresponding relationship among Key ,motor speed and speed 键盘键号 1 2 3 4 软轴转速标称值 233r/min 466 r/min 933 r/min 1400 r/min 速度表示值 10Km/h 20 Km/h 40 Km/h 60 Km/h 5 1864 r/min 80 Km/h 除以上5个档位外还可根据用户需要增加其他 档位。 该设计实物图如图8，控制电动机输出固定转速带动软轴旋转，记录机械式速度表指针指示刻度与给定刻度的偏差，然后根据偏差的记录结果对速度表进行相应的校准，从而达到对机械式速度表的检测校准。经过多次实验及检测，输出转速精度:?0.5%FS(满量程)误差能够控制在允许范围内，在-20,85?及80%以下的湿度都可以使用。 4、结束语 测试仪采用普通直流电机为转速源，单片机作为控制单元，采用闭环自动调速，自动记忆初始值，使系统运行快速、平稳，对摩托车和骑车等机动车辆的速度表都可以进行检测和校验，具有较高的通用性及广泛的推广价值。 参考文献: [1] 樊学能(基于PID算法的直流电动机调速系统的设计[J](机械制造与自动化，2011，40(3): 175-178( [2] 姚金明，杨俊杰，自行车转速里程表的设计[J].上海电力学报，2013,29(3)249-252. [3] 徐坤，周子昂，吴定允，李向东(基于MSP430单片机的直流电动机调速系统的设计[J](煤 矿机械，2013，34(1):170-171( [4] 谭光慧，纪延超(并联型有源电力滤波器谐波电流零逼近控制策略[J](电力系统保护 与控制，2005，33(14):61-64( [5] 沈建华(MSP430系列l6位超低功耗单片机原理与实践[M](北京:北京航空航天大学出版社，2008( [6] 康光华，电子技术基础 模拟部分(第五版)[M].北京:高等教育出版社，2002. [7] 谭葬娃，金如瞵(电力电子技术基础[M](上海:上海交通大学出版社，2001( 收稿日期:2015.1.20 作者简介:李志伟(1985-)，男，硕士，讲师，研究方向:风力发电控制技术，自动化生产检测及控制技术，Email: lzwlunwen@163.com