汽车动态检测与仪表技术.docx
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汽车动态检测与仪表技术
汽车动态检测与仪表技术
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当今世界，由于现代汽车工业技术的飞速发展和汽车性能的不断提高，使得汽车电子控制程度也越来越高。
汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息，并通过电子仪表准确无误的显示出来，使驾驶员更清晰的知道汽车的各方面的动态参数。
一般汽车的常规仪表有车速里程表、燃油表、水温表、转速表、机油压力表等。
本文通过对汽车检测技术的分析及设计原则，对车速里程表、水温表、燃油表等的测量方法进行探讨。
一、车速里程表
车速里程表是利用磁电互感作用，使表盘上指针的摆角与汽车行驶速度成正比的原理设计的一种行驶车速和行驶里程反映装置。
车速里程表包括两个重要的部分：
一个是汽车行驶速度的车速表，另一个是汽车行驶距离的里程记录表这两个部分在同一个壳体中，而且由同一根轴驱动完成工作。
在表壳上装有刻度的表盘，其中汽车行驶里程的累计是由若干个计数转鼓及其转动装置组成的。
车速里程表作为汽车的重要装置，在汽车的使用过程中已经变得十分普遍。
为了使用方便，有的车速里程表同时设有总里程记录装置和单程里程记录装置，总里程记录装置主要是用于对汽车行驶过程中总的里程装置进行记录的部分，单程里程记录字号可以随时复位清零
1、电子式车速里程表的组成
电子式车速里程表由车速里程表传感器、信号处理电路、车速表和里程表四个部分组成。
对于电子式车速里程表的组成部分而言，最重要的两个部分是车速表、里程表，车速里程传感器和信号处理电路主要是对各种信号进行传递的部分
（1）车速表
比较早的车速表是机械式的，在里程表里连接了一个软轴，软轴内部有一根钢丝铁缆。
软轴的另一端连接在变速器的某一个齿轮上，齿轮旋转的时候也会带动钢丝铁缆进行旋转，钢丝铁缆旋转则带动里程表罩圈内一块磁铁旋转。
里程表的罩圈与指针之间是联接的，通过游丝将指针置于零位。
磁铁旋转速度的大小将会导致磁力线的大小不同，当平衡被打破的时候就会导致指针被带动转动起来。
传统的机械式车速里程表比较简单实用，在各种类型的汽车上都有使用，但随着信息技术的快速发展，电子式车速里程表开始发展，并且应用也变得越来越广泛。
电子车速里程表的设计中，比较常见的一种就是从变速器上的速度传感获取信号，并且通过脉冲频率的变化使得指针偏转或者通过数字显示出相应的信息。
（2）里程表
里程表也是车速里程表中的重要组成部分，里程表是一种数字仪表，主要是通过计数器的鼓轮转动带动齿轮和车速表传动轴上的蜗杆啮合，使得计数器的鼓轮发生转动，与车速表一样，当前使用的里程记录表也是电子式的居多，电子式里程表主要从速度传感器获得相应的里程信号，对于汽车累积的里程将会显示在存储器内，即使是在没有电的状态下各种数据也能得到良好的保存。
（3）车速里程表传感器、信号处理电路
这两部分的主要功能是对车速和里程信息进行处理、传递，当齿轮或鼓轮转动时，转动的次数和频率之间的关系就反映了车速和里程的信息，而这种信息想要直观地展示给司机，则需要对信号进行处理和传递，从而直观地展示给用户具体的车速、累积里程、单里程等信息。
2、电子式车速里程表的工作原理
车速里程表的工作主要是通过传感器、信号处理器来完成的，电子车速里程表的传感器安装在组合仪表内，由变速器经软轴驱动完成，当汽车在行驶的过程中，会产生一种与汽车行驶速度成正比的信号，传感器一般是由具有一对或几对触点的舌簧开关和转子组成。
图一电子式车速里程表传感器
信号处理是电子式车速里程传感器的重要过程，经过信号处理才能将传感器反映出来的车速和里程信息转换成为人们比较熟悉的数字或者指针指示。
信号处理电路由单稳态触发电路、恒流电路、64分频电路、功率放大电路以及电源稳压等电子电路组成。
当汽车在运行时，电子式车速里程表可以将车速传感器输入的脉冲信号进行整合以及处理，使其转变成为电流信号，并且对电流信号进行放大处理，以驱动车速表对汽车的行驶速度进行显示，同时还可以将脉冲信号经过分频和功率放大处理，转变成为具有一定频率的脉冲信号，进而对里程表步进电机的轴进行驱动，对汽车的行驶里程进行记录。
车速表以一个磁电式电流表作为指示表，当汽车以不同的车速进行行驶时，信号的处理电路往往将车速传感器输入的各种脉冲信号转变成为与车速成正比的电流信号，从而使得电流表的指针发生偏转，显示出汽车在行驶过程中的速度。
对于电子式里程表，则由步进式电动机、六位十进制计数器及内传动齿轮等组成。
当汽车在运行时，可以将车速传感器传来的脉冲信号传入到信号处理器中进行处理，经信号处理电路的分频和功率放大处理，可以将其转变成为另一种脉冲信号，作用于步进电动机的电磁线圈。
步进电机可以将这一脉冲信号转变为角位移信号，使得电动机的轴发生相应的转动，从而驱动里程表中的十进制计数器的六个计数轮依次转动，实现对汽车行驶过程中的总共里程以及单里程的记录，在记录的过程中，如果需要对短程的里程进行消除，则只要按一次复位键，短里程表就会被清零。
电子式车速里程表工作过程中，里程的反映与车轮周长有关，决定车轮周长的是车轮的大小，即车轮的直径大小，一般说来，不同的气压以及轮胎在行驶过程中的磨损程度会影响到车轮的直径大小，从而使得车轮周长发生改变，最终会形成一定的显示误差。
实际结果表明，车速的显示结果一般都会比实际的车速要大，但是误差不会太大，显示误差一般会从2%～7%不等，有的甚至高达10%。
二、温度传感器测水温
温度传感器就是利用物质的各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
1、DS18B20温度传感器
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
DS18B20具有以下特点：
（1）独特的单线接口方式：
DS18B20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）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围：
+3.0~+5.5V。
（4）测温范围：
-55~+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
（5）通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2、温度传感器的电路设计
DS18B20是采取三管脚封装的元器件，所以接线电路十分简单，该芯片的三个管脚分别是：
电源管脚、GND管脚、数据输出管脚。
数据输出管脚接入到单片机的P1.3口，传感器DS18B20具有体积小、精度高、适用电压宽、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。
DS18B20温度传感器的使用十分方便，只要把它的GND、VCC引脚分别接地和+5V，然后把另一个引脚接单片机的串行通信口就可以使用了。
下图二就是DS18B20温度传感器和单片机组成的一个测温系统。
由下图二可知，DS18B20是单总线温度传感器，数据线是漏极开路，如果DS18B20没接电源，则需要数据线强上拉，给DS18B20供电；如果DS18B20接有电源，也需要一个上拉电阻使其稳定的工作。
这个上拉电阻通常比较大，在这里我们选用5.1K的上拉电阻。
图二DS18B20电路图
3、温度传感器的内部结构
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，温度传感器可编程的分辨率为9~12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义非易失性温度报警设置，具体运行流程及其内部结构框图如图三所示
图三DS18B20内部结构图
4、温度传感器的测温原理
DS18B20的测温原理如图四所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理
图四DS18B20内部测温电路
5、温度传感器的程序设计
程序设计流程图如下图五所示，该设计以DS18B20为温度传感器测量水温，以AT89C51单片机为控制核心组成的测温系统。
该程序设计比较简单，最主要是对该芯片进行初始化，以及该芯片输出的温度信号并非数字信号，所以在最后显示的时候必须乘以0.0625，用以转化为数字的摄氏温度。
图五DS18B20程序流程图
三、燃油表
1、燃油表的工作原理
下图六为燃油表组合仪表的电路原理图，采用电阻式传感器的结构，该表主要以BM90425芯片为核心构成智能检测电路。
R1为可变电阻式传感器，即燃油泵上的油位传感器，与R0串接在7805的稳压电路中，通过R2将油位传感器的信号输送到单片机BM90425的第38脚ANO，由于该信号为模拟信号，其大小为U=5RI／（R0+R），随R1的变化而变化，因此要通过其内部的A／D转换器，将该信号转换为数字信号，最后通过数据采集、处理和输出，驱动步进电机工作，使燃油表指针跟随传感器的变化指示出油量的多少。
当油位传感器阻值为（114.44±3）Q时，浮子高度为15．8mm，油箱存油7L，油位为“E”，表示燃油即将用完；当油位传感器阻值为（24．6±3）Q时，浮子高度为133．3mm，油箱存油55L，油位为“F”，表示燃油满。
油位传感器与油箱分总成、燃油表的匹配见表一。
从表一中可见，浮子高度的变化与油位显示呈一一对应的关系，因此可用浮子高度的变化来表示油量的多少。
图六燃油表电路原理图
电阻值（
）
油表显示
油箱容积L
浮子高度mm
120
1
E-STOP
2.5
9
2
114.4
3
E
7
15.8
2
99
3
1/4
13.75
38
2
69.5
3
1/2
27.5
72
2
41.4
4
3/4
41.25
101.5
2
24.6
3
F
55
133.3
2
19
1
F-STOP
58
142.5
2
表一油位传感器浮子位置、电阻值与油箱容积的匹配参数
2、燃油系统
发动机燃油系统由燃油供给系统和燃油蒸发排放控制系统组成。
燃油供给系统主要由油箱、燃油泵、滤清器、汽油压力调节器以及喷油器等零部件组成，如下图七所示。
燃油供给系统的主要作用是向气缸内提供燃烧时所需要的燃油。
根据燃油泵总成上有、无回油管将燃油供给系统分为：
有回油系统、短回油系统和无回油系统。
有回油系统，发动机工作时，电动燃油泵将燃油从油箱泵出，通过燃油滤清器及燃油输送管路到达油轨，根据不同的工况下的适宜空燃比，电磁控制的喷油器会将精确计量的燃油喷人进气管，为发动机提供足够的可燃混合气，燃油压力调节器安装在发动机上，多余的燃油通过燃油压力调节器返回油箱，燃油压力调节器保证系统中的燃油压力为一个常数。
短回油系统：
油滤器布置在油箱外部，燃油压力调节器集成在燃油泵中，多余的燃油从燃油虑清器出口处油管支路通过燃油压力调节器返回油箱。
无回油系统：
燃油滤清器和燃油压力调节器都集成在燃油泵中，多余的燃油直接在燃油泵内部实现回油。
图七燃油供给系统
由于排气管通过油箱旁边环境温度的提高燃油被加热，油箱中会产生燃油蒸气，为了控制油箱的燃油蒸气逸散到大气中去，采用了燃油蒸发排放控制系统进行回收。
燃油蒸发排放控制系统主要由油箱、碳罐总成、碳罐电磁阀以及蒸发管路等组成，如图八所示。
图八燃油蒸发排放控制系统
当油箱内部的燃油蒸气压力达到一定值时，燃油蒸气将推开燃油蒸气阀随着蒸发管路流到碳罐总成里面，在碳罐总成中被活性炭颗粒充分的吸收，直至饱和。
当发动机在适当的工况工作时，电磁阀控制阀门打启，在发动机进气管真空度的作用下，新鲜空气从碳罐总成的通大气孔进入碳罐总成，将吸附到活性炭颗粒上燃油冲刷掉，并以油气的形式被吸到汽缸中燃烧，从而，避免燃油蒸汽流到大气中污染环境，同时也起到了节油的作用。
电磁阀根据发动机不同工况，改变输送给电磁控制阀电磁线圈的脉冲信号的占空比，从而对混合气体的流量进行控制。
当燃油箱内部出现负压时，新鲜空气通过碳罐总成及燃油蒸气阀进入油箱，保证油箱内外压力平衡。
四、总结
检测指在各类生产、科研、试验等各个领域为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。
汽车仪表中的数据都是通过各个模块检测得到的，本文主要研究了汽车检测并显示的部分模块，真正的实现车用仪表的数字化是一个很广、很前沿的技术。
汽车仪表正在向全数字化、智能化方向发展，所以多媒体汽车仪表板，将是未来汽车仪表中热门的研究课题。
汽车仪表也是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，是车辆安全行驶的重要保证，人们迫切要求汽车仪表板的设计更加的智能化、可视化、人性化且简单易懂，汽车行业正在向这个方向努力，使人们更好地掌控汽车。
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