小车方向盘角度检测系统.docx
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小车方向盘角度检测系统
摘要
随着人们生活水平的不断提高，汽车已成为人们生产生活必不可少的交通工具。
然而随着汽车数量的逐年增加，公路、街道及停车场秩序逐渐混乱，加上非专业司机越来越多，交通事故频发。
在这些交通事故中，因为方向盘跑偏及转弯时车速过高而引起的撞车翻车事故不在少数。
因此，人们对汽车方向盘及汽车安全性能提出了更高的要求。
本论文针对方向盘跑偏及转弯车速过高等问题，提出了一种方向盘角度检测系统的设计方法。
在本设计中，应用旋转电位器进行方向盘角度信号及转弯时路面倾角的检测，应用旋转编码器进行汽车车速的测量，通过Atmega16单片机进行数据的采集和处理，由LED显示方向盘实时角度，并在高速转弯时进行报警。
本设计的硬件部分主要包括信号采集电路设计、ADC转换电路设计、单片机外围电路设计、LED显示电路设计和报警电路设计等。
该设计软件部分介绍了AVR单片机的应用软件，对系统的主要流程作了详细介绍，讲述了单片机数据采集、转换和处理的方法。
通过硬件与软件的结合，完成了方向盘角度检测系统的设计。
关键词：
方向盘角度检测单片机电位器光电编码器LED
ANovelSteeringWheelAngleDetectionSystem
Abstract
Aspeoplelivingstandardriseceaselessly,thecarhasbecomethenecessarytransportationinourlivesandproduction.However,withtheincreasingnumberofcars,thetrafficinhighways,streetsandparkinghasbecomechaos,andnon-professionaldriversaremoreandmore,accordingly,trafficaccidentsaremoreandmore.Therearemanyaccidentsarebecauseofthesteeringwheeldeviationandhighspeedinthecorner.Higherrequirementshavebeenproposedforsteeringwheelangledetectionsystem.
Thisthesisproposedadesignmethodofthesteeringwheelangledetectionsystem,aimtosolvetheproblemsofthesteeringwheeldeviationandhighspeedinthecorner.Inthethesis,usingtherotatingpotentiometerstotesttheanglesignalofthesteeringwheelandtheroadinthecorner,andusingthephotoelectricencodertotestthespeedsignal.UsingATmega16SCMtocollectandhandledataandusingLEDtodisplaythedataofthesteeringwheelangle.Whenthespeedishighenough,buzzerwillstarttoalarm.
Thedesignofhardwareincludessignalcollectioncircuit，ADCconvertingcircuit，MCUperipheralcircuits，LEDdisplaycircuitandalarmcircuitandsoon.
ThedesignofsoftwareintroducesapplicationsoftwareofAVRandshowsthemainflowchartofthesystemindetail,explainshowtheSCMtoacquire,converseanddealwiththedigitalsignals.
Throughthecombinationofhardwareandsoftware,thesteeringwheelangledetectionsystemiscompleted.
Keywords:
steering-wheel-angle-detectionSCMpotentiometerphotoelectricencoderLED
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
自从1886年第一辆机动汽车诞生以来，汽车一直作为人类最重要的交通工具。
20世纪以来，汽车工业发展迅速，我国汽车产业也初见规模。
随着人们生活水平的不断提高，汽车在生活中的重要性也在不断地提升。
在现代人的观念中，汽车不单单是一辆交通工具，它更体现了一个人的品味、生活方式和价值观念。
在我国，汽车已成为小康生活的重要标志。
汽车走进私人家庭，已不再是梦想。
随着汽车数量的迅速增加，加上非专业汽车驾驶人员的不断增多，造成公路、街道、停车场、车库等公共场所秩序混乱不堪，交通事故频发，方向盘跑偏也成了事故焦点。
汽车事故严重威胁着人们的生命安全和生活秩序，每年因为方向盘跑偏和高速行车时方向盘瞬间转移角度过大而造成的撞车、翻车事故不在少数。
方向盘是汽车转向的直接操纵杆，其转动位置直接影响着汽车转向时的安全。
现在国内生产的很大部分汽车上还没有检测方向盘转角的电子仪器仪表，使得驾驶员在驾驶和泊车时不得不凭经验和感觉去判断方向盘转动位置所在，这时难免发生感觉误差，造成方向盘未回正或转动角度过大的现象发生，给开车和泊车带来不便。
方向盘位置跑偏，不但会给驾驶员的驾驶带来疲劳感，更存在很大的安全隐患[1]。
因此，方向盘角度检测系统的设计对汽车行车停车安全至关重要，对提高汽车系统的可靠性有非常重要的意义。
小车方向盘角度检测系统属于汽车电子系统研究的一部分，汽车方向盘的转动信号和车速信号经过传感器的检测，将其送入控制中心进行处理，从而判断汽车的行驶状态。
没有方向盘的角度检测系统，汽车的安全性能会大打折扣。
然而，国内在这方面的研究非常的少，本课题的研究，将填补这方面的空白。
1.2国内外汽车电子的发展动态
随着中国加入WTO，以及国内庞大的汽车市场对世界各大汽车公司的吸引力，迄今为止，我国的汽车拥有量已经突破5000万辆，汽车的产量也在迅猛提升。
中国将成为继美、日、欧之后的第四大汽车市场。
据预测，21世纪全球范围内能够存活的特大型汽车生产集团将整合为六至八家[2]。
目前国内为整车企业进行配套的汽车电子供应商大多为中外合资企业，如博世、西门子、德尔福、伟世通等。
这些供应商都以OEM身份为整车企业配套，他们掌握着汽车零部件的核心技术[3]。
另一方面，随着电子技术的迅猛发展，汽车电子产品也越来越多，汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，当今汽车电子化程度已成为衡量一个国家汽车工业水平的重要标志[4]。
我国汽车电子技术研究起步较晚，主要集中在清华、北理工大、吉林工大、上海交大等一些高校，以及一汽、二汽等大型国企的研发中心。
总体上，我国的汽车电子技术研发水平还比较薄弱，自主开发并生产的汽车电子产品主要集中在一些技术含量不高的产品上。
面对国内巨大的汽车市场，国外汽车电子供应商积极介入我国的汽车电子领域。
我国汽车电子企业中，70%以上为中外合资企业，然而国内企业并没有自己的知识产权和独立的产品研发能力。
因此，我国的汽车电子化与世界发达国家相比，还有很大的距离。
汽车方向盘角度检测系统也隶属于汽车电子，该研究无论从理论上还是实际应用上都有较高的价值。
1.3论文的主要工作
论文主要阐述了一种小车方向盘角度检测装置的设计方法。
此装置用以测量方向盘的实时转角，快速确定方向盘位置，以及在高速转弯时予以报警，以避免方向盘跑偏和行车过程中方向盘转角过大而造成的事故的发生。
本论文在第一章先概述了课题研究的背景及意义，以及本论文的主要工作。
接下来在第二章对系统的设计方案及小车方向盘角度检测系统进行介绍，在确定了系统设计方案后，开始对系统进行硬件及软件设计。
在第三章，讲述了采用ATmeg16系列单片机为核心的小车方向盘角度检测系统的硬件设计。
系统硬件设计包括检测电路、AD转换电路、单片机外围电路、角度显示，报警电路等。
第四章对系统软件进行了设计。
软件设计中对于系统的工作流程进行详细介绍，并且介绍了一种AVR单片机基于C语言的编译器和集成环境，在此环境下对ATmega16进行编译、开发，实现系统状态的显示及对其的控制。
最后对论文作一个全文总结，并对系统的应用做以展望。
第二章方向盘角度检测系统概述
2.1方向盘角度检测系统的设计要求
汽车方向盘角度检测系统是一种实时检测方向盘转角，测定转弯速度，并在转弯速度过高时进行报警的装置，系统由三部分组成：
检测模块、控制模块及显示模块。
检测模块：
由传感器检测方向盘实时转角信号、转弯时的路面倾角信号及车速信号。
控制模块：
方向盘角度检测系统的控制中心，主要对采集的信号按设计要求进行相应的数据处理。
显示报警模块：
用于显示方向盘的实时转角，并高速转弯存在安全隐患时进行报警。
按照系统设计要求，可将方向盘角度检测系统分为硬件和软件两部分，分别进行设计。
系统硬件结构主要由检测模块、控制模块和显示模块构成，软件部分对不同的子系统分别进行编程，便于调试和移植。
整个系统的结构如图2-1所示。
图2-1汽车方向盘角度检测系统的结构原理图
2.2方向盘角度检测系统的设计方案
方向盘角度检测系统有三大模块，系统设计方案可根据三大模块分别进行设计。
2.2.1检测模块设计方案
检测环节是系统的第一个环节，用来感受被测信号，并将被测信号转换为合适于系统后续处理的电信号。
提获取信息的正确与否，决定了测试系统的精度。
因此，选择合适的检测元件，对于系统的设计有非常重要的作用。
1.方向盘角度检测环节设计方案
方向盘角度检测系统要测量的量为角位移。
随着电子技术的飞速发展，电量测量技术已经非常成熟，因此，可以通过电量的测量间接测量方向盘的角位移信号。
目前用于角度检测的传感器主要有旋转电位器、霍尔传感器、光电编码器及激光探测器等。
各角位移传感器的特性如表2-1所示。
表2-1各转角传感器的特性比较
转角传感器
接触式
非接触式
旋转电位器
霍尔传感器
光电编码器
激光探测器
成本
低
高
高
高
环境要求
低
高
高
高
安装
简单
较复杂
复杂
复杂
体积
小
小
较大
大
考虑到成本及环境影响问题，方向盘位置控制系统采用旋转电位器。
本设计采用M22S10型精密多圈电位器,其特点如下：
属线绕多圈电位器；长寿命，旋转寿命：
500万转以上；高可靠性；线性度好，线性精度：
±0.2%，阻值公差±5%，功率2W；外径22mm。
M22S10最大电气转角为3600°（10圈），而一般汽车的方向盘最大转角为1440°（4圈），本设计采用专门定制的4圈精密电位器，材质与M22S10相同，阻值为5KΩ。
其实，电位器其实就是一个可变电阻，通过中间触头的位置变化，改变电位器的电阻大小，从而改变输出电压的大小。
根据分压原理，电位器输出电压
与接入电路中的电阻
有以下关系：
（2-1）
其中，
为电位器输出电压，
为输入电位器的电压，
为电位器接入电路中的电阻，
为电位器总电阻。
一般情况下，
、
为固定值，由此可知，电位器两端的输出电压
与接入电路的电阻
大小成正比关系。
一般电阻都存在以下基本关系：
（2-2）
其中，
为电阻值，
为电阻丝长度，
为电阻率，
为电阻丝横截面积。
电阻做好后，
、
就固定不变。
可变电阻通过改变触头的位置，从而改变接入电路中的电阻丝的长度
，从而改变电阻
的大小。
由此可知，电位器接入电路中的电阻
的大小与接入电路中的电阻丝的长度
成正比关系。
在多圈电位器中，电阻丝长度
与电位器旋转角度也成正比关系。
综上所述，电位器输出的电压
的大小与电位器转角大小成正比关系。
因此，可以通过电位器的输出电压大小来确定旋转角度。
4圈精密电位器的输出电压与电位器转角的关系如图2-2所示。
图2-2电位器输出电压与旋转角度的关系
2.路面倾角检测环节设计方案
汽车在转弯时，路面的倾角不同，转弯时的转角大小与最大车速都会有所影响。
因此，应对路面倾角进行测量。
本设计采用单圈的电位器进行路面倾角的测量，其测量原理与方向盘转角的测量原理相同，只是安装的方式有所不同。
本电位器采用垂直安装方式，在电位上连接一重物，重物一端固定在电位器的旋转轴上，另一端为自由端，就如单摆一样。
当汽车发生倾斜时，重物由于重力作用转动电位器的转轴，从而改变电位器指针位置。
因此，电位器的输出电压也随着改变，从而可测得路面的倾斜角度。
测量原理如图2-3所示。
图2-3电位器测量路面倾角示意图
图2-3（a）为水平路面时电位器的指针位置，当路面倾角为
时，电位器的指针也随着改变
角度。
根据电位器的分压原理就可以测得倾角
的度数。
3.车速检测环节设计方案
道路弯度的大小决定了转弯时的最高车速，如果车速超过转弯时的极限车速时，汽车就有可能飞出，造成严重的交通事故。
因此，在转弯的时候，应该对车速进行测量，当车速接近转弯允许的最大车速时，进行报警，提示驾驶员减速。
现在速度测量的传感器，大部分选用旋转编码器。
由于旋转编码器测量精度高、测速方便、使用时间长、体积小、质量轻等优点，成为测速系统的首选传感器。
常用的旋转编码器有增量式和绝对值式，一般测速选择增量式。
增量式又分为单路输出和双路输出，单路输出是指旋转编码器输出是一组脉冲，双路输出的旋转编码器输出两组相位差90°的脉冲，不仅可以测速，还可以判断旋转方向[5]。
一般汽车测速都是单向的，因此选择单路输出的编码器即可。
本设计采用GZS3804系列增量式光电编码器，其性能可靠，输出为方波信号，波形规整，使用电压范围宽，每圈输出脉冲数为500个，最大转速4800rpm，消耗电流小于120mA，电源电压：
+5V，输出电压：
高电平大于85%Vcc，低电平小于0.4V，响应频率：
0~80KHz。
编码器的外形图如图2-4所示。
图2-4编码器外形尺寸图
2.2.2控制模块设计方案
控制系统作为系统的核心，主要实现数据的处理、控制实时性等问题。
当前的控制系统主要有上下位机（PC-PLC）、DSP控制器及单片机，其各自特性如表2-2所示。
表2-2各控制系统的特性
控制系统
体积
线路
成本
可靠性
应用场合
PC-PLC
大
复杂
高
好
工业生产
DSP
较大
较复杂
较高
好
嵌入式
单片机
小
简单
低
较好
嵌入式
考虑到体积、成本及控制特性等问题，汽车方向盘控制系统采用单片机作为系统的控制中心。
本设计采用ATmega16单片机作为控制中心。
2.2.3显示系统方案设计
显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。
目前最常用的显示器有LCD和LED。
LED发光二极管电路简单、安装方便、成本低，并且可以满足显示三位角度值的要求，因此,本设计采用四位共阴极LED发光二极管作为显示单元。
2.3本设计的特点
现在虽然已有方向盘角度检测系统的相关专利，然而其专利只是测量方向盘的转角，并未对汽车转弯时的性能进行评估。
其专利是利用两节相互嵌套的齿轮来实现方向盘4圈的角度检测。
可想而知，其结构复杂，需要设计专门的机械齿轮；由于齿轮制作受到材料和空间的限制，因此检测精度必然会受到影响；还需要设计很多的机械辅助零件，安装复杂，并且线性度不高。
本设计采用旋转电位器实现角度检测，有以下优点：
1.制作简单，安装方便。
2.测量精度高。
3.可实现角度的连续测量，线性度好。
4.使用时间长，长期使用不会出现零点漂移。
5.成本低廉。
本设计除了进行方向盘角度测量外，还对汽车转弯时的车速，路面的倾角等因素进行了综合分析，从而设计出小车高速转弯时的报警功能，以提醒驾驶员进行相应的减速，防止意外发生。
2.4本章小结
本章首先根据系统设计的要求，介绍了系统的构建，然后详细阐述了系统的设计方案，对系统的三个模块：
检测模块、控制模块及显示模块分别进行方案的设计。
确定了以ATmega16单片机作为系统的控制核心，以多圈电位器和光电编码器作为检测元件，以四位共阴极LED发光二极管作为显示单元的方向盘角度检测系统的方案设计，并对设计的特点进行了说明。
第三章方向盘角度检测系统的原理介绍
小车方向盘角度检测系统设计包括硬件设计和软件设计两大部分，硬件电路包括信号采集电路、ADC转换电路、单片机外围系统电路及LED显示电路等。
系统的软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。
系统硬件部分放在论文第四章进行详细介绍，软件部分放在第五章进行介绍。
3.1检测原理介绍
检测部分包括三个环节：
方向盘角度检测、路面倾角检测及车速检测。
3.1.1方向盘角度检测原理
一般方向盘的转动范围为四圈，即从自然状态开始，向左打死两圈，向右打死同样是两圈。
我们不妨应用-720°~+720°来表示[6]，其中认为自然状态下的方向盘为0°，自然状态下顺时针转动（右转）为“+”，自然状态下逆时针转（左转）“-”，即凡是在中心位置左边的角度都为“-”，右边的都为“+”。
本设计采用定做的4圈精密电位器作为传感器，用以检测方向盘的转动位置。
电位器应与方向盘同轴安装，从而保证方向盘与电位器的角位移一致，并且安装时初始值要一致。
若方向盘处在正中心位置，则电位器的触头应该在电阻
的位置处，以保证测量的精确。
本设计采用的电位器线性度极高，而方向盘的转角精度不要求太高，精确到1°即可，因此不必过分考虑器件非线性因素带来的误差。
为配合ATmega16单片机ADC转换，设计电位器的最大输出电压应为2.56V。
此时电位器的输出电压
与方向盘的转角关系如公式（3-1）~（3-2）所示。
（3-1）
即
（3-2）
其中，
：
电位器采集的电压值；
：
方向盘转角值。
因此，只要检测出电位器端的输出电压，即可推算出方向盘的转角所在位置。
电位器的输出电压与方向盘角度的对应关系如图3-1所示。
图3-1电位器输出电压与方向盘角度的对应关系
3.1.2路面倾角检测原理
路面倾角检测也应用电位器，其检测方法和方向盘角度检测方法基本相同。
路面倾角检测采用单圈电位器，电位器指针的初始位置定在电位器电阻的
处，规定此时的电位器转角为0°。
电位器的最大输出电压同样选用2.56V，这时候，电位器的输出电压与路面的倾角关系如公式（3-3）~公式（3-4）所示。
（3-3）
即
（3-4）
其中，
：
电位器采集的电压值；
：
路面的倾角值。
电位器的输出电压与方向盘角度的对应关系如图3-2所示。
图3-2电位器输出电压与路面倾角的关系
当然，实际中路面的倾角一般不会超过45°，因此，实际上电位器的输出电压应在0.96V~1.6V之间。
3.1.3汽车车速检测原理
汽车车速检测采用单路输出增量式光电旋转编码器[6]作为传感器件。
光电编码器结构如图3-3所示。
图3-3单路输出光电编码器结构原理图
编码器的码盘上有许多透光的缝隙，光线透过缝隙，便会被光敏管吸收，光敏管根据光电转换原理输出高电平，若光线被编码盘挡住，光敏管接收不到光信息，便会输出低电平。
若编码盘转动，光线便会一会儿穿过编码盘，一会儿被编码盘挡住，这样就会产生一个个脉冲序列，如图3-6所示。
图3-6单路输出编码器输出脉冲波形
编码盘有多少透光的缝隙，转动一圈，便会产生多少个脉冲。
通常称编码器的缝隙数为线数，如果编码盘单圈有1024个缝隙，就称这样的编码器为1024线编码器。
由此可知，计算单位时间内脉冲数的多少，就可以知道编码盘转动的圈数。
由于编码盘与汽车驱动轮同轴安装，因此汽车车轮转动一圈，编码盘便会转动一圈。
这样，知道了汽车车轮单位时间内转动的圈数，车速便自然得知。
汽车车速的计算如公式（3-5）所示。
（3-5）
其中，
为车速；
为测速周期；
为
时间内的脉冲总数；
为车轮半径；
为编码器的线数。
本设计选用编码器的线数为500，测速周期为0.5ms，一般汽车的车轮半径为0.3m，因此测速公式可改为：
（3-6）
3.2汽车转弯性能研究
汽车转弯时，不仅要考虑方向盘与车轮的转角关系，还要考虑转弯半径与车速等量的关系，通过综合考虑，才能知道转弯是否安全。
3.2.1方向盘转角与车轮转角之间的关系
汽车方向盘的转动范围一般为-720°~+720°，汽车车轮的转动范围为-45°~+45°（左转为“-”，右转为“+”），一般汽车的方向盘转动角度和汽车转向轮的旋转角度存在线性关系。
车轮转角与方向盘转角的关系如公式（3-7）所示。
（3-7）
其中
为汽车方向盘转动角度；
为转向轮的转动角度。
汽车方向盘转角与车轮转角的对应关系如图3-7所示。
图3-7汽车转向轮转角与方向盘转角的对应关系
3.2.2车轮转角与转弯半径之间的关系
汽车在转弯时都有转弯半径，由于转向轮的转角大小不一样，转弯时的转弯半径也不一样。
确定转弯半径对确定转弯时的稳定性有非常重要的作用。
一般小车的转向轮为前轮，后轮为驱动轮。
小车转弯时的模型如图3-8所示。
图3-8小车转弯模型
图中L为小车前后轮的轴距，R为小车转向时的转弯半径，ß为车轮转向角度，虚线圆弧为转弯路径。
转弯的圆心为转向轮的垂直线与后轴的延长线的交点O处。
一般情况下车轮转向角ß比较小，因此当，当汽车转向角为
时，转弯半径可近似由公式（3-8）得出。
（3-8）
其中
为转弯半径；
为前后轮轴距。
3.2.3汽车转弯模型分析
汽车转弯时，转弯的安全性非常重要，如果弯度过小，车速过高，就可能发生向心力不足，汽车甩出路面，造成事故。
因此，在汽车转弯时，应对其进行受力分析，从而设计报警装置。
汽车转弯时的受力情况如图3-9所示。
图3-9汽车转弯时的力学模型分析
图中
为汽车所受重力；
为汽车与路面的横向摩擦力；
为路面对汽车的支持力；
为路面倾角。
由图可知，转弯时，汽车的向心力由汽车重力沿路面方向的分力和汽车车轮与路面之间的横向摩擦力提供。
根据力学原理可知：
（3-9）
其中F为汽车转弯时的向心力；
为汽车所受重力；
为汽车车轮与路面的摩擦力；
为路面倾角。
汽车所受重力由公式（3-10）所示。
（3-10）
其中，
为汽车质量，
为重力加速度。
汽车转弯时所受横向摩擦力如公式（3-11）所示。
（3-11）
其中
为汽车所受横向摩擦力，
为路面摩擦
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