基于PIC单片机的摩托车转速检测法

杨 昆 李荣正

[摘 要]摩托车占据着交通工具市场的较大份额,而摩托车的仪表部分是行车状态的主要参考,其性能的好坏直接影响着行车安全。随着科技进步,摩托车显示仪表将由指针式向数字式发展。本文主要分析了目前常用的转速表及其功能,并提出了一种利用PIC 单片机来实现转速显示的方法。

[关键词]转速 PIC单片机 数码显示

[中图分类号]U463[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)12-0012-02

当前,具有强大的系统功能、丰富的外围资源、良好的开发界面和在线调试功能,无疑将引领单片机进入了一个新的时代。美国Microchip公司推出的PIC系列单片机,由于采用RISC精简指令集、哈佛总线结构、流水线指令执行方式、抗干扰能力强、性能价格比高等优点,深受世界各行各业的普遍欢迎。PIC系列单片机,在工业控制、消费电子产品、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域,以其性能完善、功能强大、学习容易、开发应用方便、人机界面友好等突出优点而得到了广泛的应用。就摩托车而言,采用一款简单实用的单片机来实现行驶数据信息数字化,可极大的方便用户使用。

1 常用转速表功能分析

目前常用的转速表主要包括以下几种。

(1)离心式转速表,是机械力学的成果。利用离心力与拉力的平衡来指示转速。离心式转速表是最传统的转速测量工具,是利用离心力原理的机械式转速表;测量精度一般在1～2级,一般就地安装。一只优良的离心式转速表不但有准确直观的特点,还具备可靠耐用的优点。但是结构比较复杂。

(2)磁性转速表,是运用磁力和机械力的一个典范。利用旋转磁场,在金属罩帽上产生旋转力,利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。磁性转速表,是成功利用磁力的一个典范,是利用磁力原理的机械式转速表;一般就地安装,用软轴可以短距离异地安装。磁性转速表,因结构较简单,目前较普遍用于摩托车和汽车以及其它机械设备。异地安装时软轴易损坏。

(3)电动式转速表,巧妙运用微型发电机和微型电动机将旋转运动异地拷贝。由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电,交流电通过电缆输送,驱动小型交流电动机,小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起,磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速;电动式转速表,异地安装非常方便,抗振性能好,广泛运用于柴油机和船舶设备。

(4)磁电式转速表,电流表头和传感器都是电磁学的普及运用。磁电传感器加电流表,异地安装非常方便。

(5)闪光式转速表,利用视觉暂留的原理。体现了人类的灵性。闪光式转速表,除了检测转速(往复速度)外,还可以观测循环往复运动物体的静像,对了解机械设备的工作状态,是一必不可少的观测工具。

(6)电子式转速表,随着电子技术的不断进步,使这一类转速表有了突飞猛进的发展。

2 基于PIC单片机的转速显示实现

在实际工作中,摩托车这种车辆设备经常作业在野外、露天,工作环境条件较差。我们考虑用霍尔集成元件作为传感器,主要因为它本身不怕灰尘,适合露天场地,且体积小,价格便宜,可单电源供电, 使用极其方便,因此本测量系统转速信号检测点采用霍尔集成传感器作为转速检测探头。

设特定型号摩托车,轮半径为rm。将霍尔器件安装于轮外圈。随着摩托车的运动,得到周期方波,频率为f。则转速与频率关系为:

v=f*2πr(m/s) 式(1)

对于固定型号的轮子,假设占空比已知,为a。F与a之间的关系为

f=a/w 式(2)

注:w为脉宽

由此得到

v=w*a*2πr(m/s) 式(3)

于是,转速的检测主要体现为脉宽的检测。

利用PIC单片机的CCP功能模块,对方波信号的上升沿进行捕捉,一旦捕捉到上升沿就立即启动专用计数器进行计时,直到有脉冲的下降沿出现。在开始启动计时到终止计时的整个过程中,要根据信号边沿的设置形成两次有效的中断响应。经过相应的数据处理,将所测得的脉冲宽度数值(以微秒表示)显示在8位八段静态数码显示器上。

主要涉及CCP模块工作方式的设置和定时器TMR1时间长度的确定等方面技术。

2.1 CCP模块工作方式

当PIC单片机处于CCP模块工作方式时,将需要有一个定时或计数环节(一般为TMR1或TMR2)配套使用。如设置在捕捉工作模式时,一旦在输入引脚RC2/CCP1上满足任何特定的事件触发条件,CCPR1H:CCPR1L特殊功能寄存器即刻摄入定时器TMR1当前TMR1H:TMR1L计数值,同时CCP1对应的中断标志位CCP1IF将被硬件自动置位。在本例的程序设计中,将产生两次中断,即捕捉到上升沿一次中断和捕捉到下降沿一次中断。

2.2 TMR1定时计数器

定时器TMR1的定时基准采用PIC单片机系统时钟的4分频,假设所用的系统频率为4MHz,所以TMR1定时计数脉冲的周期为1μs。在单片机第一次捕捉到脉冲信号的上沿时迅速将TMR1定时计数器TMR1H:TMR1L清0并将CCP设置在捕捉脉冲信号下沿的工作方式,此时TMR1才真正进入有效计数状态,并通过其计数量达到定时的目的;一旦捕捉到脉冲信号的下沿时迅速采用CCPR1H:CCPR1L寄存器组及时拷贝TMR1H:TMR1L的计数内容,其数值刚好为脉冲信号高电平持续的时间(单位是μs)。通过数据处理将CCPR1H:CCPR1L内容转化为BCD码,再送往8位八段静态数码显示。

软件设计中最重要的就是保证数据存储的可靠性,通过大量的实验表明,单次存储数据错误绝大多数是存储期间电源不稳定造成的,为此软件设计时采用将数据进行多次保存,读出时进行两两比较,从中找出正确值来处理,这样即使有1次数据存储错误,在CPU监控芯片的作用下,单片机重新复位运行时,总能读出正确数据,多次存储数据错误的几率很小。另外,在程序关键处增加空操作指令,如在程序空白区增加复位指令等,保证单片机运行的可靠性。

3 结语

采用PIC单片机作为测量转速的芯片, 系统硬件设备结构简单合理,测量精度高(小于0.5%)实时性好、显示直观等优点, 尤其适合在测量环境比较恶劣的条件下, 其抗干扰能力强,使用维护安装均方便,节省投资,具有比较好的测速效果。就摩托车而言,实现行驶数据信息数字化,可即时了解摩托车的车况和性能,方便用户及时维修,避免因用户不熟悉车况而引起事故。更重要的是,当数显仪中数据转化为可存储的数字信号后,可在发生意外交通事故时,作为交通部门判断事故责任的依据,大大缩短了事故现场的处理时间,提高了交通部门的工作效率,有较为广阔的应用前景。

[参考文献]

[1] 李荣正.PIC单片机原理及应用(第3版).北京:北京航空航天大学出版社,2006.10.

[2] 李荣正.PIC单片机实验教程.北京:北京航空航天大学出版社,2006.1.

[3] 李学海.PIC单片机实用教程-提高篇.北京:北京航空航天大学出版社,2002.9.

[4] 刘和平.单片机原理及应用.重庆:重庆大学出版社,2002.1.