电子式商用车制动气压表显示装置的研究

赖嘉涛

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

电子式商用车制动气压表显示装置的研究

赖嘉涛

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章系统分析了商用车制动气压表显示装置的发展现状、工作原理。该气压表显示装置采用电子式气压表传感器作为信号采集元件，步进电机驱动指针显示相应的气压值。此显示装置主要解决现在的显示装置采用机械式结构，弹簧变形量误差较大，气压表显示值出现不准，可靠性差等问题。

制动气压表显示装置；信号采集元件；步进电机；机械式结构

CLC NO.:U463.6Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-16-03

引言

本文提出的电子式商用车制动气压表显示装置，采用气压表传感器采集制动气压值，将制动气压通过计算，转换为电压值进行输出。气压表显示装置集成了软件控制的电路，接收气压表传感器发送的电压值信号，并对电路处理后的信号进行分析，提供给步进电机驱动的信号，最终驱动步进电机，电机带动指针指示气压值。此显示装置指示精度高，运行可靠，可大大降低机械式气压表显示装置的故障率，提高车辆可靠性。

1、机械式制动气压表显示装置

机械式制动气压表显示装置结构如图l所示，主要由弹簧管、齿轮传动放大机构，指针、刻度盘和外壳等几部分组成。弹簧管1是一根弯成圆弧形的空心金属管子，其截面

商用车气制动车型中的行车制动系统中的气压值信息，是一个非常重要的显示信息，关系到整车的制动安全性。制动气压表显示装置用于指示气制动车型中的行车制动系统中的气压值，将气压值以视觉的形式提供给驾驶员。现有的商用车制动气压表显示装置采用机械式结构，利用弹簧的变形来驱动指针指示气压表。弹簧在长期的气压力作用下处于变形状态，加之车辆行驶中振动幅度较大，机械式气压表内部的弹簧很容易在使用一段时间后出现断裂、变形严重，甚至出现漏气等问题，不仅出现气压表指示失效问题，而且漏气问题还会引起车辆制动气压不足，影响车辆的制动性能。做成扁圆或椭圆形，它的一端封闭(称自由端，即弹簧竹受压变形后的变形位移的输出端)。另一端(称固定端，即被测气压的输入端)焊接在固定支柱上。并与管接9相通。

当被测气压通过管接头9进入弹簧管的内腔中，呈椭圆形的弹簧管截面在气压力的作用下有变圆的趋势，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形、从而使弹簧管的自由端产生位移。此位移牵动拉杆2带动扇形齿轮3作逆时针偏转，指针5通过同轴中心齿轮4的带动作顺时针方向转动，从而在面板6的刻度标尺上指示出被测压力(表压力)的数值。指针旋转角的大小与弹簧管自由端的位移量成正比，也就是与所测介质压力的大小成正比。被测压力被弹簧管自身的变形所产生的应力相平衡。游丝7的作用是用来克服扇形齿轮和中心齿轮的传动间隙所引起的仪表变差。调核螺钉8可以改变拉杆和扇形齿轮的连接位置，即可改变传动机构的传动比(放大系数)，以调整仪表的量程。

由于现有技术气压表全为机械式结构，弹簧变形量误差较大，气压表显示值时常出现不准的问题。

图1

2、电子式制动气压表显示装置

电子式商用车制动气压表显示装置由气压表传感器、气压表电路、显示部件（包括指针、表牌）三部分组成。

2.1 气压表传感器

如图2所示，气压表传感器采用的是陶瓷电容技术。包括金属外壳1、在壳体内部对敏感元器件起固定作用的基座2、在壳体内部对系统起密封作用的密封圈3、位于壳体内部的电子电路5、由于输出信号的接插件6、以及安装在壳体内的陶瓷电容敏感元件4，车辆的气缸输出一定的气压，气压通过壳体的透气孔把压力传递到陶瓷电容元器件表面，陶瓷电容元器件输出相应的电容参数，电子电路检测到电容的变化进行调制，输出与压力成正比的电压值。

图2

如图3所示，陶瓷电容敏感元件采用双电容结构，包括上下极板两部分。其陶瓷弹性膜片上烧结了可动电极，并在可动电极的外面同时烧结一个参考电容，以消除温度对输出信号的影响。同时，在可动电极上再烧结一层介质防止电极接触时短路。电容极板间的距离由烧结的玻璃体控制，浆料的配方、浓度和烧结的温度变化对极板的间距都有影响。当被测压力作用在传感器的陶瓷弹性膜片上时，膜片发生变形，使极板的间距发生变化，导致传感器的电容发生变化，通过测量电路的电容变化即可计算出传感器所受压力的改变，进而测量出压力，再通过处理电路，将电容的变化转化为0.5V～4.5V输出电压信号。

图3

如图4所示，陶瓷电容气压传感器电路图。C1作为参考电容，C2作为测量电容。C1安装在可动电极外面，C2安装在可动电极里面。当气压进入传感器后，引起弹性膜片变形，使可动电极极板间距发生变化，引起测量电容C2的值发生变化。电容计算公式为C=ε×S/δ。ε为两极板间介质的介电常数，S为两极板相对有效面积，δ为两极板的间隙。电容变化量进入芯片MLX1206，芯片对电容值信号进行零点补偿、放大、温度补偿等处理，并转换为电压信号通过OUT引脚进行输出。输出信号精度能控制在± 3%VCC以内。传感器所需要的电源通过VCC引脚由外界提供，电源电压范围为5V±0.25V。电路中C3～C7为滤波电容。R1、R2限流电阻。R3下拉电阻，限制对地电流。

图4

气压表传感器输出的电压信号与气压信号对应关系曲线图见图5，实现信号的线性输出。传感器将采集到的制动气压值转换为电压值进行输出。气压采集范围为0kPa～1200kPa。对应输出电压值为0.5V～4.5V，信号精度能控制在±3%×1200kPa=±36kPa以内。

图5

2.2 气压表电路

如图6所示，为电子式商用车制动气压表显示装置的电路结构示意图。气压表传感器输出的电压值信号进入到电压值信号采集电路，D1为肖特基二极管，起到电压钳位作用，可以将进入控制器U1的电压限制在-0.7V～（VCC+0.7）V，此处VCC为5V，从而起到保护单片机的作用。R1为下拉电阻，将电压信号对地电流进行限制，可限制在0.0057mA以内，防止对地出现大电路短路烧蚀。R2为限流电阻，经R2限流后，电流可限制在0.057mA以内，起到保护气压表控制器U1的目的，防止大电流烧坏芯片。电压信号直接通过气压_TEST进入气压表控制器U1。第一滤波电容C1、第二滤波电容C2均起滤波作用，滤除信号中的交流电压，使肖特基二极管D1采集到的电压为比较纯正的直流电压信号。

气压表控制器U1为16位单片机，可以一次性处理16 bit的数据。U1采集到采集电路输入的电压值信号后，进行分析处理，通过M11、M12、M13、M14四个驱动口，将驱动脉冲信号输入给步进电机SM1。SM1为两相步进电机，其接口电路中的C3、C4、C5、C6起到信号的滤波作用，滤掉信号中不必要的交流信号。RN4A、RN4B、RN4C、RN4D起到限流作用。

图6

2.3 气压表显示部件

如图7所示，为气压值显示表的示意图。步进电机转轴旋转，带动指针旋转，实现气压值显示。表牌上印制刻度线、数字，提供给指针指示的位置，同时以视觉的形式将气压值显示出来。气压值显示表显示范围为0kPa～1200kPa，显示值与气压表传感器输出的信号基本可保持一致，实现信号、显示零误差。

图7

3、结束语

本文提出的电子式商用车制动气压表显示装置，采用电子式气压表传感器作为信号采集元件，集成电路采集传感器输出的电压值信号，再通过精确的计算，输出信号来驱动步进电机，步进电机再带动指针的旋转，实现了信号的电子化、自动化地控制，最终展现在使用人面前的是准确的气压表指示信息，大大提高了车辆气压表显示装置的精准度。同时由于采用车用级别的电子元器件，气压表显示装置本身的使用耐久性能、可靠性能也较以前的机械式气压表有了明显的提升。

[1]江晓安,董秀峰.模拟电子技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社,2002.

[2]徐开先. 硅电容压力传感器及其产业化. 世界仪表与自动化,2008.

[3]坂本正文. 步进电机应用技术. 科学出版社.2010.

Research on the display device of the braking pressure gauge for the electronic commercial vehicle

Lai Jiatao
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper systematically analyzes the commercial vehicle brake pressure gauge shows the development present situation, the working principle of the device. The barometer display device using electronic barometer sensor as signal acquisition device, stepper motor drive pointer display the corresponding pressure value. The display device mainly solves the current display device adopts a mechanical structure, spring deformation error the barometer, the display value are not allowed to appear, poor reliability problems.

Brake pressure gauge display device; Signal acquisition device; Stepper motor; Mechanical structure

U463.6

A

1671-7988 (2017)02-16-03

赖嘉涛，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.006