赛车电器设置与仪表研制

1、厦门理工学院学报第 17卷 第 4期2009年 12月V o l 17 N o. 4D ec. 2009Journal o f X in iversity o f T echno logy电器设置与仪表研制方 遒,苏建彬,黄旸,刘 镜(厦门理工学院机械工程系, 福建 厦门 361024)摘 要 并原有发根据规则的要求, 提出整车电气系统方案, 说明了主要电器的设置,的 ECU 与改换后的进排气子系统无法匹配等问题, 提出了解决办法, 主要目的是提高赛车的性能;然后提出一种基于 NEC公司的 U PD 78F0883单片机的全数字式仪表系统设计, 阐述了车速表、转速表的电路设计、测量原理、误差分

2、析、软件算法, 最后通过实车验证了上述方案的可行性. 电器设置; 仪表设计; 发电控系统号 U 46916+ 96; U 463167+ 4 文献标志码 A 文章编号 1008 3804 ( 2009) 04 033 05由美国汽车工程师( SAE )举办的世界大学生方程式比赛, 已经举办了 20多年, 继湖南大学和上海交通大学之后, 厦门理工学院的也于 2009年 6月参加了美国加利福尼亚站的比赛. 根据该比赛对的有关要求, 本文首先介绍整车电气系统方案的确定及电器布置设计; 然后介绍一种基于 NEC单片机的全数字式仪表系统设计, 阐述了该系统的工作原理及设计要点.电气系统概述电气系统电气系

3、统主要由发1111电控系统、数字仪表系统及紧急系统组成;与一般汽车一样采用蓄电池负极搭铁( 接地) 的布线方式, 发电机通过调压整流器后并联到蓄电池; 赛车线束采用单边呈 E型布置.112电气系统搭铁方案设计线束搭铁在整个线束设计中很重要, 很多电器故障现象都是由于搭铁不良而引起的. 线束搭铁一要安全牢靠, 二要防止. 一般情况下器与传感器的搭铁, 不应与汽车常规电器件, 特别是汽车上的电感器件的搭铁合为一体, 弱信号传感器的搭铁最好 1位置, 以保证信号的真实传递 ., 搭铁点最好设在离器件较近的主要电器部件布置匹配设计2211 蓄电池的安装位置设计蓄电池的安装应考虑重量平衡问题, 与发电机

4、、起的接线尽可能短, 并远离热源.212 发发般在 615ECU电子单元( ECU - E lectronic contro l un it) 是电气系统的, 其工作电压范围一16 V ( 内部有稳压装置 )、工作电流 01015 011 A、工作温度 -40 + 80 e ,能承受1 000 H z以下的振动. ECU 安置有以下几个方面要求: 通选择相对较高并且干燥防水的位置; 便于安装与接线.况良好, 避免积灰现象; 远离热源;由于此辆ECU 软件及改换了原有发系统中的进排气两个子系统, 相应工况随之改变,原有发接口无法更改设置等问题, 只能对 ECU电路、传感器进行改进调校,收稿日期

5、作者简介 修回日期 2009 12 012009方遒09 07( 1967 ) , 男, 福建漳州人, 高级工程师, 从事研发. 34#厦门理工学院学报2009年于是设计了一个辅助的 ECU, 通过改变部分传感器的信号, 使之匹配改换后的进排气子系统, 以期通过这种改变来调节喷油和点火, 提高213 调压整流器的性能.上的电能是由蓄电池与发电机提供的, 发电机内虽有整流器, 但是经整流后的直流电压仍然会随发的转速而波动, 因此需通过电压调节器将发电机输出的电压稳定在一定范围.214 起动继电器发轮, 起起动的过程为: 按下的起动按钮后, 起动继电器吸合接通起电源, 吸合起动齿转动带动飞轮转动,

6、 起动发. 起动继电器流过的电流高达 200 A以上, 是一个较易损和电池.坏的电器件, 安装时应尽可能靠近起215 油泵继电器与喷油器的油泵继电器安装位置见图 1电器布置总图, ECU 通过接收各个传感器送来的信号来计算喷油量和喷油的时刻,以喷油器工作.油泵继电器也是一个较易损坏的电器件.216 刹车灯及开关刹车灯选用的是汽车上用的 LED刹车灯, 这样可以更加美观和节能. 而刹车开关可选能自动回位的常开式开关, 当踩下踏板时, 开关电路才接通, 刹车灯亮.217 刹车超行程开关( 2009年) 规则上要求装一个刹车超行程开关, 具体要求如下:1) 当刹车系统发生故障, 比如制动泵漏油使制动

7、踏板超过其有效行程时, 此开关必须使发停止运转( 切断点火系统和电动燃油泵系统的所有电源);2) 此时即使松开制动踏板, 上述部件的电源也位置, 必须使得驾驶员( 在车上)不能重新启动它;恢复(此开关具自锁功能), 且此开关的安装3) 此开关必须通过本身的某部件使其生效( 实现应有的功能 ), 而不能通过可编程的逻辑器件、发单元或类似的数字器来.超行程开关安装后, 若制动系统发生故障而超过有效行程, 则开关被按下, 发熄火; 此时,即使松开制动踏板, 发218 电器安装布置总图也不能重新启动, 只有通过拆车身, 才可以使开关复位.综上对各主要电器部件进行说明之后, 结合它们的安装位置的要求和条

8、件, 最后形成电气系统中各主要电器部件的安装布置图, 如图 1所示. 35#第 4期方遒, 等:电器设置与仪表研制3数字仪表的设计311 仪表单片机的选型该仪表选用 NEC 公司的 UPD 78F0883( 以下简称 0883) 单片机, 如图 2所示. 采用 0883的、外部看门狗、低电平复位等等电路. 整个外部这样就使得电路板上的单片机部分的电路十分简洁.好处在于简化了外部电路, 省去了诸如外部支持电路只有晶振电路、去耦电容和复位按钮, 但由于其集成度较高, 封装仅为 10 mm 见方,其上有 44个引脚,焊接有一定难度;同时软件设置上的复杂度变高,需要花费更大精力去解决.312 转速信号

9、处理电路设计转速信号处理的技术难点有 3个:1) 转速信号的频率 T变化很大:0 4 000 H z;2) 转速信号的幅值不固定, 随转速升高而升高;3) 转速传感器信号取自曲轴, 其信号齿轮有 35个高齿和 2个平齿, 使得信号幅度不固定.设计中采用 N CV 7001作为信号处理的, NCV7001是安森美半导体 ( ONSEM I) 生产的一款车用信号处理, 通过添加适当的器件就可以完成对信号进行滤波、限幅、比较、整形等处理.下面以转速表为例讲解电路总图, 如图 2所示, 转速信号由插座 J1 ( 4号引脚,3号脚为信号地线) 进入电路板, 经过一个耐压 200 V、 10 PF的电容再

10、经过 0101 LF 的电容 C202滤波后由 INN 1引脚进入C201进行滤波, 通过电阻 R 200 进行限流后, 经过处理后的信号由 NOUT 1输出.在一开始时, 仅仅是将信号直接接入单片机中, 但在调试过程中, 发现 N CV 7001输出的电压信号幅度较低, 不能使单片机可靠接收信号. 因此, 对输出电路进行了改进, 信号在经过一个电阻 ( R 213) 36#厦门理工学院学报2009年( R 214) 将其拉高到足够的电压, 输出到单片机 2 .后, 增加了一个上拉电阻313 车速表设计车速的信号是依靠若干个均布在刹车盘上的磁钢片不断地与固定在 前立柱上的车速传感器相互感应而获

11、取的, 车速信号送入 NCV 7001进行处理之后进入 NEC 单片机, 通过相应的计算, 最后将实际的车速显示在车速表上.314 仪表电源电路设计汽车电器的使用环境较为恶劣, 汽车上的电源电压不稳定, 在汽车正常运行时, 发电机在汽车上是主要的供电电源, 蓄电池是供电系统的辅助电源; 在发电机供电的情况下, 电源系统中有很高的脉冲电压, 随着不同用电设备的启用或关闭, 在各个负载中的脉冲电压也相应变化. 在条件下, 如负载突降等, 浪涌电压甚至能达到 100 V 以上. 因此, 对供电系统的要求是: 在车辆各种使用工况条件下, 均能可靠地保证向用电设备供电. 仪表的工作电压是 5 V, 需要

12、对 12 V 电压进行降压.汽车供电系统的这种特性, 就需要对仪表电源加入一些防护措施, 降低浪涌可能对损害的几率 1 .4仪表的测量原理与软件设计411 转速测量原理等元器件造成在一定测量时间 t内, 测量转速传感器产生的脉冲数 m 1, 来测量转速.转过的弧度数为 X S, 则转速 n ( r /m in) 可由下式表示:n = 60X S /2Pt转轴转过的弧度数 X S 可以由下式表示:设在时间t ( s) 内,转轴( 1)X S = 2Pm 1 /p(其中 p 为每转发出的脉冲数 )( 2)将 X S 代入式 ( 1)中得:n = 60m 1 /p t( 3)在该方法中, 由于定时时

13、间 t和脉冲数不能保证严格同步, 以及在 t 内能否正好测量外部脉冲的完整的周期, 可能产生 1个脉冲的量化误差. 因此, 为了提高测量精度, t要有足够长的时间. 定时时间可根据测量情况预先设置, 设置的时间过长, 可以提高精度, 但是仪表显示的实时性就会降低. 而设置的时间过短, 测量精度会受到一定的影响 3 .412 误差分析由式 ( 3)给出转速公式: n = 60m 1 /p .t因的量化误差是 1个脉冲, 故转速变化:n = 60(m 1 ? 1) /p t = 60m 1 /p t ? 60 /p t = n ? $n;E1 = $n /n = 1 /m 1; m 1 = np

14、t / 60;E1 = 60 /p tn.E1 为相对误差; p = 37为发的每转发出的固定脉冲数.由公式可看出, 转速表精度与定时周期 t、发转速 n是一正比关系. 即定时周期与转速 n越高,则转速显示越精确, 但是定时周期直接影响到仪表的实时性, 在设计调试中要在定时周期和仪表的实时性之间找到一个平衡 (可通过试验 ), 比如把定时时间 t设为 015 s, 413 车速测量原理在一定时间 t内, 测量车速传感器产生的脉冲个数 m 2, 设基本能满足仪表的实时性要求.的轮胎半径为 R (m ) , 布置在轮的速度 v ( km / h) 可由下式表示 3 : v = 2Pm 2R # 3

15、 600 /1 000tn2圈上的磁钢个数为 n , 则2( 4)即 37#第 4期方遒, 等:电器设置与仪表研制v = 7. 2Pm 2R /tn2( 5)414 车速误差分析由车速公式: v = 7.2Pm 2R / tn2 给出.因车速脉冲 m 2 的量化误差为 1个脉冲, 故车速的变化:v = 7. 2P(m2 ? 1)R / tn2 = 7. 2Pm 2R / tn2 ? 7. 2PR / tn2 = v ? $v;E2 = $v /v = 1 /m 2; m 2 = vtn2 /7. 2PR; E2E2 为相对误差.由车速相对误差 E2 的表达式上可以看出,= 7. 2PR /vt

16、n2.车速的相对误差与的速度 v、n2 磁钢数及定时时间 t 成反比,的速度是一个变量, 当处于较高车速时候, 车速表的精确度越高, 反之越低, 为了让车速表的精度较高, 在保证安装和制造可行的前提下, 可以适当增加磁钢的个数, 同时在满足所需实时性的条件下尽量取较大的定时周期.415 软件算法数字仪表的软件是基于 NEC的 78K 0系列单片机进行设计的, 采用的是 NEC 公司的 KO 系列开发工具, 在设计中,考虑到每秒的发转速脉冲与车速脉冲的区别, 选用一个 16位的计数器来记录发转速脉冲,用一个 8位的计数器来车速的脉冲.5结语厦门理工学院的整车电器设置及数字式仪表系统设计如前所述.

17、 该在美国比赛过程中电气系统工作正常, 并且也取得中国高校参加此项赛事的最好成绩 (参加完所有的比赛项目,且每项都有成绩), 但不管是发电控系统、数字仪表还是紧急系统, 如何使之在各种环境下都能正常可靠地工作, 无疑是设计时需要考虑的主要问题.参考文献M . 北京: 机械工业 1 孙仁云. 2 潘永雄. 3 王知平.汽车电器与电子技术电子线路 CAD 实用, 2006.M . 西安: 西安电子科技大学, 2004., 2005.基于 89C51的转速测量系统设计 D . 南京: 东南大学E lectrical Layout and G auge Optim izationof FSAE Rac

18、e CarFANG Q iu, SU Jian-bin, HUANG Y ang, L IU Jing( D eparmt ent o fM echan ica l Eng ineer ing, X ianivers ity of T echno logy, X iam en 361024, China)A bstrac:t The e lectrica l layou t for FSA E race car is in troduced w ith specificat ion o f the m ajor alliances, aso lut ion is raised to m atch the eng ine ECU w ith them odified intake and exhaust system to mi prove the acce ler- at ing funct ion, and a design of d ig ital gauge system based on a NEC UPD 78F0883 M