Автор: Пользователь скрыл имя, 30 Августа 2011 в 23:37, дипломная работа
Целью дипломной работы является разработка такой микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар, которая обеспечит адаптацию света фар в соответствии с условиями движения автомобиля, к которым следует отнести – скорость движения, направление движения, положение кузова автомобиля относительно земли.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– рассмотреть особенности существующих современных систем и провести их сравнительный анализ;
– определить структуру системы в соответствии с заданием;
– разработать общий алгоритм работы системы;
– разработать алгоритмы обработки сигналов датчиков;
– разработать алгоритмы косвенных измерений скорости по положениям кузова автомобиля;
– выбрать базовый микропроцессорный комплект и элементную базу разрабатываемого устройства;
– разработать схему электрическую принципиальную устройства;
– рассчитать соотношения затрат и прибыли;
– выбрать метод для определения безубыточности реализации системы, в которой наступает окупаемость издержек и есть прибыль;
– провести системный анализ опасных и вредных;
– определить мероприятия по безопасности;
– разработать дерево отказов.
Введение……………………………………………………………………………6
1 Обзор по теме и определение структуры системы……………………………8
1.1 Общие сведения………………………………………………………………..8
1.2 Обзор современных датчиков, микроконтроллеров и других устройств..10
1.3 Определение структуры системы…………………………………………….18
2 Алгоритмы работы системы……………………………………………………..21
2.1 Основной алгоритм работы системы…………………………………………21
2.2 Алгоритмы обработки сигналов датчиков…………………………………..25
2.3 Алгоритм оценивания скорости по показаниям положений………………..26
3 Разработка схемы электрической принципиальной……………………………30
3.1 Выбор микроконтроллерного комплекта……………………………………30
3.2 Выбор датчика угла поворота рулевого колеса……………………………..38
3.3 Выбор датчиков углов поворота фар…………………………………………40
3.4 Выбор датчиков углов положения кузова…………………………………….40
3.5 Выбор датчика скорости……………………………………………………….43
3.6 Синтез принципиальной схемы………………………………………………..44
3.7 Программа генерации ШИМ сигнала………………………………………..49
4 Технико-экономическое обоснование работы…………………………………52
4.1 Анализ соотношения затрат и прибыли………………………………………52
4.2 Графический метод CVP-анализа……………………………………………..56
5 Безопасность и экологичность …….………………………………………….59
5.1 Системный анализ опасных и вредных факторов………………………….59
5.2 Разработка мероприятий по безопасности…………………………………..61
5.3 Технические мероприятия……………………………………………………62
5.4 Пожарная безопасность………………………………………………………63
5.5 Защита окружающей природной среды…………………………………….66
Заключение…………………………………………………………………………69
Список литературы………………………………………………………………..71
Приложение А. Список используемых сокращений…………………………….
4 Высокая разрешающая способность генератора скорости связи.
5 Поддержка формата передаваемых данных с 5, 6, 7, 8 или 9 битами данных и 1 или 2 стоп-битами.
6 Аппаратная генерация и проверка бита паритета (четность/нечетность).
7 Определение переполнения данных.
8 Определение ошибки в структуре посылки.
9Фильтрация шума с детектированием ложного старт-бита и цифровым ФНЧ.
10 Три раздельных прерывания по завершении передачи, освобождении регистра передаваемых данных и завершении приема.
11Режим многопроцессорной связи.
12 Режим удвоения скорости связи в асинхронном режиме.
Основные электрические характеристики ATmega128 представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Основные электрические характеристики ATmega128
|
Статические
характеристики микроконтроллеров ATmega128
представлены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Статические характеристики ATmega128
|
Для
проекта будет использован
Рисунок
3.1 – Внешний вид микроконтроллера
ATmega128
3.2
Выбор датчика угла поворота
рулевого колеса
Для измерения угла поворота рулевого колеса и угла поворота фар можно использовать датчики угла поворота одной из известных фирм Honeywell, использующие эффект Холла, что обеспечит точность измерений. Один из лучших моделей высокоточного бесконтактного датчика угла поворота датчик RPN1Al12 (рисунок 3.2), который представляет собой компактное законченное устройство в герметичном корпусе (IP67) со стандартным разъемным соединителем АМР и крепежными отверстиями, разработан специально для автомобильной техники [6],[7].
Рисунок 3.2 – Датчик RPNIAl12
Чувствительным элементом датчика является ось вращения диаметром 6 мм, выступающая из корпуса на 1О мм. На внутренней стороне осп закреплены 2 постоянных магнита, поле которых воздействует на специализированную интегральную матрицу элементов Холла. Ее функция преобразование угла поворота оси в постоянное напряжение.
Дополнительные встроенные схемы обеспечивают линеаризацию выходного сигнала, усиление и защиту от короткого замыкания по выходу и от смены полярности по линии питания. Диапазон измерения составляет от -90 до 90° (выходное U = 0,25 .. .4,75 В) с точностью ±0,5, при этом ось свободно вращается в диапазоне 360°. Нелинейность характеристики преобразования не превышает 2,5° [6],[7].
При установке данного датчика его на привод рулевого колеса стоит поставить "повышающий" редуктор, отношение диаметров ведущей шестерни (установлена на приводе рулевого колеса) к ведомой шестерни редуктора (приводящей в движение ось датчика) 1/4. Это необходимо сделать для того, чтоб расширить диапазон измерения датчиком угла поворота рулевого колеса. Тогда получим что датчик будет измерять угол от -360 до 360' и свободное вращение получится намного больше угла вращения рулевого колеса (в среднем на автомобиле современном руль перемещается на 3 оборота, это от -540 до 540·). Но точность измерения упадет до ±20. Это не будет недостатком, т.к. 2° поворота рулевого колеса величина незначительная.
3.3
Выбор датчиков углов поворота
фар
Для измерения угла поворота фар используются тот же датчик RPN1Al12. Он устанавливается к приводам фар непосредственно, без редуктора, измеряя угол поворота фар от –90 до 90°. Так же точность измерения поворота фар остается на уровне ±0,5 %.
Сигнал аналоговых датчиков угла поворота фар и рулевого колеса может изменять значение напряжения, как описано выше, от 0 до 4.5 Вольт.
Это
напряжение приходит непосредственно
на аналого-цифровой преобразователь,
встроенный в микропроцессор. Последний
имеет вход для опорного напряжения, уровень
которого должен быть равен максимальному
входному напряжению, то есть 4.5 В. При
присутствии на входе напряжения этого
уровня АЦП выдаст на выход наибольшую
кодовую комбинацию для текущей разрядности.
3.4
Выбор датчиков углов
В качестве датчиков положения кузова предлагается использовать магнитострикционные датчики, применение которых в автоэлектронике и промышленности обычно связано с предоставляемой ими возможностью детектирования значительных линейных перемещений. Данного типа датчики применяются для контроля подвески (положения кузова и колес), положения педалей акселератора и тормоза, сиденья, хода линейных двигателей рулевого управления и переключения коробки передач.
Магнитострикция — это свойство некоторых кристаллических, обычно ферримагнитных материалов, таких как железо, никель и кобальт, изменять размер и (или) форму при взаимодействии с внешним магнитным полем. Явление изменения размера и формы материала в магнитном поле представляет собой магнитострикционный эффект.
Поскольку приложение магнитного поля вызывает механическое напряжение, которое изменяет физические свойства магнитострикционного материала, существует и обратный магнитострикционному эффекту, называемый эффектом Виллари: приложение внешней силы, образующей напряжение в магнитострикционном материале (растяжение, кручение, изгиб), изменяет магнитные свойства (магнитную проницаемость) материала.
Стандартным выходным форматом сигнала абсолютного положения является пропорциональное аналоговое напряжение, но магнитострикционные преобразователи поддерживают многие другие типы выхода: постоянное напряжение, постоянный ток, ШИМ, цифровые импульсы старт-стоп, CANbus, Profibus, SSI, HART и другие. Стандартные выходы магнитострикционного датчика представлены на рисунке 3.3.
В данном проекте предлагается использовать датчик GSPR, представленный на рисунке 3.4.
Датчик обладает следующими характеристиками:
– выходной сигнал аналоговый от 0,1 до 4,9 В;
– статическая характеристика линейная;
– поддержка ШИМ-выхода;
– нелинейность 0,15 мм;
– повторяемость 25 мкм;
– напряжение питания 5 В;
– потребляемый ток 40 мА;
– рабочая температура от -40 до +75 градусов;
–
класс защиты IP40 (по заказу IP67).
Рисунок 3.3 – Стандартные выходные сигналы магнитострикционных датчиков положения
Рисунок 3.4 – Датчик CSPR семейства CSP MTS в металлическом корпусе с классом защиты IP67 для автомобиля
3.5
Выбор датчика скорости
В качестве датчика скорости используется штатный автомобильный датчик скорости, представленный на рисунке 3.5.
| Рисунок 3.5 – Датчик скорости автомобиля |
Датчик скорости автомобиля (ДСА) сконструирован по принципу эффекта Холла и выдает на контроллер частотно-импульсный сигнал. Частота сигнала прямо пропорциональна скорости движения автомобиля. Контроллер использует этот сигнал для управления работой двигателя на холостом ходу и посредством регулятора холостого хода, управляет подачей воздуха в обход дроссельной заслонки. ДСА выдает примерно 6004 импульса на каждый километр пройденного автомобилем пути. По временному интервалу между импульсами контроллер определяет скорость движения автомобиля. Кроме того, данный сигнал может использоваться спидометром установленным на панели приборов.
Импульсный
датчик скорости подключен к входу
таймера/счетчика микропроцессора. Это
облегчает программный расчет частоты
приходящих с него импульсов.
3.6
Синтез принципиальной схемы
устройства
Датчик скорости автомобиля подключается через входной делитель, собранный на резисторах R1, R2. Для фильтрации высокочастотных помех используется емкость С1. Далее импульсный сигнал следует на формирователь импульсов, собранный на микросхеме 133ТЛ1, которая формирует цифровые импульсы, поступающие на дискретный вход порта микроконтроллера. Чтобы защитить микросхему от перенапряжения используется диод VD1. Принципиальная схема устройства управления представлена на рисунке 3.6.
Сигналы с выключателей внешнего освещения и указателей поворота подключаются к портам микропроцессора также через делители напряжения R17, R18 и R19, R20, как и делитель R1, R2, они используются для преобразования напряжения на переключателях к уровню ТТЛ, (около 5В) для формирования логической «1». Сопротивления этих делителей рассчитываются по формулам:
, (3.1)
, (3.2)
, (3.3)
где U1 входное напряжение 12в, U2 выходное напряжение логического уровня 5В.
Уравнения (3.1) – (3.3) определяют соотношения для расчета трех сопротивлений. Остальные сопротивления вычисляются из требований по ограничению тока.
Максимальный
ток входа микропроцессора около
10 мА. Чтобы не перегружать вход микроконтроллера,
рассчитаем параметры делителя
Рисунок
3.6 – Принципиальная схема устройства
напряжения для рабочего тока 5мА. Тогда сопротивления R1, R17 и R19 определяются по формулам:
КОм, (3.4)
КОм, (3.5)
КОм, (3.6)
Соответственно, сопротивления R2, R18 и R20 находятся из соотношений (3.1) – (3.3):
КОм, (3.7)
КОм, (3.8)
КОм, (3.9)
Сопротивления выбираются из стандартного ряда. Наиболее близкое значение составляет 3,4 кОм.
Информация о работе Разработка микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар