摘 要:提出一种以8031单片机为基础的汽车速度实时数字检测方法。此方法利用8031片内所带的可编程定时/计数器和I/O口,采用了改进的多倍周期测速法,合理地解决了测速系统测量时间与测量精度之间的矛盾,使得测速系统能够在规定的测量时间内提供尽量高精度的速度测量。
0 引言
据不完全统计,每100例行车事故中由于超速行使造成的占60%以上。普通的测速仅仅是一块转速表,无超速报警功能。为了解决这一常规仪表的弊端,本文利用单片机实现了转速的实时测量,并具有超速报警功能。本文通过推导多倍周期法的测量误差算式,得出了一种有效的确定多倍周期法中周期倍数N的方法,使之在高、低速测量时均有很小的误差。本设计硬件结构设计简单,测量速度快,精度高,运行可靠,取得了满意的测量效果。
通常对于汽车转速的测量可转化为对信号频率(或周期)的检测,对信号频率的检测最常采用的三种方法是:记数法、周期法和多倍周期法。其中记数法适合测高频,测低频时所需时间较长故误差较大;周期法适合测低频,测高频信号时要求的参考脉冲的频率高故误差大;这两种方法共同的优点是实现比较简单。而多倍周期法在一定程度上可以解决高低频之间的矛盾,但实现相对困难。因为多倍周期法要预先确定一个恰当的倍数N,而N的预先确定是比较困难的。如果N确定的不当,同样会使检测的时间增长或高频时有较大的误差。在实际设计中,本文对多倍周期法进行了一定的改进,并提出了一个简单确定N的算法,即可自动地确定恰当的N,又可满足高低频信号的检测要求。
1 系统整体设计
如图1所示,在汽车转轴的表面装一片反光片。当转轴旋转时,如有光照在反光片上,就会有光反射到光敏三级管上,A点为低电平,反之为高电平。因此,当物体在不停旋转时,A点的信号通过整形电路和电平转换以后,在B点得到如图2的波形,其中T为信号的周期, f为信号的频率。而C点为B点经过分频后的信号,其接入8031单片机系统的中断端。如果假设转动物体的转速为n,则T、f与n有如下的关系:
2 系统实现
2.1 检测方法和误差处理
多倍周期法由周期法改进而来,周期法在测量信号的周期T时,由一个固定频率的参考脉冲作为加法计数器的时钟信号。在被测信号一个周期的开始启动加法计数器;然后,到这个周期的结束停止计数,假设这时候计数器的值为M,参考脉冲的周期为TM,则M、TM与被测信号周期T有如下的关系:
这样就得到了为什么周期法适合于测量低频信号的原因。从误差关系式可看出,当n大时,f大,而M值小,则误差α大;当n小时,f小,而M值大,则误差α小。另外,从上式也可得到减少误差α的两个方法:一个是增加TM;另一个是增加M。对于一台确定的检测仪而言,TM是一个固定的常数,要增加不方便。这样只有增加M值。但是,对于一个转速n,一个周期内的M也是一个相对固定的值。因此,要增加M值就只有增加检测的周期数;即由一个周期内的测量扩大到多个周期的测量。如果假设N个周期内的计数器的为MN,则有:
可见这两式是相互矛盾的。要减少误差就必须增加N,而这时测量时间就相应增加;要减少测量时间就要减少N,而这时的误差就相应增加。显然,要预先确定一个恰当的N值是比较困难的。因为,对于一个转速就要找一个合适的N值;当检测范围为n时就要预先确定无数个恰当的N值,这显然是比较困难的。
由此本文从另外一个角度来确定N值。对于一个计数器而言,它的位数是有限的。假设为P位。这样,N个周期能达到
2. 2 测速算法实现
本文采用8031单片机实现汽车转速测量系统,如图1中所示我们将由分频器输出的C点信号接入8031单片机的端INT1端。利用定时器1的定时和INT1的中断功能来确定MN和N,此时定时器的值MN均达到216-1,算法实现如下:
2. 3 测速系统实现程序
1)初始化程序GZDP:初始化定时器1和INT1,且清显示缓冲区30H~33H,转显示程序。
2)显示程序XIAN:将显示缓冲区30H~33H单元送8279芯片显示。
3)定时器1的中断服务程序CTC1:定时器1每溢出一次就产生一次中断。每次中断有(23H)←(23H)+ 1,即:W =W +1。
4) INT1的中断服务程序INT1:进入中断程序后,首先判断是否是计数功能,是则对中断次数进行计数,并将结果转换成BCD码,送显示缓冲区,再中断返回。如果不是计数功能,则有(24H)←(24H)+ 1,即N =N +1。然后按算法计算n,转换成BCD码后送30H~33H单元,还要将24H单元置1, 23H单元和TH1、TL1清0,最后中断返回。
3 结语
本文针对汽车控制系统在测速方面的安全和实际要求,提出了一种有效确定多倍周期倍数N的方法,并通过8031单片机实现了该方法。经过对测速系统的误差分析,论证了该方法的可行性和实用性,实现的汽车测速系统较好地达到了设计的要求。同时在具体测试和使用过程中又对本设计方案提出了一些改进和进一步提高的设想,比如在测速系统中引入“黑匣子”功能,即能对即时速度进行存储,当汽车发生意外事故时能保存事故发生时的车速,给事故鉴定提供准确的材料,象这些设想都为本设计提供了改进和提高的方向,有待于今后进一步研究实现。
参考文献:
[1] 赵战克,熊红云,鲁五一.单片机在移频信号频率检测中的应用[J].微计算机信息, 2004, (2).
[2] 陈敏.高精度转速表设计[J].仪表技术与传感器, 2001, (12).
