专利名称：数字式车速表和发动机转速表的制作方法
数字式车速表和发动机转速表
现今汽车用车速表和发动机转速表，多使用力平衡原理制造的模拟仪表。这类 仪表由于结构等原因，使它存在受环境温度影响大、精度低、误差大、易损坏等缺陷。 其测量精确度和可靠性均较差。目前虽然已有数字式车速表，但很不普及。仅用于车速 测量和显示，而且，至今仍未见到数字式发动机转速表，更未见到两者均用数字式仪表 的配置。发动机转速仍旧使用旧式力平衡仪表。这使得数字式车速表仍然孤独的摆在在 驾车人眼皮底下，这一切不仅使数字表在结构上，原理上，甚至在外形上与周围很不协 调，这些原因甚至成为数字仪表推广应用的障碍。采用周期法，通过测量车轮和发动机 主轴的转动周期、使用数据库技术准确地计算出车速和发动机转速的相关数据，采用查 表法直接获得车速和发动机转速的显示数据。不仅使两块摆在数代驾车人面前的圆盘表 换了新貌，还使准确、直观地数字车速和转速表得以推广应用。同时也使里程累积得到 推广。
车轮转动一周，车辆行进的距离即车轮周长。车轮转动一周所用时间就是周 期。因此，车速等于车轮周长除以车轮转动周期，因为车轮周长固定不变。车速测量变 成了周期测量，周期是一个时间量。度量时间量同样须要有一把“尺子”，不同车速， 车轮的转动周期不同，若不同的周期，使用相同的“尺子”去度量，它们的不同就表现 为度量结果数量上的不同，所以把度量周期的“尺子”，称做“时间单位”是恰当的。
为了使用周期法获得车速。应当事先准备好必要的数据。首先须要准备好是车 速数据，使用数据库管理软件，把使用对象的车速。从l(km/h)开始至最高车速止的车 速数据。以lkm/h为间隔，划分为一定数量的等分，假如最高车速是166km/h，如此划 分后共有166个数据，创建一个数据库，按数据库管理规定存放这一笔数据并确定这笔 车速数据的字段名为KMH。已经有了车速数据，为了测得车速，必须要有不同车速下车 轮的转动周期。因为车速lkm/h = 0.277778m/s，若设车轮周长为L，与字段名KMH中 第1个车速(1)对应的车轮转动周期就是L/0.277778，令m = L/0.277778，则与第2个车 速Okm/h)对应的车轮转动周期，就是m/2，依此类推，同样使用数据库管理软件计算 出全部车速点下的车轮转动周期。将计算出的全部数据存放在数据库里。给这列车轮转 动周期数据的字段名起名为STP，粗看，这一列车轮转动周期似乎没有规律，但因为这 列数据都是由m/KMH所得，当使用最高车速值除以与它对应STP值并用Td代表计算的 结果，则Td就是“时间单位”。再用Td去除不同车速下车轮转动周期，得到了新的一 列数据，这列数据可以称为不同周期对“时间单位”的计数值，把这列数据的字段名叫 做ZQJ，显然，时间单位乘以计数值就是该速度下车轮转动周期，亦即STP = ZQJ*Td， 因此可以说，测得车转转动周期的计数值，也就有了瞬时车速，显然，通过单位换算， 可得以km/h为单位的习惯车速。把习惯车速的字段名称为XGV，至此，已有了建立 查表表格的全部数据，使用查表法，应先准备一个指针和一个标志位。查表从拿到周期 计数值开始。接着存放表格，表格数据应当分组存放第一组数据是库的第一个记录的 ZQJ字段；接着是同一记录的XGV字段；第二组数据是库的第二个记录的ZQJ字段，接 下去是同一记录的XGV字段；再接下去第三组是库的第三个记录ZQJ.....依次类推，直3至全部记录存放完毕。查表开始后。拿到的计数值首先与指针指出位置的计数值比较。 相同则它后边的习惯车速送显示即可，否则调整指针，进行下一个计数值比较。如此重 复，直至找到为止。不要忘记。找到了计数值，将其后之XGV送去显示后，应修改指 针，使指针指向下一次查找开始时，首先要比较的计数值的位置。查找方向标志，只在 第一次计数值比较后才设置。此后不再理睬。
还必须交待明白的是关于时间单位问题。按给出的计算时间单位的计算方法。 得到的时间单位一般是一个两位或三位数的微秒数值，即计算出来的时间单位是一个十 进制的几十到三百以内的一个数值，单位是微秒。在单片机内选一个定时/计数器，把 它设定为定时方式2，即可满足要求，它的重装常数，也应在上述范围内。
本申请的车速和发动机转速都采用周期法测得轮轴的转动周期后，进而得到车 速和发动机转速，关于由车轮转动周期得到车速。附
图1左侧标注Vl和V2的两个脉冲 信号，是由发动机主轴和车轮送来的位置脉冲。关于它们的产生方法见注释中注 1的说明，每当发动机主轴或车轮转动到一定位置时，会发出一个光电或磁电脉冲，若 把脉冲的第一次到达，看作轴或轮转动的开始，则脉冲第二次到达就是轴或轮已经转动 了完整一周，只要轮或轴在转动，每当转至一固定位置都会送出一个脉冲。位置脉冲经 过由LM311构成的整形电路整形为方泼，成为可以使用的控制信号，进入由Dll和D12 构成的双D触发器的测量控制电路，使Dll翻转。Dll同相输出端送出高电平，计数器 1的门GATEl被打开，开始计数，由中断程序送出的时间单位进入并开始计数，这个过 程一直持续到车轮转完一周为止。当车轮转完一周后，从8253的计数器1中取出结果还 原为计数值原码后。可以用它查得车速。这是圆周法获得车速的全过程。有关8253更 多资料请参阅参考资料1的P114的8253可编程定时/计数器扩展接口及其应用一节 内容。。
获得车速后要送出显示。附图2是车速和发动机转速显示部分芯片连接图。车 速和发动机转速显示最好采用较新的LCD。但申请人提出时套用了 MAX7219构成8位 LED数字显示电路。由于车速和转速加在一起恰需8位显示。就继续使用它，有关这种 芯片更多情况请参阅参考资料2中P52，那里有详细的说明。
发动机转速变化范围大，是转速测量的主要特点。发动机转速从怠速开始到最 高转速，转速变化在900至6300r之间，按照定义，转速r = 60/T。其中T为发动机主 轴的转动周期。实现转速数字化有两个方法，一是采用计算法。其过程大体是，从测得 周期开始，进而计算转速，但是，擅长于测控使用的单片机，其算术/逻辑运算(ALU) 部件仅能执行无符号二进制整数算术运算，它无法进行多位浮点数运算。获得转速的另 一个方法是使用查表法，象获得车速一样，先测得周期计数值，再查得转速送去显示。 但是，采用查表法首当其冲的问题是有必要保存从怠速到最高部转速的全部数据？申请 人曾进行调查，经询问驾驶员培训教师，它们认为转速表仅向初学开车者，提供进档的 转速依据，有人甚至认为，转速表用处不大，有没有都照样开车，但也有人认为，发动 机转速测量范围不能缩小，否则连发动机工作状况，都无法了接。据此，申请人认为两 种观点都有道理似乎都应顾及，转速范围应当保留，但转速显示内容可以删减，即无须 逐个测量和显示上述范围的全部转速，例如可以从怠速开始，每增加3个转速测量显示 一次。即从怠速开始至最高转速，每增加3个转速测量显示一个转速，既考虑了前者的意见，又尊重后者的观点，即按 900; 903 ； 906 ； 909 ； 912 ； 915 ； 918 ； 921 ； 924 ； 927。。。，直至最高转速的变化规律测量和显示转速。按照这一规律取舍，各方面意 见都得到满足。同时也压缩了数据量。这样，同样使用数据库软件，以转速为给定值 (自变量)，计算出从怠速至最高转速间所有转动周期。仿照处理车速问题时的方法， 建立一个数据库，并给每个字段命名，得到一个可以容纳全部转速的数据库，把上面提 到的数据全部存放在这个库里，再仔细研究库的内容，这样做使得总数据量要比原计划 内容减少了 2/3，原先仅转速数据共有6300-900 = 5400个记录，按新的方法总记录数减 少为1801个记录。仔细研究这些记录的数据可以发现，在低转速端，转速和周期尚能 保持一一对应关系，随着转速的增高对应关系变得越来越差，当转速增大时，对应关系 越来越不能接受，当使用一个小常数k(k= 0.000004)，并以计算得来得周期值除以k常 数后，上述不对称现象消失。这里的k值，就是前面说到的时间因子，可以通过核验证 明，再k值增大(如k = 0.00004)时，不对应现象愈加严重，k值减小(如k = 0.000003) 时，一一对应关系变得更加明朗。从这里可以看出。使用类似的办法，就使得查表变得 容易实现。明显了对应关系。把k值看作时间量，k = 0.000004，即k表示4微妙，计 算所德周期值除以k所得地商，实质上就是周期对时间因子的。或者说计数值乘以时间 因子等于周期。这句话是查表的依据。葱数据库中可以看到，周期值是十进制小数，查 找和比较困难，有了计数值查找变的方便多了。另一方面，车速测量与发动机转动周期 测量是先后进行，它们工作进程，时间上互相影响，周期测量时局上，不能节省，查找 速度和查找方法上。应当是可以节省时间的。
使用定时/计数器同样产生“时间因子”，建立表格是计算得来周期，周期除 以“时间因子”得到计数值，反其道而行之，由一个定时/计数器和重装常数确定时间 因子大小，再打开计数门将时间因子存入计数器得到计数值。相乘得到周期。发动机主 轴转动周期测量时，CPUl的P1.2送出1，使周期测量具倍开始工作条件当位置脉冲来到 后，V2的上升沿使D21翻转。计数该脉冲开始进入计数。待发动机主轴转动完整一周 后，也就是引脚P1.4读到1后，取出8253的计数器2的内容还原为原码后供查表用，其 它与车速测量相同。
可以看出，“时间因子”和“时间单位” 二者不同，前者的目的纯粹是调整 转速和周期成一一对应关系，只要达到周期计数值与转速一一对应的目的，时间因子可 以不止一个，可以有不同时间因子，可以根据需要选择使用。车速问题中的“时间单 位”就不同了，它不仅与车轮周长有关，也与最高车速有关，只要车轮周长和最高车速 确定，“时间单位”也就被唯一确定。
本申请的第三项内容是利用车轮位置脉冲VI，对车辆的行驶里程进行计数，为 此须事先计算出车辆行驶一个单位里程(例如lkm)，车轮的转动圈数，将其存入计数器 0，并用一个引脚打开计数器0的控制门GATE0，使从CLKO进入脉冲可以进入计数器0 计数。这样Vl每来一次计数器0减1，直至减至0产生中断，中断程序被起动，在执行 中断程序时，累加器跳加一个字，同时把单位里程值送计数器0，准备下一次跳字。已 经说明累积器共有两只，其中一只是行驶总里程(不清零)，另一只是目的地里程累积。 开车前清零
到达目的地后，可直接读得行驶里程。
注释
参考资料
1北京航空航天大学出版社出版、由何立民编著的《单片机应用系统设计一系统 配置与接口技术》(1990年第1版，1995年第7次印刷)。
2北京航空航天大学出版，公茂法马宝甫孙晨等编著《单片机人机接口实例 集》。
3东南大学出版社，孙育才编《单片微型计算机及其应用》。1990年3月第2 版。
注1在欲测量转动周期的主轴上(驱动车轮的主轴或发动机输出轴)，固定 一片圆盘，使主轴转动时圆盘可随同转动，主轴圆盘周边上开一个缺口，在缺口一侧放 有一只红外发光管，另一侧对应位置是红外接收管，圆盘开口转过时，红外光会因无遮 挡而被接收管接收，由于瞬间导通或关断而发出一束光电脉冲.另外，也可在元盘上安装 一块磁铁，使得元盘转动时磁力线恰可以切割电场，产生一个感应电动势，这样的脉冲 应能满足需要。
权利要求
1.使用数据库技术算出构建表格所需要的数据。其特征是把车速从1(km/h)起到 最高车速止，以lkm/h为间隔，划分为若干分隔点，分隔点就是速度点，求出在各速度 点车轮的转动周期。每个速度点都有各自的周期值。
2.确定出“时间单位”。其特征是时间单位等于最高车速下车轮转动周期除以最 高车速的商。车速测量仅一个“时间单位”。
3.求出各速度点的“计数值”。其特征是以权利要求1所求得的各速度点的周期 各除以权利要求2所得的“时间单位”，即得到各速度点的“计数值”(每个速度点各 有一个计数值)。
4.根据以上所得即可建立查表表格。其特征是车轮转动周期=“计数值”乘以“时间单位”瞬时速度=车轮周长/车轮转动周期。瞬时速度经换算可得习惯使用速度值。建表的计数值由计算得到，查表时计数值由测量得到，务必使二者数据制式相同。
5.求得发动机转速和周期数据，建立周期和转速的一一对应关系。是使查表可以顺 利进行的关键。其特征是选择合适的时间因子。
全文摘要
采用数据库管理软件。把使用对象的车速从1开始至最高车速止，以1km/h为间隔，划分为若干等分，分隔点即车速点。计算出各速度点下的车轮转动周期。以车轮周长除以该车速点m/s制单位的车速值，其中最高车速下车轮的转动周期除以以km/h为单位的最高车速得商Td。称做这一系统的“时间单位”。各速度点车轮转动周期除以Td所得的商，称为该速度下车轮转动周期对Td的计数值(存库)。选一定时/计数器，设置为定时方式2，用它生成时间单位，计录时间单位的数量，用计数值查取车速。发动机转速数字表大体按此处理，但采用间隔测量压缩数据，使用“时间因子”建立转速与周期对应关系，方便查表。
文档编号G01P3/42GK102023228SQ20091017323
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者张凤石 申请人:张凤石