Показания спидометра автомобиля источник приемник
Цифровой спидометр автомобиля на основе GLCD
Индикаторы в приборной доске автомобиля всегда играли и играют важную роль в отображении важных показателей состояния средства передвижения. Одним из важных и устанавливаемых на всех автомобилях является спидометр – прибор для отображения скорости передвижения автомобиля.
Автомобильные спидометры, устанавливаемые при производстве современных автомобилей, обладают весьма привлекательным внешним видом, четко и ярко отображают показания в темное время суток. Но что делать тем, у кого автомобиль старого производства, а спидометр оставляет желать лучшего в плане восприятия отображаемой информации?
Ответ прост – купить готовый, но только для тех, кто не увлекается электроникой и не любит сделать что-то своими руками. Именно поэтому, я решил собрать цифровой спидометр на замену штатному в автомобиле ВАЗ 2106 друга-автолюбителя.
Описание прибора
Так как хотелось, чтобы прибор был современным и выглядел красиво, то было принято решение использовать современную элементную базу и графический дисплей для отображения информации.
После тщательного и долгого просмотра статей в интернете были выбраны для использования следующие основные компоненты:
Микроконтроллер PIC18F2550 SOIC – «сердце» спидометра, выполняющее весь необходимый функционал.
Стабилизатор напряжения LM317 – регулируемый стабилизатор напряжения, который настроен на 10,5В, питает подсветку графического индикатора и стабилизатор напряжения, питающий логическую схему спидометра.
Стабилизатор напряжения L1117 – стабилизатор напряжения с фиксированным напряжением 3,3В, питающий логическую схему спидометра.
Графический LCD от телефона Siemens S65 (LS020) – используется для отображения всей информации, предоставляемой микроконтроллером.
Подробный список компонентов представлен в файлах проекта платы и схемы принципиальной электрической в формате программы Diptrace.
Функционал спидометра
При проектировании устройства захотелось добавить дополнительные функции, которые были бы интересны для автомобилиста, и которых не было в штатном спидометре:
Отображение напряжения бортовой сети автомобиля
Отображение ускорения автомобиля
Отображение времени разгона автомобиля с 0 до 100 км/ч
Спидометр способен показывать:
Скорость в диапазоне от 0 до 255 км/ч с точностью до 1 км/ч
Напряжение бортовой сети от 0 до 16В с точностью до 0,01В
Ускорение автомобиля от 0 до 255 м/с 2 с точностью до 0,01 м/с 2
Время разгона автомобиля до 100 км/ч от 0 до 255 с с точностью 0,1 с
Спидометр питается от бортовой сети автомобиля 12В
Работа спидометра
Для получения сведений о скорости автомобиля в коробку передач был установлен датчик скорости от автомобиля ВАЗ 2110, который сконструирован по принципу эффекта Холла и предназначен для преобразования частоты вращения приводного вала в частоту электрических импульсов.
Датчик скорости непосредственно подключен к плате спидометра. Для подключения датчика к спидометру необходимо правильно ориентировать контакты:
Датчик выдает 6 импульсов на один пройденный метр пути.
Сигнал от датчика является цифровым и имеет форму импульсов, что позволяет нам подсчитывать эти импульсы за равные промежутки времени.
Подсчет импульсов основан на том, что сигнал от датчика скорости приходит на порт микроконтроллера, настроенный на работу внешнего прерывания. В обработчике внешнего прерывания подсчитывается количество импульсов равное количеству прерываний за определенный промежуток времени, который отсчитывается внутренним таймером микроконтроллера.
Сам микроконтроллер работает на 48 МГц от кварцевого резонатора на 20 МГц. Такой мощный контроллер и запущен на такой высокой тактовой частоте не случайно. Для быстрого отображения информации на графическом LCD необходимо быстро выводить информацию, для чего и был выбран микроконтроллер PIC18F2550.
Вычисленная скорость отображается на графическом LCD.
Исходя из вычисленной текущей скорости, рассчитываются и другие показатели, такие как ускорение и время разгона до 100 км/ч, также отображаемые на графическом LCD.
Напряжение питания бортовой сети подается на АЦП микроконтроллера через делитель, чтобы напряжение, подводимое к контакту микроконтроллера, не превышало напряжение питания (3,3В). Напряжение измеряется через равные промежутки времени, отмеряемое одним из таймеров микроконтроллера. Измеряемое напряжение обрабатывается и выводится на графический LCD.
Таким образом, мы получаем на экране цифрового спидометра полную информацию о характере движения автомобиля, а также дополнительную информацию о состоянии аккумулятора.
Схема спидометра
Программа микроконтроллера
Программа микроконтроллера написана на языке CCS PICC. Для создания проекта программы микроконтроллера использовалась среда разработки MPLAB 8.66.
Корпус и установка
Плата спидометра выполнена из двустороннего фольгированного текстолита. Обе стороны соединены между собой переходными отверстиями.
Фото платы цифрового спидометра с двух сторон:
Плата с экраном были установлены в корпус штатного спидометра автомобиля ВАЗ 2106. Корпус штатного спидометра с платой цифрового спидометра был установлен в приборную панель на свое место.
Ниже показаны фото установленного цифрового спидометра в автомобиле.
Благодарности
Выражаю благодарность пользователям форума eletronix.ru за предоставленную информацию о работе с LCD Siemens S65.
Используемая литература
Описание микроконтроллера Microchip PIC18F2550
Паспорт датчика скорости Ваз 2110
Help языка CCS PICC
Embedded C programming and the Microchip PIC – Richard Barnett, Larry O’cull, Sarah Cox, 2004
Using_the_Siemens_S65_Display.pdf by Christian Kranz, 2005
Скачать прошивку и печатную плату вы можете ниже
Home  Автоэлектроника Автомобильные спидометры и тахометры устройство и принцип действия |
Автомобильные спидометры и тахометры устройство и принцип действия
Спидометры разделяют по принципу действия на магнитно-индукционные и электрические; по способу привода — с приводом гибким валом и с электроприводом.
Спидометр состоит из двух функциональных узлов, объединенных в одном корпусе и имеющих общий привод. Один из этих узлов, преобразующий частоту вращения входного вала привода или сигнал от датчика в показания скорости на шкале, называют скоростным узлом (собственно спидометр). Другой узел, преобразующий частоту вращения входного вала или иной сигнал от датчика в показания пробега автомобиля на счетных барабанчиках, называют счетным узлом.
В тех случаях, когда на автомобиле необходимо контролировать частоту вращения коленчатого вала двигателя, применяют также тахометр. С целью унификации производства в тахометрах обычно используют скоростной узел спидометра. Привод тахометра присоединяют к распределительному валу двигателя или специальному выводу от него.
Для привода спидометров и тахометров применяют гибкие валы, если длина их троса не превышает 3,55 мм. При большей длине троса рекомендуется применять спидометр с электроприводом (или электрический спидометр), так как при длинном гибком вале наблюдаются колебания стрелки спидометра из-за скручивания вала.
Принцип действия магнитоиндукционных скоростных узлов автомобильных спидометров
Принцип действия магнитоиндукционных скоростных узлов всех спидометров с приводом от гибкого вала или с электроприводом одинаковый, но они отличаются конструктивным исполнением.
Рис. 2. Скоростной и счетный узлы спидометра: а — схема магнитоиндукционного скоростного узла; б — схема привода счетного узла
Рассмотрим схему наиболее распространенной конструкции скоростного узла — магнитоиндукционного или, как его иногда называют, магнитовихревого (рис. 2, а). Магнит 2 закреплен на приводном валике 1 прибора. Оба полюса или несколько пар полюсов магнита расположены по периферии диска. На оси 6, свободно вращающейся в двух подшипниках, закреплена деталь 3 из немагнитного материала (например алюминия), называемая картушкой. Снаружи ее с некоторым зазором размещен экран 4 из магнитомягкого материала (обычно сталь Ст10), который концентрирует магнитное поле. При вращении магнита 2 его поле наводит в теле картушки вихревые токи, создающие магнитное поле картушки. При взаимодействии поля магнита и поля картушки возникает крутящий момент, стремящийся повернуть картушку в направлении вращения магнита. Повороту оси картушки препятствует спиральная пружина-волосок 5, создающая противодействующий момент, значение которого пропорционально углу поворота. Угол поворота картушки пропорционален только окружной скорости полюсов магнита, т. е. смещение стрелки 8 спидометра пропорционально частоте вращения магнита. Следовательно, зависимость показаний спидометра от скорости автомобиля линейна, и шкала спидометра 7 равномерна.
Все спидометры имеют на приводном валике однозаходный червяк, от которого приводится в действие счетный узел. Принцип действия счетных узлов всех отечественных спидометров одинаков, однако по конструкции их разделяют на два вида: с внешним зацеплением и с внутренним зацеплением счетных барабанчиков.
В автомобильном спидометре между входным валиком 13 (рис. 2, б) и начальным барабанчиком 12 счетного узла применяют три понижающие червячные передачи 9, 10, 11 с общим передаточным числом 624. Спидометры для автомобилей ВАЗ имеют передаточное число 1000.
Между входным валиком спидометра и начальным барабанчиком установлена жесткая связь, поэтому точность показаний пробега автомобиля зависит от правильности расчета передаточного числа редуктора спидометра и состояния шин автомобиля.
Рис. 3. Характеристика скоростного узла спидометра: u — скорость движения автомобиля; u’ — скорость по шкале спидометра.
Скоростной узел спидометра при изготовлении регулируют изменением натяжения пружины-волоска 5 и степени намагниченности магнита 2. Регулировка натяжения волоска дает параллельный сдвиг характеристики скоростного узла спидометра вверх или вниз (рис. 3, линия 2). При намагничивании магнита изменяется наклон характеристики, она идет более круто (рис. 3, линия 1). Варьируя обеими регулировками, добиваются попадания характеристики спидометра или ее контрольных точек (20 и 80 км/ч) в зону I, предусмотренную ГОСТ.
К ведомому валу коробки передач автомобиля подсоединен редуктор 14 (см. рис. 2) привода спидометра, передаточное число iс которого выбирают в зависимости от передаточного числа irп главной передачи и радиуса качения колеса автомобиля.
Если за 1 км пути входной валик спидометра должен сделать 624 оборота, а колесо за это время делает 1000/(2πrк) (где rк — радиус качения колеса) оборотов, то
Отсюда расчетное передаточное число редуктора спидометра 
где rк — в м.
Погрешность измерения пройденного пути зависит не только от точности выбора передаточного числа редуктора спидометра, но и от отклонения действительного радиуса качения колеса от расчетного из-за износа протектора, изменения давления воздуха в шинах, нагрузки на колеса, пробуксовки колес, неровностей дороги и т. д. Погрешность, вызываемая этими факторами, составляет 10—15 % общего пробега. У автомобилей, движущихся значительную часть времени задним ходом (в карьерах), пробег, учитываемый счетным узлом, может быть сильно занижен вследствие сброса показаний при движении назад. Поэтому некоторые спидометры имеют специальный привод счетного узла, обеспечивающий суммирование показаний при движении в любом направлении (спидометр СП 125, установленный на автомобиле БелАЗ).
На автомобилях КамАЗ, МАЗ, КрАЗ и других установлен спидометр с бесконтактным электроприводом, состоящий из датчика I (МЭ307) и приемника II (12.3802), электрическая схема которых приведена на рисунке 4.
Рис. 4 Электрическая схема спидометра.
Датчик МЭ307 представляет собой электрический трехфазный генератор с ротором в виде четырехполюсного постоянного магнита, вращение которому передается от ведомого вала коробки передач через передачу привода спидометра, состоящего из червячной пары и сменной пары цилиндрических прямозубых зубчатых колес. Статор датчика имеет три обмотки L1’—L3′, расположенные между собой под углом 120° и соединенные звездой.
Приемник 12.3802 магнитоиндукционный с электрическим приводом состоит из четырех узлов, объединенных в одном кожухе: скоростного и счетного узлов обычной для спидометров конструкции, синхронного электродвигателя и электронного блока. Скоростной и счетный узлы соединены с ротором синхронного электродвигателя. Электродвигатель питается от электронного блока, собранного на печатной плате и состоящего из транзисторов VT1—VT3 и резисторов R1—R6.
Статор электродвигателя состоит из трех обмоток L1’—L3′, каждая из которых имеет 2300 ± 10 витков и сопротивление 220 Ом.
При вращении ротора датчика его магнитное поле создает в обмотках катушек L1’—L3′ статора датчика ЭДС, частота импульсов которой пропорциональна частоте вращения ротора.
Индуктируемый положительный импульс ЭДС (например, в обмотке L1′ датчика) открывает транзистор VT1 приемника и к обмотке L1 электродвигателя начинает поступать ток с вывода «+» и далее через транзистор VT1 на массу приемника. Положительные импульсы ЭДС поступают от датчика через каждые 120° поворота его ротора, что создает в обмотках статора электродвигателя вращающееся магнитное поле, частота вращения которого равна частоте вращения ротора датчика. Резисторы R1—R6 служат для ускорения запирания транзисторов и снижения ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотках электродвигателя при запирании транзистора.
Тахометр с электроприводом (рисунок 5), применяемый на автомобилях КамАЗ, ЗИЛ-133ГЯ и других, состоит из датчика I (МЭ307) и приемника II (121.3813).
Рис. 5 Электрическая схема тахометра электроприводом.
Принцип действия приемника 121.3813 аналогичен принципу действия приемника 12.3802, однако в нем отсутствует счетный узел и изменена шкала. Датчик тахометра МЭ307 приводится во вращение от вала привода топливного насоса. Диоды VD1-VD6, стабилитрон VD7 и резистор R7 служат в схеме приемника для той же цели, что и резисторы R1-R6 в схеме приемника спидометра, т. е. снижают ЭДС самоиндукции в обмотках двигателя приемника при запирании транзисторов в обмотках фаз. Дополнительный вывод при установке тахометра предназначен для подключения реле блокировки стартера, которое при работающем двигателе исключает возможность включения стартера, предотвращая тем самым поломку привода стартера, а также автоматически отключает автомобильный стартер, когда двигатель начал работать, что значительно повышает ресурс стартера.
Принцип действия автомобильного электронного тахометра
Принцип действия электронного тахометра ТХ193 (автомобиль BA3-2103) основан на преобразовании импульсов, возникающих в первичной цепи системы зажигания при размыкании контактов прерывателя, и измерении их магнитоэлектрическим прибором.
Рис. 6. Электрическая схема тахометра ТХ193.
Тахометр (принципиальная схема на рисунке выше) состоит из блоков: блока формирования запускающих импульсов, блока формирования измерительных импульсов (мультивибратора) и измерительного прибора Р. Функции блока формирования запускающих импульсов выполняет фильтр, состоящий из трех звеньев: R1-С1; R2-С2 и СЗ-С4. Этот фильтр выделяет из выходного сигнала в форме затухающей синусоиды импульс определенных длительности и формы, который затем подается как запускающий на одностабильный мультивибратор. Он предназначен для получения импульсов тока прямоугольной формы с постоянной амплитудой и длительностью, частота которых определяется частотой входного сигнала.
В исходном устойчивом состоянии транзистор VT4 открыт под действием силы тока, протекающего через резистор R10, а конденсатор С5 заряжен. Напряжение на коллекторе этого транзистора мало, а падение напряжения на резисторе за счет силы тока эмиттера значительно. Поэтому ток в цепи коллектора транзистора VT2 отсутствует. Положительный запускающий импульс, подаваемый на базу транзистора VT2, открывает его, и конденсатор С5 разряжается по цепи эмиттер—коллектор транзистора VT2 — резистор R10. При этом транзистор VT4 переходит в закрытое состояние, и пока конденсатор С5 не разрядится, остается закрытым, так как к его базе приложен отрицательный потенциал. Транзистор VT2 в этом случае открыт под действием силы тока, протекающего по цепи R9-R8. При открытом состоянии транзистора VT2 через измерительный прибор Р проходит импульс, длительность которого определяется параметрами разрядной цепи конденсатора С5 (в основном цепи R10 C5). После разряда конденсатора С5 мультивибратор скачкообразно переходит в исходное устойчивое состояние до поступления нового запускающего импульса.
Частота импульсов, подаваемых мультивибратором на измерительный прибор, равна частоте срабатывания прерывателя, а время разряда конденсатора выбирается меньшим, чем время между последовательными размыканиями контактов прерывателя при максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Измерительный прибор, таким образом, показывает силу среднего эффективного тока Iэф, которая пропорциональна частоте импульсов одностабильного мультивибратора. Резистором R7 регулируют при настройке тахометра амплитуду импульса, подаваемого мультивибратором. Резистор R3 выполняет роль компенсатора температурной погрешности прибора. Диод VD3 служит для защиты транзистора VT2.
Измерительный прибор Р—магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой, отклонение стрелки на угол 270° при силе тока 10 мА, сопротивление рамки прибора 160 Ом. Для стабилизации напряжения питания прибора установлен стабилитрон VD5, что исключает погрешность показаний при повышении напряжения в бортовой сети автомобиля.
Устройство автомобиля –
«Верить ли спидометру?»
Максимальная скорость и время разгона до 100 км/ч – на эти параметры обращают внимание большинство покупателей автомобилей. Но знают ли они, что обозначенные цифры практически всегда расходятся с реальностью?
Советским автомобилистам рекомендовалось периодически самим, на практике, проверять время разгона. Для чего? Ухудшение динамики указывало на износ двигателя. Если настройка систем питания и зажигания не помогала, следовал вывод – мотору пора в ремонт. Проверку проводили на свободном, ровном и прямом участке шоссе, желательно в сухую погоду: совершали заезды на определенную дистанцию в обоих направлениях, замеряли время секундомером и сравнивали его с паспортными данными машины.
Узаконенная ошибка
В сравнении с заводскими испытаниями на максимальную скорость и разгон до 100 км/ч эта методика была примитивной. В результате своих тестов автовладелец мог получить лишь «среднепотолочные» цифры. Особенно с учетом того, что спидометры всегда – и раньше, и сейчас – выдают показания с погрешностью, причем изначально заложенную в их конструкцию.
Зачем нужно выпускать заведомо «неправильные» спидометры? Чтобы исключить возможность начисления неоправданных штрафов за превышение. Ведь измерять скорость проще, чем ее соблюдать. Вести машину, поддерживая скорость с точностью до 1 км/ч, было бы крайне трудно, к тому же пришлось бы непрерывно наблюдать за показаниями спидометра, отвлекаясь от дороги. Обращаться с педалью «газа» в таком случае следовало бы поистине ювелирно, да и сама педаль, как, собственно, и дозировка топлива, потребовали бы очень тонкой настройки. А дорожные и погодные условия должны были бы всегда и везде оказываться идеальными.
Возможно, это дело будущего, но сейчас автопроизводителям дан карт-бланш на выбор погрешности спидометра. Она лишь должна соответствовать Правилу ЕЭК ООН № 39 и (для нашей страны) ГОСТу Р41.39-99. Главное требование этих документов состоит в том, что автомобильный спидометр «имеет право» либо завышать истинную скорость, либо максимально точно индицировать ее, но ни в коем случае не занижать. Допустимая величина погрешности должна составлять не более 10% + 4 км/ч.
В этом случае водитель получает определенный «запас», благодаря которому соблюдает установленные скоростные режимы. Если где то допустимо движение со скоростью 90 км/ч, то нахождение стрелки спидометра на этой отметке гарантирует, что данное ограничение будет соблюдено. Точно так же мы устанавливаем домашние или наручные часы на несколько минут вперед, чтобы подстраховаться от опозданий.
Разумеется, речь идет об исправных приборах, а также связанных с ними систем автомобиля. На советских моделях стрелка спидометра приводилась в движение с помощью механического привода – тросика, связанного через пару пластмассовых шестеренок с валом коробки передач. Привод изнашивался, стрелка начинала прыгать по шкале, затем бессильно падала. Неискушенных водителей это, конечно же, обескураживало, тем более что ездить, не контролируя скорость, крайне непривычно (да и запрещено). А вот профессионалы знали, что замена привода – операция минутная и совсем не затратная: устройство для «Москвича-2141» стоило не дороже лампочки для фары.
Не точнее механики
Сегодня спидометрами управляет электроника, и справиться с потенциальными неприятностями куда сложнее. Во время одного из тестов мне довелось столкнуться с ситуацией, когда на автомобиле на ходу вдруг погасла вся электронная панель приборов! Сбой продолжался меньше минуты, затем все приборы появились и продолжили работать как ни в чем не бывало. В дороге с такой неисправностью «вручную» не сладить, тут отверткой и автотестером не обойдешься.
Впрочем, зачастую даже высокотехнологичная электроника оказывается надежнее механики. В 1970-х выпускалась модель Fiat Tipo, одна из первых в мире получившая «цифровой» спидометр с жидкокристаллической индикацией. Охочие до иномарок россияне тогда опасались покупать эту модель с пробегом – вдруг сломается «приборка»? Как показала практика, у Tipo было полно других слабых мест, а электронная панель оказалась на удивление «живучей».
Сейчас спидометры с цифровой индикацией широко распространены, они есть и на бюджетных моделях. Но их показания не точнее показаний стрелочных приборов, поскольку справедливы те же погрешности. Имеет ли смысл наблюдать прирост или убавление скорости по одному километру в час? Конечно, нет, но это просто увлекательно и по-своему красиво. Некоторые производители устанавливают на свои автомобили приборные панели с потрясающей компьютерной графикой: шкалы могут менять цвет с экологичного зеленого на благородный серо-серебристый или спортивный красный. С другой стороны, на премиальных моделях именно «живые» стрелки считаются признаком особого шика – это как механические швейцарские часы.
Полезную информацию о скорости может дать бортовой компьютер. Не раз приходилось убеждаться: установишь круиз-контроль на значение, предположим, 110 км/ч, а в конце определенного отрезка пути борткомпьютер выдает среднюю скорость всего 105, а то и 102 км/ч в зависимости от модели машины. Наиболее точными в этом плане оказались приборы Hyundai H-1 и УАЗ «Патриот».
Особенностью «Патриота», в частности, стала и удивительная «близость» скорости, индицируемой спидометром и системой навигации. Расхождение составило всего 1–2 км/ч, в то время как на большинстве машин цифры на спидометре отстают от цифр на экране навигатора на 6–8 км/ч. Кстати, навигационные приборы – отличные помощники в деле определения истинной скорости автомобиля, их показания намного ближе к эталону. Погрешность спутниковых измерений крайне незначительна и не зависит, как полагают некоторые, от рельефа местности.
Сторонние «наблюдатели»
Если вам лишь изредка требуется навигатор, покупать его нет смысла, просто загрузите соответствующую программу в свой смартфон, и, как говорится, будет вам счастье. Правда, данная функция активно поглощает интернет-трафик, помните об этом, особенно в путешествиях за границей. Но существуют программы для смартфонов, позволяющие отслеживать скорость машины, время в пути, планировать маршруты и выполнять другие функции без подключения к Интернету. Я загрузил два таких приложения в девайс и проверил их. Во время поездки на KIA Cerato скорость на стороннем GPS-навигаторе примерно на 6–7 км/ч «отставала» от показаний спидометра (в этом автомобиле есть и стрелочный прибор, и цифровая индикация). Что нормально, причем расхождение практически не зависело от темпа движения. Одна из загруженных мной в смартфон маршрутных программ показала то же самое. А вторая выдала сюрприз: завысила скорость относительно показаний спидометра на те же 6–7 км/ч. Неожиданно и… неправильно, такого быть не должно.
На показания спидометра заметно влияют размеры колес автомобиля. Приборы откалиброваны под определенные типоразмеры колес (шин), и их изменение ведет к искажению показаний спидометра. Например, длина окружности штатного колеса Lada XRAY (205/55 R16) составляет 196,5 см, а запасного (185/65 R15) – 195,5 см. Несложные подсчеты показывают, что на дистанции 10 км первое колесо совершит 5089 оборотов, второе – 5115. Соответственно, окажись запаска на той позиции в машине, где датчик скорости считывает обороты колеса (чаще всего слева спереди), скорость будет завышена на 0,5%, что может оказаться за пределами официальной погрешности спидометра.