賴嘉濤

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

電子式商用車制動(dòng)氣壓表顯示裝置的研究

賴嘉濤

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章系統(tǒng)分析了商用車制動(dòng)氣壓表顯示裝置的發(fā)展現(xiàn)狀、工作原理。該氣壓表顯示裝置采用電子式氣壓表傳感器作為信號(hào)采集元件，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針顯示相應(yīng)的氣壓值。此顯示裝置主要解決現(xiàn)在的顯示裝置采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，彈簧變形量誤差較大，氣壓表顯示值出現(xiàn)不準(zhǔn)，可靠性差等問(wèn)題。

制動(dòng)氣壓表顯示裝置；信號(hào)采集元件；步進(jìn)電機(jī)；機(jī)械式結(jié)構(gòu)

CLC NO.:U463.6Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-16-03

引言

本文提出的電子式商用車制動(dòng)氣壓表顯示裝置，采用氣壓表傳感器采集制動(dòng)氣壓值，將制動(dòng)氣壓通過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)換為電壓值進(jìn)行輸出。氣壓表顯示裝置集成了軟件控制的電路，接收氣壓表傳感器發(fā)送的電壓值信號(hào)，并對(duì)電路處理后的信號(hào)進(jìn)行分析，提供給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)指針指示氣壓值。此顯示裝置指示精度高，運(yùn)行可靠，可大大降低機(jī)械式氣壓表顯示裝置的故障率，提高車輛可靠性。

1、機(jī)械式制動(dòng)氣壓表顯示裝置

機(jī)械式制動(dòng)氣壓表顯示裝置結(jié)構(gòu)如圖l所示，主要由彈簧管、齒輪傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，指針、刻度盤(pán)和外殼等幾部分組成。彈簧管1是一根彎成圓弧形的空心金屬管子，其截面

商用車氣制動(dòng)車型中的行車制動(dòng)系統(tǒng)中的氣壓值信息，是一個(gè)非常重要的顯示信息，關(guān)系到整車的制動(dòng)安全性。制動(dòng)氣壓表顯示裝置用于指示氣制動(dòng)車型中的行車制動(dòng)系統(tǒng)中的氣壓值，將氣壓值以視覺(jué)的形式提供給駕駛員。現(xiàn)有的商用車制動(dòng)氣壓表顯示裝置采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，利用彈簧的變形來(lái)驅(qū)動(dòng)指針指示氣壓表。彈簧在長(zhǎng)期的氣壓力作用下處于變形狀態(tài)，加之車輛行駛中振動(dòng)幅度較大，機(jī)械式氣壓表內(nèi)部的彈簧很容易在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)斷裂、變形嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)漏氣等問(wèn)題，不僅出現(xiàn)氣壓表指示失效問(wèn)題，而且漏氣問(wèn)題還會(huì)引起車輛制動(dòng)氣壓不足，影響車輛的制動(dòng)性能。做成扁圓或橢圓形，它的一端封閉(稱自由端，即彈簧竹受壓變形后的變形位移的輸出端)。另一端(稱固定端，即被測(cè)氣壓的輸入端)焊接在固定支柱上。并與管接9相通。

當(dāng)被測(cè)氣壓通過(guò)管接頭9進(jìn)入彈簧管的內(nèi)腔中，呈橢圓形的彈簧管截面在氣壓力的作用下有變圓的趨勢(shì)，彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直的擴(kuò)張變形、從而使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移。此位移牽動(dòng)拉桿2帶動(dòng)扇形齒輪3作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，指針5通過(guò)同軸中心齒輪4的帶動(dòng)作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，從而在面板6的刻度標(biāo)尺上指示出被測(cè)壓力(表壓力)的數(shù)值。指針旋轉(zhuǎn)角的大小與彈簧管自由端的位移量成正比，也就是與所測(cè)介質(zhì)壓力的大小成正比。被測(cè)壓力被彈簧管自身的變形所產(chǎn)生的應(yīng)力相平衡。游絲7的作用是用來(lái)克服扇形齒輪和中心齒輪的傳動(dòng)間隙所引起的儀表變差。調(diào)核螺釘8可以改變拉桿和扇形齒輪的連接位置，即可改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比(放大系數(shù))，以調(diào)整儀表的量程。

由于現(xiàn)有技術(shù)氣壓表全為機(jī)械式結(jié)構(gòu)，彈簧變形量誤差較大，氣壓表顯示值時(shí)常出現(xiàn)不準(zhǔn)的問(wèn)題。

圖1

2、電子式制動(dòng)氣壓表顯示裝置

電子式商用車制動(dòng)氣壓表顯示裝置由氣壓表傳感器、氣壓表電路、顯示部件（包括指針、表牌）三部分組成。

2.1 氣壓表傳感器

如圖2所示，氣壓表傳感器采用的是陶瓷電容技術(shù)。包括金屬外殼1、在殼體內(nèi)部對(duì)敏感元器件起固定作用的基座2、在殼體內(nèi)部對(duì)系統(tǒng)起密封作用的密封圈3、位于殼體內(nèi)部的電子電路5、由于輸出信號(hào)的接插件6、以及安裝在殼體內(nèi)的陶瓷電容敏感元件4，車輛的氣缸輸出一定的氣壓，氣壓通過(guò)殼體的透氣孔把壓力傳遞到陶瓷電容元器件表面，陶瓷電容元器件輸出相應(yīng)的電容參數(shù)，電子電路檢測(cè)到電容的變化進(jìn)行調(diào)制，輸出與壓力成正比的電壓值。

圖2

如圖3所示，陶瓷電容敏感元件采用雙電容結(jié)構(gòu)，包括上下極板兩部分。其陶瓷彈性膜片上燒結(jié)了可動(dòng)電極，并在可動(dòng)電極的外面同時(shí)燒結(jié)一個(gè)參考電容，以消除溫度對(duì)輸出信號(hào)的影響。同時(shí)，在可動(dòng)電極上再燒結(jié)一層介質(zhì)防止電極接觸時(shí)短路。電容極板間的距離由燒結(jié)的玻璃體控制，漿料的配方、濃度和燒結(jié)的溫度變化對(duì)極板的間距都有影響。當(dāng)被測(cè)壓力作用在傳感器的陶瓷彈性膜片上時(shí)，膜片發(fā)生變形，使極板的間距發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的電容發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路的電容變化即可計(jì)算出傳感器所受壓力的改變，進(jìn)而測(cè)量出壓力，再通過(guò)處理電路，將電容的變化轉(zhuǎn)化為0.5V～4.5V輸出電壓信號(hào)。

圖3

如圖4所示，陶瓷電容氣壓傳感器電路圖。C1作為參考電容，C2作為測(cè)量電容。C1安裝在可動(dòng)電極外面，C2安裝在可動(dòng)電極里面。當(dāng)氣壓進(jìn)入傳感器后，引起彈性膜片變形，使可動(dòng)電極極板間距發(fā)生變化，引起測(cè)量電容C2的值發(fā)生變化。電容計(jì)算公式為C=ε×S/δ。ε為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩極板相對(duì)有效面積，δ為兩極板的間隙。電容變化量進(jìn)入芯片MLX1206，芯片對(duì)電容值信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償、放大、溫度補(bǔ)償?shù)忍幚恚⑥D(zhuǎn)換為電壓信號(hào)通過(guò)OUT引腳進(jìn)行輸出。輸出信號(hào)精度能控制在± 3%VCC以內(nèi)。傳感器所需要的電源通過(guò)VCC引腳由外界提供，電源電壓范圍為5V±0.25V。電路中C3～C7為濾波電容。R1、R2限流電阻。R3下拉電阻，限制對(duì)地電流。

圖4

氣壓表傳感器輸出的電壓信號(hào)與氣壓信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖見(jiàn)圖5，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的線性輸出。傳感器將采集到的制動(dòng)氣壓值轉(zhuǎn)換為電壓值進(jìn)行輸出。氣壓采集范圍為0kPa～1200kPa。對(duì)應(yīng)輸出電壓值為0.5V～4.5V，信號(hào)精度能控制在±3%×1200kPa=±36kPa以內(nèi)。

圖5

2.2 氣壓表電路

如圖6所示，為電子式商用車制動(dòng)氣壓表顯示裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。氣壓表傳感器輸出的電壓值信號(hào)進(jìn)入到電壓值信號(hào)采集電路，D1為肖特基二極管，起到電壓鉗位作用，可以將進(jìn)入控制器U1的電壓限制在-0.7V～（VCC+0.7）V，此處VCC為5V，從而起到保護(hù)單片機(jī)的作用。R1為下拉電阻，將電壓信號(hào)對(duì)地電流進(jìn)行限制，可限制在0.0057mA以內(nèi)，防止對(duì)地出現(xiàn)大電路短路燒蝕。R2為限流電阻，經(jīng)R2限流后，電流可限制在0.057mA以內(nèi)，起到保護(hù)氣壓表控制器U1的目的，防止大電流燒壞芯片。電壓信號(hào)直接通過(guò)氣壓_TEST進(jìn)入氣壓表控制器U1。第一濾波電容C1、第二濾波電容C2均起濾波作用，濾除信號(hào)中的交流電壓，使肖特基二極管D1采集到的電壓為比較純正的直流電壓信號(hào)。

氣壓表控制器U1為16位單片機(jī)，可以一次性處理16 bit的數(shù)據(jù)。U1采集到采集電路輸入的電壓值信號(hào)后，進(jìn)行分析處理，通過(guò)M11、M12、M13、M14四個(gè)驅(qū)動(dòng)口，將驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入給步進(jìn)電機(jī)SM1。SM1為兩相步進(jìn)電機(jī)，其接口電路中的C3、C4、C5、C6起到信號(hào)的濾波作用，濾掉信號(hào)中不必要的交流信號(hào)。RN4A、RN4B、RN4C、RN4D起到限流作用。

圖6

2.3 氣壓表顯示部件

如圖7所示，為氣壓值顯示表的示意圖。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)氣壓值顯示。表牌上印制刻度線、數(shù)字，提供給指針指示的位置，同時(shí)以視覺(jué)的形式將氣壓值顯示出來(lái)。氣壓值顯示表顯示范圍為0kPa～1200kPa，顯示值與氣壓表傳感器輸出的信號(hào)基本可保持一致，實(shí)現(xiàn)信號(hào)、顯示零誤差。

圖7

3、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的電子式商用車制動(dòng)氣壓表顯示裝置，采用電子式氣壓表傳感器作為信號(hào)采集元件，集成電路采集傳感器輸出的電壓值信號(hào)，再通過(guò)精確的計(jì)算，輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)再帶動(dòng)指針的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的電子化、自動(dòng)化地控制，最終展現(xiàn)在使用人面前的是準(zhǔn)確的氣壓表指示信息，大大提高了車輛氣壓表顯示裝置的精準(zhǔn)度。同時(shí)由于采用車用級(jí)別的電子元器件，氣壓表顯示裝置本身的使用耐久性能、可靠性能也較以前的機(jī)械式氣壓表有了明顯的提升。

[1]江曉安,董秀峰.模擬電子技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[2]徐開(kāi)先. 硅電容壓力傳感器及其產(chǎn)業(yè)化. 世界儀表與自動(dòng)化,2008.

[3]坂本正文. 步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù). 科學(xué)出版社.2010.

Research on the display device of the braking pressure gauge for the electronic commercial vehicle

Lai Jiatao
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper systematically analyzes the commercial vehicle brake pressure gauge shows the development present situation, the working principle of the device. The barometer display device using electronic barometer sensor as signal acquisition device, stepper motor drive pointer display the corresponding pressure value. The display device mainly solves the current display device adopts a mechanical structure, spring deformation error the barometer, the display value are not allowed to appear, poor reliability problems.

Brake pressure gauge display device; Signal acquisition device; Stepper motor; Mechanical structure

U463.6

A

1671-7988 (2017)02-16-03

賴嘉濤，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.006