小车方向盘角度检测系统

摘 要

随着人们生活水平的不断提高，汽车已成为人们生产生活必不可少的交通工具。然而随着汽车数量的逐年增加，公路、街道及停车场秩序逐渐混乱，加上非专业司机越来越多，交通事故频发。在这些交通事故中，因为方向盘跑偏及转弯时车速过高而引起的撞车翻车事故不在少数。因此，人们对汽车方向盘及汽车安全性能提出了更高的要求。

本论文针对方向盘跑偏及转弯车速过高等问题，提出了一种方向盘角度检测系统的设计方法。在本设计中，应用旋转电位器进行方向盘角度信号及转弯时路面倾角的检测，应用旋转编码器进行汽车车速的测量，通过Atmega16单片机进行数据的采集和处理，由LED显示方向盘实时角度，并在高速转弯时进行报警。

本设计的硬件部分主要包括信号采集电路设计、ADC转换电路设计、单片机外围电路设计、LED显示电路设计和报警电路设计等。

该设计软件部分介绍了AVR单片机的应用软件，对系统的主要流程作了详细介绍，讲述了单片机数据采集、转换和处理的方法。

通过硬件与软件的结合，完成了方向盘角度检测系统的设计。

关键词： 方向盘角度检测 单片机 电位器 光电编码器 LED

I

广西大学毕业设计论文 Abstract

A Novel Steering Wheel Angle Detection System

Abstract

As people living standard rise ceaselessly, the car has become the necessary transportation in our lives and production. However, with the increasing number of cars, the traffic in highways, streets and parking has become chaos, and non-professional drivers are more and more, accordingly, traffic accidents are more and more. There are many accidents are because of the steering wheel deviation and high speed in the corner. Higher requirements have been proposed for steering wheel angle detection system.

This thesis proposed a design method of the steering wheel angle detection system, aim to solve the problems of the steering wheel deviation and high speed in the corner. In the thesis, using the rotating potentiometers to test the angle signal of the steering wheel and the road in the corner, and using the photoelectric encoder to test the speed signal. Using ATmega16 SCM to collect and handle data and using LED to display the data of the steering wheel angle. When the speed is high enough, buzzer will start to alarm.

The design of hardware includes signal collection circuit，ADC converting circuit，MCU peripheral circuits，LED display circuit and alarm circuit and so on.

The design of software introduces application software of AVR and shows the main flow chart of the system in detail, explains how the SCM to acquire, converse and deal with the digital signals.

Through the combination of hardware and software, the steering wheel angle detection system is completed.

Keywords: steering-wheel-angle-detection SCM potentiometer

photoelectric encoder LED

II

广西大学毕业设计论文 目 录

目 录

摘 要 ............................................................................................................................ I Abstract ....................................................................................................................... II 第一章 绪论 ............................................................................................................... 1

1.1 1.2 1.3 第二章 2.1 2.2 2.3 2.4 第三章 3.1 3.2 3.3 第四章 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 第五章 5.1 课题研究背景及意义 ................................................................................... 1 国内外汽车电子的发展动态 ....................................................................... 2 论文的主要工作 ........................................................................................... 2 方向盘角度检测系统概述 ........................................................................... 4

方向盘角度检测系统的设计要求 ............................................................... 4 方向盘角度检测系统的设计方案 ............................................................... 5 本设计的特点 ............................................................................................... 9 本章小结 ....................................................................................................... 9 方向盘角度检测系统的原理介绍 .............................................................. 11

检测原理介绍 .............................................................................................. 11 汽车转弯性能研究 ..................................................................................... 14 本章小结 ..................................................................................................... 17 方向盘角度检测系统硬件设计 ................................................................. 19

系统总体硬件框图 ..................................................................................... 19 ATmega16单片机介绍 .............................................................................. 19 单片机ADC转换原理 .............................................................................. 20 检测环节硬件设计 ..................................................................................... 21 系统的硬件抗干扰技术 ............................................................................. 26 本章小结 ..................................................................................................... 28 方向盘角度检测系统软件设计 ................................................................. 29

AVR单片机软件开发环境介绍 ................................................................ 29

III

广西大学毕业设计论文 目 录

5.2 方向盘角度检测系统软件设计 ................................................................. 29 5.3 软件抗干扰技术 ......................................................................................... 36 5.4 本章小结 ..................................................................................................... 38 第六章 总结与展望 ................................................................................................. 39

6.1 总结 ............................................................................................................. 39 6.2 研究展望 ..................................................................................................... 39 参考文献 ..................................................................................................................... 41 致 谢 ......................................................................................................................... 42

IV

广西大学毕业设计论文 第一章 绪论

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

自从1886年第一辆机动汽车诞生以来，汽车一直作为人类最重要的交通工具。20世纪以来，汽车工业发展迅速，我国汽车产业也初见规模。随着人们生活水平的不断提高，汽车在生活中的重要性也在不断地提升。在现代人的观念中，汽车不单单是一辆交通工具，它更体现了一个人的品味、生活方式和价值观念。在我国，汽车已成为小康生活的重要标志。汽车走进私人家庭，已不再是梦想。

随着汽车数量的迅速增加，加上非专业汽车驾驶人员的不断增多，造成公路、街道、停车场、车库等公共场所秩序混乱不堪，交通事故频发，方向盘跑偏也成了事故焦点。汽车事故严重威胁着人们的生命安全和生活秩序，每年因为方向盘跑偏和高速行车时方向盘瞬间转移角度过大而造成的撞车、翻车事故不在少数。

方向盘是汽车转向的直接操纵杆，其转动位置直接影响着汽车转向时的安全。现在国内生产的很大部分汽车上还没有检测方向盘转角的电子仪器仪表，使得驾驶员在驾驶和泊车时不得不凭经验和感觉去判断方向盘转动位置所在，这时难免发生感觉误差，造成方向盘未回正或转动角度过大的现象发生，给开车和泊车带来不便。方向盘位置跑偏，不但会给驾驶员的驾驶带来疲劳感，更存在很大的安全隐患[1]。因此，方向盘角度检测系统的设计对汽车行车停车安全至关重要，对提高汽车系统的可靠性有非常重要的意义。

小车方向盘角度检测系统属于汽车电子系统研究的一部分，汽车方向盘的转动信号和车速信号经过传感器的检测，将其送入控制中心进行处理，从而判断汽车的行驶状态。没有方向盘的角度检测系统，汽车的安全性能会大打折扣。然而，国内在这方面的研究非常的少，本课题的研究，将填补这方面的空白。

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广西大学毕业设计论文 第一章 绪论

1.2 国内外汽车电子的发展动态

随着中国加入WTO，以及国内庞大的汽车市场对世界各大汽车公司的吸引力，迄今为止，我国的汽车拥有量已经突破5000万辆，汽车的产量也在迅猛提升。中国将成为继美、日、欧之后的第四大汽车市场。据预测，21世纪全球范围内能够存活的特大型汽车生产集团将整合为六至八家[2]。

目前国内为整车企业进行配套的汽车电子供应商大多为中外合资企业，如博世、西门子、德尔福、伟世通等。这些供应商都以OEM身份为整车企业配套，他们掌握着汽车零部件的核心技术[3]。

另一方面，随着电子技术的迅猛发展，汽车电子产品也越来越多，汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次，当今汽车电子化程度已成为衡量一个国家汽车工业水平的重要标志[4]。

我国汽车电子技术研究起步较晚，主要集中在清华、北理工大、吉林工大、上海交大等一些高校，以及一汽、二汽等大型国企的研发中心。总体上，我国的汽车电子技术研发水平还比较薄弱，自主开发并生产的汽车电子产品主要集中在一些技术含量不高的产品上。面对国内巨大的汽车市场，国外汽车电子供应商积极介入我国的汽车电子领域。我国汽车电子企业中，70%以上为中外合资企业，然而国内企业并没有自己的知识产权和的产品研发能力。因此，我国的汽车电子化与世界发达国家相比，还有很大的距离。汽车方向盘角度检测系统也隶属于汽车电子，该研究无论从理论上还是实际应用上都有较高的价值。

1.3 论文的主要工作

论文主要阐述了一种小车方向盘角度检测装置的设计方法。此装置用以测量方向盘的实时转角，快速确定方向盘位置，以及在高速转弯时予以报警，以避免方向盘跑偏和行车过程中方向盘转角过大而造成的事故的发生。

本论文在第一章先概述了课题研究的背景及意义，以及本论文的主要工作。接下来在第二章对系统的设计方案及小车方向盘角度检测系统进行介绍，在确定了系统设计方案后，开始对系统进行硬件及软件设计。

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广西大学毕业设计论文 第一章 绪论

在第三章，讲述了采用ATmeg16系列单片机为核心的小车方向盘角度检测系统的硬件设计。系统硬件设计包括检测电路、AD转换电路、单片机外围电路、角度显示，报警电路等。

第四章对系统软件进行了设计。软件设计中对于系统的工作流程进行详细介绍，并且介绍了一种AVR单片机基于C语言的编译器和集成环境，在此环境下对ATmega16进行编译、开发，实现系统状态的显示及对其的控制。

最后对论文作一个全文总结，并对系统的应用做以展望。

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广西大学毕业设计论文 第二章 方向盘角度检测系统概述

第二章 方向盘角度检测系统概述

2.1 方向盘角度检测系统的设计要求

汽车方向盘角度检测系统是一种实时检测方向盘转角，测定转弯速度，并在转弯速度过高时进行报警的装置，系统由三部分组成：检测模块、控制模块及显示模块。

检测模块：由传感器检测方向盘实时转角信号、转弯时的路面倾角信号及车速信号。

控制模块：方向盘角度检测系统的控制中心，主要对采集的信号按设计要求进行相应的数据处理。

显示报警模块：用于显示方向盘的实时转角，并高速转弯存在安全隐患时进行报警。

按照系统设计要求，可将方向盘角度检测系统分为硬件和软件两部分，分别进行设计。系统硬件结构主要由检测模块、控制模块和显示模块构成，软件部分对不同的子系统分别进行编程，便于调试和移植。

整个系统的结构如图2-1所示。

图2-1 汽车方向盘角度检测系统的结构原理图

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广西大学毕业设计论文 第二章 方向盘角度检测系统概述

2.2 方向盘角度检测系统的设计方案

方向盘角度检测系统有三大模块，系统设计方案可根据三大模块分别进

行设计。

2.2.1 检测模块设计方案

检测环节是系统的第一个环节，用来感受被测信号，并将被测信号转换为合适于系统后续处理的电信号。提获取信息的正确与否，决定了测试系统的精度。因此，选择合适的检测元件，对于系统的设计有非常重要的作用。

1. 方向盘角度检测环节设计方案

方向盘角度检测系统要测量的量为角位移。随着电子技术的飞速发展，电量测量技术已经非常成熟，因此，可以通过电量的测量间接测量方向盘的角位移信号。

目前用于角度检测的传感器主要有旋转电位器、霍尔传感器、光电编码器及激光探测器等。

各角位移传感器的特性如表2-1所示。

表2-1 各转角传感器的特性比较

转角传感器 成本 环境要求 安装 体积 接触式 旋转电位器 低 低 简单 小 霍尔传感器 高 高 较复杂 小 非接触式 光电编码器 高 高 复杂 较大 激光探测器 高 高 复杂 大 考虑到成本及环境影响问题，方向盘位置控制系统采用旋转电位器。本设计采用M22S10型精密多圈电位器,其特点如下：

属线绕多圈电位器；长寿命， 旋转寿命：500万转以上；高可靠性；线性度好，线性精度：±0.2%，阻值公差±5%，功率2W；外径22mm。

M22S10最大电气转角为3600°（10圈），而一般汽车的方向盘最大转角为1440°（4圈），本设计采用专门定制的4圈精密电位器，材质与M22S10

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广西大学毕业设计论文 第二章 方向盘角度检测系统概述

相同，阻值为5KΩ。

其实，电位器其实就是一个可变电阻，通过中间触头的位置变化，改变电位器的电阻大小，从而改变输出电压的大小。根据分压原理，电位器

输出电压Vout与接入电路中的电阻Rx有以下关系：

VoutRx (2-1) VinRz其中，Vout为电位器输出电压，Vin为输入电位器的电压，Rx为电位器接入电路中的电阻，Rz为电位器总电阻。一般情况下，Vin、Rz为固定值，由此可知，电位器两端的输出电压Vout与接入电路的电阻Rx大小成正比关系。

一般电阻都存在以下基本关系：

ρ RxL (2-2)

S其中，Rx为电阻值，L为电阻丝长度，ρ为电阻率，S为电阻丝横截面积。电阻做好后，ρ、S就固定不变。可变电阻通过改变触头的位置，从而改变接入电路中的电阻丝的长度L，从而改变电阻Rx的大小。由此可知，电位器接入电路中的电阻Rx的大小与接入电路中的电阻丝的长度L成正比关系。

在多圈电位器中，电阻丝长度 L与电位器旋转角度也成正比关系。 综上所述，电位器输出的电压Vout的大小与电位器转角大小成正比关系。因此，可以通过电位器的输出电压大小来确定旋转角度。

4圈精密电位器的输出电压与电位器转角的关系如图2-2所示。

图2-2 电位器输出电压与旋转角度的关系

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广西大学毕业设计论文 第二章 方向盘角度检测系统概述

2. 路面倾角检测环节设计方案

汽车在转弯时，路面的倾角不同，转弯时的转角大小与最大车速都会有所影响。因此，应对路面倾角进行测量。

本设计采用单圈的电位器进行路面倾角的测量，其测量原理与方向盘转角的测量原理相同，只是安装的方式有所不同。本电位器采用垂直安装方式，在电位上连接一重物，重物一端固定在电位器的旋转轴上，另一端为自由端，就如单摆一样。当汽车发生倾斜时，重物由于重力作用转动电位器的转轴，从而改变电位器指针位置。因此，电位器的输出电压也随着改变，从而可测得路面的倾斜角度。测量原理如图2-3所示。

图2-3 电位器测量路面倾角示意图

图2-3（a）为水平路面时电位器的指针位置，当路面倾角为时，电位器的指针也随着改变角度。根据电位器的分压原理就可以测得倾角的度数。

3. 车速检测环节设计方案

道路弯度的大小决定了转弯时的最高车速，如果车速超过转弯时的极限车速时，汽车就有可能飞出，造成严重的交通事故。因此，在转弯的时候，应该对车速进行测量，当车速接近转弯允许的最大车速时，进行报警，提示驾驶员减速。

现在速度测量的传感器，大部分选用旋转编码器。由于旋转编码器测量精度高、测速方便、使用时间长、体积小、质量轻等优点，成为测速系统的首选传感器。

常用的旋转编码器有增量式和绝对值式，一般测速选择增量式。增量式又分为单路输出和双路输出，单路输出是指旋转编码器输出是一组脉冲，

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广西大学毕业设计论文 第二章 方向盘角度检测系统概述

双路输出的旋转编码器输出两组相位差90°的脉冲，不仅可以测速，还可以判断旋转方向[5]。一般汽车测速都是单向的，因此选择单路输出的编码器即可。

本设计采用GZS3804系列增量式光电编码器，其性能可靠，输出为方波信号，波形规整，使用电压范围宽，每圈输出脉冲数为500个，最大转速4800rpm，消耗电流小于120mA，电源电压：+5V，输出电压：高电平大于85%Vcc，低电平小于0.4V，响应频率：0~80KHz。编码器的外形图如图2-4所示。

图2-4 编码器外形尺寸图

2.2.2 控制模块设计方案

控制系统作为系统的核心，主要实现数据的处理、控制实时性等问题。当前的控制系统主要有上下位机（PC-PLC）、DSP控制器及单片机，其各自特性如表2-2所示。

表2-2 各控制系统的特性

控制系统 PC-PLC DSP 单片机 体积 大 较大 小 线路 复杂 较复杂 简单 成本 高 较高 低 可靠性 好 好 较好 应用场合 工业生产 嵌入式 嵌入式 考虑到体积、成本及控制特性等问题，汽车方向盘控制系统采用单片机作为系统的控制中心。本设计采用ATmega16单片机作为控制中心。

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广西大学毕业设计论文 第二章 方向盘角度检测系统概述

2.2.3 显示系统方案设计

显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。目前最常用的显示器有LCD和LED。LED发光二极管电路简单、安装方便、成本低，并且可以满足显示三位角度值的要求，因此,本设计采用四位共阴极LED发光二极管作为显示单元。

2.3 本设计的特点

现在虽然已有方向盘角度检测系统的相关专利，然而其专利只是测量方向盘的转角，并未对汽车转弯时的性能进行评估。其专利是利用两节相互嵌套的齿轮来实现方向盘4圈的角度检测。可想而知，其结构复杂，需要设计专门的机械齿轮；由于齿轮制作受到材料和空间的，因此检测精度必然会受到影响；还需要设计很多的机械辅助零件，安装复杂，并且线性度不高。本设计采用旋转电位器实现角度检测，有以下优点：

1. 制作简单，安装方便。 2. 测量精度高。

3. 可实现角度的连续测量，线性度好。 4. 使用时间长，长期使用不会出现零点漂移。 5. 成本低廉。

本设计除了进行方向盘角度测量外，还对汽车转弯时的车速，路面的倾角等因素进行了综合分析，从而设计出小车高速转弯时的报警功能，以提醒驾驶员进行相应的减速，防止意外发生。

2.4 本章小结

本章首先根据系统设计的要求，介绍了系统的构建，然后详细阐述了系统的设计方案，对系统的三个模块：检测模块、控制模块及显示模块分别进行方案的设计。确定了以ATmega16单片机作为系统的控制核心，以多圈电位器和光电编码器作为检测元件，以四位共阴极LED发光二极管作

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广西大学毕业设计论文 第二章 方向盘角度检测系统概述

为显示单元的方向盘角度检测系统的方案设计，并对设计的特点进行了说明。

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广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

小车方向盘角度检测系统设计包括硬件设计和软件设计两大部分，硬件电路包括信号采集电路、ADC转换电路、单片机外围系统电路及LED显示电路等。系统的软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。系统硬件部分放在论文第四章进行详细介绍，软件部分放在第五章进行介绍。

3.1 检测原理介绍

检测部分包括三个环节：方向盘角度检测、路面倾角检测及车速检测。

3.1.1 方向盘角度检测原理

一般方向盘的转动范围为四圈，即从自然状态开始，向左打死两圈，向右打死同样是两圈。我们不妨应用-720°~+720°来表示[6]，其中认为自然状态下的方向盘为0°，自然状态下顺时针转动（右转）为“+”，自然状态下逆时针转（左转）“-”，即凡是在中心位置左边的角度都为“-”，右边的都为“+”。

本设计采用定做的4圈精密电位器作为传感器，用以检测方向盘的转动位置。电位器应与方向盘同轴安装，从而保证方向盘与电位器的角位移一致，并且安装时初始值要一致。若方向盘处在正中心位置，则电位器的

1触头应该在电阻的位置处，以保证测量的精确。本设计采用的电位器线

2性度极高，而方向盘的转角精度不要求太高，精确到1°即可，因此不必过分考虑器件非线性因素带来的误差。

为配合ATmega16单片机ADC转换，设计电位器的最大输出电压应为2.56V。此时电位器的输出电压Vout与方向盘的转角关系如公式(3-1)~(3-2)所示。

Vout2.56n1.28 (3-1) 144011

广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

即

n1440(Vout1.28) (3-2) 2.56其中，Vout：电位器采集的电压值；

n：方向盘转角值。

因此，只要检测出电位器端的输出电压，即可推算出方向盘的转角所在位置。电位器的输出电压与方向盘角度的对应关系如图3-1所示。

图3-1 电位器输出电压与方向盘角度的对应关系

3.1.2 路面倾角检测原理

路面倾角检测也应用电位器，其检测方法和方向盘角度检测方法基本

相同。路面倾角检测采用单圈电位器，电位器指针的初始位置定在电位器

1电阻的处，规定此时的电位器转角为0°。电位器的最大输出电压同样选

2用2.56V，这时候，电位器的输出电压与路面的倾角关系如公式(3-3)~公式(3-4)所示。

Vout 即

360(Vout1.28) (3-4) 2.56其中，Vout：电位器采集的电压值；

2.561.28 (3-3) 360：路面的倾角值。

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广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

电位器的输出电压与方向盘角度的对应关系如图3-2所示。

图3-2 电位器输出电压与路面倾角的关系

当然，实际中路面的倾角一般不会超过45°，因此，实际上电位器的输出电压应在0.96V~1.6V之间。

3.1.3 汽车车速检测原理

汽车车速检测采用单路输出增量式光电旋转编码器[6]作为传感器件。光电编码器结构如图3-3所示。

图3-3 单路输出光电编码器结构原理图

编码器的码盘上有许多透光的缝隙，光线透过缝隙，便会被光敏管吸收，光敏管根据光电转换原理输出高电平，若光线被编码盘挡住，光敏管接收不到光信息，便会输出低电平。若编码盘转动，光线便会一会儿穿过编码盘，一会儿被编码盘挡住，这样就会产生一个个脉冲序列，如图3-6

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广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

所示。

图3-6 单路输出编码器输出脉冲波形

编码盘有多少透光的缝隙，转动一圈，便会产生多少个脉冲。通常称编码器的缝隙数为线数，如果编码盘单圈有1024个缝隙，就称这样的编码器为1024线编码器。由此可知，计算单位时间内脉冲数的多少，就可以知道编码盘转动的圈数。由于编码盘与汽车驱动轮同轴安装，因此汽车车轮转动一圈，编码盘便会转动一圈。这样，知道了汽车车轮单位时间内转动的圈数，车速便自然得知。

汽车车速的计算如公式(3-5)所示。

v2rN (3-5) QT其中，v为车速；T为测速周期； N为T时间内的脉冲总数；r为车轮半径； Q为编码器的线数。本设计选用编码器的线数为500，测速周期为0.5ms，一般汽车的车轮半径为0.3m，因此测速公式可改为：

v7.536N (3-6)

3.2 汽车转弯性能研究

汽车转弯时，不仅要考虑方向盘与车轮的转角关系，还要考虑转弯半径与车速等量的关系，通过综合考虑，才能知道转弯是否安全。

3.2.1 方向盘转角与车轮转角之间的关系

汽车方向盘的转动范围一般为-720°~+720°，汽车车轮的转动范围为-45°~+45°(左转为“-”，右转为“+”)，一般汽车的方向盘转动角度和汽车转向轮的旋转角度存在线性关系。车轮转角与方向盘转角的关系如公式(3-7)所示。

n (3-7) 1614

广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

其中n为汽车方向盘转动角度；为转向轮的转动角度。 汽车方向盘转角与车轮转角的对应关系如图3-7所示。

图3-7 汽车转向轮转角与方向盘转角的对应关系

3.2.2 车轮转角与转弯半径之间的关系

汽车在转弯时都有转弯半径，由于转向轮的转角大小不一样，转弯时的转弯半径也不一样。确定转弯半径对确定转弯时的稳定性有非常重要的作用。一般小车的转向轮为前轮，后轮为驱动轮。小车转弯时的模型如图3-8所示。

图3-8 小车转弯模型

图中L为小车前后轮的轴距，R为小车转向时的转弯半径，ß为车轮转向角度，虚线圆弧为转弯路径。转弯的圆心为转向轮的垂直线与后轴的延长线的交点O处。一般情况下车轮转向角ß比较小，因此当，当汽车转向角为时，转弯半径可近似由公式(3-8)得出。

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广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

RL/sin (3-8) 其中R为转弯半径；L为前后轮轴距。

3.2.3 汽车转弯模型分析

汽车转弯时，转弯的安全性非常重要，如果弯度过小，车速过高，就可能发生向心力不足，汽车甩出路面，造成事故。因此，在汽车转弯时，应对其进行受力分析，从而设计报警装置。

汽车转弯时的受力情况如图3-9所示。

图3-9 汽车转弯时的力学模型分析

图中G为汽车所受重力；f为汽车与路面的横向摩擦力；N为路面对汽车的支持力；为路面倾角。

由图可知，转弯时，汽车的向心力由汽车重力沿路面方向的分力和汽车车轮与路面之间的横向摩擦力提供。根据力学原理可知：

FGcosf (3-9) 其中F为汽车转弯时的向心力；G为汽车所受重力；f为汽车车轮与路面的摩擦力；为路面倾角。

汽车所受重力由公式(3-10)所示。

Gmg (3-10) 其中，m为汽车质量，g为重力加速度。

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广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

汽车转弯时所受横向摩擦力如公式(3-11)所示。

fmgsin (3-11) 其中f为汽车所受横向摩擦力，为路面摩擦系数。

根据圆周运动公式可知，汽车转弯时，车速v，转弯半径R与向心力F有以下关系：

v2 Fm (3-12)

R将公式(3-7)~(3-11)代入公式(3-12)可知： vg(cossin)L (3-13)

sin(0.0625n)其中，v为车速；为路面倾角；为车轮转角。

这里的v为转弯时的最高理论车速，如果车速超过转弯理论车速就会有转向力不足，汽车飞出路面的事故发生。因此在设计时，当车速接近路面允许的最大车速时，系统应该报警，警告驾驶员转弯车速过高。

一般情况下，重力加速度g取9.8，路面摩擦系数根据天气情况不同而不同。一般晴天时，路面摩擦系数为0.6左右，下雨天为0.4左右，下雪天为0.28左右。因此设计时，摩擦系数不能大于0.28。为安全起见，留一定裕量，取 为0.2即可。一般汽车前后轮轴距L为 2.8米。

将这些数据代入公式(3-13)，可得汽车转弯时的最高车速v应近似为：

v24.5(cos0.2sin) (3-14)

sin(0.0625n)其中，v为车速；为路面倾角；n为方向盘转角。

3.3 本章小结

本章首先对系统的三个检测量：方向盘转角、路面倾角及车速的检测原理进行了分析；其次对系统各检测量之间的关系作了阐述，分析了汽车

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广西大学毕业设计论文 第三章 方向盘角度检测系统的原理介绍

转向时的力学模型，从而确定了转弯时最大车速，根据最大车速，才能进一步确定系统什么时候应该报警。

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广西大学毕业设计论文 第四章 方向盘角度检测系统的硬件设计

第四章 方向盘角度检测系统硬件设计

4.1 系统总体硬件框图

本设计以ATmega16单片机为核心，系统的主要组成部分包括数据采集部分，信号处理部分，数据处理部分及显示部分等。

该设计的数据检测部分主要包括方向盘角度检测模块，路面倾角检测模块及车速检测模块。方向盘角度检测模块和路面倾角检测模块都采用电位器的分压原理，电位器输出的电压信号经过处理传送给单片机，单片机经过采样保持电路及自身集成的A/D转换器将模拟电压信号转换为数字信号，从而为单片机控制所用，通过方向盘转角和地面倾角就可以确定理论上的最大车速。汽车车速检测采用旋转编码器，编码器检测的脉冲序列经过处理，送入单片机计数口进行计数，通过单位时间内的脉冲数，可得出汽车车轮转动的圈数，从而得出汽车的速度。将检测的车速和理论最大车速进行比较，从而确定系统是否需要报警。

本系统硬件的总体框图如图4-1所示。

图4-1 系统总体硬件框图

4.2 ATmega16单片机介绍

本系统的控制中心采用ATmega16单片机[7]。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾；ATmega16有先进的RISC

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广西大学毕业设计论文 第四章 方向盘角度检测系统的硬件设计

结构，131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期，32个8位通用工作寄存器，全静态工作，工作在16MHz时性能高达16MIPS；并且有非易失性程序和数据存储器，16K字节的系统内可编程Flash擦写寿命10000次，有512字节的EEPROM擦写寿命100000次；具有32个可编程的I/O口，编程简单；ATmega16兼PIC及8051优点于一身，具有优秀的品质，在结构、性能和功能方面都有明显优势[8]。ATmega16的引脚如图4-2所示。

图4-2 ATmega16的引脚图

本设计方向盘角度检测环节采用单片机的PA0口，路面倾角检测环节采用单片机的PA1口。这两个接口都有ADC转换功能和采样保持功能。速度检测环节采用PB0口，此接口有定时和计数功能。单片机ADC转换原理将在下一小节介绍。

4.3 单片机ADC转换原理

电位器检测来的电压必须经过ADC转换才能被单片机所识别，从而进行进一步的数据处理。ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC，ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V（GND）为基准，单次转换的结果为：

ADCVIN1024 (4-1)

VREF20

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其中，ADC：A/D转换的结果；

VIN：输入的电压； VREF：基准电压（2.56V）。

如果使用差分通道，结果为：

ADC(VPOSVNEG)GAIN512 (4-2)

VREF

其中，VPOS：输入引脚正电压；

VNEG：输入引脚负电压；

GAIN：选定的增益因子。

本设计采用单端输入电压进行采集的方式，其电路结构简单，转换方便。使用单端通道方式时，单端通道的输入电压不得超过单片机的内部参考电压，否则，将导致转换结果接近于0x3FF。本设计应用单片机内部2.56V电压参考源，其抗干扰能力强，波动小，精度高，电路简单，使用方便。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

4.4 检测环节硬件设计

4.4.1 方向盘角度检测环节硬件设计

方向盘角度检测模块采用电位器的分压原理，通过电压与电位器转角的关系来推算出电位器的转角度数，从而得出方向盘的转角度数。本设计采用单片机内部2.56V电压参考源，因此，电位器的最高输出电压不得超过2.56V。当电位器输出电压为2.56V时，转换结果为0x3FF。设计稳压电路将+5V系统电压转换为2.56V供电位器分压使用，电压采集部分的电路设计如图4-3所示。

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图4-3 检测模块电路原理图

图中R为多圈电位器，通过分压原理进行电压采集。IN5222为2.56V稳压管，用于将电源Vcc(+5V)直流电压稳定在2.56V，从而供电位器分压采集。L1和C1用于直流的滤波，电阻R1用于限流。

路面倾角的检测原理和方法同方向盘角度检测地方法一样，电路的硬件设计也相同，只是将单片机的PA0口换为PA1口，进行电压采集，这里不再赘述。

4.4.2 车速检测环节硬件设计

车速检测环节的传感器采用光电编码器，光电编码器输出脉冲序列经过整形后送入单片机PB0口进行计数。ATmega16单片机中有两个8位的定时/计数器：T/C0和T/C2，还有一个16位的定时/计数器T/C1[9]。PB0引脚可用作T/C0定时计数器。本设计采用T/C0定时/计数器的计数功能对光电编码器的输出脉冲进行计数。通过单位时间内的计数值，就可以知道编码器单位时间内的旋转圈数，通过计算求得车速。

T/C0的计数值保存在8位寄存器TCNT0中，MCU可在任何时间访问TCNT0。设置T/C0控制寄存器TCCR0为0x07，即T/C0工作在普通方式，C0上升沿触发。当编码器输出一个脉冲，计数器的TCNT0便会加1，这样便会检测出输出的脉冲个数。

T/C1是16位计数器，在系统时钟为4MHz条件下，最长的时宽可达

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16.777216s，这是其他8位单片机做不到的。本设计采用T/C1产生0.5ms的定时中断。

光电编码器测速电路如图4-4所示。

图4-4 测速环节电路原理图

4.4.3 显示模块硬件设计

显示模块通过四位LED数码管进行角度的显示，其最高位为符号位。如果角度为正（中心位置偏右），则符号位显示“0”，如果角度为负（中心位置偏左），则符号位显示“-”。数码管其余三位显示方向盘角度值，精确到1°。

使用数码管显示时，采用动态扫描方式。在短时间内逐个扫描数码管，使人们看起来好像数码管总为点亮状态[10]。该方式的功耗较之静态扫描要小。

由于4位数码管组需要8位段码、4位位码，总共12个输出口进行数据输出，直接使用单片机I/O口来实现的话，会占用太多I/O口。为节省资源，本电路采用两片74HC595（8位串行输入/并行输出移位寄存器）来驱动数码管，这样大大节省了控制口资源。

显示模块的硬件设计原理图如图4-5所示。

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图4-5 单片机与LED的连接电路原理图

4.4.4 报警模块硬件设计

本系统在输出电路上加上蜂鸣器作为声音报警。经过方向盘角度和地面倾角的检测，可算出理论上转弯时的最大车速，当车速接近转弯的最大理论车速时，蜂鸣器产生报警。报警电路设计如图4-6所示。

图4-6 报警电路设原理图

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图中的输出口可使用ATmega16单片机的任一I/O口，这里选用PA2口。单片机输出信号经三极管Q放大驱动蜂鸣器发声，本设计采用固定频率的有源蜂鸣器。电阻R6起限流保护作用。

4.4.5 其它外围电路设计

1. +5V电源设计

电源是系统的重要组成部分，它的稳定与否涉及到线路是否能够稳定工作。ATmega16的工作电压为4.5～5.5V，可利用+5V的稳定直流电压供电给单片机。汽车上直接使用的为直流+12V电压源，因此需要将+12V电压转换为+5V供单片机使用。应用LM7805CK稳压芯片，可直接将+12V的直流电压转换为+5V，提供单片机所需的电压。转换电路如图4-7所示。

图4-7 电源转换电路

2. 单片机外部复位与时钟电路设计

单片机在启动时都需要复位，以便使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。单片机复位电路的基本功能是：系统上电时，提供复位信号，直至系统电压稳定后，撤销复位信号。当系统处于正常工作状态时，如果RESET引脚上有一个低电平，则CPU就可以响应并将系统复位。

本设计中，当按下开关K时，，单片机的RESET引脚便产生一个低电平，从而实现单片机的复位。本系统设计采用外接4MHz晶体与芯片内部的振荡电路组成时钟电路，产生4MHz的脉冲作为时钟信号，系统此时单

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条指令的执行时间为0.25µs。电容C1、C2的大小一般在20~30pF之间，R2与石英晶体并联，作用是稳定晶体的阻抗，提高震荡电路的稳定性。

系统的复位电路和时钟电路如图4-8所示。

图4-8 系统外部复位与时钟电路设计

4.5 系统的硬件抗干扰技术

由于硬件系统各个元件性能特点不同，加上工作环境的影响，干扰的存在在所难免，因此，应该对采取相关措施，减小系统干扰。要形成干扰，必须有干扰源、干扰传播和被干扰对象。因此，减小干扰可从这三个方面着手。减小系统干扰的方法有硬件抗干扰和软件抗干扰，这里先介绍硬件抗干扰的几种方法。

1. 选择良好的元器件与单片机

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硬件抗干扰技术是系统设计时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。本设计中还可应用两路输出的电位器，通过信号的互补，从而提高系统的可靠性。

两路信号电位器可输出两路电压信号，这两路电压信号相互补充，也就是信号A电压+信号B电压=输入电压。如图4-9所示。这种电位器可以简单实现出错诊断。

图4-9 带检错功能的电位器输出电压与方向盘转角的对应关系

2. 抑制电源干扰

单片机系统中的各个单元都需要使用直流电源，而电能在传播过程中，由于传输线路的相互影响，及线路外部影响的存在，使得电源电压不稳或产生谐波，因此必须对电源电压进行相应的稳压和滤波，以减少电源的干扰。

电源干扰的抑制，通常可采用以下几种方法： 1) 接地技术。 2) 隔离技术。

3) 模拟信号采样抗干扰技术。 3. 设计硬件监控电路

在单片机系统中，为了保证系统可靠、稳定地运行，增强抗干扰能力，需要配置硬件监控电路，硬件监控电路从功能上包括以下几个方面：

1) 上电复位：保证系统加电时能正确地启动。

2) 掉电复位：当电源失效或电压降到某一电压值以下时，产生复位信

号对系统进行复位。

3) 数据保护：当电源或系统工作异常时，对数据进行必要的保护，如

写保护、后备电池切换等。

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4) 电源监测：供电电压出现异常时，给出报警指示信号或中断请求信

号。

4. 对电路板进行合理设计

对电路板合理设计方法有以下两种。 1) PCB板元件布局

a：线路板上的元件应尽量按直线进行排列；

b：对于那些易产生噪声的器件组成的电路，如电源线路等，应与微弱信号电路分开布局，尤其是应该远离单片机的逻辑控制电路和存储电路，如果可能的话，将这些电路另制成电路板，有利于抗干扰，提高电路工作可靠性。

c：时钟产生器尽量接近CPU，引线要短而粗，I/O驱动电路应靠近印刷板边，时钟、片选信号要远离I/O线。

2) PCB布线原理 a：加粗地线

b：电源和地是从电源的两端接到印刷板上来的，电源一个接点，地一个接点，印刷板上有多个返回地线，这些都会聚到电源的那个接地点上，就是所谓的单点接地。

c：对于模拟地，数字地都要汇集到接地点上来。

由于多圈电位器为接触式传感器，因此，在滑动触点和电阻器的相互运动中，两者会产生磨损，这影响到了电位器的使用寿命，因此，要定期对电位器进行润滑。

4.6 本章小结

本章首先对系统及硬件设计做了总体的规划，做出了硬件框图，然后对ATmega16单片机做了简单介绍。对单片机有一定的了解后，进行硬件的设计。硬件设计主要包括方向盘角度检测模块硬件设计、车速检测模块硬件设计、LED显示模块硬件设计、报警电路硬件设计、系统电源模块及单片机的时钟复位电路硬件设计，并对硬件系统的抗干扰技术进行了简单介绍。

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广西大学毕业设计论文 第五章 方向盘角度检测系统的软件设计

第五章 方向盘角度检测系统软件设计

5.1 AVR单片机软件开发环境介绍

本设计采用C语言进行单片机的软件编程。

Code Vision AVR是HP Info Tech专门为AVR设计的一款低成本的C语言编辑器，它产生的代码非常严密，效率很高。他不仅包括了AVR C编译器，同时也是一个集成IDE的AVR开发平台，简称CVAVR 。

与其他的C语言开发平台相比，CVAVR对位变量的支持，对大量的扩展的、一些标准外部器件的支持和接口函数（如标准字符LCD显示器、SPI接口、延时函数、BCD码与格雷码转换等），以及方便地对EEPROM操作的功能等特点更适合一般人员的学习和使用。

CVAVR系统的安装非常方便简单，用户只要执行从网上下载的CVAVR系统安装setup.exe即可，通过简单的步骤就可以完成CVAVR的安装。

CVAVR系统还可以进行实时仿真，以便系统的程序调试。

5.2 方向盘角度检测系统软件设计

方向盘角度检测系统软件的主要功能是以硬件设计为基础，将硬件采集来的数据进行处理，完成电压与角度的标度转换、车速计算、车速比较等，通过相应的判断进行显示报警。

软件程序是设计的重要组成部分，软件部分由主程序、ADC转换子程序、方向盘角度检测子程序、路面倾角检测子程序、车速检测子程序及数码管显示报警子程序等部分组成。

5.2.1 系统主程序

主程序开始即开机复位，使CPU找到程序入口，同时完成必要的集成电路芯片的初始电平设置。复位后，系统需要自检，即对硬件电路进行检查，若发现错误则停止运行。自检无误后，便进行初始化工作。初始化的

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作用就是设定处理器工作中所应用的参数的初值。

系统初始化完毕之后，就进入数据采集与处理阶段，本设计的数据采集包括电位器的电压采集和编码器的脉冲计数。数据处理完之后，要对采集的数据进行相应的处理。数据处理完之后，根据情况进行相关的显示和报警。

系统的主流程图如图5-1所示。

图5-1 方向盘角度检测系统软件主流程图

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5.2.2 ADC转换子程序

数据采集是系统构成的重要部分。对设备的状态检测、控制都要依据现场的数据来分析判断。采集是将被测对象的状态量通过检测传给单片机，数据采集软件部分涉及A/D转换程序。电位器输出的电压信号需要经过A/D转换才能被单片机识别。在ATmega16单片机中，向ADC启动转换位ADSC位写“1”可以启动单次转换。在转换过程中此位保持为高，直到转换结束，然后被硬件清零。如果在转换过程中选择了另一个通道，那么ADC会在改变通道前完成这一次转换。ADC转换结果为10位，存放于ADC数据寄存器ADCH及ADCL中。转换结束后，ADC结果被送入ADC数据寄存器，且ADIF标志置位。

本设计ADC工作流程如图5-2所示。

图5-2 ADC工作流程图

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5.2.3 方向盘角度检测子程序

方向盘转动后带动电位器转动，电位器的输出电压也随着变化。输出电压经过AD转换后，送入单片机系统进行处理，将检测来的电压信号转换为角度数值存储，进一步显示。方向盘角度检测子程序流程图如图5-3所示。

图5-3 方向盘角度检测模块子程序流程图

5.2.4 路面倾角检测子程序

路面倾角的检测原理和方向盘角度检测原理完全一样，因此软件设计也差不多。只是在路面倾角检测时，由于汽车的颤动，可能会导致电位器产生误测。为避免此现象发生，在检测的时候必须有相应的程序判断滤波，以滤掉错误的检测值。程序判断滤波法是根据经验判断确定两次采样允许的最大偏差ΔY，若先后两次采样值的差大于ΔY，则本次采样表明输入信号是干扰信号，应该去掉；若小于ΔY，则本次采样值有效。

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路面倾角检测模块的程序滤波子程序如图5-4所示。

图5-4 程序判断滤波子程序流程图

路面倾角检测模块的程序流程图如图5-5所示。

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图5-5 路面倾角检测模块子程序流程图

5.2.5 车速检测子程序

采用T/C0的计数功能对光电编码器的输出脉冲进行计数，采用T/C1

的定时功能产生0.5s的定时中断。通过脉冲的计数值可求得在0.5s内汽车行驶的总路程，从而计算出汽车的车速。车速检测流程图如图5-6所示。

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图5-6 车速检测子程序流程图

5.2.6 方向盘角度显示子程序

显示模块是将最终要测量的值直观地显示出来，为使用者提供必要的系统运行状态。本设计的采用LED对方向盘的实时转角进行显示。显示程序流程图如图5-7所示。

图5-7 方向盘角度显示子程序流程图

5.2.7 报警子程序

车辆转弯时，由于转弯角度、路面倾角大小不同，转弯时的最大允许车速也不同。当转弯时，如果车速大于转弯允许的最高车速，就会出现向心力不足，汽车飞离跑道的现象发生，为避免事故发生，系统设计了报警功能。当车速接近转弯允许的最高车速时，需要及时产生报警信号，提示驾驶员安全驾驶。为安全起见，本设计中转弯允许最大车速设为实际计算

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允许最大车速的90%。本设计的报警系统流程图如图5-8所示。

图5-8 报警系统子程序流程图

5.3 软件抗干扰技术

由于干扰信号产生的原因错综复杂，且具有很大的随机性，因此，系统难免会受到干扰。除了在硬件上实施抗干扰措施外，软件抗干扰技术有时候也是必要的，作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰成本低，见效快，有事半功倍的效果。

常用的软件抗干扰技术有： 1. 开机自检

系统开始运行后，首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现非正常运行，就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、

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ROM、I/O口的状态进行检测。

2. 主动初始化

程序一经运行，单片机系统的各种功能、端口、方式、状态都被初始化。主动初始化不仅要保证上电复位后程序能正确地实现各种初始化，而且在程序中每次检测前都进行寄存器的刷新。

3. 数字滤波技术[11]

在单片机系统的模拟输入信号中，一般均含有各种各样的噪声和干扰，它们来自被测信号源本身、传感器及外界干扰等。为了进行准确测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。常见噪声有两大类：一类为周期性的，其典型代表为50Hz的工频干扰，对于这类干扰信号，采用积分时间等于20ms整倍数的双积分A/D转换器，可有效地消除其影响；另一类为非周期的不规则随机信号，对于随机干扰，可以采用数字滤波方法予以滤除。

数字滤波，就是经过一定的计算或判断程序减少干扰信号在可用信号中所占的比例，它实际上是一个程序滤波。通常的滤波的方法有：算术平均值法、中值法、限幅法、一阶惯性滤波法、程序判断滤波法和递推平均滤波法等。本设计路面倾角信号采集及显示部分都有需要相应的滤波方法。

消抖滤波法：设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较，如果采样值等于当前有效值，则计数器清零如果采样值不等于当前有效值，则计数器加1，并判断计数器是否大于上限(溢出)，如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，并清空计数器。这种滤波方法对于稳定显示是非常需要的。

程序判断滤波法：根据程序的判断剔除明显不合理的数据，如电压采集时大于2.56V的电压值，必须舍弃。

4. 软件陷阱

软件陷阱是在程序存储器的未使用区域中，加上若干条空操作和无条件跳转指令，无条件跳转指令指向程序“跑飞”处理子程序的入口地址。如果程序跳到这些未用区域，就会执行无条件跳转指令，转到相应的程序出错“跑飞”处理程序。除程序未用区域外，还可以在程序段之间（如子程序之间及一段处理程序完成后）及一页的末尾处插入软件陷阱，效果会更好。

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5.4 本章小结

本章首先对本系统的主要设计思路进行了描述，简单地介绍了CVAVR软件，然后对系统的主流程图及各个子系统的软件流程图做了详细的介绍，最后介绍了几种软件抗干扰的措施。

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广西大学毕业设计论文 第六章 总结与展望

第六章 总结与展望

6.1 总结

本设计针对汽车方向盘的跑偏及安全转弯问题，设计了一种基于单片机的方向盘角度检测装置。设计简单，成本低，实用性强。本文主要做了以下工作：

1. 针对问题所在，提出设计方案，选择最优的设计方法。

2. 介绍了多圈电位器角度测量的原理和光电编码器的基本测速原理。 3. 对汽车转弯时的力学模型做了详细的分析，通过建模，得出了汽车转弯时的行驶状态，为设计的进一步进行提供理论依据。

4. 应用ATmega16单片机作为装置控制中心，进行数据采集、A/D转换、脉冲检测以及数据处理等。对系统硬件重要的几个环节，包括方向盘角度检测环节、路面倾角检测环节、车速检测环节和显示报警环节进行了详细的电路设计。

5. 根据系统需要，在软件部分将采集来的方向盘角度、路面倾角、车速等信号进行处理，通过综合考虑，设计了方向盘的转角显示系统和转弯时的安全报警系统。

6. 对系统的软硬件抗干扰技术做了简单的介绍。

本设计提出了一种汽车转弯时的安全电子辅助设备设计方法，为汽车安全系统的研究和发展提供了一种新的思路，并且在研究中收集分析了大量的资料，本设计中许多独特的设计思想可为其他的电子设计和研究提供参考。

6.2 研究展望

汽车的转向系统是汽车必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成。特别是在车辆高速化的、驾驶人员非职业化、车辆密集化的今天，针对不同的驾驶人群，汽车的转向安全显得尤为重要。

本设计为一种汽车电子安全辅助装置。可以肯定，随着人们对汽车安

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全性能要求的不断提高，汽车电子安全辅助装置将成为汽车系统必不可少的一部分。因此，方向盘角度检测系统有非常广阔的发展前景。

由于设计者的知识水平有限，设计中难免有疏忽和考虑不周的地方，还需进一步优化：

1. 方向盘角度检测系统的硬件、设计中的一些数据，如：汽车前后轮的轴距、路面的摩擦系数等还需要大量的试验进一步确定和改进。

2. 方向盘角度检测系统的可靠性问题有待于进一步的实验和研究。 3. 随着电子技术的不断发展和成熟，方向盘角度检测系统的一些硬件可以做进一步的优化和改进。

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广西大学毕业设计论文 参考文献

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