大學(xué)生電動方程式賽車儀表盤的設(shè)計與實現(xiàn)

楊益鈞++丁寧

摘 要：FSEC賽車的儀表盤，包括儀表盤底板、儀表盤后盒、顯示屏、指示燈、啟動開關(guān)和急停開關(guān)。底板采用亞克力板，由激光雕刻機(jī)切割制作，固定于車架前環(huán)。后盒采用3D打印，固定于底板背面，用于放置控制器單片機(jī)及部分線路，保證儀表盤整體的防水性能。顯示屏采用4.7英寸OLED，用單片機(jī)驅(qū)動并控制，用于顯示速度、電池電壓、提示信息。指示燈采用0.5毫米霧狀LED，用于指示車速和賽車狀態(tài)。根據(jù)賽事規(guī)則，啟動開關(guān)采用自動復(fù)位開關(guān)，用于激活驅(qū)動系統(tǒng)，急停開關(guān)采用按鍵式開關(guān)，用于在緊急狀態(tài)下快速切斷賽車動力。儀表盤是賽車的核心部件之一，能使車手直觀地了解賽車狀態(tài)，對車手控制賽車有極大幫助作用，在賽車設(shè)計和調(diào)試過程中也具有重要意義。

關(guān)鍵詞：方程式賽車；儀表盤；設(shè)計；實現(xiàn)

0 引言

大學(xué)生電動方程式比賽（FSEC）賽車由大學(xué)生自行設(shè)計制造并駕駛，儀表盤是賽車的核心部件之一，在設(shè)計調(diào)試賽車過程中，技術(shù)人員可以通過儀表盤了解賽車當(dāng)前性能從而做出改善；在車手駕駛賽車過程中，通過儀表盤了解賽車速度、電池電壓等信息，從而合理操控賽車。

利用機(jī)械設(shè)計軟件設(shè)計儀表盤機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用亞克力板制成。利用3D打印進(jìn)制作儀表盤后盒。利用單片機(jī)驅(qū)動OLED顯示屏和LED燈，通過轉(zhuǎn)換函數(shù)處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，通過顯示函數(shù)在顯示屏上顯示數(shù)據(jù)并用LED燈提供指示信息。利用自動復(fù)位按鈕作為啟動開關(guān)，連接控制器，從而激活驅(qū)動系統(tǒng)。利用按鍵式開關(guān)作為急停開關(guān)，與驅(qū)動系統(tǒng)串聯(lián)，從而在緊急狀態(tài)切斷動力。

對大學(xué)生方程式賽車儀表盤的設(shè)計與實現(xiàn)，內(nèi)容包括基于SolidWorks的機(jī)械設(shè)計，基于UVision的單片機(jī)編程，基于Multisim的電路設(shè)計與模擬，機(jī)關(guān)雕刻機(jī)和3D打印機(jī)的使用，及多種工具、儀器的實踐操作。

1 賽車儀表盤的設(shè)計

1.1 儀表盤的組成結(jié)構(gòu)

賽車儀表盤：包括儀表盤底板（1）、儀表盤后盒（7）、OLED顯示屏（2）、速度指示燈（3）、狀態(tài)指示燈（4）、啟動開關(guān)（5）、急停開關(guān)（6）。

儀表盤底板形狀根據(jù)車架前環(huán)確定，通過耳片固定于車架。OLED顯示屏固定于儀表盤底板。速度指示燈和狀態(tài)指示燈固定于儀表盤底板。啟動開關(guān)和急停開關(guān)固定于儀表盤底板右下方。儀表盤后盒固定于儀表盤底板背面。儀表盤后盒設(shè)計為楔形結(jié)構(gòu)，在減小體積和減輕重量的同時保證了后盒的整體強(qiáng)度。儀表盤后盒還包括四個電路板固定孔和四個導(dǎo)線孔。

1—儀表盤底板 2—OLED顯示屏 3—速度指示燈 4—狀態(tài)指示燈 5—啟動開關(guān) 6—急停開關(guān) 7—儀表盤后盒

1.2 電路設(shè)計

部分包括OLED顯示屏（2）、速度指示燈（3）、狀態(tài)指示燈（4）、啟動開關(guān)（5）、急停開關(guān)（6）、安全回路線束（10）、鎖存器（9）、單片機(jī)（8）。

單片機(jī)和鎖存器芯片均安裝連接在控制器電路板上。單片機(jī)連接OLED顯示屏和狀態(tài)指示燈，并通過鎖存器連接速度指示燈。啟動開關(guān)接單片機(jī)，急停開關(guān)通過安全回路線束串聯(lián)在安全回路中。單片機(jī)采集傳感器信號，通過轉(zhuǎn)換函數(shù)和顯示函數(shù)顯示在顯示屏和速度指示燈上。

2 賽車儀表盤的實現(xiàn)方案

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

采用SolidWorks建立儀表盤的3D模型。根據(jù)車架前環(huán)的形狀和尺寸，確定儀表盤底板為帶圓角的矩形。車架前環(huán)后方空間有限，為了使儀表盤后盒不于車身發(fā)生機(jī)械干涉，將后盒設(shè)計成楔狀盒。分別建立OLED顯示屏、LED燈、開關(guān)、單片機(jī)和緊固件的3D模型。將儀表盤各部件與車架進(jìn)行整體裝配，并做干涉檢查，如有干涉則進(jìn)行修改。

為了追求賽車的輕量化，在選取各個部件材料時，應(yīng)盡量采用重量輕且強(qiáng)度高的材料，以保證各部件在賽車行駛過程過正常工作，且在特殊條件下不會發(fā)生破碎威脅車手安全。而儀表盤位于車手正前方，與車手距離較近，對材料要求應(yīng)該更高。

所以，儀表盤底板采用亞克力板。亞克力板屬聚丙烯酸酯類，它自重輕、抗沖擊能力強(qiáng)、絕緣性能良好，安全性能好，而且可塑性強(qiáng)易于加工。制作時，采用激光雕刻機(jī)一次切割成型，保證加工精度。儀表盤后盒采用3D打印成型，3D打印可快速成型，省去制模和脫模時間。3D打印耗材選取PLA材料，它自重輕，成型后柔韌性好且不易變形。

2.2 OLED顯示屏的驅(qū)動

儀表盤是車手了解賽車的重要窗口，所以顯示屏的可看性與穩(wěn)定性至關(guān)重要。方程式比賽在室外進(jìn)行，環(huán)境亮度較高，車手需要在賽車高速行駛過程中看清顯示屏內(nèi)容。OLED屏使用有機(jī)發(fā)光二極管，具有自發(fā)光、亮度高、對比度高的的特點。而且OLED屏反應(yīng)速度高，功耗低，十分適于作賽車顯示屏。

所選取OLED屏型號為M47P1332，大小4.7英寸，分辨率256*128，具有16階灰度。有SPI接口和并口，包括兩個VCC3.3V引腳、兩個GND引腳、RES復(fù)位引腳、CS1與CS2片選引腳、D/C數(shù)據(jù)與命令引腳、WR寫命令引腳、RD讀命令引腳、D0與D1并口數(shù)據(jù)引腳。所選取單片機(jī)型號為STM32f103，最高工作頻率72Mhz，有80個快速I/O端口，每個都可映射到16個外部中斷。可以穩(wěn)定驅(qū)動顯示屏。

驅(qū)動OLED屏即控制其部分光點發(fā)光。OLED屏的驅(qū)動程序用UVision編寫，源程序包括寫入字節(jié)函數(shù)、初始化函數(shù)、顯示函數(shù)等函數(shù)，可以顯示16階灰度的阿拉伯?dāng)?shù)字信息、英文信息、漢字信息和圖片信息。在輸出時，需要先進(jìn)行初始化，即設(shè)置所用的I/O和引腳，才能寫入數(shù)據(jù)；還需事先建立相應(yīng)的ASCII碼庫、漢字庫和圖片庫，以便函數(shù)調(diào)用。

2.3 指示燈與開關(guān)的實現(xiàn)

指示燈是輸出信息的圖形化表示，相比文字更加直觀。速度指示燈和狀態(tài)指示燈選取0.5毫米霧狀LED，它亮度高、功耗低。狀態(tài)指示燈共陰極接地，另一端連接直接連接單片機(jī)的3個輸出引腳。速度指示燈共陰極接地，另一端接鎖存器芯片輸出端，芯片輸入端接單片機(jī)3個輸出引腳，單片機(jī)根據(jù)速度大小點亮一定數(shù)目指示燈。

啟動開關(guān)采用可自動復(fù)位的按鈕式開關(guān)，連接單片機(jī)，在賽車待駕駛狀態(tài)，踩下剎車踏板的同時按住啟動開關(guān)，才能激活賽車。急停開關(guān)采用按鍵式開關(guān)，推入開關(guān)即可切斷安全回路。

3 結(jié)論

第一，設(shè)計出了適用于大學(xué)生電動方程式賽車的儀表盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的儀表盤底板和后盒的形狀與尺寸能良好契合賽車車架前環(huán)。所選取制作材料都具有自重輕、安全性好的特定。

第二，設(shè)計出了儀表盤的電子電路，并且實現(xiàn)了預(yù)期的顯示功能。選用了亮度高、功耗低的OLED屏和霧狀LED燈，滿足賽車儀表盤對快速、準(zhǔn)確顯示信息的要求。

第三，選用了滿足規(guī)則的啟動開關(guān)和急停開關(guān)，保證了賽車和車手的安全。