大學生電動方程式賽車儀表盤的設計與實現

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、啟動開關和急停開關。底板采用亞克力板，由激光雕刻機切割制作，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，用單片機驅動并控制，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)。根據賽事規(guī)則，啟動開關采用自動復位開關，用于激活驅動系統(tǒng)，急停開關采用按鍵式開關，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，在賽車設計和調試過程中也具有重要意義。

關鍵詞：方程式賽車；儀表盤；設計；實現

0 引言

大學生電動方程式比賽（FSEC）賽車由大學生自行設計制造并駕駛，儀表盤是賽車的核心部件之一，在設計調試賽車過程中，技術人員可以通過儀表盤了解賽車當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。

利用機械設計軟件設計儀表盤機械結構，采用亞克力板制成。利用3D打印進制作儀表盤后盒。利用單片機驅動OLED顯示屏和LED燈，通過轉換函數處理來自傳感器的數據，通過顯示函數在顯示屏上顯示數據并用LED燈提供指示信息。利用自動復位按鈕作為啟動開關，連接控制器，從而激活驅動系統(tǒng)。利用按鍵式開關作為急停開關，與驅動系統(tǒng)串聯，從而在緊急狀態(tài)切斷動力。

對大學生方程式賽車儀表盤的設計與實現，內容包括基于SolidWorks的機械設計，基于UVision的單片機編程，基于Multisim的電路設計與模擬，機關雕刻機和3D打印機的使用，及多種工具、儀器的實踐操作。

1 賽車儀表盤的設計

1.1 儀表盤的組成結構

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（5）、急停開關（6）。

儀表盤底板形狀根據車架前環(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。啟動開關和急停開關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。儀表盤后盒設計為楔形結構，在減小體積和減輕重量的同時保證了后盒的整體強度。儀表盤后盒還包括四個電路板固定孔和四個導線孔。

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 6—急停開關 7—儀表盤后盒

1.2 電路設計

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（5）、急停開關（6）、安全回路線束（10）、鎖存器（9）、單片機（8）。

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

2 賽車儀表盤的實現方案

2.1 機械結構的實現

采用SolidWorks建立儀表盤的3D模型。根據車架前環(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)生機械干涉，將后盒設計成楔狀盒。分別建立OLED顯示屏、LED燈、開關、單片機和緊固件的3D模型。將儀表盤各部件與車架進行整體裝配，并做干涉檢查，如有干涉則進行修改。

為了追求賽車的輕量化，在選取各個部件材料時，應盡量采用重量輕且強度高的材料，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、絕緣性能良好，安全性能好，而且可塑性強易于加工。制作時，采用激光雕刻機一次切割成型，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)定性至關重要。方程式比賽在室外進行，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容。OLED屏使用有機發(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復位引腳、CS1與CS2片選引腳、D/C數據與命令引腳、WR寫命令引腳、RD讀命令引腳、D0與D1并口數據引腳。所選取單片機型號為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)定驅動顯示屏。

驅動OLED屏即控制其部分光點發(fā)光。OLED屏的驅動程序用UVision編寫，源程序包括寫入字節(jié)函數、初始化函數、顯示函數等函數，可以顯示16階灰度的阿拉伯數字信息、英文信息、漢字信息和圖片信息。在輸出時，需要先進行初始化，即設置所用的I/O和引腳，才能寫入數據；還需事先建立相應的ASCII碼庫、漢字庫和圖片庫，以便函數調用。

2.3 指示燈與開關的實現

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3個輸出引腳，單片機根據速度大小點亮一定數目指示燈。

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

3 結論

第一，設計出了適用于大學生電動方程式賽車的儀表盤的機械結構。所設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，設計出了儀表盤的電子電路，并且實現了預期的顯示功能。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、準確顯示信息的要求。

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