【2024 DigiKey创意大赛】+ 用于车速估算的空速表制作

顺竿爬 · 发表于2024-10-13 11:27

【2024 DigiKey创意大赛】+ 用于车速估算的空速表制作 [复制链接]

本帖最后由顺竿爬于 2024-10-13 13:31 编辑

一、作品简介

2SMPP03是一款气压计，这款气压计在外接空速管的基础上，可以作为空速计来使用。一般此类应用都会被应用在航模上，而我想到这种用法其实在汽车工业上也可以大有作为。
汽车在隧道等GPS信号不佳的地方行驶时，对于里程和位置的估计，只能依靠转速表，陀螺仪，加速度计等传感器进行测量。这些传感器都有一个共同的问题，就是测不准，会受到其他因素干扰：比如里程表会受到胎压影响，惯性传感器会受到路面情况干扰等。因此需要多个传感器参与，使用不同的方法来测量，并将数据通过算法进行融合，以此减少误差。增加空速计，可以增加另一个观测速度及速度变化的途径，因此我们可以在极低成本的情况下，增加速度及位置估计的准确度。

整个项目的硬件部分展示：

二、系统框图

整个项目我使用购买的2SMPP03模组与自己设计的电路板制作出空速计模块，用ESP32-C6-DEVKITC-1-N8上的ADC外设读取空速计读数，并经过计算转换为车速，最后再通过串口输出至使用树莓派zero2w制作的车载电脑，完成车速的图形化显示。

三、各部分功能说明

首先是硬件制作。2SMPP03空速计由于是最基础的电阻网络结构，因此还需要不少模拟电路外设才可以正常工作。

外设电路设计一共需要三个运放。首先是仪表放大器，需要把2SMPP03输出的差分电压进行放大：

电阻R8的作用是用来调节放大倍数。

另外还需要一个电压跟随器，用来给仪表放大器提供参考电压。参考电压我设置为1/2*vcc，这样可以做到正负压双向测量。

最后一个运放是用来做一个恒流源，给2SMPP03提供恒流供电。这两个运放我使用一个双运放来完成。

在2SMPP03电源回路上也接一个变阻器，用来调整恒流值大小：

这样电路原理图部分设计就完成了，绘制成电路板如下：

下面开始写ESP32-C6-DEVKITC-1-N8上的代码。代码读取ADC数据，进行计算后通过串口发送出去。这里主要需要注意的是计算方法。

首先根据2SMPP03规格书，可以找到电阻与气压的关系：

通过调整横流电阻，把电流调整到100uA，就可以得到上面的线性关系。

接着再通过调整仪表放大器的放大倍率，来使得输出电压匹配ESP32-C6-DEVKITC-1-N8的ADC量程范围。

最后我们找到风压与风速的关系：

wp = 0.5*r*(v^2)*1000/g

其中wp是风压，r是空气重度，g是重力加速度，v是风速。调整一下公式，就可以得到风速的计算公式：

v = (wp / 1000 / (0.5 * r / g))^0.5

使用这个公式，就可以完成代码编写：

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  unsigned int sensorValue = analogRead(4);
  if (sensorValue < 920) {
    sensorValue = 920;
  } else if (sensorValue > 1500) {
    sensorValue = 1500;
  }
  unsigned int pressure = map(sensorValue, 920, 1500, 0, 390);
  float volecity = sqrt((float)pressure / 1000 / (0.5 * 0.01225 / 9.8));

  // print the results to the Serial Monitor:
  // Serial.print("sensor = ");
  Serial.println(volecity);


  // wait 2 milliseconds before the next loop for the analog-to-digital
  // converter to settle after the last reading:
  delay(100);
}

按照设计焊接好电路板：

我使用的是4号引脚，属于ADC1外设。因此接线时注意把信号线接到4号脚上

最后是树莓派上位机的图形化显示源码。使用python自带的库就可以完成全部设计。

import tkinter as tk
from tkinter import Canvas
import serial
import math


root = tk.Tk()
root.title("SPEED")


ser = serial.Serial("/dev/ttyUSB0", 115200, timeout=1)


canvas = Canvas(root, width=400, height=400)
canvas.pack()


canvas.create_arc(
    50, 50, 350, 350, start=225, extent=-270, outline="lightgrey", width=10
)


for i in range(0, 26, 5):
    angle = 225 - (i / 25) * 270
    x = 200 + 140 * math.cos(math.radians(angle))
    y = 200 - 140 * math.sin(math.radians(angle))
    canvas.create_text(x, y, text=str(i), font=("Arial", 10))


needle_length = 100
needle = canvas.create_line(200, 200, 200, 100, fill="red", width=3)



def update_gauge(speed):
    angle = 225 - (speed / 25) * 270
    x = 200 + needle_length * math.cos(math.radians(angle))
    y = 200 - needle_length * math.sin(math.radians(angle))
    canvas.coords(needle, 200, 200, x, y)



def read_serial():
    try:
        line = ser.readline().decode("utf-8").strip()
        if line:
            speed = float(line)
            if 0 <= speed <= 25:
                update_gauge(speed)
    except Exception as e:
        print(f"Error reading serial: {e}")

    
    root.after(50, read_serial)



read_serial()


root.mainloop()

将C6和树莓派的TX/RX交叉连接，并连接地线后，在树莓派上运行程序，最终显示效果如下：

四、作品源码

PCB设计文件：

ProDoc_2SMPP03_2024-10-13.epro (48 KB, 下载次数: 0)

ESP32-C6-DEVKITC-1-N8代码：

AnalogOutSerial.ino (620 Bytes, 下载次数: 0)

树莓派zero2W代码：

speed.py (1.25 KB, 下载次数: 0)

五、作品功能演示视频

10月13日

六、项目总结

项目的所有代码及设计文件均已在上面上传，所有的细节都写在本文中，下面附上word版的项目报告。

DigiKey_contest_2024_word.doc (570.5 KB, 下载次数: 0)