大学生电动方程式赛车仪表盘的设计与实现

杨益钧++丁宁

摘 要：FSEC赛车的仪表盘，包括仪表盘底板、仪表盘后盒、显示屏、指示灯、启动开关和急停开关。底板采用亚克力板，由激光雕刻机切割制作，固定于车架前环。后盒采用3D打印，固定于底板背面，用于放置控制器单片机及部分线路，保证仪表盘整体的防水性能。显示屏采用4.7英寸OLED，用单片机驱动并控制，用于显示速度、电池电压、提示信息。指示灯采用0.5毫米雾状LED，用于指示车速和赛车状态。根据赛事规则，启动开关采用自动复位开关，用于激活驱动系统，急停开关采用按键式开关，用于在紧急状态下快速切断赛车动力。仪表盘是赛车的核心部件之一，能使车手直观地了解赛车状态，对车手控制赛车有极大帮助作用，在赛车设计和调试过程中也具有重要意义。

关键词：方程式赛车；仪表盘；设计；实现

0 引言

大学生电动方程式比赛（FSEC）赛车由大学生自行设计制造并驾驶，仪表盘是赛车的核心部件之一，在设计调试赛车过程中，技术人员可以通过仪表盘了解赛车当前性能从而做出改善；在车手驾驶赛车过程中，通过仪表盘了解赛车速度、电池电压等信息，从而合理操控赛车。

利用机械设计软件设计仪表盘机械结构，采用亚克力板制成。利用3D打印进制作仪表盘后盒。利用单片机驱动OLED显示屏和LED灯，通过转换函数处理来自传感器的数据，通过显示函数在显示屏上显示数据并用LED灯提供指示信息。利用自动复位按钮作为启动开关，连接控制器，从而激活驱动系统。利用按键式开关作为急停开关，与驱动系统串联，从而在紧急状态切断动力。

对大学生方程式赛车仪表盘的设计与实现，内容包括基于SolidWorks的机械设计，基于UVision的单片机编程，基于Multisim的电路设计与模拟，机关雕刻机和3D打印机的使用，及多种工具、仪器的实践操作。

1 赛车仪表盘的设计

1.1 仪表盘的组成结构

赛车仪表盘：包括仪表盘底板（1）、仪表盘后盒（7）、OLED显示屏（2）、速度指示灯（3）、状态指示灯（4）、启动开关（5）、急停开关（6）。

仪表盘底板形状根据车架前环确定，通过耳片固定于车架。OLED显示屏固定于仪表盘底板。速度指示灯和状态指示灯固定于仪表盘底板。启动开关和急停开关固定于仪表盘底板右下方。仪表盘后盒固定于仪表盘底板背面。仪表盘后盒设计为楔形结构，在减小体积和减轻重量的同时保证了后盒的整体强度。仪表盘后盒还包括四个电路板固定孔和四个导线孔。

1—仪表盘底板 2—OLED显示屏 3—速度指示灯 4—状态指示灯 5—启动开关 6—急停开关 7—仪表盘后盒

1.2 电路设计

部分包括OLED显示屏（2）、速度指示灯（3）、状态指示灯（4）、启动开关（5）、急停开关（6）、安全回路线束（10）、锁存器（9）、单片机（8）。

单片机和锁存器芯片均安装连接在控制器电路板上。单片机连接OLED显示屏和状态指示灯，并通过锁存器连接速度指示灯。启动开关接单片机，急停开关通过安全回路线束串联在安全回路中。单片机采集传感器信号，通过转换函数和显示函数显示在显示屏和速度指示灯上。

2 赛车仪表盘的实现方案

2.1 机械结构的实现

采用SolidWorks建立仪表盘的3D模型。根据车架前环的形状和尺寸，确定仪表盘底板为带圆角的矩形。车架前环后方空间有限，为了使仪表盘后盒不于车身发生机械干涉，将后盒设计成楔状盒。分别建立OLED显示屏、LED灯、开关、单片机和紧固件的3D模型。将仪表盘各部件与车架进行整体装配，并做干涉检查，如有干涉则进行修改。

为了追求赛车的轻量化，在选取各个部件材料时，应尽量采用重量轻且强度高的材料，以保证各部件在赛车行驶过程过正常工作，且在特殊条件下不会发生破碎威胁车手安全。而仪表盘位于车手正前方，与车手距离较近，对材料要求应该更高。

所以，仪表盘底板采用亚克力板。亚克力板属聚丙烯酸酯类，它自重轻、抗冲击能力强、绝缘性能良好，安全性能好，而且可塑性强易于加工。制作时，采用激光雕刻机一次切割成型，保证加工精度。仪表盘后盒采用3D打印成型，3D打印可快速成型，省去制模和脱模时间。3D打印耗材选取PLA材料，它自重轻，成型后柔韧性好且不易变形。

2.2 OLED显示屏的驱动

仪表盘是车手了解赛车的重要窗口，所以显示屏的可看性与稳定性至关重要。方程式比赛在室外进行，环境亮度较高，车手需要在赛车高速行驶过程中看清显示屏内容。OLED屏使用有机发光二极管，具有自发光、亮度高、对比度高的的特点。而且OLED屏反应速度高，功耗低，十分适于作赛车显示屏。

所选取OLED屏型号为M47P1332，大小4.7英寸，分辨率256*128，具有16阶灰度。有SPI接口和并口，包括两个VCC3.3V引脚、两个GND引脚、RES复位引脚、CS1与CS2片选引脚、D/C数据与命令引脚、WR写命令引脚、RD读命令引脚、D0与D1并口数据引脚。所选取单片机型号为STM32f103，最高工作频率72Mhz，有80个快速I/O端口，每个都可映射到16个外部中断。可以稳定驱动显示屏。

驱动OLED屏即控制其部分光点发光。OLED屏的驱动程序用UVision编写，源程序包括写入字节函数、初始化函数、显示函数等函数，可以显示16阶灰度的阿拉伯数字信息、英文信息、汉字信息和图片信息。在输出时，需要先进行初始化，即设置所用的I/O和引脚，才能写入数据；还需事先建立相应的ASCII码库、汉字库和图片库，以便函数调用。

2.3 指示灯与开关的实现

指示灯是输出信息的图形化表示，相比文字更加直观。速度指示灯和状态指示灯选取0.5毫米雾状LED，它亮度高、功耗低。状态指示灯共阴极接地，另一端连接直接连接单片機的3个输出引脚。速度指示灯共阴极接地，另一端接锁存器芯片输出端，芯片输入端接单片机3个输出引脚，单片机根据速度大小点亮一定数目指示灯。

启动开关采用可自动复位的按钮式开关，连接单片机，在赛车待驾驶状态，踩下刹车踏板的同时按住启动开关，才能激活赛车。急停开关采用按键式开关，推入开关即可切断安全回路。

3 结论

第一，设计出了适用于大学生电动方程式赛车的仪表盘的机械结构。所设计的仪表盘底板和后盒的形状与尺寸能良好契合赛车车架前环。所选取制作材料都具有自重轻、安全性好的特定。

第二，设计出了仪表盘的电子电路，并且实现了预期的显示功能。选用了亮度高、功耗低的OLED屏和雾状LED灯，满足赛车仪表盘对快速、准确显示信息的要求。

第三，选用了满足规则的启动开关和急停开关，保证了赛车和车手的安全。