智能汽车仪表的设计本科毕业论文（设计).doc

1 湖南工业职业技术学院 hunan industry polytechnic 毕 业 实 践 类别 项目承接与技术服务（毕业实践） 题目 智能汽车仪表的设计 系名称 电气工程系 专业及班 级 学 生 姓 名 学号 1 指 导 教 师 2 毕业实践课题及任务 课题简介 智能仪器仪表是实现数据采集、记录分析、实时控制、网络监控、集 成管理等功能于一体的微机系统。汽车数字式智能仪表以 mcs-51 系统系 列单片机为核心，利用单片机面向控制、通用性、灵活性、可靠性高、抗 干扰能力强，具有掉电保护等特点，对汽车仪表的小型化、数字化、智能 化的设计。 课题任务 要求 内容： 1、了解智能仪器仪表的功能，熟悉单片机开发步骤。 2、设计电路原理图。 3、设计主程序。 要求： 1、熟练运用单片机编程语言。 2、熟练运用 protel99 软件。 3、原理图正确。 4、主程序调试正确。 工作量：1、开题报告一份。 2、图纸若干张。 3、单片机程序一份。 4、毕业论文。 进程安排 寒假期间：调研、小组分工、收集资料 第一周至第二周：完成开题报告 第三周至第五周：根据课题要求，查阅相关理论书籍、设计参考书等， 进一步加深对设计课题的理解和认识； 第六周至第九周：根据课题要求，写出系统方案，进行系统电路设计， 画出硬件电路接线图及原理说明。 第十周至十二周：根据课题要求，进行系统软件设计，画出控制系统 流程图，编写控制程序。 第十三周：设计资料的准备、修改、完善、装订。 参考资料 智能仪器仪表、汽车数字式智能仪表、80c41 单片机数据手册 智能仪器原理及应用 ，赵茂泰，电子工业出版社 智能仪表原理与设计 ，李昌禧，化学工业出版社 mcs-51 系列单片机实用接口技术 ，李华，电子工业出版社 mcs-51 系列单片机接口电路与应用程序实例 ，沈德金，北京航空 航天大学出版社 3 湖南工业职业技术学院毕业实践开题报告书 电气工程 系 电气自动化 专业 学生姓名 班级 学号 课题名称 智能汽车仪表的设计 课题准备 情况 一接到这设计感觉很难，不过在老师和同学的帮助下，拟定了 设计方案，查找了许多的资料，不断的进行修改和完善，终于完成 了设计内容。 思路和方法 分析目前基智能汽车仪表的设计本情况，对该技术有了大概的 了解。并以此为基础提出自己的智能汽车仪表的设计初步方案。然 后通过上网和查阅资料了解单片机及电路，确定以及完善自己的设 计。 拟重点解决 的问题 什么是智能汽车的仪表，以及智能汽车仪表的硬件设计和软件 编写。 计划进度 （1)首先，通过查阅书籍和网络了解智能汽车仪表的知识；(2) 然后，根据设计要求设计出任务和方案，先对智能汽车仪表系统的 硬件部分思考和分析，再结合软件来进行设计；（3）最后向老师询 问来不断的修改和完善自己的设计。 指导教师 意见 签名： 年 月 日 4 湖南工业职业技术学院毕业实践考核表 电气工程 系 电气自动化 专业 学生姓名 班级 学号 课题名称 智能汽车仪表的设计 课题成情况 及自我评价 本课题设计了智能汽车仪表的设计，让我对智能汽车仪表的硬 件、软件，都有了深刻的理解。同时让我更加熟悉了单片机的各种 硬件组成以及软件编写能力，学好了 proteus 软件。更重要的是本 课题增强了自己独立思考和动手解决问题的能力，给我将来的工作 和学习打好了良好的基础。 评语 评分 （共 60 分） 指导教师 评价 签名： 年 月 日 评语 评分 （共 40 分） 答辩小组 评价 组长签名： 年 月 日 毕业实践评 审组审核 经综合考核该学生毕业实践评定为 5 摘 要 汽车仪表是汽车的重要部件之一，能集中、直观、迅速地反映汽车在行驶过程中 的各种动态指标，如行驶速度、里程、电系状况、制动、压力、发动机转速、冷却液 温度、油量、指示灯状态，它是驾驶员能够直接了解汽车状况的一个窗口，为驾驶员 正确使用汽车及安全驾驶提供了保证。随着电子技术的发展，越来越多的新技术在汽 车制造业得到了广泛的应用。如微处理器在汽车上的应用，能使得各种数据的处理进 一步加快，从而提高了实时性。相对于传统的动磁式和动圈式机芯汽车仪表的体积大、 可靠性差、准度低的缺点，用步进电机来驱动指针的汽车仪表具有体积小、重量轻、 可靠性高、抗千扰能力强、指示准确、兼容性和通用性强、生产和检测工艺简单等优 点，该类仪表已成为当今世界汽车仪表的发展趋势。 在对新型汽车传感器、步进电机的工作原理还有单片机控制技术的了解和分析的 基础上，结合传统的汽车仪表工作原理，设计一个由单片机控制步进电机驱动指针的 汽车智能数字仪表。该智能数字仪表采用统一的步进电机结构，所有传感器采集的车 速、转速、燃油的模拟或数字信号量全部转换成驱动步进电机的数字信号，由单片机 处理完后，将驱动量信号输送到各自的步进电机指示仪表。 实验结果表明，基于单片机的步进电机式汽车智能数字仪表有着很好的效果，能 准确的显示车速、转速、燃油、机油压力等信息，还增强了仪表的适应性，其可靠性 得到了提高。 关键词:汽车仪表，步进电机，单片机。 6 目 录 第 1 章 绪论 .8 1.1 课题提出的背景 8 1.2 国内外研究现状 9 1.3 论文研究的主要内容 .10 第 2 章 汽车智能数字仪表电子技术基础 .11 2. 1 电子技术在汽车仪表技术中的应用 .11 2.2 汽车智能数字仪表的基本结构 12 2.2.1 电子式转速表 12 2.2.2 车速表.12 2.2.3 里程表 12 2.2.4 燃油表、机油压力表 13 2.3 基于步进电机的汽车智能数字仪表技术基础 13 第 3 章 汽车智能数字仪表的硬件设计 .16 3.1 汽车智能数字仪表的设计目标 16 3.2 汽车智能数字仪表的设计技术路线 16 3.3 汽车智能数字仪表中关键器件的选择 16 3.3.1 微处理器的选择 16 3.3.2 步进电机的选择 17 3.3.3 电源电路设计18 3.3.4 时钟电路 19 3.3.5 复位电路 20 3.4 汽车智能数字仪表中主要电路的设计 20 3.4. 1 车速里程表 .20 3.4.2 发动机转速表 25 3.4.3 燃油表 27 3.4.4 机油压力表 30 3.5 汽车智能数字仪表的设计 32 3.5.1 设计的基本思想 32 3.5.2 智能数字仪表的设计框图 32 3.5.3 主要功能 32 第四章 汽车组合仪表的软件设计 .34 4.1 软件设计思想 34 4.1.1 语言选择 34 4. 1.2 程序的模块化设计 .35 4.2 主程序的设计 37 4.2. 1 初始化模块 .37 4.2.2 主程序模块 37 4.2.3 中断处理模块 38 4.3 主要子程序的设计 38 4.3. 1 指针驱动子程序设计 .38 7 4.3.2 车速里程表子程序 39 4.3.3 燃油表子程序 41 4. 3. 4 转速表子程序 42 结 论 .43 致 谢 .44 参考文献 .45 8 第 1 章 绪论 1.1 课题提出的背景 随着电了技术的飞速发展和集成技术的日趋成熟以及芯片制造的产业化，为用单 片机技术设计、制造的汽车仪表克服技术瓶颈和成木障碍创造了条件。 由于单片机具有高可靠性、高控制性能和高运行速度，并能很好地解决仪表中的 误差修正和线性化处理等难题，同时便于实现数字信号与模拟信号间的转换，有利于: 对数据进行计算、控制和存储，易于与仪表模块化模拟指小驱动机构相匹配，而且己 在航空仪表及其它专用仪表上得到应用，因此，用单片机技术设计、制造汽车仪表正 成为世界各先进汽车仪表制造厂家竞相发展的、最具潜力和优势的升级换代产.目前在 我国奥迪 a6、小红旗轿车上已采用了单片机技术的智能汽车仪表。 为适应驾驶人员的视、读习惯，在保持汽车仪表原有表面特征的条件下，如智能 数字仪表、模拟指针指示、整体透过式照明等，选用车速里程表、转速表、温度表、 燃油表及左、右转向、远光、蓄电池充放电、机油压力、驻车制动、制动器故障、真 空报警、防抱制动、发动机预热、油水分离器、排气制动、机油液血、并速锁止等一 系列报警指示显，对汽车仪表机芯进行个新开发设计。通过对汽车行驶过程中模拟量 和开关量的合理采集和有效传递，采用专用线路板，在芯片上集成中央处理器(cpu)、 只读存储器(rom ),输入/输出接口(i/0)、a/d 车专换器、串行通讯等，并经一系列运 放、补偿、保护等电路的合成，来完成数字信号与模拟信号间的转换、处理和控制计 算，再输出给指示驱动机构，从而带动指针转动，使仪表精确、灵敏、平稳、有效指 示。即由温度传感器和燃油传感器将水温高低、燃油箱油面高度测量后得到的模拟量， 通过 a/d 转换器转换成数字量，经中央处理器的处理和控制计算，得到指针偏转的角 度值，通过 i/0 接口直接输出给指示驱动机构，从而带动指针转动;车速传感器和转速 传感器输出的为脉冲信号，经 i/0 接口读出脉冲信号，经过中央处理器的处理和控制 计算，换算成车速(km/h)和里程(km),及转速(r/min)，其中车速(km/h)、转速(r/min) 经 i/0 接口直接输出给指示驱动机构(带减速机构的微型电机)，从而带动指钊一转动; 而里程计数 (km)则采用液晶显示器指示。单片机的可读/写 eeprom,用于断电后保存行驶的士里程 数和其它一些参数，用通讯方式把一些初始参数发送到智能数字仪表，保存在 eeprom 里，同时，也可用 j-仪表的校对。 9 这种用单片机技术设计、制造的汽车仪表，具有集成度高、功能强、体积小、 速度快、存储量大、指令丰富、抗干扰性强、性能价格比高、通用性好、推广范围大、 工作可靠、指示准确易于匹配、使用寿命长、标准化系数高等一系列优势和特点，完 全可以替代传统原理设计制造的汽车仪表。同时，选用相应的模块化指不驱动机构和 单片机集成芯片进行组合搭配，可通过调整套性能参数指标的编程，即可满足轿车、 币型车、中型车、轻犁车、微型车等各种车型仪表的电子化、智能化、社愁成化的配 套需求，能够适应汽车产品丁卜级换代对汽车仪表提出的高性能、高质量、多品种、 大批量、经济适用的要求，代表了汽车仪表向功能多元化、机电一体化、系统工程化、 高度集成化的发展方向发展。 1.2 国内外研究现状 七十年代后期，欧共体推出机电模拟式汽车行驶记录仪，用于记录汽车行驶的速 度和距离。经欧共体各国推广使用后，证实在降低事故率，提高司机责任心和进行科 学管理等方面收到良好效果。据德国、比利时和荷兰几家公司的统计，使用记录仪后 交通事故率可降低 30%-50%。进入九十年代，科学技术飞速发展，计算机日益普及，美 国、欧共体相继推出性能更为优良的电子式汽车行驶记录仪，并得到美国国家运输安 全委员会的支持，敦促在其轿车和卡车上安装这种仪器。同时，美国通用公司和福特 公司等汽车制造商也着手研制汽车记录仪，并在其几种高档车上安装，记录仪中的数 据已在其法律诉讼及车辆返修等事务中提供了可靠的帮助。 1994 年，比利时的一家公 司在 114 辆车上安装了汽车记录仪，实践证明，记录仪的使用大大革新了该公司的管 理体系，它不但忠实的记录了每辆车的行驶时间、速度、距离等，帮助管理人员对车 辆进行统筹管理，而且在限制超速、提醒司机小心驾驶等方面也起到了非常积极的作 用，这样还使车辆的行驶情况、司机的业务评比更透明化，同时改善了司机的驾驶品 质，车辆的磨损和下路维修都大为减少。据新华社报道，智利旅游汽车公司的所有长 途客车上都装有记录仪，使用当年，因超速引起的交通事故已降为零。98 年 3 月，马 来西亚内阁会议决定强制推行使用汽车记录仪，以控制超速现象。最新资料显示，日 本汽车研究所最近研制出的“黑匣子” ，不仅能够记录车辆事故发生的各种数据，而且 它还能自动收入事故发生前 10 秒和后 5 秒之间从驾驶室看到的画面。 我国汽车运行数字记录装置的研究基本与世界同步。早在 1988 年，这项研究就被 国家计委、物价局、税务局、中国工商银行等部门列入国家级重大新产品试产计划， 10 1994 年，由中国航空工业第六研究所研制并推广应用的“cxj 车辆行驶记录系统” ，通 过了由国家技术监督局组织的科技成果鉴定，并在深圳、上海、广州、南宁等地试行 装车，取得了一定的社会效益。尤其是近几年，有关汽车运行数字记录装置问题的研 究在我国方兴未艾，很多公司和科研院所都投入了大量的人力物力进行研究开发，相 继又有产品问世 所以，着眼于已经研制出的汽车行驶记录仪，应该研制出一种功能更 强，性能更加优良的数字记录装置。 1.3 论文研究的主要内容 基于第三代汽车仪表存在的线性度、精度、重复性、响应速度等性能指标的问题， 完成基于单片机的步进电机式汽车智能数字仪表的设计与实现。通过各种汽车传感器 采集的模拟或数字信号量全部转化成驱动步进电机的数字信号，由单片机处理完后， 将驱动量信号输送到步进电机指示仪表。这种用全数字技术驱动的汽车智能数字仪表 精度高、线性度好、响应速度快、适应性强，弥补了第三代汽车仪表的不足。 11 第 2 章 汽车智能数字仪表电子技术基础 2. 1 电子技术在汽车仪表技术中的应用 随着电子技术的发展，传感器技术越来越多的应用到汽车仪表中。通俗的讲，传 感器就相当于眼睛、耳朵、手等五官。开发传感器的目的就是用传感器来替人的五官， 进而又超过人的感观。一般的讲，传感器是根据规定的被测量的大小，定量提供有用 的电输出信号的部件。狭义的讲:传感器就是把光、时间、电、温度、压力及气体等的 物理、化学量转换成信号的变换器。用于汽车仪表技术的传感器有温度传感器中的热 敏电阻式传感器，用于汽车水温表的传感器，车速传感器、转速传感器、液位传感器 等。当今，传感技术、通信技术和计算机技术，成为现代信息技术的三大基础。传感 器技术是信息系统的第一道门坎，担负着采集(摄取)信息的任务。在国外，各发达国 家都将传感器技术视为现代高技术发展的关键。因而美国将 20 世纪末称为传感器时代， 而日本则将传感技术列为应优先发展的十大技术之首。随着各种信息数据的处理正在 不断增加，对所需各项行驶信息的精度和信息种类也提出了更高要求，促进和要求研 制开发与汽车仪表同步匹配的、新一代先进的、以各种新型材料制成的高技术、高精 度和高灵敏度传感器，并实现传感器与汽车仪表同时规模经济生产和产品配套系列化。 作为汽车电子控制系统的中心的微机在迅速的普及，上述的传感器输出的信号就 是送给单片机来处理的，由于单片机具有高可靠性、高控制性能和高运行速度，并能 很好地解决仪表中的误差修正和线性化处理等难题，同时便于实现数字信号与模拟信 号间的转换，有利于对数据进行计算、控制和存储，易于与仪表模块化模拟指示驱动 机构相匹配。这种用单片机技术设计、制造的汽车仪表，具有集成度高、功能强、体 积小、速度快、存储量大、指令丰富、抗干扰性强、性能价格比高、通用性好、推广 范围大、工作可靠、指示准确、使用寿命长、标准化系数高等一系列优势和特点。 配合单片机使用的汽车仪表显示系统是采用步进电机驱动的仪表指针显示，这种 步进电机式汽车仪表由 ecu 完成各种被测物理量的采集，经过换算后直接控制步进电 机，再由步进电机驱动指针，在刻度盘上指示被测物理量，同时辅以被测物理量 lcd 数字显示。 显示技术上，随着汽车仪表大规模使用的指针模拟显示方式的发展，平面仪表板 12 显示技术也得到了充分发展，目前己研制出来或己推广使用的就有 led 发光二极管显 示屏、lcd 液晶显示屏、vfd 真空荧光显示屏、pdp 等离子显示屏、eld 电致发光显示 屏、crt 阴极射线管显示屏和利用虚拟成像技术实现了在前挡风玻璃上形成图像的抬头 显示等。 2.2 汽车智能数字仪表的基本结构 汽车智能数字仪表就是将转速表、车速表、里程表、机油压力表、燃油表等组合 到一起的汽车电子仪表。各个仪表如下: 2.2.1 电子式转速表 电子式转速表由于具有较高的精度、灵敏度，并能自动报警，及其在高低温、潮 湿、振动等各种恶劣条件下工作的优点，所以应用较多。大多数转速表采用真空荧光 显示、液晶显示等以图形显示发动机速度，它利用点火系的初级脉冲信号测量发动机 转速，这个脉冲信号输人微机中测得每个脉冲的周期，用四个脉冲的平均周期来计算 发动机转速。 2.2.2 车速表 车速表用来根据从汽车速度传感器接收的信号计算汽车速度并显示这一计算结果。 当检测到来自汽车速度传感器的信号出现时，微机开始计算代表汽车速度的脉冲。当 预定的时间周期过去之时，计算运行也就结束。然后把计算器的计算数字与存贮器中 的数字进行比较:若两者问相差为 l km/h 或更多时，计算数字送往显示电路，用以更 新显示值。 2.2.3 里程表 里程累计表用来综合、存贮和显示汽车行驶的距离。这类里程表有两种，一 是短距离里程表，驾驶员可调整所需的读数，即为重新记录里程，可随时调零: 二是显示车辆行驶总距离的里程表。两种里程表都计算来自车辆速度传感器的脉冲量 并将其存贮起来。输入脉冲量的微机的电源与蓄电池连接。这就是蓄电池支持系统， 这种结构即在点火开关关断时，也能保持存贮的数据甚至如果蓄电池与系统断开，由 13 于采用了电可擦可编程序只读存贮器和蓄电池支持系统，里程表中的数据也能保持完 好。 2.2.4 燃油表、机油压力表 为了进行较精确的测量汽车的燃油余量，燃油余量可采用数字式燃油余量测量器 来测量。数字式燃油余量测量器是把传感器产生的被测量的连续电量自动地变成断续 量(数字量)，然后进行数字编码，并将测量结果经数字显示出来。它由燃油余量传感 器、放大 a/d 转换、译码器、显示装置等几部分组成。温度传感器把待测的温度变成 一定函数关系的电信号。但该电信号较弱，要经放大后才能进行 a/d 转换，把由燃油 余量传感器变成模拟量的电信号转换成对应的数字量。通过译码器译码后，由显示装 置显示出测量的温度。 机油压力表、水温表和燃油表类似，只是传感器不同。 2.3 基于步进电机的汽车智能数字仪表技术基础 随着电子技术的发展，步进电动机也成为了汽车仪表的主要驱动部件。步进电动 机是一种脉冲式执行元件。它受电脉冲信号的控制，每输入一个脉冲，转子便产生一 步位移 bs，称步距角。输出总位移量 8 与脉冲个数 n 成正比，即 0=氏 n(2-1) 由于这种电机的位移是随脉冲的逐个输入而逐步行进，所以称作步进电动机或称脉冲 电机。如果输入信号是连续的脉冲序列，电机即可连续运转，此时电机的转速 n 与脉 冲频率 f，即 n=kn 人(2-2) 式中:kn 为比例常数。 步进电机是控制用的特种电机，他的旋转以固定角度(步距角)一步一步运行，它 没有累计误差，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要用一个电子 装置来驱动，这种装置就是步进电机的驱动器，它把控制系统发出的脉冲信号转 化为步进电机的角位移。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步 进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步距角)。我们可以通过控制脉冲个数来 控制角位移量，从而达到准确定位的目的:同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动 14 的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分三种:永磁式(pm)、反应式(vr)和混合式(hb)。永磁式步进电机一般为 两相，转矩和体积较小，步距角一般为 7.5 度或巧度;反应式步进电机一般为三相，可 实现大转矩输出，步距角一般为 1.5 度;混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的 优点。它又分为两相和五相，两相步进电机步距角一般为 1.8 度而五相步距角一般为 0.72 度。 步进电机的一些基本参数: (1)电机固有步距角:它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 电机出厂时便给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角” ，它 不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 (2)步进电机的相数:它是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四 相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.90 /1.80、三相的为 0.75。11.50、五相的为 0.360 /0.720。在没有细分驱动器时，用户 主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则 “相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 (3)保持转矩(holding torque):它是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转 子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持 转矩。 (4) detent torque:它是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。 步进电机的一些特点: 1 一般步进电机的精度为步进角的 3%-5%，且不累积。 2.步进电机外表允许的最高温度。一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度 以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80、90 度完全正 常。 3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的 电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频 率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4.步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 传统的步进电机存在步距角大、运行噪声大、震动大、低频运行有振荡等缺点， 15 往往满足不了某些高精度定位、精密加工等方面的要求，影响了步进电机系统的性能， 限制了步进电机的应用范围。为了改善步进电机的这些缺点，人们从两个方面着手进 行了努力。一个是从电机本身出发，通过增加相数和齿数等方法来提高系统性能;另一 个就是通过优化它的控制方法来提高系统的性能。第一种 方法能提高步进电机系统的性能，但受制于材料、工艺和成本等。相比于前者， 后者具有更大的发展空间和前景。 步进电机作为常用的数字化执行元件，其控制结果的优劣绝大程度上取决于其驱 动电源的性能。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性 的一种行之有效的方法。根据电机学原理，要使电机在运行中具有恒定的力矩以达到 电机的平稳运行，电机内应该有均匀的圆形旋转磁场，也就是要求各相绕组产生的合 成磁势矢量在空间做等幅匀速旋转。根据电机学理论可知，如果在空间正交的两相绕 组上各通以相位相差 90。的正弦电流，那么这两相绕组的合成空间电流矢量将做等幅 匀速旋转，由此产生的控制合成磁势也将做等幅匀速旋转，电机也将获得最佳的运行 性能，这就是步进电机细分控制方式的原理。 步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制， 使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。 一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场 矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步进电机的恒转矩均匀 细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部合成磁场的幅值恒定，而 且每个进给脉冲所引起的合磁场的角度变化也要均匀。 由于步进电机驱动电源技术的逐步提高，步进电机的运行性能也因此得到了很大 的改善，它的应用范围也就越来越广泛，在精度上己经达到能和伺服系统相媲美的效 果。并且由于步进电机无需反馈，其控制方式相对简单，位置误差不会累加，与伺服 系统相比可以大大的降低成本，在越来越多的汽车仪表中占据了一席之地。如奇瑞风 云轿车、哈飞赛豹轿车和捷达轿车等采用的都是步进电机式汽车仪表。 16 第 3 章 汽车智能数字仪表的硬件设计 3.1 汽车智能数字仪表的设计目标 本文根据目前国内汽车仪表的状况和要求，并通过对汽车仪表系统基本功能的分 析，完成基于单片机和步进电机设计出一款汽车智能数字仪表。该仪表能实现步进电 机带动表盘指针实时指示汽低功耗、清楚、直观、简单、容错性强、密封性好，已经 达到了国际汽车在行驶中的车速、转速、燃油、机油压力信号，并通过液晶显示汽车 行驶里程。该智能数字仪表精度高、线性度好、响应速度快、适应性强、记录准确、 性能稳定、车仪表的技术指标。 3.2 汽车智能数字仪表的设计技术路线 该汽车智能数字仪表采用传感器、单片机、步进电机、驱动电路等主要部件来实 现汽车智能数字仪表的设计。各种传感器采集到的模拟或数字信号经过整形、滤波后 将符合标准的信号输入给单片机，经单片机处理后发送指令给步进电机的驱动器使之 驱动步进电机指示仪表。 3.3 汽车智能数字仪表中关键器件的选择 3.3.1 微处理器的选择 微控制器选用 at89c51，其外围接口电路简单，成本低，而且它经过多年的发展， 技术也相当的成熟，而且其抗干扰能力较强、宽电压、功耗低、电磁兼容性好、可靠 性高、程序代码保密性好、体积小、具有完善的输入/输出通道，并且有合适的程序设 计语言，因此我们选用 atmel 公司生产的 at89c51 单片机作为该汽车智能数字仪表的 微处理器。其引脚图如图 3.1 所示: 17 at89c51 是由 atmel 公司生产的一种 8k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 (fperom-flash programmable and erasableread only memory)的低电压，高性能 cmos8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 atmel 公司特有的高密度非易失存储器制 造技术制造，与工业标准的 mcs-52 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器，为很多嵌式 控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。和 intel 公司的 mcs-51 系列单片机相兼 容，是国内外应用最广泛的单片机之一。 at89c51 的主要特性:兼容 mcs52 微控制器，8k 字节 flash 存贮器支持在系统编程 isp 1000 次擦写周期，256 字节片内 ram 工作电压 4.0v 到 5.5v，全静态时钟 o hz 到 33mhz，三级程序加密，32 个可编程 i/o 口，2 个 16 位定时/计数器，6 个中断源，全 双工 dart，低功耗支持 idle 和 power-down 模式，power-down 模式支持中断唤醒，看门狗定时器，双数据指针，上电复位标志。 3.3.2 步进电机的选择 本系统选用的步进电机是 switch 公司生产的 m-s 系列 x15.589，其针轴速度最高 为 600 度/秒。功能比较完备，精确度较高，而且性价比高，具有无累积 误差、成本低、控制简单等优点。x15.589 的特点如下: (1)一个整步可以分成三个分步; 18 (2)电流功耗低; (3)尺寸小(30mm* 9mm )、速度快(最快可达 600 度/秒); (4)静态扭矩大; (5)可以被控制器直接驱动; (6)适用的温度范围大(-40一-+105c). 另外由于 x15.589 步进电机的齿轮差速比为 l: 180，假如转动轴在脉冲信号的作 用下转动了 i 度，指针就会转动 180 度，完全适用于汽车仪表的要求。 我们选用与步进电机相匹配的驱动芯片为 x12.017，该芯片除了能驱动四个步进电 机外，还具有精确度高、控制简单等优点。由 cpu 的 i/o 端口发出脉冲信号给步进电 机驱动芯片，驱动表头步进电机。选用的是 switch 公司生产的驱动芯片 x12.017。它 采用了 cmos 技术，这也是我们选用它的一个原因;其选用它的另一个更主要的原因就 是，该芯片的设计是专门用来驱动 x 15.xxx，它和 x15.589 是配套使用的，该芯片可 同时驱动四个步进电机。其管脚图如图 3.2 所示: 3.3.3 电源电路设计 任何电子设备，其供电品质好坏直接影响了电子设备工作性能，汽车仪表也 不例外。汽车上的电气设备多，种类复杂，开关频繁，对电系干扰大，主要表现为欠 压和过压两种情况。欠压产生原因比较简单，主要是由于蓄电池存电量不足或低温长 时间启动时引起的；而过压产生的原因则比较复杂，可分为瞬变性过压和非瞬变性过 19 压两大类。瞬变性过压是指电系工作时，瞬时性出现的高于电源额定电压的现象。根 据过压的方向与电源电压的方向相同与否，又分为正向瞬变过电压和反向瞬变过电压 两种。 电源电路为整个电路提供电源，是电路设计不可缺少的一部分。电源电路的稳定性 决定着整个电路的可靠程度。在本设计中，整个电路需要+5v 电源。 电源电路是把市电交流 220v 经过变压器降压为交流 9v，再通过二极管整流、电容 滤波、三端集成稳压器 7805 稳压后输出正 5v 直流电源。电源电路图如下图： 图 3.3 电源原理图 3.3.4 时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步 时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按 时序进行工作。 在 mcs-51 芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 ，输出1xtal 端为引脚 ，在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路和微调电2xtal 容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。此电路采用 6mhz 的石英晶体。 时钟电路如下图 3.4。 20 图 3.4 时钟电路。 3.3.5 复位电路 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把 pc 图初始化为 0000h，使单片机从 0000h 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操 作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。 rst 引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续 24 个振荡周期（即 2 个机器周期）以上，若使用频率为 6mhz 的晶振，则复位信号持续 时间应超过 4 s 才能完成复位操作。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方 式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键电平复位是通过使 复位端经电阻与 v cc 电源接通而实现的。在本设计中采用了按键电平复位方式，其复 位电路如下图 3.5： 3.5 复位电路 21 3.4 汽车智能数字仪表中主要电路的设计 3.4. 1 车速里程表 1.原理框图 图 3.3 车速里程表原理框图 2.车速传感器的选择 选用合适的传感器，对确保实时测量的准确性非常重要。汽车速度传感器工作环 境恶劣、干扰严重，因此对性能的要求很高。 车速传感器的主要技术要求: (1)抗电气干扰。在汽车电气系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本 身要具有较强的抗各种干扰脉冲的能力，同时其输出也应不受脉冲干扰而引起输出信 号的不稳定。 (2)使用强度和寿命。一般由元件的材料和结构来保证。 (3)输出信号幅值。12v 电源的电路一般要求输出信号幅值 7.5v。 目前，对于速度的测量主要有三种类型的传感器:光电式、磁电式、霍尔式。其中 光电式传感器的特点是分辨率高，能够从零速度开始测量。但是，光电式传感器容易 受外界的影响，灰尘、振动等干扰很容易使其失效。磁电式传感器结构简单，抗干扰 能力强，在汽车发动机转速的检测中有很多的应用。但是，由于他为自发电性，在低 速时输出信号很微弱，在速度为零时无法使用，因此它也不适合用于测量车速。所以， 本设计选择了有良好的低速性能和抗干扰性能的霍尔式传感器作为车速传感器。 霍尔式传感器是利用霍尔元件制成的，霍尔元件是一种磁传感器。霍尔元件以霍 尔效应为其工作基础。霍尔原件有许多优点，它不怕灰尘、水汽、烟雾及油污等的污 染或腐蚀等，并且它的体积小、重量轻、结构牢固、寿命长、功耗小、安装方便、频 率高和耐震动等特点。霍尔原件可在各种与磁场有关的场合中使用，可以用它检测磁 场及其变化。 22 车速传感器是由霍尔集成式传感器、一个磁屏蔽叶轮、一个永久磁铁或磁极 组成。当磁屏蔽叶轮的一个叶片转到磁铁和霍尔集成式传感器之间的空隙时，磁 场就中断了:当磁屏蔽叶轮的一个窗口转到磁铁和霍尔集成式传感器之间的空隙时，允 许磁场通过，并不受阻碍的传到霍尔集成式传感器上。磁屏蔽叶轮的窗口开和闭遮断 磁场，导致霍尔集成式传感器像开关一样接通和关断，这就是一些汽车厂商将霍尔效 应传感器和其它类似电子设备称为 霍尔开关的原因，该组件实际上是一个开关设备。 霍尔传感器的工作特点: (1)工作电压范围宽。由于其内部己集成有稳压器，故其在 4.5v-24v 这样一个较 宽的范围内均能正常工作。 (2)具有高速响应特性及很高的工作频率。由于产生霍尔电压的条件与所感应磁体 的变化速率无关，因而可以用来感应快速物体(磁体)的变化，工作频率可达 1 ookhz。 (3)输出信号幅值不变。由于内部开关电路的作用，其输出幅度与感应物体(磁钢) 的速度无关，不像常用的磁感应式传感器输出信号的幅度随速度的高低而变化，且低 速时易产生信号丢失的现象。 (4)输出高低电平的占空比与磁体的占空比成一定程度的线性关系。 (5)抗磁场干扰能力强。由于器件内部固有的磁滞特性，使得由于外来杂散磁场及 本身的抖动而引起的磁场强度的少许变化，不会引发错误的输出信号。 开关型霍尔传感器，又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔元件、差分放大器，施 密特触发器和输出级组成，开关型霍尔集成传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输 出一个高电平或低电平的数字信号。其内部框图如图 3.4 所示: 23 在本系统中选用了 ugs-3040t 霍尔集成式传感器，ugs-3040t 有如下特性: ( l )电源电压 4.5v-24v; ( 2 )工作温度范围一 40c-125c; ( 3 )闽值(工作点)磁通典型值 1506; ( 4 )释放点磁通典型值 1006; ( 5 )最大输出电流 25ma。 环境温度对工作点和释放点的影响的特性曲线如图 3.5 所示： 24 图 3.6 ugs-3040t 的输出特性 3.前置电路的设计与分析 通过传感器得来的车速信号，属于不规则不符合要求的频率信号，如果直接将这 样的信号传给微处理器进行脉冲计数，不规则的频率信号会导致脉冲计数发生错误， 我们就必须先经过限幅、滤波、施密特触发器整形、反相器反相才能符合要求，这就 是前置电路的作用，也可称为接口电路，其车速里程表的前置电路如图 3.7 所示: 与其它的显示器件相比，lcd 具有工作电压低、功耗小、与 cmos 集成电路配合性 能尤佳、寿命长、无辐射、无污染、抗震性好、生产成本低等优点，因此里程的显示 我们采用 lcd 的显示方式，但不是通过单片机直接驱动 lcd 来显示，而是利用 lcd 的 驱动芯片 pcf8576 来驱动 lcd 显示里程。pcf8576 的引脚图如图 3.8 所示: 25 4电路原理图 26 3.4.2 发动机转速表 1.原理框图 2.转速传感器的选择 27 目前，对于转速的测量主要有三种类型的传感器:磁控电阻式、可变磁阻式、霍尔 式。磁控电阻式传感器采用微电子信号集成处理技术，传感元件和信号处理装置集成 在一块芯片上。该传感器的优点是:可传感零转速，传感器空气间隙最大可达 3mm,具有 良好的温度稳定性(最高工作温度可达 200c )。但是该传感器尺寸中等、价格中等、 需要外接电源。这种传感器也称为电磁感应式传感器，会产生磁脉冲信号，该信号是 由信号转子的旋转运动使磁通量必发生变化而在感应线圈中产生的感应电动势。 。可变 磁阻式传感器的优点是价格低、尺寸小、自发交流信号无需外电源、具有良好的温度 稳定性;缺点是信号转子在零转速时无信号输出，信号变化的幅度取决于信号转子的转 速，需要另外的信号处理电路，可变磁阻式传感器内空气间隙要求小于 2mm。所以，本 系统选用霍尔式传感器，该传感器采用双极半导体技术，将放大、温度补偿、信号处 理都集成在一块芯片上。其优点是:价格低、尺寸小、可测量零转速、良好的线性。 霍尔式转速传感器是利用霍尔效应的原理制成的，霍尔效应是指在一个矩形半导 体薄片上有一电流通过，此时如有一磁场也作用于该半导体材料上，则在垂直于电流 方向的半导体两端会产生一个很小的电压，该电压就称为霍尔电压。当磁性材料制成 的传感器转子上的凸齿交替经过永久磁铁的空隙时，就会有一个变化的磁场作用于霍 尔原件(半导体材料)上，使霍尔电压产生脉冲信号，根据所产生的脉冲数目即可检测 转速。 3.前置电路的设计与分析 同车速信号一样，转速信号在受到干扰情况下也属于不规则不符合要求的频率信 号，我们也必须经过限幅、滤波、整形等接口电路。前置电路如图 3.11 所示: 28 4.电路原理图 3.4.3 燃油表 1.原理框图 29 2.燃油传感器的选择 燃油表的传感器选用可变电阻式(浮子式)燃油传感器。浮子一可变电阻式液位传 感器是由浮子、内装滑动电阻的本体以及连接这两者的浮子臂构成。浮子可随液位上、 下移动，这里滑动臂就在电阻上滑动，从而改变电阻值，使检测回路产生不同的电信 号。当在整个电阻外部接上固定电压时，燃油高度就可根据接片 相对地线的电压变化输出测量值。 3.前置电路的设计与分析 燃油传感器传来的信号量属于电阻量，是模拟量，先通过电阻将其转换为电压量， 在进行限幅、滤波、整形后处理成标准的方波信号送入 a/d 转换器进行模数转换，变 成数字频率信号，最后送入 cpu 处理。转换电路如图 3.14 所示: tlc 1543idw 是美国 ti 公司生产的一种的模数转换器。采用这个芯片主要 是由于它具有串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点， 可广泛应用于各种数据采集系统。 tlc 15431dw 为 20 脚 dip 封装的 cmos 10 位开关电容逐次 a/d 逼近模数转换器， 它将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次 逼近输入模拟量对应的值，这样做的目的是为了得到更精确的数字量。其管脚图如图 3.15 所示: 30 采集的电阻信号经过各电阻电压转换，由电容的滤波处理，消除一些干扰信号和 突发的尖峰信号，在由二极管进行限幅，去掉 0 刻度线一下的波形。经过滤波、限幅 整形后的燃油信号接入 tlc 1543idw 的引脚 ao(即引脚 1)。限幅后的信号经过 8 通道 的 a/d 转换芯片 tlc 1543idw 进行 a/d 转换，将油量和水温的模拟信号转换成数字信 号。 31 将上述转换后的数字信号由引脚 10-clk(即引脚 18),addr-1n(即引脚 17), addr- out(即引脚 16), /cs(即引脚 15)分别送入 a 丁 89c52 的引脚 p 1.0/t2(即引脚 40), p0.0 (即引脚 37), p 1.1 /t2ex(即引脚 41), p1.5/mosi(即引脚 1)中，再由单片机处理后 驱动 x12.017，进而以此来驱动步进电机，显示仪表读数。 4.电路原理图 电路原理图如图 3.16 所示。 3.4.4 机油压力表 1.原理框图 2 机油压力传感器的选择 目前，机油压力传感器主要有四种类型:半导体压阻式、陶瓷压阻式、脉冲电热式 和力敏式。其中，半导体压阻式的特点是灵敏度高、测量范围宽、输出信号大、易于 集成。但是，抗油污和机油中的微型金属颗粒摩擦和冲击的能力差。 陶瓷压阻式的特点是、抗磨损、抗冲击、输出信号强、抗腐蚀性好。但是，这种 传感器主要靠进口，所以成本高。脉冲电热式传感器上装有触点，显而易见，长期频 繁工作在开闭场合，触点间产生的电弧对触点的烧蚀所引起的测量误差将随电压的提 高而增大，其可靠性及寿命亦难以达到有关标准的要求。而力敏式机油压力传感器是 近几年脱颖而出的新产品，它结构简单、成本低廉、灵敏度高、可靠性强。因此，机 油压力表的传感器选用力敏式机油压力传感器。将传感器安装在发动机主油道上，可 将发动机润滑油的压力变化转换为脉冲信号送入微处理器。 3.前置电路的设计与分析 力敏式机油压力传感器输出的信号不是标准的方波信号，而且往往附加有许多干 扰，前置电路的任务是去除其中的干扰信号，并把信号整形为标准的方波信号输入给 单片机。在设计中采用微分电路配合开关三极管，并采用光电藕合器使外部电路与单 32 片机隔离，降低干扰。机油压力表的前置电路如图 3.18 所示: 4.电路原理图 33 3.5 汽车智能数字仪表的设计 3.5.1 设计的基本思想 根据前文对传感器、单片机、步进电机以及显示器件的选择，该汽车电子智能数 字仪表设计基本思想是通过多种传感器采集到的模拟或数字信号经过前置处理电路滤 波、放大、隔离、整形后成为标准的方波信号送入单片机，经单片机处理发送指令给 步进电机的驱动器使之驱动步进电机指示仪表。 34 3.5.2 智能数字仪表的设计框图 3.5.3 主要功能 该汽车智能数字仪表可实现的主要功能如下: 1.采用通用单片机，用硬件和软件相结合来实现对系统的控制。 2.用步进电机带动表盘指针实时指示汽车在行驶中的车速、转速、燃油量、机油 量四路信号。 3.用液晶显示汽车行驶里程(累计)。 4 表盘展开角:燃油和机油压力表的展开角为 90 度，车速展开角为 245 度，转速的 展开角为 180 度。在程序设计时，展开角作为变量来处理，根据实际需要，可以随时 调整。 5.电源掉电和上电时，表头指针能复位回零，燃油表除外。 35 第四章 汽车组合仪表的软件设计 4.1 软件设计思想 软件设计是在硬件设计基本完成的基础上进行的。在软件设计过程中，进一步完 善硬件设计存在的问题，互相补充、协调，并最终完成软件与硬件的定型。 36 4.1.1 语言选择 c 语言是一种编译型程序设计语言。它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语 言的功能。用 c 语言编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，并明显的增加软件的 可读性，便于改进和扩充，己研制出规模更大、性能更完备的系统。用 c 语言进行单 片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。单片机程序设计语言应以 c 语言为主， 汇编语言为辅。采用 c 语言编程不必对单片机和硬件接口的结构有很深入的了解，编 译器可以自动完成变 量的存储单元的分配，编程者既可以专注于应用软件部分的设计，大大加快软件的开 发速度。采用 c 语言可以很容易的进行单片机的程序移植工作，有利于产品中单片机 的重新选型。所以采用 c 语言编程有一下特点: (1)程序易读。对于一些层次较低的语言(如汇编语言)，在阅读语言程序时，通常 要把大部分的精力和注意力集中到分析一些细节问题，如为什么把一个数据传送给一 个寄存器，为什么把某个标志位清零等。当把注意力放到这些问题上时，就会很容易 把程序的主线忽略了。我们要想解决这类问题，就要采用高级语言(c 语言)，因为高级 语言的语意层次和表达方式都更加的接近人们的日常思维方法，一些数学表达式可以 直接用一条语句表达，程序的思路更加清晰、简捷，因此程序也就容易阅读。 (2)通用性强。随着微处理器技术的不断发展，其功能越来越具体，种类越来越多， 而不同种类的微处理器都有自己专用的